CN109669430A - 一种内燃机车柴油机系统监控装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种安装在柴油机附近，能够减少大量的长距离机车布线，降低人力物料成本的内燃机车柴油机系统监控装置，包括：外壳；用于采集信号的信号采集板以及主控制板；其中，信号采集板与主控制板在装置内部通过软排线相连。本发明的内燃机车柴油机系统监控装置安装在柴油机附近，能够减少大量的机车布线，降低人力、物料成本；信息采集部分电路与控制部分电路采用数字隔离，大幅提高了装置本身抗干扰能力，减少了对机车其他控制设备的影响。

Description

一种内燃机车柴油机系统监控装置

技术领域

本发明涉及内燃机车整车微机网络控制领域，尤其涉及一种内燃机车柴油机系统监控装置。

背景技术

柴油机是内燃机车的核心部件，涉及到内燃机车的行车安全、环保、节能等多个方面，柴油机系统的控制是内燃机车整车控制的一个重要环节，系统中包含了包括24V开关量信号、模拟量输入信号、频率量信号、及反馈输出信号等在内多种规格参数的信号，其中，24V开关量信号包括档位信号等在内的一些开关量信号；模拟量输入信号分为电流型、电压型和热阻型，电流型输入信号又包括柴油机油压力、油温度信号等，热阻型输入信号包括进口水温、出口水温、燃油压力、滑油压力、负载反馈等信号，频率量信号包括柴油机转速信号和增压器转速信号等，反馈输出信号包括转速调节信号、负载反馈信号等。

目前，机车上柴油机系统中的各类信号都是通过机车布线至机车电器柜中，由安装在电气柜中的整车控制装置来采集、处理，最后送入机车MVB网络中，机车布线的布线量大、距离长，且信号直接接入整车控制器没有进行隔离，抗干扰能力差，由于柴油机系统本身接地复杂，其反馈的信号很容易对机车其他信号造成干扰。

本发明的目的旨在解决现有技术中的柴油机系统控制结构布线量大、距离长、信号容易受干扰及彼此之间容易相互干扰的问题，以及解决对柴油机系统的分析、诊断功能比较低等缺陷问题。

发明内容

本发明提供了一种内燃机车柴油机系统监控装置，该监控装置安装在柴油机附近，能够实现对内燃机车柴油机系统中调速信号的控制，采集处理各类油压、油温、转速等传感器信号，并将处理后的数据送往机车控制网络，实现机车整车控制。

本发明的内燃机车柴油机系统监控装置，包括：外壳；用于采集信号的信号采集板；以及主控制板；其中，信号采集板与主控制板在装置内部通过软排线相连。

在一个实施方式中，所述内燃机车柴油机系统监控装置的采集电路与控制电路采用数字隔离。

在一个实施方式中，所述内燃机车柴油机系统监控装置安装在柴油机附近的机车柜体或车体上。

在一个实施方式中，所述信号采集板采集的信息包括8路电流型/电压型传感器信号、8路开关量信号、4路频率量信号、6路温度信号、柴油机调速与负载反馈信号。

在一个实施方式中，所述主控制板包括单板电源单元、DSP控制单元及MVP 接口单元，实现机车数据采集逻辑的控制，以及数据记录、转储和通信功能，并作为机箱总线的主控制器，实现所有外围单元的数据交换。

在一个实施方式中，所述主控制板的功能包括程序存储、数据存储、通用串口扩展、调试应用下载接口及任务状态指示。

在一个实施方式中，所述频率量信号的采集包括通过采集电路的处理，将传感器本身不同幅值、不同频率的正弦或者脉冲方波的输出信号，转换成+3.3V脉冲信号，再由逻辑器件计数，将计数结构送给DSP芯片。

在一个实施方式中，所述信号采集板采集的电流型/电压型传感器信号、和/ 或温度传感器信号首先通过采样，完成从电流/电阻向电压信号的转换，然后进行信号的滤波处理，再通过比例运放电路将电压值调节到适合A/D芯片采集的电压范围内，最后由A/D芯片来完成模拟信号到数字信号的转换，转换后进行数字隔离，送入主控DSP芯片。

在一个实施方式中，所述内燃机车柴油机系统监控装置对柴油机的控制包括对柴油机转速的调整和对系统负载反馈信号的处理。

在一个实施方式中，所述内燃机车柴油机系统监控装置对柴油机的调速方式包括CAN通信调速方式、PWM定频占空比调速方式、PWM变频调速方式以及 4-20mA电流信号调速方式。

在一个实施方式中，所述内燃机车柴油机系统监控装置包括2路CAN通信接口，一路CAN通信接口用于装置与机车其他部件的数据交互，另一路CAN通信接口用于装置与柴油机系统之间的通信。

