城軌列車牽引電機(jī)軸承監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李東炎， 李常賢

(大連交通大學(xué)， 1.自動(dòng)化與電氣信息工程學(xué)院； 2. 軌道交通裝備設(shè)計(jì)與制造技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心， 遼寧， 大連 116021)

0 引言

牽引電機(jī)作為列車的動(dòng)力源，其健康狀態(tài)直接影響著列車的平穩(wěn)性和安全性。軸承是牽引電機(jī)的基礎(chǔ)零件，也是電機(jī)中最易損壞的部分,而且由于軸承損壞的原因會(huì)占到電機(jī)故障的80%[1]。

城軌列車電機(jī)滾動(dòng)軸承基本結(jié)構(gòu)由軸承內(nèi)環(huán)、軸承外環(huán)、滾動(dòng)體、保持架四部分構(gòu)成[2]。當(dāng)電機(jī)軸承外環(huán)內(nèi)表面、內(nèi)環(huán)外表面或滾子發(fā)生故障時(shí)，故障點(diǎn)與其他相鄰面接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)[3]。由于電機(jī)出現(xiàn)故障后，電機(jī)軸承溫度會(huì)不斷上升，所以對(duì)于電機(jī)溫度的監(jiān)控同樣重要。電機(jī)的振動(dòng)信號(hào)及溫度數(shù)據(jù)主要通過安裝在牽引電機(jī)軸承上的傳感器進(jìn)行采集，振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)量龐大，導(dǎo)致傳輸數(shù)據(jù)難度加大[4]。同時(shí)牽引電機(jī)的故障也不易于發(fā)現(xiàn)，不能及時(shí)做出預(yù)警，極大的影響了列車的行車安全[5]。

針對(duì)上述問題，同時(shí)根據(jù)企業(yè)實(shí)際需求，搭建城軌列車牽引電機(jī)軸承監(jiān)控系統(tǒng)。以此系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控牽引電機(jī)軸承的狀態(tài)，可以對(duì)電機(jī)軸承發(fā)生的故障做出及時(shí)的預(yù)警。實(shí)時(shí)監(jiān)控軸承狀態(tài)，對(duì)于列車的安全行駛具有極其重要的作用，可以更好的保障乘客的人身安全。

1 牽引電機(jī)軸承監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

牽引電機(jī)軸承監(jiān)控系統(tǒng)總體框架如圖1所示。系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)采集單元，中央數(shù)據(jù)處理單元，上位機(jī)人機(jī)交互單元，牽引系統(tǒng)車載單元以及MQTT服務(wù)器。

圖1 牽引電機(jī)軸承監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

通過安裝在列車牽引電機(jī)軸承的復(fù)合傳感器(溫度、振動(dòng)加速度傳感器)實(shí)時(shí)采集軸承的溫度及振動(dòng)加速度原始數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集單元將數(shù)據(jù)通過UDP協(xié)議傳輸?shù)街醒霐?shù)據(jù)處理單元進(jìn)行預(yù)處理及特征值計(jì)算以進(jìn)行故障診斷。同時(shí)，牽引系統(tǒng)車載單元采集牽引電機(jī)的三相電流，三相電壓及轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，通過TCP協(xié)議傳輸至中央數(shù)據(jù)處理單元。中央數(shù)據(jù)處理單元將處理得到的時(shí)頻域數(shù)據(jù)通過UDP協(xié)議傳輸?shù)缴衔粰C(jī)(PC)顯示軸承的實(shí)時(shí)狀態(tài)。同時(shí)將所有數(shù)據(jù)以MQTT協(xié)議傳輸?shù)組QTT服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)管理。

2 監(jiān)控系統(tǒng)各單元功能設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集單元——數(shù)據(jù)采集層

該層的功能是通過安裝在各列車電機(jī)軸承上的壓電式加速度傳感器采集軸承(傳動(dòng)端和非傳動(dòng)端)振動(dòng)信號(hào)(可以實(shí)現(xiàn)多通道采集)。

采用溫度傳感器采集各電機(jī)軸承溫度信號(hào)。同時(shí)牽引系統(tǒng)車載單元采集電機(jī)三相電流、三相電壓、轉(zhuǎn)速原始數(shù)據(jù)通過TCP協(xié)議傳輸至數(shù)據(jù)處理單元。以上數(shù)據(jù)的采樣頻率及通道選擇可在上位機(jī)進(jìn)行設(shè)定。

