（控制科学与工程专业论文）基于mvb的机车控制电源在线故障诊断系统的研究.pdf

摘要控制电源作为电力机车的一个重要部分，其性能的好坏直接影响到机车的运行。本文以电力机车的控制电源为对象，研究了基于多功能车辆总线( m v b ) 的在线故障诊断系统。文章首先分析了课题研究的目的及意义，根据机车故障诊断技术的发展与现状，提出了研究的框架与重点。然后作者在深入研究了电力机车控制电源的组成与原理后，通过比较各种故障诊断方法，确定了使用基于图论的故障诊断方法。在对基于图论的故障诊断方法进行深入的分析研究后，将其应用到控制电源的诊断中，建立了控制电源的故障传播有向图，再分别计算了系统的邻接矩阵、可达矩阵，并得到了故障的分层结构图。然后，利用故障源定位算法对控制电源进行了实例分析。作为一个车载系统，设备与列车网络的通信问题显然是研究的重点。本文研究的诊断系统利用m v b 总线控制器来实现与列车网络的通信。文章在对m v b 总线控制器的开发方式进行论证后，根据m v b网络的通信原理，利用f p g a 设计了符合t c n 标准的m v b 总线控制器。它具有p c i 0 4 接口，能很好的实现故障诊断主机与列车网络的之间的通讯。本文选用p c i 0 4 嵌入式工业控制计算机作为故障诊断主机。它具有体积小、功耗小、易于开发等特点，使得系统的可扩展性良好、设计难度降低，可以缩短设备的设计周期，利于产品上市。关键词：故障诊断，电力机车，m v b ，控制电源，图论a b s t r a c tc o n t r o lp o w e rs u p p l yi sa l li m p o r t a n tc o m p o n e n to fe l e c t r i cl o c o m o t i v e ，w h i c hh a sd i r e c ti m p a c tt ot h eo p e r m i o no ft h el o c o m o t i v e t h i sp a p e rt a k e sc o n t r o lp o w e rs u p p l yo fe l e c t r i cl o c o m o t i v ea sa l lo b j e c t ，h a ss t u d i e dt h eo n l i n ef a u l td i a g n o s i ss y s t e mb a s e do nt h em u l t i f u n c t i o nv e h i c l eb u s ( m v b ) i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o ra n a l y z e st h ep u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c et or e s e a r c ht h ep r o j e c tf i r m l y , a n dp u t sf o r w a r dar e s e a r c hf r a m e w o r ka n df o c u s ，a c c o r d i n gt ot h ep r e s e n td e v e l o p m e n ts i t u a t i o no fl o c o m o t i v ef a u l td i a g n o s i st e c h n o l o g y a n da f t e rs t u d y i n gt h ec o m p o s i n ga n dt h et h e o r yo fc o n t r o lp o w e rs u p p l yd e e p l y ，c o m p a r i n gv a r i o u sk i n d so ff a u l td i a g n o s i sm e t h o d ，t h ea u t h o rd e c i d e st ou s et h ef a u l td i a g n o s i sm e t h o db a s e do ng r a p ht h e o r y t h e nt h i sm e t h o di si n t r o d u c e di nd e t a i l ，a n di sa p p l i e di nt h ef a u l td i a g n o s i so fc o n t r o lp o w e rs u p p l y t h e nt h ea u t h o rs e t su pt h ef a u l tp r o p a g a t i o nd i g r a p h ，a d j a c e n tm a t r i x ，a t t a i n a b l em a t r i xa n dl e v e ls t r u c t u r i n gg r a p hf o rc o n t r o lp o w e rs u p p l y a sa no n l i n es y s t e