与现有技术相比，本发明的内燃机车柴油机系统监控装置，其优点在于：

1、本发明的内燃机车柴油机系统监控装置通过采用专用的柴油机控制装置来完成对柴油机系统的监控，该装置安装在柴油机附近，柴油机系统中的各个传感器数据只需短距离布线至本装置，然后通过4组MVB网络线长距离线至机车电气柜即可，能够减少大量的机车布线，降低人力、物料成本；

2、本发明的内燃机车柴油机系统监控装置信息的采集电路与控制电路采用数字隔离，大幅提高了装置本身抗干扰能力，减少了对机车其他控制设备的影响；

3、本发明的内燃机车柴油机系统监控装置采用模块化、分布式的思路来实现对柴油机系统的有效监控，装置具有信号处理、分析、记录能力，利于数据分析及故障处理，能够实时记录柴油机的各种状态数据，用于后续的数据统计和故障分析，装置采集通道通过外部接线配置不同采集信号类别，提高了采集电路的通用性；

4、本发明的内燃机车柴油机系统监控装置采用四种不同的柴油机转速调节方式，实现闭环调节，提高了调节的精准性，满足国内外各类柴油机系统的转速调节方式。

上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能达到本发明的目的。

附图说明

在下文中将基于仅为非限定性的实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1是原有内燃机车柴油机系统结构布线图；

图2是本发明的内燃机车柴油机系统监控装置的结构图；

图3是图1所示的内燃机车柴油机系统监控装置中的功能板安装示意图；

图4是图2所示的内燃机车柴油机系统监控装置的安装结构布线图；

图5是图2所示的本发明的内燃机车柴油机系统监控装置频率量信号采集电路原理框图；

图6是图2所示的本发明的内燃机车柴油机系统监控装置模拟量输入信号采集原理框图；

图7是图2所示的本发明的内燃机车柴油机系统监控装置开关量信息采集原理图框；

图8是图2所示的本发明的内燃机车柴油机系统监控装置柴油机控制接口框图；

图9是图2所示的本发明的内燃机车柴油机系统监控装置主控制板的功能结构图。

在图中，相同的构件由相同的附图标记标示。附图并未按照实际的比例绘制。

图中，各附图标记表示：

1、内燃机车柴油机系统监控装置；2、外壳；3、主控制板；4、信息采集板； 5、安装支架。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

图1是原有系统结构布线图，如图1所示，机车上柴油机系统中的各类信号都是通过机车布线至机车电器柜中，由安装在电气柜中的整车控制装置来采集、处理，最后送入机车MVB网络中。按照原有装置的设置要求，总共需要布置84 根线，其中包括32根电流/电压型传感器信号布线，12根开关量输入布线，16根频率量输入布线，18根温度传感器布线以及6根调速信号布线，不仅布线量大且距离长，并且各类信号直接接入整车控制器没有进行隔离，信号抗干扰能力差，也容易对机车其他信号造成干扰。

此外，由于柴油机系统信号直接接入整车控制装置，也就是将柴油机出现故障的点引入了整车控制装置，不利于故障的排查；整车控制装置需要通过不同的柴油机配置不同的采集电路、调速方式，再加上装置本身需要采集其他大量的机车数据，导致整个装置数据处理量大，结构繁冗，很难保证数据的有用性。

为解决上述柴油机系统控制结构布线量大、距离长、信号容易受干扰及彼此之间容易相互干扰的问题，以及解决对柴油机系统的分析、诊断功能比较低等缺陷问题，本发明提出了一种内燃机车柴油机系统监控装置，其结构图如图2所示，本发明的内燃机车柴油机系统监控装置1，包括：外壳2；用于采集信号的信号采集板4以及主控制板3；其中，信号采集板4与主控制板3在装置内部通过软排线相连。

其中外壳2采用全金属材料，主要用来固定保护PCB和提供内燃机车柴油机系统监控装置1的结构安装，提高产品的EMC性能。

在内燃机车柴油机系统监控装置1底部还设置有安装支架5，可以在安装支架5处通过紧固件，如紧固螺钉，将内燃机车柴油机系统监控装置1安装在柴油机附近的机车柜体或者车体上。如图4所示，该内燃机车柴油机系统监控装置1 安装在柴油机附近，柴油机系统中的各个传感器数据只需短距离布线至本装置，然后通过4组MVB网络线(包括8条信号线和4条屏蔽线)长距离机车线至机车电气柜即可，如此能够减少大量的长距离机车布线，降低人力物料成本。

