大型養(yǎng)路機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

楊琢

【摘 要】針對(duì)大型養(yǎng)路機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力間存在火災(zāi)隱患的缺陷，提出一種基于LabVIEW軟硬件平臺(tái)的大型養(yǎng)路機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案。設(shè)計(jì)了防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件，并開(kāi)發(fā)了數(shù)據(jù)采集和防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大型養(yǎng)路機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行防火監(jiān)測(cè)的功能。

【關(guān)鍵詞】大型養(yǎng)路機(jī)械；發(fā)動(dòng)機(jī)；防火監(jiān)測(cè)；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(guó)家近年來(lái)對(duì)鐵路事業(yè)的大力投資，我國(guó)的鐵路事業(yè)得到了飛速發(fā)展。鐵路安全重于泰山，一貫為國(guó)家所重視。大型養(yǎng)路機(jī)械作為鐵路維修養(yǎng)護(hù)的現(xiàn)代化裝備，是實(shí)現(xiàn)鐵路不間斷運(yùn)輸和行車安全的重要工具，發(fā)動(dòng)機(jī)作為大型養(yǎng)路機(jī)械的心臟，其重要性不言而喻。

目前，應(yīng)用于各個(gè)鐵路局的多品種各型號(hào)大型養(yǎng)路機(jī)械的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力間普遍存在環(huán)境封閉的缺陷。長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)勢(shì)必造成發(fā)動(dòng)機(jī)溫度升高，倘若發(fā)生火情，不易及時(shí)察覺(jué)，勢(shì)必造成重大火災(zāi)事故，從而影響鐵路運(yùn)輸安全和生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理。例如，2015年8月6日，南昌局鷹潭工務(wù)機(jī)械段一臺(tái)DWL-48連續(xù)式搗固穩(wěn)定車在作業(yè)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力間發(fā)生火災(zāi)，造成了重大經(jīng)濟(jì)損失。

大型養(yǎng)路機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用傳感器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)及其動(dòng)力間的多種物理信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[1-2]，利用LabVIEW開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)監(jiān)測(cè)軟件[3-5]對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析、處理、顯示、報(bào)警、保存和查詢。

1 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)大型養(yǎng)路機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)及其動(dòng)力間的環(huán)境特點(diǎn)，大型養(yǎng)路機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具備如下主要功能：能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)主要部位的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力間可能產(chǎn)生的煙霧和火焰進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力間的實(shí)時(shí)影像進(jìn)行監(jiān)測(cè)；數(shù)據(jù)采集及狀態(tài)監(jiān)測(cè)軟件能夠?qū)崟r(shí)不間斷的采集數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析、顯示、存儲(chǔ)和歷史數(shù)據(jù)查詢；能夠根據(jù)實(shí)際需求方便的對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組態(tài)；人機(jī)交互界面合理友好。

大型養(yǎng)路機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

大型養(yǎng)路機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)對(duì)象包括：發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管、渦輪增壓器、缸蓋、冷卻水箱、直流發(fā)電機(jī)處的溫度信號(hào)；動(dòng)力間的煙霧信號(hào)；動(dòng)力間的火焰信號(hào)；動(dòng)力間的視頻信號(hào)。

大型養(yǎng)路機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感器包括：溫度傳感器、煙霧信號(hào)探測(cè)器、火焰信號(hào)探測(cè)器、紅外熱成像攝像頭，分別用于采集發(fā)動(dòng)機(jī)及其動(dòng)力間的溫度、煙霧、火焰、視頻信號(hào)。

大型養(yǎng)路機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件平臺(tái)包括：信號(hào)調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集卡、嵌入式計(jì)算機(jī)。

大型養(yǎng)路機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件平臺(tái)包括：基于LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、Firebird嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)。

2 硬件設(shè)計(jì)

大型養(yǎng)路機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)防火監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。溫度傳感器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)重點(diǎn)部位的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，煙霧探測(cè)器、火焰探測(cè)器和紅外熱成像攝像頭分別對(duì)動(dòng)力間的煙霧、火焰和影像進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)控主機(jī)內(nèi)部裝有數(shù)據(jù)采集卡和信號(hào)調(diào)理器。

