基于物聯(lián)網(wǎng)的大型鐵路養(yǎng)護機械在線監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)設計

銀萍　何冰

摘 要：隨著我國鐵路里程數(shù)的不斷增加，鐵路線路的養(yǎng)護的工作量巨大，大型鐵路養(yǎng)護機械的使用臺數(shù)也隨之增大。本文針對大型鐵路養(yǎng)護機械使用、維修和保養(yǎng)問題，設計一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術的在線監(jiān)測和常見故障診斷系統(tǒng)。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；大型鐵路養(yǎng)護機械；在線監(jiān)測；故障診斷；智能傳感

目前，我國現(xiàn)有國家鐵路局就18家，鐵路線路運營總里程已超過12萬公里，對既有鐵路線路的養(yǎng)護是一項非常艱巨而繁重的任務，傳統(tǒng)依靠人工作業(yè)的養(yǎng)護方式無論在質(zhì)量和效率上都遠遠不能滿足要求，必須采用先進的技術手段和設備來維持線路的養(yǎng)護、維修工作，因此，大型鐵路養(yǎng)護機械的使用就顯得尤為重要，同時，大型鐵路養(yǎng)護機械的維修作業(yè)也成為鐵路運輸事業(yè)中的重點環(huán)節(jié)。大型鐵路養(yǎng)護機械是集控制技術、機械、液壓、電氣、氣動為一體大型綜合機械，而工作地點又多在遠離城市的荒郊野外，而操作人員往往又不具備對這些故障進行正確診斷的能力，往往需要通過電話求助于專業(yè)維修人員，這種處理方法常常顯得力不從心。針對出現(xiàn)臨時突發(fā)性故障，主要依靠現(xiàn)場作業(yè)人員進行故障的判斷和處理方法，對于常見簡單故障，這種方法切實可行，但對于一些比較專業(yè)、稍微復雜的故障，因為，作業(yè)現(xiàn)場的通訊信號、操作人員對故障現(xiàn)象的描述能力等因素，很大程度上制約了操作人員與專業(yè)維修人員之間的溝通。

一、物聯(lián)網(wǎng)和智能傳感技術

物聯(lián)網(wǎng)從技術架構(gòu)上一般可分為感知層、網(wǎng)絡層和應用層。感知層主要功能是對信息進行采集和物件識別，由各種傳感器及傳感器網(wǎng)關構(gòu)成。網(wǎng)絡層主要功能是對從感知層獲取的數(shù)據(jù)信息進行傳遞和處理，由各種現(xiàn)地網(wǎng)絡、互聯(lián)網(wǎng)、有線和無線通信網(wǎng)、網(wǎng)絡管理系統(tǒng)和云計算平臺等組成。應用層是物聯(lián)網(wǎng)和大型鐵路養(yǎng)護機械的接口，與用戶需求結(jié)合，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術在大型鐵路養(yǎng)護機械的智能應用。智能傳感器具有設備或環(huán)境信息感知、板載診斷、數(shù)據(jù)采集、分析、轉(zhuǎn)換處理、告警和通信等功能，由微處理器驅(qū)動的傳感器與儀表套裝，選配無線射頻模塊，為大型鐵路養(yǎng)護機械監(jiān)控系統(tǒng)及用戶提供相關信息，在大型鐵路養(yǎng)護機械在線監(jiān)測系統(tǒng)中，對于分布感知的數(shù)據(jù)，如液壓系統(tǒng)油壓、氣壓系統(tǒng)氣壓、設備二維碼標簽、RFID標簽和讀寫器、攝像頭及輔助設備或環(huán)境的狀態(tài)信息等傳感器，將其設計于數(shù)據(jù)采集智能模塊中。

二、在線監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)設計

1.系統(tǒng)設計方案

系統(tǒng)整體設計方案如圖1所示。

2.基于RFID技術的跟蹤管理系統(tǒng)設計

基于RFID技術的大型鐵路養(yǎng)護機械跟蹤管理系統(tǒng)作為一個系統(tǒng)由若干個功能模塊構(gòu)成，它要為各個功能模塊的相互協(xié)作運行提供信息支撐，實現(xiàn)施工作業(yè)信息的采集、分析、處理、發(fā)布、共享和利用，信息的實時查詢與發(fā)布。其核心業(yè)務模塊如下：

（1）現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集模塊。它依靠RFID DCS以及其他設備通信接口構(gòu)件與現(xiàn)場設備進行信息交互，同時給現(xiàn)場操作人員提供信息輸入接口，將相關的作業(yè)信息全部收集在內(nèi)。數(shù)據(jù)輸入來源包括RFID系統(tǒng)、設備以往維修保養(yǎng)和故障信息日志文件、維修人員等。

（2）故障數(shù)據(jù)庫管理模塊。該模塊主要包括前期維修保養(yǎng)和故障診斷情況記錄、與大型鐵路養(yǎng)護機械自身監(jiān)測系統(tǒng)對接兩部分功能。

