軌道車輛壓縮空氣質量健康管理系統研究

周其顯，劉 凱

（1.南京鐵道職業技術學院，江蘇南京 210031；2.南京中車浦鎮海泰制動設備有限公司，江蘇南京 211800）

1 引言

現代軌道交通車輛基本采用了貫通全列車的壓縮空氣管路系統，為車輛空氣制動、空氣懸掛及其它氣動設備提供清潔、干燥的壓縮空氣。為了車載氣動設備的安全可靠運行，軌道交通車輛對壓縮空氣的質量（尤其是相對濕度指標）要求非常高。如果空氣制動管路中壓縮空氣相對濕度過高或積水，都會引起金屬部件銹蝕、管路堵塞等故障，嚴重影響列車行駛安全。

以城市軌道交通地鐵車輛為例，目前常規的維護手段是在對車輛每個月底或季度的定期修理過程中，采用人工排水的方法確認空氣管路是否清潔。隨著智能傳感技術的發展與運用，現代軌道車輛的維護檢修已經從傳統的定性檢測升級為數據實時采集后的定量診斷。采用諸如LabVIEW等在線虛擬技術，可以實時監控列車壓縮空氣管路的清潔度狀態，真正實現車輛的智能化運維。

LabVIEW是基于圖形編譯語言的虛擬儀器軟件開發平臺，它具有數據采集、數據分析、信號生成、信號處理、輸入輸出控制等功能。與傳統編程采取的文本語言相比，LabVIEW界面更加友好直觀，是一種直覺式圖形程序語言[1]。

本文將LabVIEW虛擬儀器技術引入到列車管路壓縮空氣濕度的在線檢測中，為用戶提供便捷、直觀的檢測手段，可以與車輛故障預測與健康管理系統（Prognostic and Health Management，PHM）有機融合在一起，為合理制定檢修周期及判定產品性能提供科學依據[2-3]。

2 列車壓縮空氣管路采樣

列車供風系統簡稱ASU（Air Service Unit），它主要由空氣產生單元AGU（Air Generation Unit）和空氣處理單元ATU（Air Tretment Unit）兩部分構成，主要是為車輛用風設備（空氣制動裝置、空氣彈簧、氣動受電弓、氣動門控制單元、車鉤解鉤裝置氣路等）提供壓縮空氣。為保證車輛安全，現代地鐵車輛一般都會在每列車兩端（頭車Tc車）各設置一套供風系統，主輔控制，互為冗余。每輛車配置獨立的副風缸，每輛車各風缸之間靠一根總風管貫通。

壓縮空氣經過空氣后處理單元ATU處理后，理論上應該是清潔干燥的，如果空氣后處理單元ATU發生故障，后端的管路系統中可能會凝結大量的冷凝水，威脅后端用風設備安全。為此，將空氣管路采樣點設置在空氣后處理單元ATU后端，前后2個頭車（Tc車）各設置一個溫濕度傳感器和壓力傳感器，用于列車空氣管路空氣質量（溫濕度、壓力）的實時采集。

3 系統設計

3.1 硬件設計

本系統以計算機和USB數據采集卡為主要硬件，LabVIEW為軟件開發平臺，開發了列車供風管路壓縮空氣質量檢測系統，并結合車輛故障預測與健康管理系統PHM，對采集到的數據進行綜合診斷評價、故障預測、預警等，最終實現對整車壓縮空氣質量的實時健康管理（圖2）。

本系統采集單元以溫濕度傳感器、壓力傳感器為測量元件，結合NI LabVIEW數據采集模塊，實時獲取壓縮空氣的溫度、壓力及相對濕度（壓力露點）參數，最后通過信號調理、A/D轉換、串口通信，以可視化的圖形實時顯示在車輛故障預測與健康管理系統PHM上位機上。用戶可以通過車載或地面PHM系統，實時監控列車空氣管路壓力、溫濕度特關鍵信息，當溫濕度超過設定的安全閾值時，系統具備自診斷及狀態預警功能，提醒使用維護人員需及時對車載供風系統進行檢查及維護保養，實現列車空氣質量的實時監控及健康管理。

