CN112034812A - 一种铁路控制器内部部件故障自诊断***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铁路控制器内部部件故障自诊断***及方法，***基于STM32微控制器实现，分为处理器核心模块、电源输入与检测模块、电机温度检测模块、继电器输出控制模块和人机界面模块；其中人机界面模块包括LED显示模块和RS‑485通讯模块。电源输入与检测模块负责将220V交流电转换为控制器内部各部件所需的直流电压，并检测电压是否正常，一旦检测到***掉电则由控制器内部的超级电容进行供电；电机温度检测模块通过读取预置于电机内部的PTC温度传感器进行电机温度检测，一旦检测到温度超限则进行紧急停机。本发明提供的一种铁路控制器内部部件故障自诊断***及方法，可检测控制器内部关键功能电路故障，提高了***和产品的可靠性。

Description

一种铁路控制器内部部件故障自诊断***及方法

技术领域

本发明涉及铁路控制器内部关键部件故障自诊断的***，特别涉及一种铁路控制器内部部件故障自诊断***及方法。

背景技术

嵌入式技术和可编程控制器的出现和不断发展，使得铁路现场设备智能化程度越来越高。设备智能化程度的提高，一方面节省了人力成本，另一方面也从很大程度上规避了由于人为的疏忽引起的问题，提高了安全性；同时信息技术的引入，设备的智能化，实现了更加精准的控制，增强了***的功能。

然而智能化设备的引入，同时也带来一些问题。其中之一为铁路现场工作环境恶劣，其工作环境通常为高温、高湿或振动，造成智能化设备老化加快，或者工作不稳定，甚至功能完全失效。一旦智能化设备发生故障，将引起***失控，从而带来安全等一系列严重的后果。

为解决此类问题，当前一般做法是从市面购置现成的，或重新设计位于智能化设备外部的故障诊断设备，通过检测智能化设备的输入及输出信号判断故障是否发生。然而该方法存在一些不足，其一是成本高，其二是需额外安装，增加***的复杂性和安装的困难度，其三是无法对智能化设备内部的状态进行检测。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种铁路控制器内部部件故障自诊断***及方法，其可检测控制器内部关键功能电路故障，一旦检测故障发生则紧急停机，提高了***和产品的可靠性和安全性。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种铁路控制器内部部件故障自诊断***，包括外壳和设置在外壳内的电子控制板，所述外壳的外侧设有供电端子、PTC端子、RS-485通讯端子、数字量输入端子和继电器输出端子，所述电子控制板为STM32微控制器，所述STM32微控制器包括处理器核心模块、电源输入与检测模块、电机温度检测模块、数字量输入检测模块、继电器输出控制模块和人机界面模块；

所述电源输入与检测模块与供电端子连接，所述电机温度检测模块与PTC端子连接，所述继电器输出控制模块与数字量输入端子及继电器输出端子连接，所述人机界面模块包括LED显示模块和RS-485通讯模块，所述RS-485通讯端子与RS-485通讯模块连接，所述处理器核心模块包括STM32微控制器，所述电源输入与检测模块包括KBP210G整流桥进行整流，LNK6664K电源管理芯片对整流过的信号进行交流和直流变换，TransBB变压器将变换后的信号转换为电子控制板所需的电压，所述电源输入与检测模块的输出端连接到STM32微控制器的POWER_LOSS引脚。

作为改进，所述电机温度检测模块采用硬件电路双路冗余设计，所述电机温度检测模块的电路的输入端为一个PTC传感器接插端子，输出为AD-CHECK和PTC sensor input两路信号且分别接到STM32微控制器的两路AD输入。

作为改进，所述数字量输入检测模块采用TLP781光耦隔离芯片，所述TLP781光耦隔离芯片的输入为外界数字信号输入DI，所述TLP781光耦隔离芯片的输出信号接收STM32微控制器的IO引脚DI INPUT。

作为改进，所述RS-485通讯模块包括TX1和RX1接口分别连接STM32微控制器的串口发送、接收引脚，所述STM32微控制器的一个DO引脚连接RS-485通讯模块的ENA端。

作为改进，所述外壳上设有电源灯和状态灯，所述电源灯和状态灯与LED显示模块连接。

一种铁路控制器内部部件故障自诊断方法，包括以下具体步骤：

1)针对关键功能，划分信号输入电路、处理器运算模块和信号输出控制电路，其中信号输入电路为PTC电机温度采样电路、处理器运算模块为STM32微控制器、信号输出控制电路为继电器输出控制电路；

