大型養路機械發動機防火監測系統研究

楊琢

【摘 要】針對大型養路機械發動機動力間存在火災隱患的缺陷，提出一種基于LabVIEW軟硬件平臺的大型養路機械發動機防火監測系統方案。設計了防火監測系統硬件，并開發了數據采集和防火監測系統軟件，實現了對大型養路機械發動機進行防火監測的功能。

【關鍵詞】大型養路機械；發動機；防火監測；LabVIEW

Research on Fire Monitoring System for Railway Large Maintenance Machinery Engine

YANG Zhuo

（CRCC High-Tech Equipment Corporation Limited，Kunming Yunnan 650215，China）

【Abstract】Aiming at the defect of fire potential in railway large maintenance machinery engine house，a scheme of railway large maintenance machinery engine fire monitoring system based on LabVIEW software and hardware platform is proposed.A fire monitoring hardware system is designed.Software of data acquisition and fire monitoring system is developed.The function of fire monitoring for railway large maintenance machinery engine is realized.

【Key words】Railway large maintenance machinery；Engine；Fire monitoring；LabVIEW

0 引言

隨著國家近年來對鐵路事業的大力投資，我國的鐵路事業得到了飛速發展。鐵路安全重于泰山，一貫為國家所重視。大型養路機械作為鐵路維修養護的現代化裝備，是實現鐵路不間斷運輸和行車安全的重要工具，發動機作為大型養路機械的心臟，其重要性不言而喻。

目前，應用于各個鐵路局的多品種各型號大型養路機械的發動機動力間普遍存在環境封閉的缺陷。長時間作業勢必造成發動機溫度升高，倘若發生火情，不易及時察覺，勢必造成重大火災事故，從而影響鐵路運輸安全和生產經營管理。例如，2015年8月6日，南昌局鷹潭工務機械段一臺DWL-48連續式搗固穩定車在作業過程中，發動機動力間發生火災，造成了重大經濟損失。

大型養路機械發動機防火監測系統利用傳感器對發動機及其動力間的多種物理信號進行數據采集[1-2]，利用LabVIEW開發的數據采集和狀態監測軟件[3-5]對數據進行采集、分析、處理、顯示、報警、保存和查詢。

1 總體設計

根據大型養路機械發動機及其動力間的環境特點，大型養路機械發動機防火監測系統應具備如下主要功能：能夠對發動機主要部位的溫度進行實時監測；能夠對發動機動力間可能產生的煙霧和火焰進行實時監測；能夠對發動機動力間的實時影像進行監測；數據采集及狀態監測軟件能夠實時不間斷的采集數據，并對數據進行處理、分析、顯示、存儲和歷史數據查詢；能夠根據實際需求方便的對傳感器節點進行組態；人機交互界面合理友好。

大型養路機械發動機防火監測系統的總體設計如圖1所示。

大型養路機械發動機防火監測系統的監測對象包括：發動機排氣管、渦輪增壓器、缸蓋、冷卻水箱、直流發電機處的溫度信號；動力間的煙霧信號；動力間的火焰信號；動力間的視頻信號。

大型養路機械發動機防火監測系統的傳感器包括：溫度傳感器、煙霧信號探測器、火焰信號探測器、紅外熱成像攝像頭，分別用于采集發動機及其動力間的溫度、煙霧、火焰、視頻信號。

大型養路機械發動機防火監測系統的硬件平臺包括：信號調理器、數據采集卡、嵌入式計算機。

大型養路機械發動機防火監測系統的軟件平臺包括：基于LabVIEW軟件開發的發動機防火監測系統、Firebird嵌入式數據庫。

2 硬件設計

大型養路機械發動機防火監控系統硬件設計如圖2所示。溫度傳感器對發動機重點部位的溫度進行監測，煙霧探測器、火焰探測器和紅外熱成像攝像頭分別對動力間的煙霧、火焰和影像進行監測。監控主機內部裝有數據采集卡和信號調理器。

2.1 傳感器選型

在大型養路機械發動機防火監測系統中，動力間的傳感器需要采集如下信號：2個發動機排氣管處的溫度信號、2個發動機渦輪增壓器處的溫度信號、發動機缸蓋的溫度信號、發動機冷卻水箱的溫度信號、直流發電機出的溫度信號、動力間的環境溫度信號；動力間的煙霧信號；動力間的火焰信號；動力間的視頻信號。