m ，c o m m u n i c a t i o np r o b l e mo fe q u i p m e n ta n dt r a i nn e t w o r ki so b v i o u s l yaf o c u si nt h ep a p e r t h ed i a g n o s i ss y s t e ms t u d i e di na r t i c l eu s e st h em v bc o n t r o l l e rt oc o m m u n i c a t ew i t ht r a i nn e t w o r k i nt h ep a p e r , a f t e rc o m p a r i n gs e v e r a ls t u d ym e t h o da n dr e s e a r c h i n gt h ep r i n c i p l eo fm v bc o m m u n i c a t i o n ，t h ea u t h o rp r o p o s e st h ed e s i g no ft h em v bc o n t r o l l e ru s i n gf p g a t h i sc o n t r o l l e rc o n f o r m st ot h et c ns t a n d a r d ，a n dh a sp c10 4i n t e r f a c ew h i c hc a 1 1w e l lr e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h eh o s tc o m p u t e ro ff a u l td i a g n o s i sa n dt r a i nn e t w o r k t h ea r t i c l ec h o o s e st h ep c10 4e m b e d d e di n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e ra st h eh o s tc o m p u t e ro ff a u l td i a g n o s i s i th a ss e v e r a lm e r i t ss u c ha ss m a l ls i z e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，e a s yt od e v e l o pa n ds oo n t h e s ec h a r a c t e r i s t i cm a k et h es y s t e me x t e n de a s i l ya n dr e d u c et h ed i f f i c u l t yo fd e s i g n i n g ，a n dc a ns h o r t e nt h ed e s i g nc y c l e ，h e l pt op r o d u c t sg o i n gt ot h em a r k e t k e yw o r d s ：f a u l td i a g n o s i s ，e l e c t r i cl o c o m o t i v e ，m v b ，c o n t r o lp o w e rs u p p l y , g r a p ht h e o r yi i原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者虢t 伟酤眺沙移j 年f 月珥日关于学位论文使用授权说明本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。作者签名委t 卜导蔑导师签名广：刃驴7 年9 月玎日硕士学位论文第一章绪论i i 课题研究背景第一章绪论目前，我国的铁路运输进入了高速发展的阶段。随着国民经济的发展，原来低速轻载的铁路运输已不能满足经济快速增长的需要，所以国家明显加快了高速重载铁路的建设，不仅对轨道进行了技术升级，同时投入了很大精力引进消化并研制高速重载型的机车。由于铁路运输的高速化、重载化，必然给机车的运行带来更大安全隐患。近年来发生的几起铁路交通事故就给我们敲响了警钟。2 0 0 8 年4 月2 8 日凌晨4 时4 1 分，北京开往青岛的t 1 9 5 次列车运行到胶济铁路周村至王村之间时脱线，与上行的烟台至徐州5 0 3 4 次列车相撞，造成7 1 人死亡4 1 6 人受伤的重大事故。2 0 0 6 年4 月1 1 日9 时3 2 分，南昌铁路局青岛开往广州东的t 1 5 9 次列车，行至京九下行线林寨站至东水站问时，以4 8 公里的较快时速，撞上正在停靠的武昌开往汕头的1 0 1 7 次列车，导致1 0 1 7 次列车最后4 节车厢脱轨。2 名铁路职工当场死亡，1 8 名旅客受伤，构成重大事故。2 0 0 5 年7 月3 1 日1 9 时5 2分，由西安开往长春的k 1 2 7 次旅客列车行至长大线新城子一新台子间，与前行的3 3 2 1 9 次货物列车发生追尾，造成5 节客车脱轨，6 名旅客死亡，3 0 名旅客受伤；至次日1 2 时4 8 分，长大线上下行才相继恢复通车。