2)针对关键功能相关的信号输入电路、处理器运算模块和信号输出控制电路进行故障自诊断，故障自诊断分为上电故障自诊断和正常运行阶段周期故障自诊断；

3)电源输入与检测端连接220V交流电，PTC温度检测端子连接PTC温度传感器，数字量输入检测端子连接数字量输入设备，继电器输出控制端子连接控制电机启动停止的继电器；RS-485通讯端子通过通讯线缆连接到主控机或PC机；

4)若控制器供电在正常范围时，电源灯为绿色，若控制器供电异常，则电源灯以1Hz频率闪烁红色，此时切换到超级电容进行供电，继电器断开，进行故障信息及其它实时信息的存储；

5)检测出关键功能所对应的信号输入电路、STM32微控制器相关资源或信号输出控制电路存在故障，状态灯根据故障码进行黄-红交替闪烁，故障码由黄色-红色各自的闪烁次数组合指示；当检测出关键功能所对应的信号输入电路、STM32微控制器相关资源或信号输出控制电路存在故障，则继电器断开，唯一的恢复方式为控制器上电重启；

6)若根据PTC温度传感器检测出电机温度超限，则继电器断开，状态灯根据故障码进行-红交替闪烁，故障码由黄色红色各自的闪烁次数组合指示；在电机温度超限状态下，若检测出电机温度恢复正常，则继电器吸合；

7)主控器或PC机通过RS-485通讯接口，可读取存储的故障信息并进行分析。

作为改进，所述信号输入电路采取双路冗余设计，所述号输入电路带有AD-CHECK和PTC sensor input分别接入STM32微处理器的两路AD输入引脚，并由算法判断两路冗余信号输入的差值，当差值持续超限时则判定其中一路电路存在故障。

作为改进，所述信号输出控制电路采取双路冗余设计和增加信号反馈采样电路；当STM32微控制器的两路IO输出Relay1和Relay2均为高电平时，继电器才能吸合，反馈电路输出信号Current RE1接入STM32微处理器的AD引脚，并由算法判断继电器是否按预期断开或吸合，当STM32微控制器输出控制继电器的两路引脚均为高电平时，继电器应吸合，此时反馈电路输出信号Current RE1的采样数值应高于某个界限值，否则判定为继电器故障；当STM32微控制器输出控制继电器的两路引脚均为低电平时，继电器应断开，此时反馈电路输出信号Current RE1的采样数值应为0，否则判定为继电器故障。

作为改进，所述处理器运算模块包含看门狗定时器、寄存器、FLASH、RAM及时钟且诊断方式采用“写入-回读-校验”的方式。

本发明的有益效果为：

本发明可检测控制器内部关键功能电路故障，一旦检测故障发生则紧急停机，提高了***和产品的可靠性；将故障诊断功能在控制器内部电路板上实现，与外置式的故障诊断器相比，既减小了体积，也降低了成本；仅针对关键功能电路采用冗余设计和增加信号采样反馈电路，提高了故障诊断的效率，同时降低了成本；当发生故障，主控器或服务器控制器可通过RS-485通讯接口向控制器查询故障码，根据不同故障码从整体***层面采取相应的紧急处理，从更高层面上减少损失；LED状态指示灯可显示不同的故障代码，同时通过RS-485通讯接口可读取存储在控制板内部的故障码，便于维护维修人员进行故障分析。

附图说明

图1为本发明外壳示意图；

图2为本发明电子控制板硬件框图；

图3为本发明自诊断整体流程图；

图4为本发明电源输入与检测模块电路原理图；

图5为本发明数字信号输入检测模块电路原理图；

图6为本发明LED显示模块电路原理图；

图7为本发明人机界面模块电路原理图；

图8为本发明PTC双路冗余设计电路原理图；

图9为本发明温度采样电路故障判断流程图；

图10为本发明处理器核心模块电路原理图；

图11为本发明继电器输出电路故障判断流程图；

图12为本发明微控制器资源诊断整体流程图；

图13为本发明故障处理整体流程图；

附图标记对照表：

1-外壳、2-供电端子、3-PTC端子、4-RS-485通讯端子、5-继电器输出端子、6-电源灯、7-状态灯、8-数字量输入端子。

具体实施方式

下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。

需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1-13所示，一种铁路控制器内部部件故障自诊断***，包括外壳1和设置在外壳1内的电子控制板，所述外壳1的外侧设有供电端子2、PTC端子3、RS-485通讯端子4、数字量输入端子8和继电器输出端子5，所述电子控制板为STM32微控制器，所述STM32微控制器包括处理器核心模块、电源输入与检测模块、电机温度检测模块、数字量输入检测模块、继电器输出控制模块和人机界面模块；