2.2 中央數(shù)據(jù)處理單元——數(shù)據(jù)處理層

該層功能主要是將數(shù)據(jù)采集單元發(fā)送來振動(dòng)加速度原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理(零均值處理、濾波處理、異常值處理)，以去除數(shù)據(jù)中的干擾因素，獲得精度更高的故障數(shù)據(jù)。將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征計(jì)算，分別得到時(shí)域，頻域指標(biāo)。如偏斜度，式(1)；峭度，式(2)；均方根值，式(3)。3個(gè)頻域指標(biāo)，譜重心，式(4)；譜均值，式(5)；譜有效值，式(6)。

(1)

(2)

(3)

Fj=(j-1)/N(j=1,…,N)

(4)

(5)

(6)

式中，y(j)表示時(shí)域振動(dòng)信號(hào)u(i)經(jīng)過FFT變換后得到的頻域序列，N為時(shí)域振動(dòng)信號(hào)u(i)的樣本點(diǎn)總數(shù)。

對(duì)原始數(shù)據(jù)以及計(jì)算得到的時(shí)、頻域特征數(shù)據(jù)保存為.txt文件。同時(shí)對(duì)每種類型的文件夾壓縮及加密，以減少磁盤占用空間及保證數(shù)據(jù)的安全性。

2.3 中央數(shù)據(jù)處理單元--故障診斷層

該層的功能是實(shí)現(xiàn)溫度預(yù)警以及振動(dòng)加速度報(bào)警功能。

1) 對(duì)于溫度故障診斷：通過對(duì)采集到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與存儲(chǔ)。主要分為兩種故障診斷方式：一是溫度閾值報(bào)警；二是溫差報(bào)警。若溫度及溫差超過所設(shè)定的閾值，則會(huì)產(chǎn)生溫度報(bào)警。

2) 振動(dòng)加速度報(bào)警是預(yù)先設(shè)定好時(shí)域，頻域指標(biāo)閾值，如果某一通道經(jīng)實(shí)時(shí)計(jì)算得到的指標(biāo)值超過閾值，則會(huì)產(chǎn)預(yù)警數(shù)據(jù)。

2.4 人機(jī)交互單元——界面顯示層(上位機(jī))

該層的功能是通過人機(jī)交互單元界面，實(shí)時(shí)顯示監(jiān)控的原始數(shù)據(jù)，故障診斷數(shù)據(jù)。使操作人員更及時(shí)的獲得電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。在界面中可以設(shè)置數(shù)據(jù)處理單元的處理參數(shù)。如某一特征指標(biāo)的閾值，振動(dòng)數(shù)據(jù)的采樣頻率等。上位機(jī)人機(jī)交互界面也具有文件解壓縮，文件解密功能。

下面重點(diǎn)闡述軸承監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)軟件程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

3 監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 上位機(jī)軟件總體功能設(shè)計(jì)

軟件主要功能包括：與下位機(jī)TCP通訊功能，F(xiàn)TP文件下載，刪除功能，下位機(jī)參數(shù)設(shè)置功能，時(shí)頻域顯示。輔助功能包括用戶注冊(cè)及密碼修改功能，下位機(jī)IP，子網(wǎng)掩碼及網(wǎng)關(guān)地址修改功能，查看及修改下位機(jī)系統(tǒng)時(shí)間等功能。軟件總體框架如圖2所示。

圖2 上位機(jī)軟件總體框架

軟件主要包括前端界面顯示，前端用戶主界面顯示包括：連接下位機(jī)功能子界面，用于選擇下位機(jī)IP地址進(jìn)行連接。FTP時(shí)、頻域文件下載、文件刪除子界面，是以FTP協(xié)議下載、刪除下位機(jī)文件。下位機(jī)參數(shù)設(shè)置子界面，可視化設(shè)置下位機(jī)運(yùn)行參數(shù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示子界面，可實(shí)時(shí)顯示時(shí)域、頻域數(shù)據(jù)指標(biāo)，方便用戶隨時(shí)查看。

后端進(jìn)行通訊連接，線程調(diào)度，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。將大量的數(shù)據(jù)處理及存儲(chǔ)操作放入后端線程中進(jìn)行以保證界面顯示的流暢性。上位機(jī)以UDP協(xié)議與下位機(jī)進(jìn)行通訊傳輸。線程調(diào)度采用消息隊(duì)列進(jìn)行線程之間數(shù)據(jù)銜接，每個(gè)線程之間不用相互等待，各自有不同的優(yōu)先級(jí)，可以動(dòng)態(tài)的占用CPU時(shí)間。

