辉煌微机监测站机系统精品.docx
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辉煌微机监测站机系统精品
文档名称
06版微机监测
站机系统硬件技术方案
文档编号
版本号
1.0
作者
孙冀东
项目名称
06版微机监测
审核
承办单位
研发部信息平台项目组
批准
合作单位
微机监测
标准化
日期
2008.12.07
使用范围
内部
页数
38
【关键字】历史、设计、方案、建议、情况、方法、环节、条件、空间、文件、质量、计划、监控、监测、问题、系统、体制、有效、自主、主动、充分、良好、优良、持续、加大、统一、制定、提出、发现、了解、措施、特点、位置、关键、安全、稳定、网络、基础、需要、权威、环境、项目、体系、能力、需求、方式、作用、标准、规模、结构、水平、主体、速度、关系、增强、分析、借鉴、调控、调节、形成、丰富、保护、满足、整合、管理、监督、坚持
页数只计正文
06版微机监测站机系统硬件技术方案
河南辉煌科技股份有限公司研发部
文档文件名：
06版微机监测站机系统硬件技术方案
历史版本记录
时间
版本号
修改人
修改内容
2006.10.23
1.0
孙冀东
创建
2006.11.22
1.0
孙冀东
修改与系统介绍1.2不一致的地方，并根据近期讨论的结果进行修订。
修改了采集板和采集机的概念，补齐了1.0中未介绍完的采集机。
定稿。
2006.12.07
1.0
孙冀东
根据评审意见对文档进行了较大的调整和修改包括：
总体结构以及内容的调整。
文档更名为：
站机系统硬件技术方案。
2006.12.13
1.0
孙冀东
根据最新讨论的技术方案，对道岔功率采集方案进行了明确，增加了交流模拟量采集板，将道岔表示电压采集板的名称改为交直流互感器板。
2007.03.29
1.0
孙冀东
修改部分语法错误
1.引言
TJWX2000型微机监测系统是铁道部科教司和运输局基础部在1997年第一代微机监测系统的基础上，开发出的新型微机监测系统，在几年的使用过程中为监督电务设备运用状态及铁路运输安全做出了贡献。
但随着铁路信号新设备的上道使用，原有的TJWX2000型微机监测系统已不能满足需要，特别是实行铁路局直管站段新体制和电务段生产力布局调整后，电务部门安全管理难度加大，迫切需要提高微机监测系统技术水平，充分发挥信号微机监测系统在保证行车安全、加强信号设备接合部管理，管理信号设备运用状态、发现信号设备隐患、分析故障和指导现场作业维修方面的作用，以提高电务部门维护水平和维护效率，压缩电务故障延时。
铁道部运输局基础部、科技司于2006年8月发布《信号微机监测系统技术条件（暂行）》运基信号〔2006〕317号文件，新技术条件对微机监测系统提出了更高的要求。
我公司从1994年开始进行信号微机监测系统的研发、生产、销售工作，先后开发H9510型、TJWX-97型、TJWX-2000型信号微机监测系统，已有一千多座车站安装了我公司生产的信号微机监测系统，在十几年的工作中积累了大量的有关信号微机监测的经验。
为适应电务部门对微机监测系统的要求，公司近几年先后提出了铁路信号信息平台和新微机监测两个研发项目作为微机监测的升级版本。
其中铁路信号信息平台系统经过了新郑试点和洛阳至济源的小规模应用，信息平台系统已经形成了一个完整的体系。
在信息平台系统中我们采用了一些提高系统可靠性和精度的措施，这些措施也取到了较好的效果。
2006年3月，铁道部运输局基础部、科技司组织铁路局、微机监测研制单位对2000版的微机监测技术条件进行了修订，我公司作为两家新技术条件起草单位之一，全程参加了新技术条件的制定工作。
在新技术条件的制定过程中，我们借鉴了很多在信号信息平台系统中的设计经验。
我公司开发的06版微机监测系统是以铁道部公布的新技术条件为依据，铁路信号信息平台为硬件结构基础开发完成。
在满足新技术条件要求的基础上，结合了用户需求和我公司在微机监测研制安装过程中积累的经验，我公司生产的06版微机监测与TJWX2000型微机监测系统相比在功能、结构上都有了较大的改进。
微机监测系统所要采集、处理和存储的基础信息都由车站系统来自于车站系统，因此说车站系统是微机监测系统的基础。
本文主要介绍的是06版微机监测系统站机系统硬件技术方案，在硬件方案的介绍中我们将分别介绍车站系统的主要硬件技术方案和系统结构等内容。
在硬件技术方案中我们着重介绍为满足新技术条件的要求我们所采取的主要技术措施；在系统结构中我们将详细介绍车站系统的采集机的划分、主机机械规格和主要采集电路的设计方案等内容。
参考资料：
铁路信号微机监测系统技术条件（2006版）
铁路信号微机监测系统技术条件（2000版）
铁路信号微机监测系统硬件部分设计方案（2006版）-铁道部
江海06版微机监测系统系统介绍V1.2
2.