所述电源输入与检测模块与供电端子2连接，所述电机温度检测模块与PTC端子3连接，所述继电器输出控制模块与数字量输入端子8及继电器输出端子5连接，所述人机界面模块包括LED显示模块和RS-485通讯模块，所述RS-485通讯端子4与RS-485通讯模块连接，所述处理器核心模块包括STM32微控制器，所述电源输入与检测模块包括KBP210G整流桥进行整流，LNK6664K电源管理芯片对整流过的信号进行交流和直流变换，TransBB变压器将变换后的信号转换为电子控制板所需的电压，所述电源输入与检测模块的输出端连接到STM32微控制器的POWER_LOSS引脚。

所述电机温度检测模块采用硬件电路双路冗余设计，所述电机温度检测模块的电路的输入端为一个PTC传感器接插端子，输出为AD-CHECK和PTC sensor input两路信号且分别接到STM32微控制器的两路AD输入。

所述数字量输入检测模块采用TLP781光耦隔离芯片，所述TLP781光耦隔离芯片的输入为外界数字信号输入DI，所述TLP781光耦隔离芯片的输出信号接收STM32微控制器的IO引脚DI INPUT。

所述RS-485通讯模块包括TX1和RX1接口分别连接STM32微控制器的串口发送、接收引脚，所述STM32微控制器的一个DO引脚连接RS-485通讯模块的ENA端。

所述外壳1上设有电源灯6和状态灯7，所述电源灯6和状态灯7与LED显示模块连接。

一种铁路控制器内部部件故障自诊断方法，包括以下具体步骤：

1)针对关键功能，划分信号输入电路、处理器运算模块和信号输出控制电路，其中信号输入电路为PTC电机温度采样电路、处理器运算模块为STM32微控制器、信号输出控制电路为继电器输出控制电路；

2)针对关键功能相关的信号输入电路、处理器运算模块和信号输出控制电路进行故障自诊断，故障自诊断分为上电故障自诊断和正常运行阶段周期故障自诊断；

3)电源输入与检测端连接220V交流电，PTC温度检测端子连接PTC温度传感器，数字量输入检测端子连接数字量输入设备，继电器输出控制端子连接控制电机启动停止的继电器；RS-485通讯端子通过通讯线缆连接到主控机或PC机；

4)若控制器供电在正常范围时，电源灯为绿色，若控制器供电异常，则电源灯以1Hz频率闪烁红色，此时切换到超级电容进行供电，继电器断开，进行故障信息及其它实时信息的存储；

5)检测出关键功能所对应的信号输入电路、STM32微控制器相关资源或信号输出控制电路存在故障，状态灯根据故障码进行黄-红交替闪烁，故障码由黄色-红色各自的闪烁次数组合指示；当检测出关键功能所对应的信号输入电路、STM32微控制器相关资源或信号输出控制电路存在故障，则继电器断开，唯一的恢复方式为控制器上电重启；

6)若根据PTC温度传感器检测出电机温度超限，则继电器断开，状态灯根据故障码进行-红交替闪烁，故障码由黄色红色各自的闪烁次数组合指示；在电机温度超限状态下，若检测出电机温度恢复正常，则继电器吸合；

7)主控器或PC机通过RS-485通讯接口，可读取存储的故障信息并进行分析。

所述信号输入电路采取双路冗余设计，所述号输入电路带有AD-CHECK和PTCsensor input分别接入STM32微处理器的两路AD输入引脚，并由算法判断两路冗余信号输入的差值，当差值持续超限时则判定其中一路电路存在故障。

所述信号输出控制电路采取双路冗余设计和增加信号反馈采样电路；当STM32微控制器的两路IO输出Relay1和Relay2均为高电平时，继电器才能吸合，反馈电路输出信号Current RE1接入STM32微处理器的AD引脚，并由算法判断继电器是否按预期断开或吸合，当STM32微控制器输出控制继电器的两路引脚均为高电平时，继电器应吸合，此时反馈电路输出信号Current RE1的采样数值应高于某个界限值，否则判定为继电器故障；当STM32微控制器输出控制继电器的两路引脚均为低电平时，继电器应断开，此时反馈电路输出信号Current RE1的采样数值应为0，否则判定为继电器故障。