在本发明的一个实施例中，装置的采集部分的电路与控制部分的电路采用数字隔离，提高了装置本身信号抗干扰能力，减少对机车其他控制设备的影响。

下面，将详细介绍本发明的内燃机车柴油机系统监控装置1的工作原理：

在本发明的一个实施例中，信号采集板4采集的信息包括8路电流型/电压型传感器信号、8路开关量信号、4路频率量信号、6路温度信号、调速与负载反馈信号等，其中，频率量信号信息的采集过程如图5所示，由于传感器本身输出信号为不同幅值、不同频率的正弦或者脉冲方波等，需要将传感器本身输出信号通过采集电路的处理，转换成+3.3V脉冲信号，经光电隔离与滤波整形处理后，再由逻辑器件计数，将计数结构送给主控单元的DSP芯片，采集的频率量信息主要用于机车故障诊断、保护、界面显示等。其中，信号采集板4对外采用2个48 芯矩形连接器用于信号的输入和输出。

在本发明的一个实施例中，像各种模拟量输入信号通常是以4～20mA或者 0～10V等信号形式输出，所以，各传感器信号需要先转换成数据信号才能被送入DSP芯片，如图6模拟信号采集原理框图所示，像电流、电压型传感器信号的处理过程为：首先通过采样，将采集的传感器信号完成从电流/电阻信号向电压信号的转换，然后进行信号的滤波处理，再通过比例运放电路将电压值调节到适合 A/D芯片采集的电压范围内，经A/D芯片来完成模拟信号到数字信号的转换，转换后的数字信号进行数字隔离后，被送入主控DSP芯片。

其中，需要特别指出的是，温度传感器信号经采样完成电压信号的转变后，需要先经比例运放再经信号滤波处理，经滤波处理后的信号经A/D芯片来完成模拟信号到数字信号的转换并进行数字隔离后，才将信号送入主控DSP芯片。

在本发明的一个实施例中，如图7所示，开关量信号的采集通常是采集机车上24V触点的电压，通过限流降压，先将信号经光电隔离和滤波整形处理，再将处理后的信号经逻辑处理转换成电平信号并通过总线送入主控DSP芯片，由主控 DSP芯片来判断该触点的“接通”、“断开”情况。

在本发明的一个实施例中，本发明的内燃机车柴油机系统监控装置1对柴油机的控制主要包括对柴油机转速的调整和对系统反馈信号的处理。该内燃机车柴油机系统监控装置1对柴油机的调速方式包含了国内外四种主流的调速方式，分别是CAN通信调速、PWM定频占空比调速、PWM变频调速以及4-20mA电流信号调速四种。

如图8所示的柴油机控制接口框图具体展示了四种柴油机的调速方式的运行方式：

CAN通信调速方式，在内燃机车柴油机系统监控装置1中，共包括2路CAN 通信接口，一路CAN通信接口用于装置与机车其他部件的数据交互，另一路CAN 通信接口用于装置与柴油机系统之间的通信，柴油机系统接收CAN通信数据流中的调速指令进行转速调节，同时将实际的转速反馈至本装置，完成转速的闭环调节；

PWM定频占空比调速方式和PWM变频调速方式是由本装置的主控产生 PWM脉冲，经过光耦隔离，再经过PWM驱动器进行波形调节、加强信号驱动能力、调节PWM信号的幅值等处理后送入柴油机系统，该种调速方式的优点是配置灵活，PWM信号的频率、占空比可以随意控制。

4-20mA电流调速的过程为由本装置的主控控制外部D/A芯片产生电压信号，将电压信号经过模拟隔离后，驱动V/I转换芯片，完成电压/电流的转换、控制系统与柴油机系统之间的隔离等过程，通过产生的4-20mA电流进行柴油机转速的调节，同时根据柴油机系统的反馈信号完成闭环处理。

由于柴油机负载主要是以4-20mA或者0-10V的形式反馈输出，内燃机车柴油机系统监控装置1对柴油机系统的反馈信号进行处理时，首先通过采集柴油机输出的模拟信号，将信号进行处理、隔离，经A/D芯片完成模拟信号到数字信号的转换后，将数据送入DSP主控进行处理，DSP主控通过接受到的数据来判断柴油机的工作状况，给出相应的控制与调节，从而达到对柴油机功率的最大化利用。

在本发明的一个实施例中，如图9所示，本发明的内燃机车柴油机系统监控装置1的主控制板3包括单板电源单元、DSP控制单元及MVB接口单元，其主要功能是实现对机车数据采集逻辑等控制，以及数据记录、转储和通信功能，同时还兼具故障记录功能；DSP控制单元作为机箱总线的主控制器，能够实现所有外围单元的数据交换。主控制板3还配置有程序存储、数据存储、通用串口扩展、调试应用下载接口、任务状态指示等资源，以实现相对应的各项功能。

