道岔動力特性實時監測系統的開發*

黃 輝 雷曉燕 劉慶杰

(1.廣州地鐵設計研究院有限公司，510010，廣州; 2.華東交通大學鐵路環境振動與噪聲教育部工程研究中心,330013,南昌∥ 第一作者,助理工程師)

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道岔動力特性實時監測系統的開發*

黃 輝1雷曉燕2劉慶杰2

(1.廣州地鐵設計研究院有限公司，510010，廣州; 2.華東交通大學鐵路環境振動與噪聲教育部工程研究中心,330013,南昌∥ 第一作者,助理工程師)

基于美國國家儀器(NI)公司的嵌入式測控系統CompactRIO 9068和c系列數據采集卡NI 9237、NI 9234等系列硬件設備,用圖形化編程語言LabVIEW開發了道岔動力特性實時監測系統。該系統實現了同時對輪軌力和振動加速度的數據采集、數據傳輸、數據存儲和數據實時顯示等功能。通過在某城市軌道交通線上的試驗驗證了本系統工作的可靠性。

城市軌道交通; 道岔; 動力特性; 實時監測

First-author′s address Guangzhou Metro Design & Research Institute Co.,Ltd.,510010,Guangzhou,China

作為軌道交通的重要組成部分,道岔具有構造復雜、壽命短、限制列車速度、行車安全性低、養護維修投入大等特點[1]。隨著鐵路運輸向著高速、重載、高密度和大運量發展,列車通過道岔時,勢必會加劇輪軌動力響應,縮短其使用壽命和增加養護維修成本,輕則影響列車過岔時的運行狀態和旅客乘坐的舒適性,重則造成極大的安全隱患[2]。因此,列車通過道岔時的動力特性倍受關注[3],對列車過岔時動力特性的監測也變得尤為重要。

道岔是軌道的薄弱環節之一。列車過岔時,道岔的振動加速度和所受的力直接反映了其所處的狀態。這就要求對這兩項指標同時進行實時監測。另外,有的線路上道岔很多,有的相對較少,不同的道岔區監測的情況不盡相同。這又需要監測系統具有良好的擴展性。因此,開發1個能同時對道岔區振動加速度和受力情況進行實時監測,并具有良好擴展性的監測系統,才能更好地適應現場監測的需要。

監測系統程序開發是基于美國國家儀器(NI)公司推出的LabVIEW軟件實現的。LabVIEW軟件是一種用圖標代替文本行創建應用程序的圖形化編程語言,具有兩個巨大的優勢:一是編程簡單,形象生動,易于理解和掌握;二是LabVIEW軟件針對數據采集、儀器控制、信號分析與處理等任務,提供了節點(函數)以對底層協議進行高度封裝[4]，大大提高了開發效率。LabVIEW程序包括前面板、程序框圖、圖標和連線板4個部分。

本監測系統采用NI公司推出的CompactRIO系列產品cRIO 9068,選用采集卡NI 9237和NI 9234同時進行輪軌力和振動加速度的采集,利用LabVIEW軟件進行編程實現數據的傳輸、存儲和實時顯示等功能。

1 道岔動力特性實時監測系統的開發

1.1 道岔動力特性實時監測系統的工作原理

道岔動力特性實時監測系統構成如圖1所示。將應變計和加速度計粘貼于道岔區的測點上,并通過電纜分別與數據采集卡NI 9237和NI 9234連接。采集到的信號傳輸至cRIO 9068系統的I/O(輸入/輸出)模塊,通過編寫FPGA(現場可編程門列)程序將數據傳輸至FPGA。實時控制器(RT)則通過編寫的程序讀取已傳輸至FPGA上的數據,并實現在機箱上數據存儲。最后通過RT程序讀取的數據以網絡流的方式與上位機進行數據交互并傳輸至上位機,并在上位機上實時顯示。