这些事故带来的惨重损失告诉我们，机车的行车安全问题必须得到我们的重视。如何保证机车运行时不出现安全事故，这是困扰了几代铁路工作人员的问题。给机车装备实时的监控系统是最有效的方法，它可以对机车的各个组成部分的状态进行实时的监测，具有故障预警功能，并且能在机车发生故障后迅速搜索故障并给出解决方案。西方发达国家在这方面的研究起步较早，技术已较成熟，但也还在很多缺陷。而我国对机车运行安全监控问题的研究才刚刚开始，很多技术都是靠引进国外的。因此，投入更多的力量研发行车安全监控系统，是我国铁路发展的重要目标。1 2 问题的提出与意义为了降低由于人为产生的错误或者其他原因造成的失误，提高机车运行的安全性，有必要研究一种新型的基于计算机辅助的，可以脱离人为因素的机车故障诊断系统。这种故障诊断系统应该能达到人工监测的能力，同时由于基于计算机辅助，所以不易出现错误，能大大提高机车监测的效率，减小观察错误或判断错误，同时可以将司乘人员解放出来【1 1 。对机车的工作状态进行在线监测和故障诊硕士学位论文第一章绪论断，是提高机车检修效率和行车安全的一大课题。随着现代科技技术的发展，人工智能的成熟，解决上述问题已经成为可能，进行机车在线监测与故障诊断的理论、方法和应用研究具有重大的理论意义、现实意义和广阔的市场前景【2 1 。本课题来源于本中南大学信息科学与工程学院轨道交通与电力牵引研究所的国家8 6 3 项目列车安全状态检测及故障预警技术。项目研究的目的在于解决列车故障诊断问题。作为8 6 3 项目的一个研究方向，本文旨在对电力机车控制电源的在线故障诊断进行研究。电力机车的控制电源作为机车的重要组成部分，它状态的好坏直接影响整个列车的安全运行。以前对控制电源的诊断一般是在机务段或检修段完成，也就是在列车定期进段检修时才会对它的性能进行检测。而且检测时通常是单独把控制电源柜从机车上拆卸下来进行离线试验。然而，机车的质量状态参数特征，绝大多数只有在机车运行的动态过程中，才会有真实的表象，在地面静止的状态下，有些现象是很难模拟出来的，而且有些参数的故障也只有在机车长时间运行的条件下才会发生。因此，地面综合参数的检测和诊断，不能充分反应机车在运行过程中的真实状态。同时，机车故障的发展是渐变的，故障在发生之前存在着一个较长时间的发展过程，机车上现有的模拟和数字仪表，主要是用来显示机车当前参数的，它不能记录和反应机车各参数的发展过程，也没有对各参数进行实时的监测和诊断。因此，随着机车状态检测和维修技术手段的不断更新和发展，需要对机车随车的动态信息进行实时监测和诊断记录，对故障发展的过程进行监控，及时诊断和报警，提醒司机进行正确的判断和处理，防患于未然，大大减少机车故障、损坏和事故的发生。因此，研究控制电源的在线故障诊断技术是很有意义的。所谓在线，就是列车工作人员在机车上能实时的监控控制电源的状态。这就要求这个故障诊断系统能与车载的通信网络( t c n ) 能够很好的对接，使得系统可以通过t c n 与乘务人员进行信息的交流。本课题采用多功能车辆总线( m v b ) 来实现这一功能，它既能满足故障诊断系统所需的实时性，又便于实现。1 3 机车故障诊断技术的发展与现状故障诊断( f a u l td i a g n o s i s ) 始于机械设备故障诊断，其全名是状态监测与故障诊断i 引。它包含两方面内容：一是对设备的运行状态进行监测：二是在发现异常情况后对设备的故障进行分析、诊断。设备故障诊断是随设备管理和设备维修发展起来的。故障诊断是- - f l 综合性技术，它由各学科相互渗透、相互交叉，相互促进融合而成，涉及了现代控制理论、信号处理、计算机技术、模式识别以及人工智能等多个学科【4 】。从科学的大环境来看，故障诊断技术的产生也是各学科交叉2硕十学位论文第一章绪论发展的必然。四十年代以来，人们的生产方式日益向大工业方向发展。在这种宏伟的大背景下，系统论，混沌学等纷纷诞生，尤其是控制理论出现了一些重大的突破，产生了一系列的现代控制方法。随着生产系统的逐渐庞大与复杂，如何避免运行中的故障发生，这就要求有- - i 相应的诊断技术。同一时期，电子技术尤其是计算机技术的发展，为系统设备诊断提供了必要的技术基础。六十年代，快速f o u r i e r 变换的出现，使得诊断技术的发展产生了飞跃。近些年来，传感器技术的发展，信号处理系列技术，如各种滤波技术，各种谱分析技术，人工智能系列技术，如专家系统，模糊数学，神经网络等，以及其它技术在故障诊断中的应用，使得系统诊断技术逐渐完善净】。目前故障诊断技术的发展方向多集中在神经网络的学习算法及与专家系统的结合。当然还有一些比较新颖的理论，如免疫系统原型们，遗传算法等生物工程理论用于故障诊断。机车故障诊断技术则是从传统的机械设备故障技术发展而来。经过长期的发展过程，机车状态监测和故障诊断系统已成为铁路行车安全保障体系的重要组成部分。它主要利用了车载设备和地面设备对列车运行状态参数进行实时跟踪检测，根据这些参数利用诊断系统查找、判断并排出故障，达到安全监控的目的。国外高速铁路均以列车监测诊断系统作为其安全可靠运行的基础之一【7 】。高速铁路的发展使铁路装备技术水平跃上了新的台阶。