根據大型養路機械動力間的環境和需要采集的信號，傳感器的選型如表1所示。

表1 防火監測系統傳感器選型

溫度傳感器采用德國Asmik公司的MIK-AL-10非接觸式傳感器[6]，溫度測量范圍可達到0-500℃，測量精度可達1.5℃，廣泛應用于工業物體測量。

煙霧信號傳感器采用英國阿波羅防火探測器有限責任公司的XP95本安型光電感煙探測器55000-640[7]。該探測器采用光散射原理工作，適用于緩慢燃燒或者陰燃。

火焰信號傳感器采用上海安譽智能科技有限公司的A715/UVIR2 紅紫外復合火焰探測器[8]，探測器依配備2個紅外傳感器和1個紫外傳感器，具有反應速度快，靈敏度高優點。廣泛應用于鐵路機車、軍用裝甲車輛和船舶等設置。

紅外熱成像攝像頭采用荷蘭Orlaco公司的紅外熱成像攝像頭0103730[9]，該攝像頭218倍變焦，內置夜視功能，IP69K防水等級，鏡頭玻璃有自熱功能，防振動防沖擊。

2.2 數據采集卡選型

數據采集（DAQ）的目的是將傳感器輸出的模擬信號轉換成計算機可以接受的數字信號，再進行存儲、顯示、分析與處理的過程，是數據采集軟硬件的完美契合。選擇合適的數據采集卡，能夠提高測試測量精準性，縮短開發周期并降低成本。

根據數據采集硬件的要求如下：

1）能夠同時對8個通道的模擬信號進行采樣，每個通道的數據采集速率為25600Hz。

2）能夠同時對4個通道的開關量信號進行采樣。

根據以上要求，計算出采集卡的采樣率至少為204.8kS/s，同時至少有8個模擬輸入和4個數字I/O。由此可選擇美國國家儀器（National Instruments，簡稱NI）有限公司的NI 6321型號數據采集卡。該型號數據采集卡的參數如表2所示。

表2 NI 6321數據采集卡參數

2.3 信號調理器選型

信號調理器選用NI公司的NI SCXI-1122。該信號調理器為16通道隔離傳感器輸入模塊，可對溫度傳感器輸入信號進行調理。

3 軟件設計

大型養路機械發動機防火監測系統的軟件設計平臺采用NI公司的LabVIEW軟件。該軟件是一種圖形化編程語言，支持多線程，適合于連續的數據采集，被廣泛應用于工業自動化、測試測量、設備狀態監測等領域。

3.1 防火監測系統軟件流程

防火監測系統的軟件設計采用5個線程，如圖3所示。線程1為事件結構，用于處理GUI事件，包括：系統參數設置、實時溫度測點選擇、歷史數據查詢及視頻回放、報警記錄查詢；線程2為發動機及動力間的溫度數據采集、處理、顯示、保存，并判斷是否報警；線程3為煙霧信號的采集及顯示，并保存煙霧報警數據；線程4為火焰信號的采集及顯示，并保存火焰報警信號；線程5為視頻信號的采集、顯示和保存。

3.2 防火監測系統關鍵技術

3.2.1 主從設計模式

防火監測系統能夠對溫度數據、煙霧信號數據、火焰信號數據進行數據采集、數據處理、數據顯示、數據保存。在軟件設計時，該處用到了LabVIEW的主從（Master/Slave）設計模式[10]。

主從設計模式適用于一對多的情況，只有主方能夠發布數據，從方只能被動響應。主方沒有發布新的數據時，所有從方都在等待數據。一旦主方發布新的數據，所有從方立刻被喚醒并響應，處理數據后再次轉入休眠狀態。

在大型養路機械發動機防火監測系統中，主從模式中的主線程用來采集數據，從線程用來顯示數據和保存數據，如圖4所示。

3.2.2 數據庫操作

防火監測系統對采集到的實時數據和報警數據進行保存，存入到Firebird嵌入式數據庫中。在軟件設計中，用到了如下數據庫操作技術：數據庫連接；數據表的創建和刪除；數據記錄的插入、刪除、修改和讀取等。

數據庫連接有多種方式[11]：用戶選擇數據庫；使用DSN（Data Source Name）連接數據庫；使用UDL（Universal Data Link）文件連接數據庫；使用連接字符串連接數據庫。在防火監測系統中采用UDL文件連接數據庫。