圖1 道岔動力特性實時監測系統構成

1.2 硬件結構

(1) 上位機。上位機是1臺PC機,作為整個監測系統的核心,在其上完成所有程序的開發。上位機通過安裝的NI MAX管理軟件與CompactRIO 9068系統進行連接,同時,以網絡流的方式與CompactRIO 9068系統的RT進行通信,實現數據和信息的交互。

(2) CompactRIO 9068系統。CompactRIO 9068系統是一款可重新配置的嵌入式測控系統,由實時嵌入式控制器和內嵌FPGA芯片的8槽機箱組成,工作溫度范圍為-40 ℃到70 ℃。

(3) 數據采集卡NI 9237。NI 9237是4通道的同步電橋模塊,支持半橋和全橋編程,其分辨率為24位,可實現4通道同步采集模擬輸入,最高采樣率可達50 kHz,工作溫度范圍為-40 ℃到70 ℃。

(4) 數據采集卡NI 9234。NI 9234是4通道的動態信號采集模塊,能針對集成電路壓電式(IEPE)傳感器與非集成電路壓電式(IIEPE)傳感器進行高精度音頻測量。NI 9234的分辨率為24位,最高采樣率為51.2 kHz,可實現4通道同步采樣模擬輸入。

(5) 加速度傳感器。加速度傳感器選用美國國家壓電公司生產的356A16型三軸向加速度傳感器,其靈敏度為100 mV/g,頻率響范圍為0.3～6.0 kHz,量程為±50g(g為重力加速度),分辨率為0.000 1g。

1.3 程序開發

監測系統的程序開發采用可為用戶提供更多自定義功能的CompactRIO的FPGA模式。一個完整的FPGA項目包括FPGA程序、RT程序和上位機程序,其軟件架構圖如圖2所示。

圖2 FPGA項目軟件架構圖

1.3.1 FPGA程序

FPGA程序采用while(條件)循環和平鋪式順序結構,可對采樣率、激勵電壓等參數進行設置,通過FPGA I/O節點讀取I/O模塊各通道數據,然后將其寫入DMA(直接內存存取)FIFO(先入先出隊列)。DMA FIFO是非常關鍵的同步技術。在高速采集過程中,FPGA采集的速率遠遠快于RT循環的速率。因此,為保證RT讀取全部數據而又不出現數據丟失的情況,就必須采用DMA FIFO方式進行數據傳遞。FPGA程序編輯完成后可編譯下載至FPGA機箱中。圖3為FPGA程序流程圖。

圖3 FPGA程序流程圖

1.3.2 RT程序

RT編程是整個程序開發的核心,包含UI(用戶界面)命令循環、消息處理循環、Watchdog監測循環、系統狀態與FPGA監測循環、采集與記錄循環等5個并行循環。

(1) UI命令循環建立網絡流連接,使RT程序能夠接受上位機程序發來的消息。

(2) 消息處理循環用于處理來自UI命令循環、消息處理循環、Watchdog循環和監測循環的全部消息。

(3) Watchdog循環用于實現周期觸發,以確保系統響應。

(4) 系統狀態與FPGA監測循環周期性地通過網絡變量向上位機程序發送監控信息,使用戶能實時了解RT系統和FPGA的工作狀況。例如,用戶可在上位機程序實時獲取RT系統CPU資源利用率和驅動器空間資源利用率等指標的信息。

(5) 采集與記錄循環采用while循環和事件結構,主要實現觸發、數據采集、數據存儲等功能。圖4為采集與記錄循環的程序流程圖。

圖4 采集與記錄循環程序流程圖

采集與記錄循環中實現觸發的方式有強制觸發和自動觸發兩種。強制觸發按鈕位于上位機用戶顯示界面,是布爾類型按鈕。當用戶點擊時,采集系統被強制觸發實現數據采集。自動觸發包括均方值觸發和最大值觸發,其觸發值可在上位機程序的配置文件中設置。均方值觸發適用于采集波形為震蕩波形的振動加速度信號,最大值觸發適用于采集波形容易發生突變的輪軌力。為避免自動觸發后出現有效數據丟失的情況,程序采用隊列實現了緩存的功能,這樣可保證在采用最大值觸發時,最大值前的一段有效數據能被采集到。