目前，发达国家已经从传统的地面信号显示传递行车命令、机车司机按行车规则操纵列车运行的方式发展到了根据地面发送的信息自动监控机车速度且自动调整列车运行和追踪间隔的方式。实现这一方式的关键技术是机车速度自动控制系统。发达国家凭借科技实力、资金、基础元器件等的支持，以及多年来在专用微机设计方面的经验，在车载微机系统研究和设计、制造等方面具有显著的优势。随着光纤通信、计算机、信息传输、传感器与信息处理等新技术的发展，国外铁路部门研制了众多有效的在线检测或在线监测方法，能及时、准确地发现机车的故障与缺陷。例如，法国t g v 高速列车成功地采用了光纤通信技术，将列车重要零部件、牵引电动机、齿轮变速系统等设备的状态信息、运行工况以在线方式及时传输到司机操纵室，司机可以随时了解整个列车关键设备的状态，有助于发现设备故障，及时维修处理，防止各类事故嘲。德国i c e 高速列车自检系统可在列车运行过程中不断检测列车的运行状态及机车车辆、电器和机械方面的故障，记录发生的不正常现象，其数据可存储也可用文字或图形显示：一旦发生故障，不仅能够报警，还可以通过i c e 的无线通信系统将维修所需的重要诊断数据传送给有关的检修段，使其作好快速修复准备。日本新干线高速列车也采用了设备监测与诊断技术，以及现代化的列车控制、信息装备，司机室设有速度控制屏、运行监控屏、设备故障自动诊断装置等，能随时对车辆设备进行动态监测，自动显示出故障准确部位，3硕十学位论文第一章绪论司机还可监控a t c 系统状态；科学的管理，加上现代化的监测、运行控制体系，确保了日本高速铁路运营逾3 0 年无行车事故【9 】。我国在这方面与发达国家相比还有相当的差距，但是随着经济的不断发展和科技的进步，在机车故障诊断方面也有了长足的进步。在铁道部运输局装备部的宏观指导与积极推动下，铁道科学研究院、中南大学与北京交通大学等院校、一些铁路局科研所、铁路外科研机构等在铁路局、机务段和车辆段的配合下，进行了内容广泛的诊断技术研究、开发和应用，技术上取得了很大进展，并获得了明显的经济效益。所采用的故障诊断方法主要有温度探测、光铁谱分析、电气参数检测动态压力检测及振动诊断等，新的理论、方法和技术的探索与应用包括模式识别、灰色系统、模糊数学、专家系统、小波变换、神经网络、遗传算法等【1 1 。我国铁路部门近几年来采用红外线轴温监测装置，对运行中的列车轴承进行动态监测，取得显著成效。例如衡阳车辆段曾经利用红外线轴温监测技术，检测出5 次特快列车一辆车的轴承出现异常温度，发现该轴承保持架全部断裂，及时检修，防止了一起客车热切轴的重大事故。用来探测红外辐射的红外测温仪器主要有两大部分组成，一是精密光学系统，二是红外探测器。光学系统收集视场内辐射源发射的红外辐射能，再通过灵敏的红外探测器，将辐射能转化成便于测量的其他物理量。红外监测仪器是非接触式测温方法，它具有可测远距离、高速运转或带电的物体、反映速度快、灵敏度高、误差小、测量范围广的优点f 7 1 。铁道科学研究院开发了火车运行状态地面安全监测系统，可监测运行货车的动力学状态、踏面擦伤和超偏载，已在京沪铁路线上安装应用。郑州铁路局郑州铁路科研所采用多点式轨腰压缩法开发了车轮擦伤动态检测系统，根据车轮对钢轨冲击力的大小，在线检测车轮擦伤的位置和尺寸，已在现场安装使用l l o l 。北京铁路局北京科学研究所研究了光谱和铁谱分析技术在机车故障诊断中的应用，取得了一定的成果。另外，北京交通大学、西南交通大学、哈尔滨铁路局齐齐哈尔铁路科研所等分别开展了机车电气线路故障的检测、诊断研究，其中齐齐哈尔铁路科研所开发的d f 4 机车主电路及控制电路检测仪在全铁路机务系统中获得了比较广泛的应用。北京交通大学应用专家系统和神经网络方法研究了d f 4机车电路故障的智能诊断技术，提出了机车电器电路故障诊断系统的基本组成及车载诊断系统的基本结构i i 。2 0 世纪9 0 年代中后期以来，我国开发的新一代准高速、高速机车和动车大都安装了具有控制和故障诊断功能的车载计算机，如s s g 型电力机车、神州号内燃动车组动力车等，其车载微机控制系统均具有某些部件诊断功能【1 2 l 。株洲电力机车研究所等开发了列车运行监控记录装置及机车安全信息综合监测装置，可随车监测和记录列车的运行信息以及弓网状态等信息【1 3 】。铁道科学研究院等4硕十学位论文第章绪论开展了旅客列车安全监测技术的研究，开发了相应的监测装置，可对车辆动力性能等进行实时监测，进一步提高列车的安全性，现已开始批量撞车1 1 4 1 。虽然目前我国许多铁路相关科研单位与企业已经在机车故障诊断方面下了不少功夫，但与发达国家的水平相比较这还远远不够，特别是在车载的故障诊断系统方面国内尚属于起步阶段。1 4 本文的主要工作本文以电力机车控制电源为研究对象，构建一个基于m v b 的在线故障诊断系统，使其能够在机车运行过程中在线实时的检测控制电源的状态，实现机车控制电源的在线故障诊断，并为车乘人员对机车检修提供有价值的数据。本文一共由六章组成，主要内容是：第一章，绪论。阐述了课题背景、研究的意义以及机车故障诊断技术的发展和国内外的研究现状。第二章，电力机车控制电源的结构与分析。这一章对电力机车控制电源的内部结构及各个部分的功能原理进行了分析。第三章，控制电源故障诊断算法的研究。