该装置使用过程中，电源输入与检测模块负责将220V交流电转换为控制器内部各部件所需的直流电压，并检测电压是否正常，一旦检测到***掉电则由控制器内部的超级电容进行供电；电机温度检测模块通过读取预置于电机内部的PTC温度传感器进行电机温度检测，一旦检测到温度超限则进行紧急停机；继电器输出模块负责控制电机以及其他***设备的供电；人机界面模块负责进行相关信息的显示，以及将实时信息及故障码发送至主控器；处理器核心模块进行控制逻辑和故障自诊断算法的运行。

处理器核心模块安装于电子控制板，基于微控制器STM32F103RCT6设计，可实现电机温度超限保护算法、低电压检测算法、关键电路自诊断算法和RS-485通讯算法等。

电源输入与检测模块，安装于电子控制板。该模块可对电源输入进行检测，当检测到转换后的直流电压幅值异常，则将控制板的电源输入切换到超级电容，电路原理图如图4所示，该模块的输入为220V交流电(L、N端子)，由KBP210G整流桥进行整流，LNK6664K电源管理芯片对整流过的信号进行交流/直流变换，TransBB变压器将变换后的信号转换为控制板各模块所需的电压。电源输入与检测模块的输出端接到STM32微控制器的POWER_LOSS引脚进行电压幅值采样，幅值低于预定下限值则判定为控制板掉电。

继电器输出控制模块安装于电子控制板。该模块可控制电机及其他***设备的启动和停止，电路采用双路冗余设计，仅当双路继电器驱动电路均为高电平时继电器才吸合，避免因一路驱动电路故障，引起继电器误动作的问题。此外在继电器输出端增加信号反馈采样电路，将继电器的输出电压作为MLX91210高精度集成电流传感器芯片的输入，芯片的输出Current RE作为STM32微控制器的AD输入，由STM32微控制器根据所采样的继电器输出电压幅值判断继电器是否按照预期断开或吸合。

电机温度检测模块安装于电子控制板；该模块可通过安装于电机内部的PTC温度传感器检测电机的实际温度。该模块采用硬件电路双路冗余设计，电路的输入端为一个PTC传感器接插端子，输出为AD-CHECK和PTC sensor input两路信号，分别接到STM32微控制器的两路AD输入，由STM32微控制器根据所采样两路温度输入的差值，判断电路是否存在故障。

数字量输入检测模块，安装于电子控制板。该模块可检测数字量信号输入。为提高安全性，该模块采用TLP781光耦隔离芯片，该芯片的输入为外界数字信号输入DI，输出信号接到STM32微控制器的IO引脚DI INPUT。

人机界面模块安装于电子控制板。该模块包括LED显示模块和RS-485通讯模块，LED显示模块可通过LED的颜色和闪烁次数组合，进行故障码的显示。服务器或主控器可通过RS-485通讯模块查询故障码，电路原理图如图7所示，RS-485通讯模块的TX1和RX1接口分别连接STM32微控制器的串口发送、接收引脚，通过STM32的一个DO引脚连接RS485 ENA端，从而控制RS-485隔离收发芯片TD301D485的使能，通过该芯片将STM32的串口电平信号变换成RS-485电平信号(引脚A和B)，通过J9接插端子的1和2输出。

以上所述仅为本发明专利的较佳实施例而已，并不用以限制本发明专利，凡在本发明专利的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明专利的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种铁路控制器内部部件故障自诊断***，其特征在于，包括外壳(1)和设置在外壳(1)内的电子控制板，所述外壳(1)的外侧设有供电端子(2)、PTC端子(3)、RS-485通讯端子(4)、数字量输入端子(8)和继电器输出端子(5)，所述电子控制板为STM32微控制器，所述STM32微控制器包括处理器核心模块、电源输入与检测模块、电机温度检测模块、数字量输入检测模块、继电器输出控制模块和人机界面模块；

所述电源输入与检测模块与供电端子(2)连接，所述电机温度检测模块与PTC端子(3)连接，所述继电器输出控制模块与数字量输入端子(8)及继电器输出端子(5)连接，所述人机界面模块包括LED显示模块和RS-485通讯模块，所述RS-485通讯端子(4)与RS-485通讯模块连接，所述处理器核心模块包括STM32微控制器，所述电源输入与检测模块包括KBP210G整流桥进行整流，LNK6664K电源管理芯片对整流过的信号进行交流和直流变换，TransBB变压器将变换后的信号转换为电子控制板所需的电压，所述电源输入与检测模块的输出端连接到STM32微控制器的POWER_LOSS引脚。

