基于LabVIEW的軌道交通數(shù)據(jù)監(jiān)控與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

種興靜 冷子文 高軍偉 蓋宏宇

摘要： 為了更方便對(duì)軌道交通列車監(jiān)測(cè)和輔助逆變器的維護(hù)管理，本文基于LabVIEW設(shè)計(jì)了一種實(shí)時(shí)顯示的軌道交通列車輔助逆變監(jiān)控系統(tǒng)。以計(jì)算機(jī)和NI cRIO 9075數(shù)據(jù)采集卡搭建硬件系統(tǒng)，采用LabVIEW開發(fā)平臺(tái)建立可視化人機(jī)界面，結(jié)合數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等平臺(tái)在智能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行仿真模擬實(shí)驗(yàn)。仿真結(jié)果表明，該監(jiān)控系統(tǒng)可以準(zhǔn)確顯示環(huán)境溫度和電流等物理量，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的顯示和存儲(chǔ)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輔助逆變電壓的變化，并從時(shí)域和頻域?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，提取有用信號(hào)。該研究為進(jìn)一步故障信號(hào)診斷分析奠定了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： LabVIEW; 輔助逆變; 數(shù)據(jù)采集; 監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TP274; TP277? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

輔助逆變器是軌道交通列車上不可或缺的重要部件，為列車交流負(fù)載提供穩(wěn)定電源，是輔助供電的核心系統(tǒng)，但輔助逆變器故障直接影響到列車交流負(fù)載，甚至?xí)?dǎo)致列車不能正常工作。由于傳統(tǒng)輔助逆變器監(jiān)測(cè)設(shè)備使用復(fù)雜，不能及時(shí)監(jiān)控到輔助逆變器的故障信號(hào)，對(duì)軌道交通列車的安全運(yùn)行存在一定隱患[1]。因此，智能化的輔助逆變器監(jiān)控系統(tǒng)在很大程度上方便了對(duì)輔助逆變器的實(shí)時(shí)監(jiān)控和正常的維護(hù)管理，相對(duì)于傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備具有很大優(yōu)勢(shì)。隨著人工智能的發(fā)展，虛擬儀器得到了更廣泛應(yīng)用[2]。由于LabVIEW圖形化的開發(fā)語言簡(jiǎn)單易懂，對(duì)后續(xù)軟件的調(diào)整與維護(hù)便利。因此，本文利用LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)，建立一個(gè)簡(jiǎn)單、友好的可視化人機(jī)交互界面，設(shè)計(jì)了一種實(shí)時(shí)顯示的軌道交通列車輔助逆變器監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過LabVIEW可視化的編程技術(shù)，對(duì)軌道交通車輛運(yùn)行過程中電壓、電流等物理量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和監(jiān)控，上位機(jī)通過對(duì)采集到的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行處理和分析，建立人機(jī)交互界面[34]。該輔助逆變監(jiān)控系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軌道交通列車運(yùn)行狀態(tài)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，并對(duì)其進(jìn)行診斷分析，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 數(shù)據(jù)監(jiān)控與處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 數(shù)據(jù)監(jiān)控與處理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用美國(guó)國(guó)家儀器公司NI所研發(fā)的LabVIEW開發(fā)平臺(tái)，并配以實(shí)時(shí)控制器Compact RIO系統(tǒng)，完成多通道數(shù)據(jù)采集及信號(hào)處理[5

6]。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)由各類傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[7

8]及上位機(jī)等模塊組成。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。輔助逆變器各類物理量信號(hào)，通過相應(yīng)的傳感器進(jìn)行信號(hào)采集，轉(zhuǎn)換為電

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)信號(hào)，采集到的電信號(hào)經(jīng)由信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行預(yù)處理，然后通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中模擬輸入模塊和NI cRIO 9075模塊進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，采用以太網(wǎng)連接控制器的方式將采集到的數(shù)字信號(hào)傳到計(jì)算機(jī)，通過虛擬儀器LabVIEW平臺(tái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)輔助逆變器信號(hào)在人機(jī)界面的顯示和存儲(chǔ)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。1.2 數(shù)據(jù)監(jiān)控與處理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件部分由數(shù)據(jù)采集設(shè)備和計(jì)算機(jī)組成，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將信號(hào)調(diào)理電路預(yù)處理后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字電信號(hào)，然后利用PC機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理。本文采用的CompactRIO系統(tǒng)，由一個(gè)包含處理器和用戶可編程FPGA控制器及NI或第3方提供的一個(gè)或多個(gè)信號(hào)調(diào)理I/O模塊組成[911]。數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括各類傳感器及信號(hào)調(diào)理電路，通過各類傳感器將采集到的溫度及電壓的物理信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行預(yù)處理，并將這些物理信號(hào)再轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