这一章介绍了基于故障传播有向图的故障诊断理论，并将其应用于电力机车控制电源的故障诊断实例当中。第四章，故障诊断系统的m v b 接口设计。本文设计的是一个车载系统，所以需要提供一个与列车网络连接的接口，这一章设计了基于i e c 6 1 3 7 5 标准的m v b 总线控制器，它负责故障诊断主机与列车网络之间的通讯。第五章，故障诊断系统的实现。这一章为故障诊断系统主机建立了软硬件操作平台，给出系统的软硬件组成框架，同时对系统数据采集电路进行了比较详细的分析和设计。第六章，总结与展望。对全文作了总结，并对本文的不足之处以及未来的研究方向进行了分析展望。5硕十学位论文第二章电力机市控制电源的结构与分析第二章电力机车控制电源的结构与分析韶山系列国产电力机车进入第三代以后，交直流传动相控整流电力机车技术日趋成熟，因此提出了电力机车的标准化、型谱化、模块化，这对推动电力机车性能、质量的稳步发展具有重要意义。己经标准化、模块化的电源综合柜是电力机车上的重要部分，专门为电力机车提供所需的各种电压和控制信号，关系到机车上整个电子系统的工作质量。电源综合柜有控制电源柜和电子控制柜两个部分，两者是组装在一起的。其中控制电源柜专门为机车上的电子控制柜和其他的电子设备提供工作电源。控制电源柜可以为机车系统提供直流1 1 0 v 、4 8 v 、2 4 v 和1 5 v 电源。为了满足这些要求，机车上的控制电源柜中集中了一些电源功能模块插件，专门产生所需电压，其中的电源功能模块主要有稳压触发板和控制斩波板。电子控制柜中有控制斩波板，产生5 v 、正负1 5 v 、正负2 4 v 电压。为了保证电源综合柜工作的可靠性和安全系数，在电源综合柜内的每一块电源板插件都有一个块备用板。按照机务段机车检修的要求，这些电源板在上车之前一定要确认它们是否能够j 下常工作。但是即使如此，也不能保证在列车运行中不会出现某些问题，因此为电源综合柜构建一个车载的故障诊断系统尤为必要。由于本文的研究对象是控制电源，因此本章只对控制电源柜的结构进行介绍和分析，并在本章的最后一节引出对控制电源的故障诊断的分析。2 1 控制电源的基本构成电力机车上的d c l1 0 v 电源是由控制电源柜及蓄电池组构成。在通常运行情况下，两者并联为机车提供稳定的1 1 0 v 电源；在降弓情况下蓄电池供机车做低压实验和照明用；在运行中电源柜故障情况下，蓄电池作维持机车故障运行的控制电源。控制电源柜的柜体分为高低两部分，如图2 1 所示。低柜的上方安装机车的电子控制柜，如图中虚线部分。低柜内上层装有晶闸管整流桥v 1 v 4 及v 5 ，整流桥的后面是阻容板及晶闸管的触发装置。低柜下层装有电源变压器3 0 t ，电抗器5 0 l 。高柜顶端是该柜对外连线的两个2 0 芯插座。高柜内上层是电控插件箱及双风机，电控插件箱中装有一个a ，b 组转换的开关及4 块插件，其中两块11 0 v电源的“稳压触发 插件，两块是“电源”插件( 即1 1 0 v 变4 8 v2 4 v 1 5 v 一辅助控制斩波电源) 。每块都是相同的，以备a 、b 组转换使用。一组故障，可通过a 、b 组转换开关转换成另一组，确保正常工作。中层的开关板上装有电压6碗十学位论文第二二章电力机车控制电榷的结构与分析表和电流表、照明灯泡、小开关、全车的i i o v 控制电路自动开关和交流的取暖、窗加热、空调、电炉的自动开关。这些自动开关均为自动脱扣、手动恢复。开关板上还装有两个丌关：整流输出开关，即整流桥输出与蓄电池相连接的开关；负载开关，即l l o v 电路的总负载开关。图2 - 1 电滩拒结构示意图l 一电源变压嚣：2 整流嚣组装；3 一阻客板组装；4 一穗波电抗嚣5 一机车电子柜：6 一对外联接插座；7 一电控插件箱：8 一风厢9 一开关板组装1 0 一接线端子2 2 控制电源主电路电力机车1 i o v 电源柜主电路采用全波半控桥整流电路，其原理图如2 - 2 所示。其输出的整流电压经电抗器，电容滤波后，向蓄电池充电，并向机车控制电路供电。电源变压器3 0 1 的原边通过低压柜的库用转换开关接到牵引变压器辅助绕硕士学位论文第二章电力机车控制电源的结构与分析组上，得到3 9 6 v 单相交流电，随网压变化；其次边输出2 2 0 v 送到半控桥，经v l v 4 整流，再经5 0 l 电抗器、5 5 c 电容滤波后，成为较平稳的直流电压。5 0 l为带铁心的电抗器，电感值约l o m h ：5 5 c 为电解电容器c d l 3 型1 0 0 0u f 3 5 0 v ( 装在开关板后面) ，二级管v 3 、v 4 兼起续流作用。通常情况下，1 1 0 v “晶闸管电源”与蓄电池并联运行，向机车控制电路提供1 1 0 v 电源。蓄电池也相当于一个数干微法的电容，在线路上兼起滤波作用，从而保证静态电压脉动小于5 v ，因此工作时不得断开蓄电池。整流电压的平均值眈，由公式虬= 0 4 5 u 2 ( 1 + c o s a ) 可知，与整流桥的输入电压，和晶闸管的移相角口由关，当阢随网压变化时，可通过自动调节口角达到稳压的目的。当出现过电流也可以通过自动调节口角降低达到限流的目的。变压器次边的k b c 、k b r 是用来吸收操作过电压的，整流管及晶闸管两端的c l 、r 1 、c 2 、i 也、c 3 、c 4 用来保护元件，吸收换向过电压。