06版监测技术方案
2.1.06版监测的设计原则
1.06版微机监测采集系统必须具备兼容性好、可靠性高、安全性高、测试数据权威有效等基本特点。
2.06版监测系统要确保系统的开发的持续性、灵活性和可扩展性；遵循向下兼容，向上扩展的设计开发原则。
3.在兼容原微机监测系统的CAN通讯协议的基础上，将CAN通讯由现有的CAN2.0A/CAN1.O升级为CAN2.0B的标准。
将CAN通讯协议的框架由原来的主从/应答帧为主，升级为以自主帧为主以提高系统的实时性和可靠性。
4.总结TJWX-2000型微机监测系统在采样可靠性、安全性的实际经验，在新系统的设计中进行一步提监测采样的可靠性和安全性。
对原有的采样方式在实际应用中的安全、可靠、性能优良的，要坚持原有的采样方案不做改变。
新增的监测项目在采样电路的设计上，要充分考虑采样的电路的安全性和可靠性，以达到监测设备与被测设备之间必须具有良好的电气隔离措施（新技术条件
5.在06版监测的设计中应该提高采集板的智能性，采集电路的设计应考虑到可故障定位、可诊断，以满足“采集机应具有良好的可靠性和实时性，并具备抗干扰及自检、自诊断能力”的要求。
采集板的智能化设计和采集电路的故障定位、故障诊断，可以大大提高监测系统的可维护性。
6.采用各种低漂移、高稳定度的元件和传感器模块，提高模拟量采样的稳定度。
提高模拟量的稳定度能够提高微机监测的信息可信度，也使智能分析和故障诊断具有更高的确度，有效的减少误报。
7.提高模拟量采样的精度，以满足新技术条件对采样精度的要求。
2.2.06版新增技术要求（硬件部分）
通过对新技术条件的学习和理解，新技术条件对于硬件部分的技术要求总结为以下几点：
2.2.1.提高了精度
相对2000版技术条件，新的技术条件对监测精度要求进一步提高，很多的测量精度都提高到了1%的精度。
另外对采样速度以及巡测周期也提高了要求。
下表是06版技术条件和2000版技术条件中，模拟量要监测的内容和精度的一个对比表。
设备/类型
项目
06版精度
2000版精度
电源屏
电源屏电压
±1%
±2%
电源屏电流
±2%
未监测
电源屏频率
±0.5Hz
未监测
电源屏功率
±1%
未监测
25Hz相位角
±1%度
未监测
巡测周期
≤1s、变化测
≤1s
采样速率
断相、错序、瞬间断电开关量的采样速率为50ms。
电压、电流采样速率为250ms。
未要求
交流连续式轨道电路
轨道继电器AC、DC电压
±1%
±2%
站机巡测周期
≤2s、变化测
≤2min、动态监测
25Hz相敏轨道电路
25Hz相敏轨道电压
±1%
±2%
25Hz相敏轨道相位角
±1%
未要求
25Hz巡测周期
≤2s
≤2min、动态监测
采样速率
500ms
未要求
高压不对称轨道电路
高压不对称电压
±2%
±2%
巡测周期
2min、变化测
≤2min、动态监测
采样速率
3s
未要求
驼峰轨道
驼峰轨道继电器工作电流
±3%
未要求
巡测周期
≤2s
未要求
直流转辙机
直流转辙机电流
±3%
±3%
直流转辙机动作时间
≤0.1s
≤0.1s
测量速率
未要求
≤10ms
交流转辙机
交流转辙机动作电流
±2%
±3%
交流转辙机动作功率
±2%
未监测
交流转辙机动作时间
≤0.1s
≤0.1s
测量速率
≤10ms
驼峰转辙机
驼峰ZD7型转辙机动作电流
±3%
未明确要求按维规
驼峰ZD7型转辙机动作时间
≤0.1s
未明确要求按维规
道岔表示继电器
道岔表示电压
±1%
未明确要求按维规
电缆绝缘
电缆绝缘
±10%
±10%
电源屏输入出对地漏流
电源对地漏泄电流