圖1 列車供風系統管路壓縮空氣采樣位置及信號

圖2 基于LabVIEW的列車空氣質量健康管理系統

其中，核心測量元件采用VAISALA公司生產的DMT340系列露點傳感器，可測量露點范圍為-70～80 ℃，精度優于±2 ℃，除能夠實現精確可靠的測量及自動校準功能外，還并具備較好的長期穩定性和快速響應能力，特別適用于低濕度環境的工業應用，如工業干燥、壓縮空氣系統、半導體工業、烘箱以及金屬加熱處理等。數據采集卡則主要用于將信號調理模塊輸出的模擬信號轉換成計算機程序能夠識別的數字信號，為提高采樣精度，系統選用美國NI公司生產的PCI-6221作為A/D轉換的數據采集卡，采樣頻率最高250 kHz，輸入電壓的分辨率0.03 mV，能夠同時采集8路模擬信號。

3.2 軟件設計

本系統主要軟件是基于LabVIEW平臺開發，利用LabVIEW平臺提供的各種子模塊開發人機界面，來實現數據的采集、處理、實時顯示、保存等工作[4-5]。圖3為實時數據采集與存儲結構流程圖。數據采集前系統首先要完成包括采樣頻率、采樣壓力、串口等在內的參數設置。為便于后續處理中對采集的數據進行深入分析，設計了獨立的數據保存模塊，使用條件結構和布爾控件控制數據保存開始和停止，便于后續讀取及數據分析。

圖3 數據采集與存儲結構流程圖

該程序可以按設定采樣頻率實現露點傳感器信號的采集與分析，并實時顯示列車空氣管路壓縮空氣的質量特性曲線，以便直觀檢測空氣壓縮機運行過程中特性參數的變化，要求實時數據和監控歷史數據長度可選，以保證監控的可追溯性，必要時軟件可顯示：趨勢分析、故障報警、預測、維護建議和歷史數據查詢等?？勺詣由晒收项A測和健康評估報告（含狀態監測報表、最近裝置狀態報表、報警報表、故障診斷報告、維修建議報告、維修反饋報告等）。除此之外，系統軟件還能與車輛PHM 系統高度融合，利用LabVIEW 和MATLAB混合編程技術[6-8]，最終實現列車空氣管路壓縮空氣質量的狀態預警功能。

4 系統測試及分析

4.1 狀態監控

圖4為系統采到的某列車運行過程中某一時段內的列車壓縮空氣質量（壓力露點）變化波形圖。可以看出，列車供風系統管路空氣質量呈周期性的波動，但整體朝向深度干燥的趨勢變化，說明該系統采用了吸附式雙塔后處理干燥裝置，采樣期間狀態較為優異。為了進一步明晰該后處理裝置的吸附-脫附周期變化過程，可以進一步選取用戶感興趣的區間段進行數據放大分析。圖5為截取圖4中紅色圓圈內的一段曲線波形圖，可以看出，列車空氣管路空氣質量半個周期內的吸附過程呈“浴盆”曲線分步，在每一個自動切換時刻前后，輸出露點由低變高，再由高變低。

圖4 壓縮空氣露點（相對濕度）在線監測記錄曲線

圖5 單一周期內露點（相對濕度）變化曲線

4.2 狀態預警

圖6為空氣管路相對濕度預警曲線圖，從圖中可以看出，虛線位置為出口相對濕度已達35%，超過軌道車輛壓縮空氣相對濕度臨界值，不能滿足車輛運用要求。之后，出口相對濕度一直增加，直至接近飽和狀態（90%以上）。通過軟件實時對目標相對濕度值（或露點值）進行檢測判別，當空氣壓縮機運行過程中，目標值超過臨界值10 min以上，向車輛制動系統進行預警，并提示列車管空氣濕度偏高；當目標值超過臨界值30 min以上，電氣控制回路自動切除當值主空壓機的運行，改由輔助空壓機接替工作，并反饋故障信號。

圖6 空氣管路相對濕度預警曲線圖

5 結語

隨著現代工業技術尤其是智能傳感技術、虛擬技術以及網絡通信技術的快速發展，列車空氣制動系統尤其是供風系統的智能化管理、智能化診斷、智能化運維已經逐漸開始應用。虛擬儀器技術（NI）的引入極大的增加了測控系統的功能及靈活性，通過LabVIEW及MATLAB軟件構建列車壓縮空氣管路空氣質量測控及預警系統，可以與列車PHM平臺實現高度融合，指導用戶由定期維修轉變為狀態維修，實現軌道交通風源裝備的預測性維護、遠程診斷監控維護與全生命周期管理。