（3）在線監(jiān)測跟蹤查詢模塊。該模塊提供對大型鐵路養(yǎng)護機械正在運行狀況的跟蹤查詢。通過該模塊，遠程技術人員可以迅速及時地了解現(xiàn)場作業(yè)情況。后臺連接相應的數(shù)據(jù)庫，可以顯示相關時段相應作業(yè)車輛的基本信息、各個觀測點狀況、維修狀況、詳細部件信息等。有了在線監(jiān)測跟蹤系統(tǒng)就可以隨時隨地了解作業(yè)設備的位置和具體情況，防止故障堆積。

3.過程監(jiān)控故障診斷系統(tǒng)

過程監(jiān)控故障診斷系統(tǒng)監(jiān)控軟件主要實現(xiàn)各臺設備的狀態(tài)監(jiān)測（如運行信號、故障信號等）；設備模擬量的記錄（如電機電流、電壓）；故障信號發(fā)生后的報警及自動切換；生產(chǎn)量記錄到數(shù)據(jù)庫管理軟件中等的控制功能。設備控制軟件作為自動控制系統(tǒng)的核心，它的性能將對設備運行效率起到?jīng)Q定性的作用，控制軟件由通信模塊、輸入與信息顯示模塊、運動（位置、速度）控制模塊、故障檢測與處理模塊、特殊功能模塊等組成。通信模塊實現(xiàn)與上位機的通信聯(lián)系，接收上位機或操作器輸入的任務信息，并發(fā)送設備的任務及狀態(tài)信息；運動（位置、速度）控制模塊控制設備可靠快速地完成給定的任務，可具有一定的智能處理與控制處理；故障檢測與處理模塊應具備對非正常狀態(tài)檢測與處理功能，具有故障診斷、保護及故障自恢復性能。

過程監(jiān)控故障診斷系統(tǒng)軟件的具體功能如下：

（1）采集系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設備的執(zhí)行機在執(zhí)行每一次操作時都要發(fā)回狀態(tài)報告，所發(fā)回的狀態(tài)報告包括操作命令的當前執(zhí)行情況、運輸設備當前狀態(tài)、操作命令的完成、取消或修正、操作故障情況等，根據(jù)報告可隨時掌握系統(tǒng)運行的狀態(tài)；同時也通過傳感器、檢測元件得到系統(tǒng)的狀態(tài)信息。

（2）監(jiān)視系統(tǒng)對所發(fā)回的狀態(tài)數(shù)據(jù)進行分類、整理。在屏幕上用圖形顯示各設備和運輸設備狀況。

（3）處理異常情況檢查判別系統(tǒng)狀態(tài)中的不正常信息，根據(jù)不同情況提出處理方案。

（4）人機交互供操作人員查詢當前系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，人工直接干預系統(tǒng)的運行以及處理異常狀況。

（5）接受管理層下發(fā)的故障診斷計劃和任務，并控制執(zhí)行機構(gòu)完成任務。

三、系統(tǒng)功能及特點

1.系統(tǒng)功能

（1）在線監(jiān)測與實時故障智能診斷。系統(tǒng)通過采集大型鐵路養(yǎng)護機械各系統(tǒng)電參數(shù)信號，獲取設備運行狀態(tài)信息，利用先進的信號識別和表征技術，實時定量診斷故障損傷部位和嚴重程度。

（2）預警功能。工作人員可隨時掌握設備運行狀態(tài)，發(fā)生超限、故障時，Web界面端可自動彈出報警類型、報警狀態(tài)、報警時間等，并可通過配件實現(xiàn)語音報警。

（3）自動生成診斷報告。通過選取故障數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動輸出診斷分析結(jié)果和診斷報告。

（4）查詢數(shù)據(jù)功能。以表格形式輸出報警記錄，可對大型鐵路養(yǎng)護機械的歷史數(shù)據(jù)進行查詢，另外可進行趨勢分析。

（5）針對大型鐵路養(yǎng)護機械測點進行振動數(shù)據(jù)分析，包括實時波形數(shù)據(jù)分析、頻譜分析、包絡譜分析、振動特征值計算等。

（6）可實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和多點訪問，支持遠程訪問。

2.系統(tǒng)特點

（1）大型鐵路養(yǎng)護機械故障在線智能定量診斷，實現(xiàn)故障準確定位與維修指導。

（2）大型鐵路養(yǎng)護機械運行狀態(tài)遠程集中監(jiān)測，實現(xiàn)運行狀態(tài)信息全面實時監(jiān)測。

（3）故障預警，歷史數(shù)據(jù)為大型鐵路養(yǎng)護機械健康狀態(tài)評估提供依據(jù)，為設備趨勢分析提供支撐。

（4）數(shù)據(jù)可靠性高，實現(xiàn)高效率的數(shù)據(jù)存儲與數(shù)據(jù)庫管理。

四、結(jié)束語

本文針對物聯(lián)網(wǎng)技術優(yōu)勢和大型鐵路養(yǎng)護機械施工和故障特點，提出了將物聯(lián)網(wǎng)技術應用在大型鐵路養(yǎng)護機械的在線監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)中一種設計方案。

參考文獻：

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