±10%
±10%
列车信号机
列车信号机点灯回路电流
±2%
未监测
站机巡测周期
≤2s、变化测
未监测
站内电码化
移频发送端功出电压
±1%
±2%
移频接收端限入电压
±1%
±2%
移频发送电流
±2%
未要求
载频频率
±0.1Hz
未监测
低频频率
±0.1Hz
未监测
站机巡测周期
≤2s、动态测
2min
集中式有绝缘移频
移频发送端功出电压
±1%
未要求
移频接收端限入电压
±1%
未要求
移频发送电流
±2%
未要求
载频频率
±0.1Hz
未监测
低频频率
±0.1Hz
未监测
站机巡测周期
≤2s、动态测
未要求
集中式无绝缘移频
移频发送端功出电压
±1%
±20%
移频接收端限入电压
±1%
±20%
移频发送电流
±2%
未要求
载频频率
±0.1Hz
未监测
低频频率
±0.1Hz
未监测
站机巡测周期
≤2s、动态测
2min
环境监控
环境湿度
±3%RH
未监测
环境温度
±1℃
未监测
关键设备表面温度
±1℃
未监测
民用空调电压
±1%
未监测
民用空调电流
±2%
未监测
民用空调功率
±2%
未监测
站机巡测周期
≤1s、变化测
未监测
半自动闭塞
半自动闭塞电压
±1%
未监测
半自动闭寒电流
±1%
未监测
站机巡测周期
≤2s
未监测
从表中可以看出06版技术条件中，模拟的精度和采样速度以及巡周期相对2000版的技术条件的要求都有了进一步的提高。
上表中主要是模拟量的精度，在新技术条件中开关量的采样速率和巡测周期相对模拟量也有了较大提高如下表：
设备/类型
项目
06版精度
2000版精度
开关量
开关量采样周期
≤150ms
≤250ms
站机巡测周期
≤1s
未要求
2.2.2.监测内容增加
新技术条件增加了外电网监测、环境监控、道岔表示电压、列车信号机点灯回路电流、移频信息监测、半自动闭塞线路电压电流监测等监测项目。
原有的监测项目，新技术条件中又增加了新的监测内容，以电源屏为例，原来监测的主要是电源屏电压，现在增加为电压、电流、功率等监测内容。
新的监测项目对原有监测内容的丰富，使得对设备的监测更为全面，从而为智能分析提供了更多的信息。
2.2.3.稳定性要求提高
新技术条件3.15要求“监测系统的模拟量经过标准计量器具校核后，应保证1年内其各项测试精度指标满足技术条件的要求”。
这要求模拟量采集电路应该具有更高的稳定性，要求我们尽可以的减少电路设计中的各种漂移等不稳定因素。
2.2.4.自检自诊断功能
新技术条件，并具备抗干扰及自检、自诊断能力”。
在这一方面我们在信息平台设计中进行了充分的考虑和加强，已经可以满足这一方面的要求了。
2.3.满足新技术条件的主要技术措施
这一部分并不是一个系统的方案，主要介绍为满足新技术条件的要求，在06版微机监测系统设计中，采用的技术方案和技术措施。
2.3.1.智能采集板
在TJWX-2000型微机监测系统中信息采集的基本单位为采集机，其基本结构通常为电源+CPU板（1块）+N块采集板（最多8块）在同一块总线板组成一个采集机。
采集机以CPU板为控制和处理中心，通过总线板上的数据总线对采集板进行控制，并对采集板采集的信息进行处理。
其中采集板都是非智能板，板上只有采集电路完成各种不同的采集功能，不能进行信息处理；CPU板上有CPU为智能板，其功能是对采集板所采集信息进行组织和处理，并将结果上送上位机。
在新技术条件中的一些新的要求如：
电源屏输入输出功率的监测、频率的监测、相位角的监测、移频信息的监测等，对这些信息的监测不仅仅是相关的信息的采集，更多是需要采集机或采集板完成大量、高速、实时的计算。
