軌道車(chē)輛壓縮空氣質(zhì)量健康管理系統(tǒng)研究

周其顯，劉 凱

（1.南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京 210031；2.南京中車(chē)浦鎮(zhèn)海泰制動(dòng)設(shè)備有限公司，江蘇南京 211800）

1 引言

現(xiàn)代軌道交通車(chē)輛基本采用了貫通全列車(chē)的壓縮空氣管路系統(tǒng)，為車(chē)輛空氣制動(dòng)、空氣懸掛及其它氣動(dòng)設(shè)備提供清潔、干燥的壓縮空氣。為了車(chē)載氣動(dòng)設(shè)備的安全可靠運(yùn)行，軌道交通車(chē)輛對(duì)壓縮空氣的質(zhì)量（尤其是相對(duì)濕度指標(biāo)）要求非常高。如果空氣制動(dòng)管路中壓縮空氣相對(duì)濕度過(guò)高或積水，都會(huì)引起金屬部件銹蝕、管路堵塞等故障，嚴(yán)重影響列車(chē)行駛安全。

以城市軌道交通地鐵車(chē)輛為例，目前常規(guī)的維護(hù)手段是在對(duì)車(chē)輛每個(gè)月底或季度的定期修理過(guò)程中，采用人工排水的方法確認(rèn)空氣管路是否清潔。隨著智能傳感技術(shù)的發(fā)展與運(yùn)用，現(xiàn)代軌道車(chē)輛的維護(hù)檢修已經(jīng)從傳統(tǒng)的定性檢測(cè)升級(jí)為數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集后的定量診斷。采用諸如LabVIEW等在線虛擬技術(shù)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控列車(chē)壓縮空氣管路的清潔度狀態(tài)，真正實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的智能化運(yùn)維。

LabVIEW是基于圖形編譯語(yǔ)言的虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，它具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、信號(hào)生成、信號(hào)處理、輸入輸出控制等功能。與傳統(tǒng)編程采取的文本語(yǔ)言相比，LabVIEW界面更加友好直觀，是一種直覺(jué)式圖形程序語(yǔ)言[1]。

本文將LabVIEW虛擬儀器技術(shù)引入到列車(chē)管路壓縮空氣濕度的在線檢測(cè)中，為用戶(hù)提供便捷、直觀的檢測(cè)手段，可以與車(chē)輛故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)（Prognostic and Health Management，PHM）有機(jī)融合在一起，為合理制定檢修周期及判定產(chǎn)品性能提供科學(xué)依據(jù)[2-3]。

2 列車(chē)壓縮空氣管路采樣

列車(chē)供風(fēng)系統(tǒng)簡(jiǎn)稱(chēng)ASU（Air Service Unit），它主要由空氣產(chǎn)生單元AGU（Air Generation Unit）和空氣處理單元ATU（Air Tretment Unit）兩部分構(gòu)成，主要是為車(chē)輛用風(fēng)設(shè)備（空氣制動(dòng)裝置、空氣彈簧、氣動(dòng)受電弓、氣動(dòng)門(mén)控制單元、車(chē)鉤解鉤裝置氣路等）提供壓縮空氣。為保證車(chē)輛安全，現(xiàn)代地鐵車(chē)輛一般都會(huì)在每列車(chē)兩端（頭車(chē)Tc車(chē)）各設(shè)置一套供風(fēng)系統(tǒng)，主輔控制，互為冗余。每輛車(chē)配置獨(dú)立的副風(fēng)缸，每輛車(chē)各風(fēng)缸之間靠一根總風(fēng)管貫通。

壓縮空氣經(jīng)過(guò)空氣后處理單元ATU處理后，理論上應(yīng)該是清潔干燥的，如果空氣后處理單元ATU發(fā)生故障，后端的管路系統(tǒng)中可能會(huì)凝結(jié)大量的冷凝水，威脅后端用風(fēng)設(shè)備安全。為此，將空氣管路采樣點(diǎn)設(shè)置在空氣后處理單元ATU后端，前后2個(gè)頭車(chē)（Tc車(chē)）各設(shè)置一個(gè)溫濕度傳感器和壓力傳感器，用于列車(chē)空氣管路空氣質(zhì)量（溫濕度、壓力）的實(shí)時(shí)采集。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)和USB數(shù)據(jù)采集卡為主要硬件，LabVIEW為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了列車(chē)供風(fēng)管路壓縮空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，并結(jié)合車(chē)輛故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)PHM，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合診斷評(píng)價(jià)、故障預(yù)測(cè)、預(yù)警等，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)整車(chē)壓縮空氣質(zhì)量的實(shí)時(shí)健康管理（圖2）。