2.1 傳感器選型

在大型養(yǎng)路機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，動(dòng)力間的傳感器需要采集如下信號(hào)：2個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管處的溫度信號(hào)、2個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓器處的溫度信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的溫度信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水箱的溫度信號(hào)、直流發(fā)電機(jī)出的溫度信號(hào)、動(dòng)力間的環(huán)境溫度信號(hào)；動(dòng)力間的煙霧信號(hào)；動(dòng)力間的火焰信號(hào)；動(dòng)力間的視頻信號(hào)。

根據(jù)大型養(yǎng)路機(jī)械動(dòng)力間的環(huán)境和需要采集的信號(hào)，傳感器的選型如表1所示。

表1 防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器選型

溫度傳感器采用德國(guó)Asmik公司的MIK-AL-10非接觸式傳感器[6]，溫度測(cè)量范圍可達(dá)到0-500℃，測(cè)量精度可達(dá)1.5℃，廣泛應(yīng)用于工業(yè)物體測(cè)量。

煙霧信號(hào)傳感器采用英國(guó)阿波羅防火探測(cè)器有限責(zé)任公司的XP95本安型光電感煙探測(cè)器55000-640[7]。該探測(cè)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(hào)傳感器采用上海安譽(yù)智能科技有限公司的A715/UVIR2 紅紫外復(fù)合火焰探測(cè)器[8]，探測(cè)器依配備2個(gè)紅外傳感器和1個(gè)紫外傳感器，具有反應(yīng)速度快，靈敏度高優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于鐵路機(jī)車、軍用裝甲車輛和船舶等設(shè)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(nèi)置夜視功能，IP69K防水等級(jí)，鏡頭玻璃有自熱功能，防振動(dòng)防沖擊。

2.2 數(shù)據(jù)采集卡選型

數(shù)據(jù)采集（DAQ）的目的是將傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以接受的數(shù)字信號(hào)，再進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示、分析與處理的過(guò)程，是數(shù)據(jù)采集軟硬件的完美契合。選擇合適的數(shù)據(jù)采集卡，能夠提高測(cè)試測(cè)量精準(zhǔn)性，縮短開(kāi)發(fā)周期并降低成本。

根據(jù)數(shù)據(jù)采集硬件的要求如下：

1）能夠同時(shí)對(duì)8個(gè)通道的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，每個(gè)通道的數(shù)據(jù)采集速率為25600Hz。

2）能夠同時(shí)對(duì)4個(gè)通道的開(kāi)關(guān)量信號(hào)進(jìn)行采樣。

根據(jù)以上要求，計(jì)算出采集卡的采樣率至少為204.8kS/s，同時(shí)至少有8個(gè)模擬輸入和4個(gè)數(shù)字I/O。由此可選擇美國(guó)國(guó)家儀器（National Instruments，簡(jiǎn)稱NI）有限公司的NI 6321型號(hào)數(shù)據(jù)采集卡。該型號(hào)數(shù)據(jù)采集卡的參數(shù)如表2所示。

表2 NI 6321數(shù)據(jù)采集卡參數(shù)

2.3 信號(hào)調(diào)理器選型

信號(hào)調(diào)理器選用NI公司的NI SCXI-1122。該信號(hào)調(diào)理器為16通道隔離傳感器輸入模塊，可對(duì)溫度傳感器輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。

3 軟件設(shè)計(jì)

大型養(yǎng)路機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)采用NI公司的LabVIEW軟件。該軟件是一種圖形化編程語(yǔ)言，支持多線程，適合于連續(xù)的數(shù)據(jù)采集，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、測(cè)試測(cè)量、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。