2.如权利要求1所述的一种铁路控制器内部部件故障自诊断***，其特征在于：所述电机温度检测模块采用硬件电路双路冗余设计，所述电机温度检测模块的电路的输入端为一个PTC传感器接插端子，输出为AD-CHECK和PTC sensor input两路信号且分别接到STM32微控制器的两路AD输入。

3.如权利要求1所述的一种铁路控制器内部部件故障自诊断***，其特征在于：所述数字量输入检测模块采用TLP781光耦隔离芯片，所述TLP781光耦隔离芯片的输入为外界数字信号输入DI，所述TLP781光耦隔离芯片的输出信号接收STM32微控制器的IO引脚DI INPUT。

4.如权利要求1所述的一种铁路控制器内部部件故障自诊断***，其特征在于：所述RS-485通讯模块包括TX1和RX1接口分别连接STM32微控制器的串口发送、接收引脚，所述STM32微控制器的一个DO引脚连接RS-485通讯模块的ENA端。

5.如权利要求1所述的一种铁路控制器内部部件故障自诊断***，其特征在于：所述外壳(1)上设有电源灯(6)和状态灯(7)，所述电源灯(6)和状态灯(7)与LED显示模块连接。

6.一种铁路控制器内部部件故障自诊断方法，其特征在于：包括以下具体步骤：

1)针对关键功能，划分信号输入电路、处理器运算模块和信号输出控制电路，其中信号输入电路为PTC电机温度采样电路、处理器运算模块为STM32微控制器、信号输出控制电路为继电器输出控制电路；

2)针对关键功能相关的信号输入电路、处理器运算模块和信号输出控制电路进行故障自诊断，故障自诊断分为上电故障自诊断和正常运行阶段周期故障自诊断；

3)电源输入与检测端连接220V交流电，PTC温度检测端子连接PTC温度传感器，数字量输入检测端子连接数字量输入设备，继电器输出控制端子连接控制电机启动停止的继电器；RS-485通讯端子通过通讯线缆连接到主控机或PC机；

4)若控制器供电在正常范围时，电源灯为绿色，若控制器供电异常，则电源灯以1Hz频率闪烁红色，此时切换到超级电容进行供电，继电器断开，进行故障信息及其它实时信息的存储；

5)检测出关键功能所对应的信号输入电路、STM32微控制器相关资源或信号输出控制电路存在故障，状态灯根据故障码进行黄-红交替闪烁，故障码由黄色-红色各自的闪烁次数组合指示；当检测出关键功能所对应的信号输入电路、STM32微控制器相关资源或信号输出控制电路存在故障，则继电器断开，唯一的恢复方式为控制器上电重启；

6)若根据PTC温度传感器检测出电机温度超限，则继电器断开，状态灯根据故障码进行-红交替闪烁，故障码由黄色红色各自的闪烁次数组合指示；在电机温度超限状态下，若检测出电机温度恢复正常，则继电器吸合；

7)主控器或PC机通过RS-485通讯接口，可读取存储的故障信息并进行分析。

7.如权利要求6所述的一种铁路控制器内部部件故障自诊断方法，其特征在于：所述信号输入电路采取双路冗余设计，所述号输入电路带有AD-CHECK和PTC sensor input分别接入STM32微处理器的两路AD输入引脚，并由算法判断两路冗余信号输入的差值，当差值持续超限时则判定其中一路电路存在故障。

8.如权利要求6所述的一种铁路控制器内部部件故障自诊断方法，其特征在于：所述信号输出控制电路采取双路冗余设计和增加信号反馈采样电路；当STM32微控制器的两路IO输出Relay1和Relay2均为高电平时，继电器才能吸合，反馈电路输出信号Current RE1接入STM32微处理器的AD引脚，并由算法判断继电器是否按预期断开或吸合，当STM32微控制器输出控制继电器的两路引脚均为高电平时，继电器应吸合，此时反馈电路输出信号CurrentRE1的采样数值应高于某个界限值，否则判定为继电器故障；当STM32微控制器输出控制继电器的两路引脚均为低电平时，继电器应断开，此时反馈电路输出信号Current RE1的采样数值应为0，否则判定为继电器故障。

9.如权利要求5所述的一种铁路控制器内部部件故障自诊断方法，其特征在于：所述处理器运算模块包含看门狗定时器、寄存器、FLASH、RAM及时钟且诊断方式采用“写入-回读-校验”的方式。

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