本系統(tǒng)采集單元以溫濕度傳感器、壓力傳感器為測(cè)量元件，結(jié)合NI LabVIEW數(shù)據(jù)采集模塊，實(shí)時(shí)獲取壓縮空氣的溫度、壓力及相對(duì)濕度（壓力露點(diǎn)）參數(shù)，最后通過(guò)信號(hào)調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、串口通信，以可視化的圖形實(shí)時(shí)顯示在車(chē)輛故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)PHM上位機(jī)上。用戶(hù)可以通過(guò)車(chē)載或地面PHM系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控列車(chē)空氣管路壓力、溫濕度特關(guān)鍵信息，當(dāng)溫濕度超過(guò)設(shè)定的安全閾值時(shí)，系統(tǒng)具備自診斷及狀態(tài)預(yù)警功能，提醒使用維護(hù)人員需及時(shí)對(duì)車(chē)載供風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行檢查及維護(hù)保養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)列車(chē)空氣質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)控及健康管理。

圖1 列車(chē)供風(fēng)系統(tǒng)管路壓縮空氣采樣位置及信號(hào)

圖2 基于LabVIEW的列車(chē)空氣質(zhì)量健康管理系統(tǒng)

其中，核心測(cè)量元件采用VAISALA公司生產(chǎn)的DMT340系列露點(diǎn)傳感器，可測(cè)量露點(diǎn)范圍為-70～80 ℃，精度優(yōu)于±2 ℃，除能夠?qū)崿F(xiàn)精確可靠的測(cè)量及自動(dòng)校準(zhǔn)功能外，還并具備較好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和快速響應(yīng)能力，特別適用于低濕度環(huán)境的工業(yè)應(yīng)用，如工業(yè)干燥、壓縮空氣系統(tǒng)、半導(dǎo)體工業(yè)、烘箱以及金屬加熱處理等。數(shù)據(jù)采集卡則主要用于將信號(hào)調(diào)理模塊輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)程序能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，為提高采樣精度，系統(tǒng)選用美國(guó)NI公司生產(chǎn)的PCI-6221作為A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)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(shí)采集8路模擬信號(hào)。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要軟件是基于LabVIEW平臺(tái)開(kāi)發(fā)，利用LabVIEW平臺(tái)提供的各種子模塊開(kāi)發(fā)人機(jī)界面，來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理、實(shí)時(shí)顯示、保存等工作[4-5]。圖3為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)流程圖。數(shù)據(jù)采集前系統(tǒng)首先要完成包括采樣頻率、采樣壓力、串口等在內(nèi)的參數(shù)設(shè)置。為便于后續(xù)處理中對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，設(shè)計(jì)了獨(dú)立的數(shù)據(jù)保存模塊，使用條件結(jié)構(gòu)和布爾控件控制數(shù)據(jù)保存開(kāi)始和停止，便于后續(xù)讀取及數(shù)據(jù)分析。

圖3 數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)流程圖

該程序可以按設(shè)定采樣頻率實(shí)現(xiàn)露點(diǎn)傳感器信號(hào)的采集與分析，并實(shí)時(shí)顯示列車(chē)空氣管路壓縮空氣的質(zhì)量特性曲線，以便直觀檢測(cè)空氣壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程中特性參數(shù)的變化，要求實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和監(jiān)控歷史數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可選，以保證監(jiān)控的可追溯性，必要時(shí)軟件可顯示：趨勢(shì)分析、故障報(bào)警、預(yù)測(cè)、維護(hù)建議和歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)等?？勺詣?dòng)生成故障預(yù)測(cè)和健康評(píng)估報(bào)告（含狀態(tài)監(jiān)測(cè)報(bào)表、最近裝置狀態(tài)報(bào)表、報(bào)警報(bào)表、故障診斷報(bào)告、維修建議報(bào)告、維修反饋報(bào)告等）。除此之外，系統(tǒng)軟件還能與車(chē)輛PHM 系統(tǒng)高度融合，利用LabVIEW 和MATLAB混合編程技術(shù)[6-8]，最終實(shí)現(xiàn)列車(chē)空氣管路壓縮空氣質(zhì)量的狀態(tài)預(yù)警功能。

