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内燃机车蓄电池检测装置的可靠性研究
来源:互联网 qikanw | 王维强 麻友良
【分  类】 机械与建筑工程
【关 键 词】 内燃机车用蓄电池 监测系统 可靠性 监视定时器
【来  源】 互联网
【收  录】 中文学术期刊网
正文:

  摘要:能源和环境的双重压力使得内燃机车迎来了发展的高潮。蓄电池作为车内动力和储能装置,其系统集成化变得越来越重要。蓄电池监测、蓄电池管理等系统会为更主动的蓄电池运行策略创造条件, 同时改善供电系统的可靠性。本文针对煤矿机械内燃机车某型蓄电池巡回检测装置在可靠性试验中出现的故障,从三个方面提出了装置可靠性的改进措施。通过采用监视定时器技术和软件抗干扰技术提高巡检装置的可靠性,并对提高巡检装置可靠性的其他方法进行了探讨。

  关键词:内燃机车用蓄电池 监测系统 可靠性 监视定时器

  Abstract: Internal Combustion Vehicle (ICV) is now undergoing a development apex under the pressure of energy resource and environment preservation issues. Storage battery acts as a power and storage device in the vehicles. The system integration becomes increasingly important. Battery Monitoring and Managing Systems will allow for more aggressive battery operating strategies, and improve the reliability of power system. The paper brings forward reliability improve method from three aspects to settle the failure during reliability experimentation of Coal Mine Machinery internal combustion vehicle storage battery measure equipment. By using watchdog and soft anti-disturb technology, the reliability of the storage battery measure equipment is improved. In addition, the paper brings forward other method to improve the equipment reliability.

  Key words: internal combustion vehicle storage battery; Monitoring System; reliability; watchdog

  1 引言

  煤矿机械行业广泛选用内燃机作为动力,随着内燃机车的更新换代, 有越来越多的电功能进入车辆, 例如增加安全性或舒适性, 部分代替机械或液压系统。并且, 车辆推进系统的电气化也是降低内燃机车上燃油消耗和CO2排放物的一种选择方案。为了保证煤矿机械作业的安全可靠性,对内燃机车内所用的电化学储能装置就提出了新的要求[1]。

  某型蓄电池巡回检测装置(以下简称“巡检装置”)用于对内燃机车铅酸蓄电池及蓄电池组的参数进行在线式巡回检测、显示与报警,并通过人机界面向操作人员提供实时监控信息,是内燃机车电力推进系统的重要组成部分[2]。内燃机车电力推进系统稳定可靠工作要求巡检装置具有比较高的可靠性,其可靠性指标平均故障间隔时间为MTBF≥2000h。巡检装置的可靠性是其自身软硬件与其所处工作环境综合作用的结果,因此其可靠性也应从这两个方面去分析与设计。对于巡检装置自身而言,能不能在保证巡检装置各项功能实现的同时,对自身运行过程中出现的各种干扰信号及直接来自于外部的干扰信号进行有效的抑制,是决定巡检装置可靠性的关键。以往的设计往往只从逻辑上去保证功能的实现,而对于运行过程中可能出现的潜在的问题考虑欠缺,采取的措施不足,在干扰信号真正袭来的时候,就可能会出现各种故障。为此,在巡检装置样机制造完成后,通过模拟巡检装置实际使用环境,经过较长时间的连续运行考核,对其固有可靠性进行摸底、评价,并针对试验中出现的问题进行分析和设计改进,是提高巡检装置可靠性的有效途径。

  2 试验过程

  2.1 装置组成及工作原理

  巡检装置对蓄电池组电压值,蓄电池组充、放电电流值,20块“检查电池”的电压、电解液温度、密度进行巡回检测和数据处理,并对20块蓄电池液面高度设置上、下限报警。计算机顺序快速巡回检测,显示20块“检查电池”的电压值、电解液温度值、密度值并进行液面高度上、下限报警。智能模块是巡检装置的重要部件,是整套设备的核心,被直接安装在被测蓄电池上,检测蓄电池的密度、电压、温度、液位,将以上数据通过CAN总线发送给上一级处理单元,为整套蓄电池监测装置提高可信、稳定的原始数据。巡检装置的结构框图如图1,智能模块的原理框图如图2。

图1 巡检装置的结构框图

  图2 智能模块的原理框图

  2.2 试验内容

  根据有关标准要求,在对巡检装置进行可靠性试验前,开展了FMEA分析工作,力求通过FMEA找出设计的薄弱环节,以利于试验过程中可能发生的故障的分析。经分析,巡检装置最可能出现的故障模式主要有:步进电机不能正常动作、智能模块不能正常采集检测参数、检测参数超出精度要求。因此试验时,将3个智能模块安装在蓄电池上,每一小时由软件自动控制步进电机提升一次,每四小时用相应检测工具检测电池状态,并与信息处理机显示的数据进行对比,观察智能模块在电池的充放电循环中,能否连续正常工作,信息处理机能否准确显示电压、密度、温度、液位信号,控制步进电机正常动作。只要出现以下情况就判定装置失效:

  1)步进电机不能正常提升;

  2)检测参数不满足精度要求;

  3)信息处理机不能显示被测参数。

  2.3 试验故障的分析

  巡检装置进行了共计2010小时长期可靠性试验,在试验过程中,1# 、2#、3#智能模块均出现CAN总线无数据传输,分机无法接受智能模块数据,经手动复位,工作正常的现象。出现故障后,进行了故障原因分析,引起故障的原因可能存在于内因:巡检装置自身软硬件的问题;外因:外部存在干扰信号。从外因方面看,结合智能模块的原理框图,因LPC2119集成度很高,只需要外部接晶振、复位信号、电源即可正常工作。用示波器观察晶振,有稳定规则的正弦波信号;观测复位端信号,该引脚波形干净,未观测到干扰信号,因此判断故障不是外部原因导致的;再判断CPU是否工作,观测I2C总线的数据线、时钟线均无信号,根据原理图,如CPU工作,则该信号线有密集的信号。用示波器观察CPU外围运行的模块,均有正常的脉冲信号,据此判断CPU的确停止了工作。由于CPU在长期通电运行过程中,会产生程序指针PC发生错误的概率,误将非操作码当作操作码执行,造成程序执行混乱或进入死循环,使智能模块无法正常运行,这是单片机系统的常见故障[3]。

  3 巡检装置可靠性改进的具体措施

  提高单片机系统可靠性的方法与措施很多。一般地,应根据所面临的具体的可靠性问题,针对引起或影响系统不可靠的因素采取不同的处理措施。对于巡检装置其可靠性改进应从尽量提高自身抗干扰能力及降低自身运行的不稳定性着手[4]。例如,为了抑制电源的噪声和环境干扰信号而采用滤波技术、隔离技术、屏蔽技术等,这类措施较常使用,简单而且效果也较好,但其对系统可靠性的提高是有限的,许多情况下不能满足系统的要求。另外,针对系统自身而采用的看门狗电路、软件抗干扰技术、备份技术等,这类措施可以更进一步提高系统的可靠性,往往在高可靠性的系统设计中被广泛使用。下面就巡检装置如何降低自身运行的不稳定性,从而达成实现可靠性改进提高的目的进行简要阐述。

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