3.1 防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件流程

防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用5個(gè)線程，如圖3所示。線程1為事件結(jié)構(gòu)，用于處理GUI事件，包括：系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、實(shí)時(shí)溫度測(cè)點(diǎn)選擇、歷史數(shù)據(jù)查詢及視頻回放、報(bào)警記錄查詢；線程2為發(fā)動(dòng)機(jī)及動(dòng)力間的溫度數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、保存，并判斷是否報(bào)警；線程3為煙霧信號(hào)的采集及顯示，并保存煙霧報(bào)警數(shù)據(jù)；線程4為火焰信號(hào)的采集及顯示，并保存火焰報(bào)警信號(hào)；線程5為視頻信號(hào)的采集、顯示和保存。

3.2 防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 主從設(shè)計(jì)模式

防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)囟葦?shù)據(jù)、煙霧信號(hào)數(shù)據(jù)、火焰信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)保存。在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，該處用到了LabVIEW的主從（Master/Slave）設(shè)計(jì)模式[10]。

主從設(shè)計(jì)模式適用于一對(duì)多的情況，只有主方能夠發(fā)布數(shù)據(jù)，從方只能被動(dòng)響應(yīng)。主方?jīng)]有發(fā)布新的數(shù)據(jù)時(shí)，所有從方都在等待數(shù)據(jù)。一旦主方發(fā)布新的數(shù)據(jù)，所有從方立刻被喚醒并響應(yīng)，處理數(shù)據(jù)后再次轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)。

在大型養(yǎng)路機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，主從模式中的主線程用來(lái)采集數(shù)據(jù)，從線程用來(lái)顯示數(shù)據(jù)和保存數(shù)據(jù)，如圖4所示。

3.2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)操作

防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和報(bào)警數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，存入到Firebird嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)中。在軟件設(shè)計(jì)中，用到了如下數(shù)據(jù)庫(kù)操作技術(shù)：數(shù)據(jù)庫(kù)連接；數(shù)據(jù)表的創(chuàng)建和刪除；數(shù)據(jù)記錄的插入、刪除、修改和讀取等。

數(shù)據(jù)庫(kù)連接有多種方式[11]：用戶選擇數(shù)據(jù)庫(kù)；使用DSN（Data Source Name）連接數(shù)據(jù)庫(kù)；使用UDL（Universal Data Link）文件連接數(shù)據(jù)庫(kù)；使用連接字符串連接數(shù)據(jù)庫(kù)。在防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中采用UDL文件連接數(shù)據(jù)庫(kù)。

數(shù)據(jù)庫(kù)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(shù)據(jù)庫(kù)的各種操作，包括數(shù)據(jù)表的創(chuàng)建和刪除；數(shù)據(jù)記錄的插入、刪除、修改和讀取等。

3.2.3 系統(tǒng)報(bào)警算法

防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的報(bào)警算法主要用于溫度報(bào)警判斷。該算法利用測(cè)量值與閾值進(jìn)行比較，判斷是否產(chǎn)生報(bào)警。

溫度報(bào)警采用二級(jí)上限報(bào)警方式，第一級(jí)為預(yù)警，第二級(jí)為報(bào)警。報(bào)警級(jí)別不同，給用戶提示的報(bào)警信號(hào)也不相同。

判斷報(bào)警算法的輸入?yún)?shù)有3個(gè)：當(dāng)前值、預(yù)警閾值（一級(jí)報(bào)警閾值）、報(bào)警閾值（二級(jí)報(bào)警閾值），輸出參數(shù)為報(bào)警狀態(tài)。當(dāng)前值小于預(yù)警閾值時(shí)，報(bào)警狀態(tài)為正常；當(dāng)前值大于等于報(bào)警閾值時(shí)，報(bào)警狀態(tài)為報(bào)警；當(dāng)前值大于等于預(yù)警閾值且小于報(bào)警閾值時(shí)，報(bào)警狀態(tài)為預(yù)警。

3.3 防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件如圖7所示，系統(tǒng)功能除了數(shù)據(jù)采集之外，還包括實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、歷史數(shù)據(jù)查詢、報(bào)警記錄查詢、系統(tǒng)設(shè)置等用戶界面，使用戶方便及時(shí)的了解發(fā)動(dòng)機(jī)及其動(dòng)力間的狀態(tài)。