为了满足新技术条件对采集信息计算量的要求，在06版监测中的采集板，将CPU板和采集板整合到一起每块采集板上都有CPU，每块板即是CPU板也是采集板。
每块采集板同时还提供CAN通讯能力，做为底层采集CAN网络的一个网络节点。
因此06版微机监测的采集板是功能整合过的智能采集板。
智能采集板的使用即提高系统的可维护性，同时也满足了新技术条件对系统要具有自检、自诊断能力的要求。
智能化采集板都具有自检、自诊断、故障定位的功能，当采集板故障时可以主动发出报警，并自我定位出故障点，通过上位机查询的报警信息中同时有故障定位信息，这样大大方便了系统的维护和管理。
智能采集板采集信息量比原微机监测系统的采集机少，可以对采集信息进行更多的计算和分析，可以提高了下位机对信息处理的能力，从而改变了TJWX-2000型微机监测系统信息处理过于依赖上位机的情况。
信息量的减少也使CAN通讯数据包减小，可以更有效的发挥CAN总线在小数据包处理上的实时性优势，提高CAN通讯传输的效率。
智能采集板每块板上都有CPU因此智能采集板需要进行功能化，即每块采集板要完成相应的监测功能。
因此06版监测中也对采集功能进行了整合，将完成某一种或几种功能的采集电路整合到一块采集板上完成一类设备的监测功能。
以普通道岔采集机为例：
将采集12路1DQJ、12路定表示、12路反表示共36路开关量信息和12路模拟量信息，这样每个提速道岔采集机可完成对12个普通道岔电机的监测，每路采集含1个1DQJ、一个定表示、一个反表示和1路模拟量（动作电流曲线）以及道岔动作时间的监测。
下图智能采集板的原理框图：
智能采集板以CPU单元为核心，完成采集信息的处理；电源管理采集板提供电源以及电源监视，当电源有波动时复位CPU；显示单元对采集板的工作状态和采集状态进行检测；机号检测单元为CPU提供采集板的槽位信息；SCI接口可以做串口通讯接口和加载采集机程序之用；SPI接口用做串行同步接口和通过SPI加载采集机程序之用；JATG仿真接口用做程序调试仿真之用；外部存储器用于扩展32K字内存空间；CAN通讯为采集板提供CAN通讯接口；采集单元部分是进行整合后的相关采集电路，这部分根据智能采集板的功能不同，采集电路也不相同。
每块智能采集板除了采集单元不同之外，其它几个部分都采用相同的结构，这样使得采集板电路设计规范、统一。
采集单元根据采集板的监测功能，不同的板上整合有不同采集电路，开关量信息通过CPU的数字I/O接口采集，模拟量信息在板上经过整理（阻抗、电平转换并对信号进行限幅）由CPU片上ADC进行AD转换并处理。
2.3.2.数字信号处理技术
新技术条件中区间移频/站内电码化的监测，不仅要监测移频发送和接收的电压，还要监测载频和低频的频率信息，而且这些信息的精度要求都非常高。
由于要监测的信号中有较多的干扰成分，这些干扰成分对测量精度的影响很大，需要将这些信号中的无用干扰信号滤除。
使用滤波电路来滤除，对元件精度的要求较高性能不稳定，难以达到新技术条件的要求，因此在移频信息监测时我们采用了数字信号处理技术。
对这类信息处理使用通用DSP芯片进行，首先通过互感器模块对移频信息进行隔离转换，然后由DSP片上AD进行高速采样（>8K），通过对采样到的信号进行数字带通滤波计算，将信号中的各种干扰成分滤除后计算移频电压信息。
然后由DSP处理器对采样信息进行数字滤波和FFT运算得到上下边频和低周频率。
下图为区间移频监测处理的流程框图：
新技术条件中对25Hz轨道电路轨道接收端交流电压监测精度的要求为±1%，相位角的精度要求为±1%，但是由于工频干扰的影响被监测的信号上有大量干扰信号，直接测量精度很难达到这一要求。
