多机牵引同步控制系统的可靠性设计

论文摘要

本论文以铁路局科研项目《机车重联牵引无线同步操纵装置》的为依托,主要工作为根据可靠性工程原理,对机车重联牵引无线同步操纵装置进行改进设计,以提高其可靠性。该研究工作对于重联牵引同步装置及其类似设备的可靠性提升具有一定的现实意义和参考价值。论文首先阐述了可靠性理论基础及可靠性的评价指标,分别介绍了简单并联系统、三模余度表决系统、三重余度系统等工程中常用的提升可靠性的方法,在对上述方法分析比较的基础上,给出了适用于多机牵引同步装置的三模余度表决方案。该方案对输入的三个通道数字量进行三取二表决输出,对三个通道的模拟量进行三取二表决切换。根据可靠性理论的分析,该方案构成的系统平均无故障时间比单模系统有所减小,但在任务期则具有非常高的可靠度(R≈1),该方案的特点与多机牵引同步控制系统对可靠度的需求相吻合。针对三模余度表决系统,提出了一种表决器硬件实现方案,该方案采用MCU作为表决器主控制器,并设计了监控模块对主控制器出错的小概率事件进行处理消除,以确保装置不会因表决控制芯片的偶发故障而失效。其中,若系统发生表决器可以判明确切出错通道的故障,先进行识别和表决输出,再通过蜂鸣器与显示屏给出声音和文字提示。对于多个通道出错,无法进行表决输出的情况,控制程序将锁定装置并给出声光报警,且只能在排除故障后经过人工解锁装置才能重新进入工作循环。基于Keil soft uVersion3集成开发环境编写代码实现上文提到的各种控制和故障识别功能。为验证表决装置设计的正确性和有效性,搭建了临时实验台,基于此平台完成了对三模余度表决装置的软件调试和功能验证。实验结果很好地验证了装置的各项功能满足设计要求,实现了多机牵引同步控制系统的三取二冗余表决输出,对系统可靠性的提升具有一定的价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 研究背景
• 1.2.1 多机牵引无线同步控制现状
• 1.2.2 可靠性工程的发展与现状
• 1.3 论文主要工作
• 第2章 工程可靠性理论
• 2.1 可靠性理论基础
• 2.1.1 可靠性定义
• 2.1.2 可靠性特点
• 2.1.3 基本函数关系
• 2.1.4 常见统计分布
• 2.1.5 系统可靠性指标
• 2.2 基本可靠性模型
• 2.3 余度技术
• 2.3.1 余度技术分类
• 2.3.2 余度技术方案
• 2.4 多机牵引同步控制系统冗余方案
• 第3章 多机牵引同步控制原理
• 3.1 多机牵引同步控制装置结构框图
• 3.2 多机牵引同步操纵原理
• 3.2.1 关量重联控制
• 3.2.2 模拟量重联控制
• 3.2.3 装置接线示意
• 第4章 三模余度表决装置硬件设计
• 4.1 硬件平台选择
• 4.2 微控制器选型
• 4.2.1 微控制器资源需求
• 4.2.2 微控制器性能简介
• 4.3 输入信号调理
• 4.3.1 机车控制回路电气特性
• 4.3.2 110V控制信号采集电路
• 4.4 微控制器接口设计
• 4.4.1 开关量接口设计
• 4.4.2 模拟量接口设计
• 4.5 监控模块
• 4.6 系统时钟
• 4.7 串口通信
• 4.8 人机交互
• 4.9 硬件地址编码
• 4.10 PCB设计
• 第5章 三模余度表决装置软件设计
• 5.1 发环境及软件结构
• 5.1.1 集成开发环境（IDE）
• 5.1.2 软件结构
• 5.2 系统初始化
• 5.2.1 初始化流程
• 5.2.2 IO管脚配置
• 5.2.3 通信接口初始化
• 5.2.4 实时时钟（RTC）初始化
• 5.2.5 显示屏初始化
• 5.3 控制主程序
• 5.3.1 主程序流程图
• 5.3.2 开关量信号采集
• 5.3.3 开关量表决算法设计
• 5.3.4 模拟量表决算法设计
• 5.3.5 存储器功能设计
• 5.3.6 显示屏显示设计
• 第6章 三模余度表决装置调试与验证
• 6.1 临时模拟实验台搭建
• 6.1.1 电路原理
• 6.1.2 实物装配
• 6.2 表决装置调试
• 6.2.1 实物装配
• 6.2.2 装置调试
• 6.3 实验验证及结果分析
• 6.3.1 表决装置功能验证
• 6.3.2 分析及结论
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表的论文
• 致谢