RT程序中將讀取的數據以TDMS(技術資料數據化管理系統)文件的形式進行存儲。TDMS文件具有高速存儲的特性,特別適合于海量數據存儲。

1.3.3 上位機程序

上位機程序主要包含配置文件程序和用戶界面程序。

配置文件程序的主要功能是進行參數設置。用戶可根據實際情況和需求在配置文件程序中設置輪軌力標定系數、加速度換算系數、通道名稱、數據存儲時的文件名稱等一系列參數。所有參數設置完成以后,運行配置文件程序便可生成配置文件。將該配置文件拷貝至RT終端根目錄中，便完成了對整個采集系統的配置。

上位機與RT端通過命令流的形式進行交互。在用戶顯示界面輸入IP地址,點擊連接按鈕,便可建立上位機與RT端的連接。RT端傳輸過來的各通道數據在上位機用戶顯示界面實時顯示,調用最大值函數還可實時顯示各通道數據的最大值。在實時模塊編號輸入框中輸入想要查看的模塊編號,便可觀察到相應模塊各通道的實時波形圖。圖5為上位機用戶顯示界面。

2 道岔動力特性實時監測系統的應用

將本監測系統應用于某城市軌道交通試驗線上,試驗車是1列2節車廂的系統試驗車。試驗一共布置了6個數據測試點。其中,測點1和測點3位于尖軌部分的尖軌上；測點2和測點4位于尖軌部分的曲基本軌上,并與測點1和測點3對應；測點5和測點6位于轍叉部分的曲股里軌上。測點1、2、5、6處采用軌腰壓縮法粘貼應變計,經標定后采集輪軌力。測點3、4處粘貼加速度計以采集振動加速度。測點布置圖可參見圖5上位用戶顯示界面。某列列車通過時測點3的垂向振動加速度和測點5的垂向輪軌力如圖6和圖7所示。

圖5 上位機用戶顯示界面

圖6 測點3垂向振動加速度

圖7 測點5垂向輪軌力

3 結語

基于LabVIEW軟件開發的道岔動力特性實時監測系統具有以下特點:

(1) 該系統能同時實現輪軌力和振動加速度的數據采集、存儲和實時顯示;

(2)實現了多方式觸發和數據緩存,避免了自動觸發后出現有效數據丟失;

(3)界面簡潔,操作方便;

(4)系統的可擴展性強,用戶可根據道岔區的實際情況擴展新的采集通道。

本監測系統可通過實時反映列車通過道岔時鋼軌的動力特性,以使相關人員根據監測結果制定相應的應對措施,確保列車過岔時車輛運行的安全狀態和旅客乘坐的舒適性。

[1] 練松良.軌道工程[M].上海:同濟大學出版社,2006.

[2] 譚曉春,羅雁云.軌道交通列車過岔振動特性研究[J].城市軌道交通研究,2008,11(1):28.

[3] 李新東,盧貴云,熊佳陽.高速道岔區動力響應的仿真研究[J].鐵道車輛,2006,44(3):6.

[4] 陳樹學,劉萱.LabVIEW寶典[M].北京:電子工業出版社,2011.

Development of Real-time Monitoring System for the Dynamic Characteristics of Turnout

HUANG Hui, LEI Xiaoyan,LIU Qingjie

A real-time monitoring system for the dynamic characteristics of turnout is developed based on National Instruments (NI) embedded measurement and the control systems of CompactRIO 9068, the c series date acquisition card NI 9237, NI 9234 and other hardware devices. Graphical programming language Labview is used in the development. This system could realize data collecting, transmitting, storing and real-time displaying of wheel/rail force and vibration acceleration. The reliability of the system is verified through experimental test on a rail transit line.

urban rail transit; turnout; dynamic characteristics; real-time monitoring

*國家自然科學基金項目(U1134107；51368021)

U 213.6

10.16037/j.1007-869x.2016.09.009

2014-12-04)