因此需要滤除信号中的工频干扰，现在一般有两种方案：
一种是采用对50Hz有抑制的传感器模块（如WB的TO26传感器）；另一种是采用DSP方案。
采用第一种方案50Hz工频的衰减为13dB，对测量电压的精度还有一定的精响，达不到技术条件要求±1%。
使用DSP方案首先采集轨道电压和局部电压的实时波形，并对采集到的实时波形进行数字滤波，滤除掉工频干扰，有助于提高测试精度，并利用滤波后的波形计算轨道电压的真有效值，然后分别计算两种波形通过零点的时间，计算出两个波形的时间差和周期，计算出相位差的数值。
采用数字滤波方式相对与模拟电路的滤波可以很容易的实现高质量的阻、通带特性，对工频的衰减可以达80dB，能够满足技术条件的要求。
下图为使用DSP对25Hz轨道电路接收端交流电压和相位角监测的处理流程：
使用数字信号处理技术后，可以使原来采用模拟电路方案难以实现的监测项目和监测精度得以实现。
随着通用DSP芯片价格的下降，已经允许我们在监测产品中使用DSP芯片做为采集板CPU，通过DSP的高速运算可以得到仪表级。
采集精度。
2.3.3.安全性设计
安全性设计是指监测的采集电路不对被监测的设备造成不良影响。
在06版监测的系统设计中，安全性设计是系统设计的基本原则之一，所有的设计都应该首先充分评估其安全性。
在安全性设计中不仅是只是电路安全性设计，涉及到安全的系统结构设计、安全的施工安装设计。
在综合、全面考虑了这些安全性设计以后，才能保证系统的安全性。
1、电路安全性设计是指电路的采样原理的安全性，也就是微机监测技术条件中要求的“监测系统应具备良好的隔离措施，不得影响被监测设备的正常工作”。
在电路采样原理设计时要做到，监测电路与被监测电路之间的电气隔离。
电气隔离的方式主要有：
高阻隔离、电磁隔离和光电隔离等几种主要方式，一般情况下需要综合使用这几种隔离方式，才能起到良好的电气隔离效果。
2、结构安全性设计是指在系统结构、电路板布局方面的安全性设计。
电路安全性设计，除了电路原理的安全性以外，还需要有良好电路布线、布局和良好的系统结构设计才保证。
这要求我在系统结构设计的过程中要注意在电系统结构的设计中各种采集从采样的布放，到机柜内部走线，再到进入采集板的各种转接端子及至采样信号进入电路板的布线都要充分考虑到安全措施。
这些措施包括：
采样信号线尽量与强电线缆分开走；采样线的线材使足够的线径；采样线采用阻燃线；机柜内部信号线要与交流供电线分开；进入采集板的各种端子保证足够的安全间距；采集板信号线的走线要充分考虑安全间距等。
3、施工安全性设计是指在系统设计的过程中要考虑到施工安装过程的方便、简易、可靠。
这些措施看似与安全性设计关系不大，实际上在系统设计中如能充分考虑到施工过程的方便、简易、可靠等因素，可以减少施工的难度和施工过程中出现的意外这样也提高了整个系统的安全性。
2.3.4.可靠性设计
可靠性设计是指在系统设计时应该考虑到监测系统的稳定、可靠工作，使系统更健壮稳定，可靠性设计主要目的是使系统具备良好的抗干扰、抗冲击能力。
由于机械室内电磁环境比较差各种强电信号较多，监测系统的信号线比较容易引进各种干扰和冲击电压、电流。
这些干扰和冲击轻则影测测试的精度，重则会造成采集板和各种采样单元的损坏，因此需要对这些电路加强保护措施。
但是增加的任何保护措施都不应该对系统的安全性有所降低，即不能对被监测设备造成任何不良影响。
可靠性设计主要有以下几种措施：
1、对采样电路进行保护
采样电路保护主要是对电路中过压过流信号进行抑制，在电路设计时可以通过增加防护元件来对电路进行保护。
