铁路微机监测系统中模拟输入板失效分析

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【摘要】本文通过对铁路微机监测系统中模拟输入板的测试和研究，发现模入板的平均无故障工作时间短，可靠性差的主要原因是采集系统的电磁兼容性设计不到位。本文的研究旨在通过对模入板的失效原因分析，寻找出导致模入板失效的所有的物理因素和外部影响，从而为解决TJWX系统的采集子系统的易失效问题提供决策依据。
【关键词】铁路微机监测系统；模拟输入板；失效；电磁兼容
一、前言
TJWX微机监测系统的供应商卡斯柯信号有限公司是由中国铁路通信信号集团公司与阿尔斯通（中国）投资有限公司共同出资组建的一家中外合资企业。该公司的TJWX系统几乎覆盖了全国铁路的各大铁路局。TJWX微机监测系统是铁路系统信号与管理的一个重要的系统。但是由于系统关键节点中站机的采集系统采用了分布式的体系结构，实际的系统在运行中，采集系统的故障发生率居高不下。采集系统的故障直接造成了整个监测系统的平均无故障工作时间短，可靠性差等缺陷。特别是在夏季，在强雷区工作的微机监测系统，因雷击等外部原因，造成的采集系统的失效频繁发生，使整个系统工作的可靠性与稳定性都存在着较大的不确定性，给整个系统的可靠和安全运行带来了巨大的威胁。采集系统中的模拟输入板（以下简称“模入板”）大量应用，且故障率一直居高不下。
本文的研究旨在通过对模入板的失效原因分析，寻找出导致模入板失效的所有的物理因素和外部影响，从而为解决TJWX系统的采集子系统的易失效问题提供决策依据。
二、失效统计
根据南宁铁路局柳州电务段的维护与保养数据显示，在2012年的一整年中，对全段模入板的常规保养与维修总计为109次，故障数据参见表1。
其中故障维修56次，集成电路4051损坏32次占，集成电路324损坏3次，人为错误3例，其余各类器件类故障18例。从数据看4051的损坏占总失效的57%。是全部失效中最主要的失效。
三、原因分析
通过对4051失效的分析，还可看到模入板中的4051除雷击引起失效外，通常的4051失效是其中的1路或几路发生失效。根据4051的内部结构和电路特点，再从器件失效的现象分析，该失效与CMOS电路的闩锁相关。在常态下CMOS电路的闩锁发生概率极低，但接入系统后因为系统的设计、布局、布线、工艺等方面的不足造成了信号的串扰，从而带来了系统的电磁兼容性的下降，由此造成了模入板输入电路失效的频发。
四、实际验证
针对上述推论，我们在南宁铁路局南丹站、六甲站测试了相关的模入板的常态波形与模入板在切换过程中的实时波形如图1和图2所示。切换瞬间的高次谐波的串扰特别强烈，尽管波形形式各不相同，但串扰信号大幅增强的现象不仅在南丹站出现，在六甲站的测量中也同样出现。
五、结论
根据南丹与六甲两个站点的验证，我们可以判定，模入板的平均无故障工作时间短，可靠性差的主要原因是采集系统的电磁兼容性设计不到位。其中原因归纳如下。
一是模入板的电磁兼容设计不到位。具体的特征体现在于模入板的供电部分设计电磁兼容性的设计不足，全板的供电部分电源滤波电容极少，输入接口的保护相对简单，针对高次谐波的处理电路未见设计，改进设计的电路板器件选择欠合理。所有的种种均影响了模入板的电磁兼容性。
二是TJWX系统设计施工中存在缺陷。模入板信号是模拟量，在数字电子系统工程中的模拟量信号从传输到处理要严防信号的串扰。但在我们测试的各站点均未能看到相应的技术措施与处理，这也给模入板的输入信号处理带来了极大的干扰。
参考文献
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