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面實(shí)時(shí)呈現(xiàn)給用戶各測(cè)點(diǎn)的溫度、煙霧報(bào)警、火焰報(bào)警和攝像頭監(jiān)測(cè)到的影像。顯示值的底色為綠色時(shí)表示正常，黃色表示預(yù)警，紅色表示報(bào)警。報(bào)警指示燈為綠色時(shí)表示正常，紅色表示報(bào)警。

歷史數(shù)據(jù)查詢界面由測(cè)點(diǎn)名稱和時(shí)間查詢歷史數(shù)據(jù)，根據(jù)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)類型呈現(xiàn)出相應(yīng)的查詢結(jié)果，包括溫度數(shù)據(jù)、開(kāi)關(guān)量報(bào)警數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)。

報(bào)警記錄查詢界面由測(cè)點(diǎn)和時(shí)間查詢報(bào)警記錄，可選擇全部測(cè)點(diǎn)或單個(gè)測(cè)點(diǎn)。查詢到的數(shù)據(jù)包括報(bào)警數(shù)據(jù)ID、測(cè)點(diǎn)名稱、報(bào)警類型、報(bào)警時(shí)間、報(bào)警閾值和測(cè)量值。

系統(tǒng)設(shè)置界面可設(shè)置測(cè)點(diǎn)名稱、溫度報(bào)警閾值參數(shù)，將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，在數(shù)據(jù)分析處理時(shí)使用。

4 系統(tǒng)測(cè)試

對(duì)大型養(yǎng)路機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，系統(tǒng)能夠?qū)Ρ槐O(jiān)測(cè)點(diǎn)的報(bào)警閾值參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；實(shí)時(shí)采集傳感器獲取的數(shù)據(jù)；當(dāng)數(shù)據(jù)超過(guò)報(bào)警閾值或動(dòng)力間有煙霧和火焰時(shí)，及時(shí)提醒用戶；對(duì)數(shù)據(jù)和報(bào)警記錄存入Firebird數(shù)據(jù)庫(kù)；能對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和分析。測(cè)試表明，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)大型養(yǎng)路機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)防火監(jiān)測(cè)的功能。

5 結(jié)束語(yǔ)

大型養(yǎng)路機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于LabVIEW平臺(tái)，利用溫度傳感器、煙霧探測(cè)器、火焰探測(cè)器、熱成像攝像頭、NI數(shù)據(jù)采集卡、嵌入式計(jì)算機(jī)等硬件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)及其動(dòng)力間進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，開(kāi)發(fā)了LabVIEW數(shù)據(jù)采集及處理軟件，能夠?qū)崟r(shí)采集狀態(tài)數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、顯示、報(bào)警、保存和查詢。系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理有效，界面友好，功能強(qiáng)大，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

【參考文獻(xiàn)】

[1]戴世順.基于多信號(hào)融合的智能車載防火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學(xué)，2013.

[2]郭冰陶，劉珊，劉強(qiáng)，等.基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的智能火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀表，2016，31（2）：29-32.

[3]趙心宇.無(wú)線智能防火報(bào)警系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2011.

[4]吳龍亮，薛楠，權(quán)祎魁等.基于ZigBee與LabVIEW的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 微型機(jī)與應(yīng)用，2013（22）：53-55.

[5]曾素瓊，黃華杰.基于單片機(jī)和LabVIEW的無(wú)線火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2015，23（1）：43-45，49.

[6]MIK-AL-10工業(yè)在線紅外測(cè)溫儀.www.hzmik.com/cp_28_37.html，2017.4.

[7]XP95-本安型光電感煙探測(cè).www.apollo-fire.cn/產(chǎn)品/xp95/xp95-本安型光電感煙探測(cè).aspx，2017.4.

[8]A715UVIR2紫紅外復(fù)合火焰探測(cè)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(shù)學(xué)，劉萱.LabVIEW寶典[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011：395，463.

[責(zé)任編輯：田吉捷]