3.2 上位機(jī)軟件程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)軟件開發(fā)工具為Visual Studio 2015，通過Qt VS Tools 與Qt5.9.6建立連接，實(shí)現(xiàn)VS與Qt的混合編程。Qt是基于C++的圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架，其面向?qū)ο蟮奶攸c(diǎn)易于程序的模塊化[6]。程序設(shè)計(jì)主要包括界面程序設(shè)計(jì)，UDP通訊線程類程序設(shè)計(jì)。

3.2.1 軟件界面程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

軟件主界面類繼承Qt中的QMianWindow類，通過在主界面類中添加菜單欄類——QMenu類，工具欄QToolBar類。QAction類，這個(gè)類代表了窗口的一個(gè)“動(dòng)作”，比如用戶點(diǎn)擊菜單時(shí)，程序做出響應(yīng)。將QAction的實(shí)例化對(duì)象添加到菜單欄或工具欄中，實(shí)現(xiàn)對(duì)該“動(dòng)作”的添加。

子菜單界面繼承與QWidget或QDialog類。

通過在Qt Desidner中添加控件，設(shè)置界面布局實(shí)現(xiàn)自定義子菜單界面。QSplitter類實(shí)現(xiàn)了一個(gè)分離小部件，允許用戶通過拖動(dòng)子部件之間的邊界來控制它們的大小。QMdiArea類使用于主窗口中，用于容納多個(gè)子菜單界面類。將繼承于QSplitter的子菜單類添加入QMdiArea中，可以實(shí)現(xiàn)各子菜單的獨(dú)立顯示。

開發(fā)界面的主要代碼如下:

//添加菜單欄及工具欄

QToolBar *fileToolBar=addToolBar(tr("File"));

QMenu *fileMenu = menuBar()->addMenu(tr("文件"));

fileMenu->setObjectName("m_fileMenu");

parentActionName = fileMenu->objectName();

//將個(gè)子菜單按索引值nameIndex分別加入QMdiArea中mdiSub[nameIndex]

=mdiArea->addSubWindow(child[nameIndex]);

child[nameIndex]->parentArea = mdiArea;

如圖3所示為創(chuàng)建監(jiān)視實(shí)時(shí)振動(dòng)加速度、電機(jī)速度、電機(jī)溫度子菜單界面流程圖。

圖3 子菜單界面創(chuàng)建流程圖

3.2.2 軟件通訊線程類程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

UDP通訊類繼承Qt的QUdpSocket類來進(jìn)行UDP數(shù)據(jù)報(bào)文的發(fā)送和接收。在使用QUdpSocket通訊類時(shí)要在VS2015的工程屬性界面Qt modules中添加“network”模塊。通過初始化QUdpSocket對(duì)象，綁定IP地址和端口號(hào)。當(dāng)收到數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)觸發(fā)readyRead()信號(hào)，通過自定義processPendingDatagramsByUC()槽函數(shù)可以對(duì)讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

UDP通訊類部分代碼如下：

//初始化UDP通訊對(duì)象，綁定IP地址及端口。

_udpSocketByUC = new QUdpSocket(parent);

_udpSocketByUC->bind(_portByUC,QUdpSocket::ShareAddress);

//通過connect()連接readyRead()信號(hào)和槽函數(shù)

connect(_udpSocketByUC, SIGNAL(readyRead()),this, SLOT(processPendingDatagramsByUC()), Qt::DirectConnection);

在槽函數(shù)processPendingDatagramsByUC()中將datagramBuffer緩存區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，保存到報(bào)文處理隊(duì)列中。

//讀取報(bào)文數(shù)據(jù)保存到報(bào)文處理隊(duì)列中

char * datagramBuffer = new char[datagramSize];

_udpSocketByUC->readDatagram(datagramBuffer, datagramSize,&hostAddress);

_bufferQueue.append(qMakePair(datagramSize, datagramBuffer));