由输出端引出1 1 0 v 正电压反馈信号，供控制系统进行稳压自动调节。电阻5 3 r 引出负的电流反馈信号，供控制系统进行限流自动调节。1 2 了3 舭量程拟。一c 3_薹b c - l5 5 c =；负，2 2 0 v i裁k b r r uc 2=i 一“：w习r1 】r 2 下5 3 r2 0 6= ：矗。i ，。k l 。2 l 嚣q b2 0 8j吲 l，。tl图2 - 2 电源柜主电路原理图电路中蓄电池的功能是：整流输出通过开关l 与蓄电池并联，然后再通过开关2 接通负载。其优点是：如果整流桥出现故障，拉开开关l ，整流桥全部脱离8硕+ 学位论文第二章电力机车控制电源的结构与分析蓄电池，当负载出现故障时，拉开开关2 ，可同时切断与电源正、负两端的联系，避免了s s l 、s s 3 型机车电源柜只拉开接地阀门雨负载带有悬浮正电位的弊端，此电位对查找故障是非常不利的。在1 1 0 v 电源输出回路加装了整流二极管，它的作用是：当一节车电源柜故障，需另节车的电源柜重联运行时，可防止处在工作中的d c l l 0 v 电源柜负载过重，甚至达到限流值，用二极管阻断了对故障端蓄电池组的充电，同时也保护蓄电池不受外来高电压及反向电流的冲击。2 3 电源插件的工作原理2 3 1 电源稳压插件l 、稳压工作原理电源稳压触发插件保证主电路输出电压稳定在直流ilo v 左右，其稳压控制系统由同步信号、电源、调压器和移相触发等环节组成。其控制原理框图如图2 3 所示。图2 3 电源稳压触发插件原理图电源稳压触发插件是通过电压调节器和电流调节器，自动改变晶闸管触发脉冲移相控制角，达到稳定输出电压，限流保护的目的。调节器的电压给定及电流给定由内部电源环节设定。电压给定为一恒定负值，电压反馈信号取自输出电压经电阻分压器得到，两者在调节器输入端进行比较；电流给定信号为一恒定正值，电流反馈信号取自1 1 0 v 电源回流线上的信号电阻，两者在电流调节器的输入端9硕士学位论文第二章电力机车控制电源的结构与分析进行比较，当未达到的电流限制值时，触发脉冲的前移与后移( 也就是输出直流电压的增加或减少) 将由电压调节器的来控制。只要电压给定恒定不变，直流输出电压也将保持不变。当负载电流达到限制值时，电流调节器的输出将取代电压调节器的输出，并控制触发脉冲后移，减少整流输出电压值，维持最大输出电流不超过最大电流限制值。这个限制值为6 0 a 1 0 。当限流工况消失时，系统自动恢复倒稳定状态下工作。1 1 0 v 稳压电源的外特性如图2 - 4 所示。u ( v )1 1 0oi ( a )图2 - 41 1 0 v 稳压电源外特性2 、触发工作原理稳压触发插件的电子控制电路主要有三个环节组成，即电源及同步信号、调节器和移相触发。电源及同步信号。同步变压器的原边接主电路电源变压器3 0 t 的次边，而它的次边则分为两路。一路经一个整流桥整流后再由两个三端稳压器产生稳定的正负1 5 v 电源，供给本插件使用，它的状态由插件面板上的发光二极管显示。另一路则向其他器件组成的低通滤波器运放提供同步电压信号。调节器。调节器的主要功能在于：将1 1 0 v 输出的电压和电流与插件内给定值相比较，向“移相触发送出移相控制电压，从而控制电源柜的直流输出电压为1 10 v 5 ，电流限制值为6 0 a 1 0 。移相触发。移相触发电路的功能是根据调节电路送来的控制电压，产生相适应的触发脉冲，去触发电源柜主回路的晶闸管。该电路由完全对称的上、下两部分组成，分别在正、负半波内发生触发脉冲，控制半控桥正、负半波晶闸管。2 3 2 斩波电源插件斩波电源插件输入为l1 0 v 直流电压，经斩波整流，分别产生1 5 v2 4 v4 8 v直流电压。电源插件采用脉宽调制( p w m ) 开关电源技术，工作频率达1 0 0 1 d - l z ，并设有输入、输出过流过压保护功能。1 0硕士学位论文第二章电力机车控制电源的结构与分析该斩波电源由两个完全独立的电源电路组成，一部分产生1 5 v2 4 v 直流输出，一部分产生4 8 v 直流输出。本电源具有输入过、欠压保护，辅助电源欠保护，各路输出过流保护及过、欠压保护功能。当输入出现过、欠压或辅助电源欠压故障时，保护电路立即关闭各路输出，当任何一路输出出现过或欠压故障并长达0 5s 时，保护电路则关闭各路输出。首先介绍1 1 0 w1 5 v 、2 4 v 斩波电源工作原理，其方框图见图2 5 。直流1 i o v，( 亘) 至垂垂至丑 叫 至至三二 _ 一t 二至引输粪萎流输入及辅助电源过、欠压检测电路辅助电源开关管电lil 整流管电流检测il 几流检测输：l j 整流滤波脉冲调制驱动电路卜一 电压调节延? 刊斋螽掰然图2 5ll o v ，2 4 、1 5 v 斩波电源方框图1i o v 直流供电电压经过开关s 1 保险f l 后，送至l c 滤波器，从而获得一个比较平稳的没有外界干扰的直流电压，该直流电压通过开关的开通合关断控制，使得变压器原边获得一个1 0 0 k i z 的推挽方波电压。通过耦合，变压器的两个次边绕组也获得方波电压，两组电压经过各自的整流滤波电路从而分别获得1 5 v及2 4 v 直流输出。由于两路输出之间是靠电感耦合的，所以在只对1 5 v 输出电压进行反馈调整的情况下，2 4 v 输出也能获得比较理想的精度。