常用防护元件为稳压二极管和TVS管，对一些容易引入浪涌电路的信号线（多指一些与室有联系的信号线）可以采用TVS管进行防护，对系统内部信号引入浪涌电流较小的信号可以使用稳压二极管来防护。
2、电源保护
从几次雷击对系统造成破坏的实例来看，对系统破坏最为严重的是从电源引入的。
因此我们要做好对系统电源保护措施，以抑制雷击浪涌对系统造成的破性和影响。
我们首先要做好电源的防雷措施，加强电源防雷和接地；其次我们还在采集板上做好相应的防护，增加TVS或压敏电阻等保护元件。
3、CAN通讯保护
从实际应用的情况来看CAN通讯是系统中较容易受到损坏环节，CAN通讯一旦损坏采集机之间的信息通道就被破坏，所有的采集信息将中断，因此必须对CAN通讯采用必要的保护措施。
CAN通讯保护措施在站机侧通常加在CAN接口卡上，在采集机侧CAN通讯的保护加在采集机的总线板上，对采集CAN通讯电源加强防雷击浪涌的措施，防止由电源引入的雷击浪涌对CAN通讯造成损害。
通过对CAN通讯的保护措施提高CAN通讯的可靠性从而提高系统的可靠性。
2.3.5.模拟量采样电路设计
新技术条件一个主要特点是模拟量精度的提高（见，要满足这一要求首先要提高模拟量的采集精度。
提高采集精度的几个主要措施：
1、选用高精度低漂移的传感器；2、提高调整电路中的元件精度，如选用高精度（+0.5%）低温漂（50ppm）电阻器；3、对于传输距离较远的信号采用4～20mA电流环传输；4、对容易的受到干扰的小信号采用屏蔽双绞线传输信号等。
通过这些技术措施的综合使用，减少模拟量采集过程中的误提高模拟量精度。
根据新技术条件中关于自检、自诊断的要求，需要对模拟量信号做到故障定位，但由于模拟量信号的不定性，很难对模拟量信号做出判断。
为了对模拟量做到故障定位我们对模拟量做出了如下的要求，对于模拟量的正常幅度不采用满幅度，如对于5V信号不使用0-5V的满幅度，而是采用0.5-4.5V做为有效信号幅度。
这样做的好处是当信号断线或与地混线（<0.5V）或者与电源或高电压混线（>4.5V）可以通过对模拟量的采集的结果来判断信号是否有效。
3.系统结构
06版监测系统主要由采集机、站机以及网络设备三大部分组成。
采集机完成对设备的监测信息的采集；站机对采集机上报的监测或测试信息进行存储处理，完成人机界面显示与其它系统接口联接，与段局服务器的联网功能；网络设备为站机与段、局服务器的网络联结。
06版微机监测总体结构框图如下图所示：
站机系统的结构示意图如下图所示：
3.1.采集机功能介绍
根据新技术条件的要求，通过将采集机功能的组合和优化，06版微机监测系统将采集机分为：
开关量采集机、电源屏采集机、半自动闭塞采集机、信号机点灯电流采集机、普通道岔采集机、提速道岔采集机、绝缘漏流灯丝采集机、移频采集机、轨道采集机、交直流互感器机、外电网采集机、环境监控采集机等12个大类的采集机。
3.1.1.开关量采集机
开关量采集机完成开关量信息的采集，每个开关量采集机由电源、总线板和八块开关量采集板组成，可以完成384路开关量的采集。
通过配置不同的程序，开关量采集机可以完成对站场和区间信息的监测、以及各种功能性关键继电器状态监测、熔丝断丝的监测。
开关量采样采用高阻加光电隔离技术，采集机内部电路与被采样设备进行电气隔离，保证开关量采集机不会对被采集系统造成影响。
为了防止浪涌电流对采样电路造成的危害，我们对开关量采样电路增加TVS管进行防护，增强采样电路可靠性。
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