本文采用一款適用于高級(jí)控制和監(jiān)控應(yīng)用的嵌入式控制器NI cRIO 9075，配以4通道C系列電壓輸入模塊NI 9215和8通道C系列電流輸入模塊，通過C模塊將標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸入到NI cRIO 9075中。其中，NI 9215模塊具有4路同步采樣電壓輸入，每個(gè)通道的輸入信號(hào)經(jīng)緩沖調(diào)理后，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)其采樣。NI 9203提供8個(gè)模擬輸入通道，每個(gè)通道都連接電流信號(hào)端子，而且都過壓保護(hù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)TCP/IP協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行通信，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸及監(jiān)控功能[12]。

1.3 數(shù)據(jù)監(jiān)控與處理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)人機(jī)界面友好，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集顯示、信號(hào)的分析處理及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能[1315]，便于操作和維護(hù)。軟件設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析[16]，數(shù)據(jù)采集通過對(duì)采樣頻率和通道等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，將數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)送至上位機(jī)，并利用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、刪除等操作[1718]。數(shù)據(jù)主要通過時(shí)域分析、頻域分析及時(shí)域和頻域聯(lián)合分析處理。時(shí)域分析主要是波形及其特征數(shù)據(jù)的顯示，包含自相關(guān)分析和限幅濾波;頻譜及其特征數(shù)據(jù)的顯示為頻域分析，主要包括功率譜分析及快速傅里葉變換（fast fourier transform，F(xiàn)FT）。程序結(jié)構(gòu)如圖2所示。

軟件運(yùn)行環(huán)境為Windows 10下的LabVIEW 2014，由前面板和程序框圖組成。為實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的功能，創(chuàng)建HOST.VI程序框圖，HOST.VI程序框圖如圖3所示。系統(tǒng)通過采集模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，并將采集到的信號(hào)分析處理進(jìn)行顯示，最后將數(shù)據(jù)保存，數(shù)據(jù)庫模塊對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行管理[19]。本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)設(shè)置溫度和電流信號(hào)采樣間隔，通過共享變量功能，獲取采集到的溫度和電流信號(hào)，并將數(shù)據(jù)寫入測(cè)量文件函數(shù)，結(jié)合數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，將采集到的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中[20]。系統(tǒng)設(shè)定溫度、電流最大值與最小值，當(dāng)采集的信號(hào)超出設(shè)定范圍，觸發(fā)報(bào)警功能。

2 仿真實(shí)驗(yàn)及分析

通過控制面板對(duì)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所的溫度等物理量信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，調(diào)用子程序，實(shí)現(xiàn)輔助逆變器輸出電壓信號(hào)的顯示，以便直觀的觀測(cè)溫度、電流等物理量的變化情況，控制界面如圖4所示。通過多通路測(cè)量，實(shí)時(shí)顯示溫度等物理量的變化情況，并以波形的方式直觀顯示。當(dāng)溫度超過設(shè)定的最大溫度時(shí)，觸發(fā)溫度報(bào)警裝置。

通過仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域分析，信號(hào)處理框圖如圖5所示。圖5a為功率譜分析，它可以顯示在一定的區(qū)域中信號(hào)功率隨著頻率變化的分布情況。其分別將信號(hào)類型、頻率、幅值等參數(shù)通過波形發(fā)生器VI輸出原始電壓信號(hào)，然后經(jīng)過功率譜VI得到功率譜的波形顯示，信號(hào)進(jìn)行自相關(guān)分析后，再進(jìn)行快速傅里葉變換。圖5b為快速傅里葉變換分析，將測(cè)得的正弦波形進(jìn)行復(fù)合得到原始電壓信號(hào)，原始電壓信號(hào)通過“快速傅里葉變換”函數(shù)將其變換，再通過“復(fù)數(shù)至極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換”函數(shù)將變換得到的復(fù)數(shù)轉(zhuǎn)換成實(shí)部和虛部，便于諧波分析。

通過數(shù)據(jù)調(diào)用運(yùn)行數(shù)據(jù)分析模塊，信號(hào)數(shù)據(jù)分析如圖6所示。圖6a為原始電壓信號(hào)，設(shè)置采樣間隔為1 s，逆變器的輸出電壓為220×（1±005）V;圖6b為功率譜分析，顯示信號(hào)功率的變化情況，在頻域范圍內(nèi)提取有用信號(hào);圖6c為快速傅里葉變換波形顯示圖，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的諧波分析，實(shí)部與虛部分別表示振幅與相位的變化。通過頻域分析，為信號(hào)診斷奠定基礎(chǔ)。

本文基于LabVIEW設(shè)計(jì)了軌道交通數(shù)據(jù)監(jiān)控與處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)軌道交通列車輔助逆變器數(shù)據(jù)的采集，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)表明，該設(shè)計(jì)能夠精確測(cè)量溫度變化，實(shí)時(shí)顯示電壓變化情況，穩(wěn)定可靠，滿足軌道交通列車數(shù)據(jù)監(jiān)控的要求。相較于簡(jiǎn)單監(jiān)控系統(tǒng)，本系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)顯示數(shù)據(jù)波形并處理。該系統(tǒng)還可應(yīng)用于輔助逆變器的故障診斷，對(duì)保證列車可靠、安全的運(yùn)行具有重要的應(yīng)用價(jià)值和研究意義。

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