u 1 、u 2 为安装于电源柜面板上的两块电压表，其作用可使用户随时对输出电压进行观察。电压调节环节将1 5 v 输出电压的偏差值进行放大，并送至脉宽调制驱动电路，该电路根据偏差电压的大小自动调整送至晶闸管开关脉冲宽度的大小，从而实现1 5 v 输出电压的稳定。同时1 5 v 输出电压又送至1 5 v 过、欠压检测电路，而2 4 v 输出电压送至2 4 v 过、欠压检测电路，这两种检测电路检测到的故障信号一同送至过、欠压保护执行电路，然后再送至延时0 5 s 执行电路。当任何一路输出出现过压或欠压故障并维持0 5 s ，执行电路便永久地送出一个关闭信号至脉宽调制驱动电路去关闭开关管的脉冲，使电源不能输出电压。此后若想使电源正常工作，必须断开开关s 1 ，然后再重新闭合s l ，此时电源又可获得电压工作。辅助电源直接由1 i o v 输入电源供电，经串联线性稳压电路送出一个j输+刿嗍i硕士学位论文第二章电力机车控制电源的结构与分析l o 8 1 3 1 v 的辅助电压给脉宽调制驱动电路及延时o 5 s 执行电路供电，另一方面辅助电压和电源输入同时送入过、欠压及辅助电源欠压检测电路之中去进行检测。发生故障时，该电路则送出一信号至脉宽调制驱动电路去关闭送给开关管的脉冲，从而停止向外供电。整流管电流检测电路( 或开关管) 对15 v 输出整流管( 或开关管) 中的电流进行检测。当1 5 v 输出整流管( 或开关管) 中的直流达到给定值时，脉宽调制驱动电路自动减小送至开关管的脉冲宽度，从而限制1 5 v 输出整流管( 或开关管) 中的电流，即实现对1 5 v 直流输出回路的过流保护( 或2 4 v 直流输出回路的近似过流保护) 1 1 5 1 1 6 j 【1 7 1 。1 1 0 v 4 8 v 斩波电源的工作原理与1 1 0 v 1 5 v 、2 4 v 工作原理基本相同，这里就不再赘述。2 4 控制电源的故障诊断模式分析电力机车控制电源作为电力机车的重要组成部分，它的性能的好坏直接影响电力机车的安全运行。随着电力机车控制技术的提高，各种由1 1 0 v 直流稳压电源直接供电的电器也在不断增多，特别是机车上各种控制、检测计算机和大规模集成电路的大量使用，对1 1 0 v 控制电源保证无故障运行的要求越来越高【1 8 】。由上面章节的介绍可知，目前韶山系列电力机车的控制电源采用的都是相控式1 1 0 v 晶闸管直流稳压电源，它包括许多的器件，其中有电源变压器、电抗器、晶闸管整流桥、阻容板、晶闸管触发装置以及分为a b 两组的四块电源插件。这样的构造使得很难给控制电源柜这个整体建立一个非常精确的数学模型，也就给对于它的故障诊断带来很大的难度。但是，由于这些器件大部分都有确定的输入输出关系，每一个器件都完成一定的功能，并且这些器件之间也具有故障传递的特性，相当于系统本身从物理上己经分成了很多部件，再对其中比较复杂的器件进行分析、分解，将复杂器件分成若干部件，使这些部件具有确定的输入输出关系，也满足故障传递的特性，这样非常容易就对控制电源系统建立故障传播有向图模型，因此本文采用图论的方法作为系统的故障诊断算法。2 5 小结本章首先对电力机车控制电源的结构和工作原理进行了分析，特别是对主电路、稳压插件和斩波插件作了重点介绍。在对控制电源了解之后，确定了它的故障诊断模式采用图论的诊断方法。1 2硕士学位论文第二章控制电源故障诊断算法的研究第三章控制电源故障诊断算法的研究通过上一章的分析，本文采用为控制电源建立故障传播有向图的方法作为故障诊断的方式。故障传播有向图理论是图论的一个分支。1 9 9 0 年，国际故障诊断领域的理论权威pm f r a n k 教授认为所有的故障诊断方法可以分为三类：基于数学模型的方法、基于信号处理的方法、基于人工智能的方法1 1 9 1 。基于图论的故障诊断方法则属于第三类，是故障诊断技术领域的一个重要研究分支。本章首先阐述基于图论的故障诊断方法的基本理论，然后以控制电源为实例进行详细的分析推理。3 1 故障传播有向图的相关理论3 1 1 基本概念一般来说，系统某一个部分产生了故障，它将引起与其相关联的某些部件呈现故障状态。故障诊断的难点在于呈现故障状态的部件越多，定位故障源就越困难。基于图论的故障诊断方法能够有效的缩小故障源的搜索范围，在最短的时间内找到真正产生故障的部件。因此，这种方法在故障诊断领域得到越来越多的应用。基于图论的故障诊断方法主要分为两类：基于符号有向图( s d g ) 的诊断方法和基于故障传播有向图的诊断方法。本文只研究基于故障传播有向图的方法，这种方法实质是根据一个实际系统中各个元件之间所存在的非常普遍的故障传播关系，构成故障诊断网络，利用搜索和测试技术进行故障定位。这种方法已在大型工业生产过程和空间飞行器等领域中得到了应用f 2 0 1 2 1 1 1 2 2 1 。基于故障传播有向图的故障诊断方法是通过把具体系统的各个元件抽象为图中的一个个节点，把元件问的故障传播关系抽象为连接两个节点的有向边，从而把具体系统模型化为线图，展开了诊断问题的研究。这些研究一开始用于计算机电路的诊断，在大型生产过程等领域中也得到了应用，现在又发展到应用于大规模控制系统的故障诊断1 2 3 1 | 2 4 11 2 5 。