數據庫工具包使用NI公司的DCT（Database Connectivity Toolkit）工具包，如圖5所示。該工具中集成了數據庫的各種操作，包括數據表的創建和刪除；數據記錄的插入、刪除、修改和讀取等。

3.2.3 系統報警算法

防火監測系統的報警算法主要用于溫度報警判斷。該算法利用測量值與閾值進行比較，判斷是否產生報警。

溫度報警采用二級上限報警方式，第一級為預警，第二級為報警。報警級別不同，給用戶提示的報警信號也不相同。

判斷報警算法的輸入參數有3個：當前值、預警閾值（一級報警閾值）、報警閾值（二級報警閾值），輸出參數為報警狀態。當前值小于預警閾值時，報警狀態為正常；當前值大于等于報警閾值時，報警狀態為報警；當前值大于等于預警閾值且小于報警閾值時，報警狀態為預警。

3.3 防火監測系統實現

防火監測系統軟件如圖7所示，系統功能除了數據采集之外，還包括實時監測、歷史數據查詢、報警記錄查詢、系統設置等用戶界面，使用戶方便及時的了解發動機及其動力間的狀態。

實時監測界面實時呈現給用戶各測點的溫度、煙霧報警、火焰報警和攝像頭監測到的影像。顯示值的底色為綠色時表示正常，黃色表示預警，紅色表示報警。報警指示燈為綠色時表示正常，紅色表示報警。

歷史數據查詢界面由測點名稱和時間查詢歷史數據，根據測點數據類型呈現出相應的查詢結果，包括溫度數據、開關量報警數據、視頻數據。

報警記錄查詢界面由測點和時間查詢報警記錄，可選擇全部測點或單個測點。查詢到的數據包括報警數據ID、測點名稱、報警類型、報警時間、報警閾值和測量值。

系統設置界面可設置測點名稱、溫度報警閾值參數，將數據存入數據庫，在數據分析處理時使用。

4 系統測試

對大型養路機械發動機防火監測系統進行測試，系統能夠對被監測點的報警閾值參數進行設置；實時采集傳感器獲取的數據；當數據超過報警閾值或動力間有煙霧和火焰時，及時提醒用戶；對數據和報警記錄存入Firebird數據庫；能對歷史數據進行查詢和分析。測試表明，系統實現了對大型養路機械發動機防火監測的功能。

5 結束語

大型養路機械發動機防火監測系統基于LabVIEW平臺，利用溫度傳感器、煙霧探測器、火焰探測器、熱成像攝像頭、NI數據采集卡、嵌入式計算機等硬件對發動機及其動力間進行狀態監測，開發了LabVIEW數據采集及處理軟件，能夠實時采集狀態數據并對數據進行分析、處理、顯示、報警、保存和查詢。系統測試結果表明，該系統設計合理有效，界面友好，功能強大，具有較好的應用價值。

【參考文獻】

[1]戴世順.基于多信號融合的智能車載防火系統的設計與實現[D].北京：北京郵電大學，2013.

[2]郭冰陶，劉珊，劉強，等.基于多傳感器數據融合的智能火災監控系統設計[J].自動化與儀表，2016，31（2）：29-32.

[3]趙心宇.無線智能防火報警系統的研究與應用[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2011.

[4]吳龍亮，薛楠，權祎魁等.基于ZigBee與LabVIEW的火災預警系統的設計[J]. 微型機與應用，2013（22）：53-55.

[5]曾素瓊，黃華杰.基于單片機和LabVIEW的無線火災監測系統設計[J].計算機測量與控制，2015，23（1）：43-45，49.

[6]MIK-AL-10工業在線紅外測溫儀.www.hzmik.com/cp_28_37.html，2017.4.

[7]XP95-本安型光電感煙探測.www.apollo-fire.cn/產品/xp95/xp95-本安型光電感煙探測.aspx，2017.4.

[8]A715UVIR2紫紅外復合火焰探測器.www.anysafe.com.cn/Purple/，2017.4.

[9]熱成像攝像頭0103730.www.orlacocctv.com/chanpinzhongxin-295944-132660- item-587685.html，2017.4.

[10][11]陳樹學，劉萱.LabVIEW寶典[M].北京：電子工業出版社，2011：395，463.

[責任編輯：田吉捷]