其中，DSP控制单元对数据的采集逻辑控制主要体现在模拟量数据采集后的处理和对柴油机调速信号及反馈信号的输出控制。其通信功能主要体现在对MVB 网络的控制和对CAN通信的控制，对MVB网络的控制包含控制MVB配置文件的更新、过程数据的访问和处理；CAN通信的控制包含满足CAN通信协议中对 CAN报文ID、数据格式、周期信息等的要求。另外为实现数据交换，DSP控制单元需要管理备用通信接口RS485接口，以及作为程序更新和数据监控的RS232 接口，RS485接口主要用于实现DSP与机车其他部件之间的数据交换。

DSP控制单元对柴油机系统的故障记录功能是通过软件实现，通过软件对 CAN通信丢失、MVB通信丢失、各单板生命信号异常等故障进行记录，故障信息存储在FRAM中，可以通过RS232接口进行下载，结合地面软件进行数据分析及故障排查。

优选的，DSP控制单元部分还可以采用具有相同接口的的单片机或者CPU 芯片及外围电路等来代替。

优选的，本装置的信号处理电路可以采用其他电路形式，元器件也可以用相同功能级的元器件替换。

需要注意的是，文中所述MVB网络为机车MVB网络，在其余实施例中也可以接入车载以太网。

从图4本发明的内燃机车柴油机系统监控装置的安装结构布线图可以看出，本发明的柴油机系统监控装置具有诸多优点，该装置安装在柴油机附近，能够减少大量的机车布线，降低人力、物料成本；另外本装置的信息采集部分电路与控制部分电路采用数字隔离，大幅提高了装置本身抗干扰能力，减少了对机车其他控制设备的影响；由于装置本身具有数据记录功能，能够实时记录柴油机的各种状态数据，用于后续的数据统计和故障分析，装置采集通道配通过外部接线配置不同采集信号类别，提高了采集电路的通用性；并且，由于该装置对柴油机系统采用四种不同的柴油机转速调节方式，实现闭环调节，能够满足国内外绝大部分柴油机系统的转速调节方式。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种内燃机车柴油机系统监控装置，其特征在于，包括：

外壳；

用于采集信号的信号采集板；以及

主控制板；

其中，信号采集板与主控制板在装置内部通过软排线相连。

2.根据权利要求1所述的一种内燃机车柴油机系统监控装置，其特征在于，所述内燃机车柴油机系统监控装置的采集电路与控制电路采用数字隔离。

3.根据权利要求1所述的一种内燃机车柴油机系统监控装置，其特征在于，所述内燃机车柴油机系统监控装置安装在柴油机附近的机车柜体或车体上。

4.根据权利要求1所述的一种内燃机车柴油机系统监控装置，其特征在于，所述信号采集板采集的信息包括8路电流型/电压型传感器信号、8路开关量信号、4路频率量信号、6路温度信号、及柴油机调速与负载反馈信号。

5.根据权利要求1所述的一种内燃机车柴油机系统监控装置，其特征在于，所述主控制板包括单板电源单元、DSP控制单元及MVB接口单元，其功能为实现机车数据采集逻辑的控制，以及数据记录、转储和通信功能，并作为机箱总线的主控制器，实现所有外围单元的数据交换。

6.根据权利要求5所述的一种内燃机车柴油机系统监控装置，其特征在于，所述主控制板的功能还包括程序存储、数据存储、通用串口扩展、调试应用下载接口及任务状态指示。

7.根据权利要求4所述的一种内燃机车柴油机系统监控装置，其特征在于，所述频率量信号的采集过程包括通过采集电路的处理，将柴油机系统的传感器本身不同幅值、不同频率的正弦或者脉冲方波的输出信号，转换成+3.3V脉冲信号，再由逻辑器件计数，将计数结构送给主控DSP芯片。

8.根据权利要求4所述的一种内燃机车柴油机系统监控装置，其特征在于，所述信号采集板采集的电流型/电压型传感器信号、和/或温度传感器信号首先通过采样，完成从电流/电阻信号向电压信号的转换，然后经信号的滤波处理，再通过比例运放电路将电压值调节到适合A/D芯片采集的电压范围内，最后由A/D芯片来完成模拟信号到数字信号的转换，转换后的数字信号经数字隔离后，被送入主控DSP芯片。

9.据权利要求1所述的一种内燃机车柴油机系统监控装置，其特征在于，所述内燃机车柴油机系统监控装置对柴油机的转速的调整方式包括CAN通信调速方式、PWM定频占空比调速方式、PWM变频调速方式以及4-20mA电流信号调速方式。

10.根据权利要求9所述的一种内燃机车柴油机系统监控装置，其特征在于，所述内燃机车柴油机系统监控装置包括2路CAN通信接口，一路CAN通信接口用于装置与机车其他部件的数据交互，另一路CAN通信接口用于装置与柴油机系统之间的通信。