故障传播有向图理论是由图论延伸发展而来的，是一门较为复杂的数学理论，我们在将它应用于控制电源的故障诊断之前，先将下面要用到的一些概念作简要的介绍。图：由顶点集合及顶点间的关系集合组成的一种结构，表示为g = ( v e ) ，其中v 是顶点的有穷非空集合，e 是顶点之间关系的有穷集合，也叫边集合。有向图和无向图：在有向图中，顶点对 是有序的，它称为从顶点u 到硕十学位论文第二章控制电源故障诊断算法的研究顶点v 的一条有向边。因此， 和 是不同的两条边。此时，顶点对用一对尖括号括起来，u 是有向边的始点，v 是有向边的终点。在无向图中，顶点对( u ，v ) 是无序的，它称为与顶点u 和顶点v 相关联的一条边，这条边没有特定的方向，( u ，v ) 与( v ，u ) 是同一条边。一般为了有别于有向图，顶点对用一对圆括号括起来【2 6 l 【2 饥。权：某些图的边具有与它相关的数，称之为权。这些权可以表示从一个顶点到另一个顶点的距离、花费的代价、所需的时间、次数等。这种带权图叫做网络。路径：在图g = e ) 中若从顶点v i 出发，沿一些边经过一些顶点v p i , v p 2 ，v p m ，到达顶点v j a 则称顶点序n ( v p l v p 2 ，v p m ，、j ：i ) 为从顶点v i 到v j 的路径。从系统工程的观点来看，作为一个系统，有六种特征：目的性，集合性，相关性，阶层性，整体性和环境适应性1 2 8 1 1 2 9 。系统的集合性表明：系统至少是由两个或两个以上的可以相互区别的要素组成，可用数学表述为：x = 托i 而x )( 待l ，2 ，n ；n 2 ) 是系统的组成要素或单元。集合性确定了系统的组成要素，但只有组成要素丽要素之间没有相互关系，还不能构成系统。系统的相关性说明了系统内各要素之问的相互关系。相关关系r 可表述为：x i 融j ，x j 融i因而，系统s 可表述为s = x l g l ，系统s 是以具有r 关系的集合x 来表征的。在故障诊断领域，r 用来表征要素或仪表之间的故障影响关系，即故障的传播性【3 0 】。如果用节点表示系统的各个要素，用边表示各要素之阊的故障影响关系，那么一个系统就可以用一个有向图来形象表示，这称之为该系统基于仪表的故障传播有向图。为了利用故障有向图理论进行故障诊断。我们必须清楚以下的定义和假设1 3 l 】f 3 2 】3 3 1 。定义1 ：系统中有明确输入输出行为的组成单元称作部件。定义2 ：在部件的输入端和输出端进行的对确定系统行为的测量称为观测。特别地把系统的输入端、输出端及部件间的连接点分别称作系统的i ，i i ，i i i 类观测点。定义3 ：部件的实际观测与其预期输出不相符合的行为称为该部件的征兆。定义4 ：一个部件在一次观测中有征兆存在，则称该部件是故障的。定义5 ：如果部件a 的故障输出能导致部件b 的输出也是故障的，称部件a到部件b 之问存在着故障传播关系，用r f 表示。定义6 ：如果部件a 有一个输出作为部件b 的一个输入，称部件a 到部件b之间存在着结构连接关系，用表示。1 4硕十学位论文第三章控制电源故障诊断算法的研究定义7 ：如果部件a 与部件b 的输出同时都是故障时，才能导致部件c 的输出故障，称部件a 到部件c ，部件b 到部件c 存在着冗余连接关系，用表示。哆哆r _ 7 一、)(、卜- 一)一，、 iv j( ，) - 制。7 = )o 一o( a )( b )( c )图3 1 用边表示各种连接关系( a ) 故障传播关系r f ( b ) 冗余连接关系k ( c ) 结构连接关系如果用节点v 表示部件，用连接两节点的边e 来表示部件间存在的各种关系r ，则图g = 代e ) 称为系统对应的图论模型，其中，v v ，e e 分别代表系统中所有的部件节点和各种连接关系。具体地说，用连接两节点的有向实线来表示故障传播关系r f 用有向虚线表示冗余连接关系，用虚线表示结构连接关系，如图3 1 所示。在上述的三种关系中，故障传播关系比较常见，而其余两种相对而言较少。在空间飞行器等一些十分关键的系统中，经常存在一些冗余连接关系。假设1 ：故障传播关系具有传递性。传递性是指若b ，v ，k y 且存在q r r ，f 和1 ，牟r v k ，则必有v ，尺，咋，这就是故障传播关系的逻辑基础。故障传播关系具有传递性表示，线图中某一节点上的故障可以迅速传播到图中与它有传播关系的其它节点上去。这与实际情况也是相符的，在实际系统中，往往一个原发故障会引起一大片其他j 下常部分也发生故障。假设2 ：部件输出的二值逻辑。任何一个部件只有两种状态，要么是正常部件，要么是异常部件。假设3 ：部件故障输出与它的多个输入之间的“或 逻辑。一个部件如果它有多个输入的话，只要有任何一个输入是故障的，部件的输出也表现为故障的，部件正常当且仅当它的所有输入都正常。假设4 ：接受有限独立故障假设。两个部件之问除了存在故障传播关系之外，不再有其它联系，每个部件故障的发生除了与它自身的结构和特性有联系之外，与其它部件的结构，特性等状况没有任何其它联系。假设5 ：系统的第1 、i i 类观测点均是可测的。1 类观测点是系统的输入，它是系统一切行为表现的基础，提供行为对比的基础，应该是可测的；i i 类观测点是系统的输出，它