4 系統(tǒng)測(cè)試及分析

4.1 狀態(tài)監(jiān)控

圖4為系統(tǒng)采到的某列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中某一時(shí)段內(nèi)的列車(chē)壓縮空氣質(zhì)量（壓力露點(diǎn)）變化波形圖。可以看出，列車(chē)供風(fēng)系統(tǒng)管路空氣質(zhì)量呈周期性的波動(dòng)，但整體朝向深度干燥的趨勢(shì)變化，說(shuō)明該系統(tǒng)采用了吸附式雙塔后處理干燥裝置，采樣期間狀態(tài)較為優(yōu)異。為了進(jìn)一步明晰該后處理裝置的吸附-脫附周期變化過(guò)程，可以進(jìn)一步選取用戶(hù)感興趣的區(qū)間段進(jìn)行數(shù)據(jù)放大分析。圖5為截取圖4中紅色圓圈內(nèi)的一段曲線波形圖，可以看出，列車(chē)空氣管路空氣質(zhì)量半個(gè)周期內(nèi)的吸附過(guò)程呈“浴盆”曲線分步，在每一個(gè)自動(dòng)切換時(shí)刻前后，輸出露點(diǎn)由低變高，再由高變低。

圖4 壓縮空氣露點(diǎn)（相對(duì)濕度）在線監(jiān)測(cè)記錄曲線

圖5 單一周期內(nèi)露點(diǎn)（相對(duì)濕度）變化曲線

4.2 狀態(tài)預(yù)警

圖6為空氣管路相對(duì)濕度預(yù)警曲線圖，從圖中可以看出，虛線位置為出口相對(duì)濕度已達(dá)35%，超過(guò)軌道車(chē)輛壓縮空氣相對(duì)濕度臨界值，不能滿足車(chē)輛運(yùn)用要求。之后，出口相對(duì)濕度一直增加，直至接近飽和狀態(tài)（90%以上）。通過(guò)軟件實(shí)時(shí)對(duì)目標(biāo)相對(duì)濕度值（或露點(diǎn)值）進(jìn)行檢測(cè)判別，當(dāng)空氣壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，目標(biāo)值超過(guò)臨界值10 min以上，向車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)警，并提示列車(chē)管空氣濕度偏高；當(dāng)目標(biāo)值超過(guò)臨界值30 min以上，電氣控制回路自動(dòng)切除當(dāng)值主空壓機(jī)的運(yùn)行，改由輔助空壓機(jī)接替工作，并反饋故障信號(hào)。

圖6 空氣管路相對(duì)濕度預(yù)警曲線圖

5 結(jié)語(yǔ)

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)尤其是智能傳感技術(shù)、虛擬技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的快速發(fā)展，列車(chē)空氣制動(dòng)系統(tǒng)尤其是供風(fēng)系統(tǒng)的智能化管理、智能化診斷、智能化運(yùn)維已經(jīng)逐漸開(kāi)始應(yīng)用。虛擬儀器技術(shù)（NI）的引入極大的增加了測(cè)控系統(tǒng)的功能及靈活性，通過(guò)LabVIEW及MATLAB軟件構(gòu)建列車(chē)壓縮空氣管路空氣質(zhì)量測(cè)控及預(yù)警系統(tǒng)，可以與列車(chē)PHM平臺(tái)實(shí)現(xiàn)高度融合，指導(dǎo)用戶(hù)由定期維修轉(zhuǎn)變?yōu)闋顟B(tài)維修，實(shí)現(xiàn)軌道交通風(fēng)源裝備的預(yù)測(cè)性維護(hù)、遠(yuǎn)程診斷監(jiān)控維護(hù)與全生命周期管理。