線程類繼承Qt中的QThread類，一個(gè)QThread類對(duì)象管理一個(gè)線程。QThread的執(zhí)行從run()函數(shù)的執(zhí)行開始。調(diào)用run()函數(shù)線程啟動(dòng)。然后啟動(dòng)UDP通訊接口。將通過UDP傳輸?shù)母鲾?shù)據(jù)報(bào)文放在一個(gè)處理報(bào)文的任務(wù)隊(duì)列中，根據(jù)接收的報(bào)文類型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。報(bào)文處理流程圖如圖4所示。首先根據(jù)線程啟動(dòng)標(biāo)志runIsStop判斷線程是否啟動(dòng)，若runIsStop標(biāo)志為false，則繼續(xù)檢查報(bào)文任務(wù)隊(duì)列，若報(bào)文任務(wù)隊(duì)列不為空，以不同類型的報(bào)文分類處理任務(wù)隊(duì)列。報(bào)文可分為振動(dòng)加速度報(bào)文、溫度報(bào)文、頻譜報(bào)文、轉(zhuǎn)速報(bào)文及電壓電流報(bào)文。為保證臨界緩沖區(qū)在同一時(shí)刻只能由一個(gè)線程持有，需要對(duì)臨界區(qū)進(jìn)行加鎖處理。保證原子操作。

圖4 報(bào)文數(shù)據(jù)處理流程圖

線程類部分代碼如下：

//線程啟動(dòng)后，判斷報(bào)文隊(duì)列是否為空

if (gMsgDuty.size() == 0)

{

QThread::msleep(100);//延時(shí)100 ms

}

Else

//加入互斥鎖

mutex.lock();

t = gMsgDuty.head();

gMsgDuty.pop_front();

//解鎖操作

mutex.unlock();

}

4 上位機(jī)軟件界面顯示

4.1 軟件主界面

啟動(dòng)上位軟件后，輸入用戶名及密碼，驗(yàn)證成功后進(jìn)入系統(tǒng)軟件主界面，如圖5所示。主界面中顯示各子界面的工具欄以及各子界面的快捷鍵。

圖5 軟件主界面

4.2 連接下位機(jī)及修改參數(shù)界面

點(diǎn)擊“連接”菜單，彈出連接下位機(jī)界面，運(yùn)行界面如圖6所示。鼠標(biāo)選擇下位機(jī)IP地址后，點(diǎn)擊“開始連接”。顯示連接成功。點(diǎn)擊“斷開連接”，即可斷開與下位機(jī)否連接。若要修改下位機(jī)參數(shù)。打開參數(shù)設(shè)置界面，例如可以修改采集通道數(shù)量，溫度與振動(dòng)數(shù)據(jù)采樣頻率等信息，也可以設(shè)置不同的報(bào)警閾值。設(shè)置成功后可將設(shè)置的參數(shù)通過UDP協(xié)議傳輸?shù)较挛粰C(jī)數(shù)據(jù)處理單元。參數(shù)設(shè)置界面如圖7所示。

圖6 連接下位機(jī)運(yùn)行界面圖

圖7 下位機(jī)參數(shù)設(shè)置運(yùn)行界面

4.3 數(shù)據(jù)顯示界面

點(diǎn)擊“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)”菜單按鈕可實(shí)時(shí)顯示振動(dòng)加速度、溫度、三相電流、三相電壓數(shù)據(jù)曲線等曲線。振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示界面如圖8所示。對(duì)于下位機(jī)存儲(chǔ)的加密壓縮.zip文件，可由FTP協(xié)議下載保存到上位機(jī)，進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的顯示。軟件上位機(jī)也具有解密，解壓縮功能，方便用戶使用 。

圖8 振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示界面

4.4 故障診斷界面

點(diǎn)擊“故障診斷”菜單，彈出實(shí)時(shí)故障特征值界面。界面如圖9所示。根據(jù)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)指標(biāo)是否大于其閾值判斷軸承是否出現(xiàn)故障。若產(chǎn)生故障則對(duì)應(yīng)的指標(biāo)數(shù)據(jù)將顯示紅色預(yù)警(圖中軸承狀態(tài)為正常)。

圖9 軸承振動(dòng)故障診斷數(shù)據(jù)運(yùn)行界面

5 總結(jié)

本文提出并實(shí)現(xiàn)了對(duì)牽引電機(jī)軸承的實(shí)時(shí)監(jiān)控以及故障報(bào)警系統(tǒng)，基本滿足了所設(shè)計(jì)的功能。通過實(shí)現(xiàn)振動(dòng)及溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證牽引電機(jī)軸承的健康運(yùn)行。通過上位機(jī)人機(jī)交互界面方便用戶進(jìn)行監(jiān)控。為解決大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)問題，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至MQTT服務(wù)器，減輕下位機(jī)存儲(chǔ)空間壓力。系統(tǒng)下一步考慮將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法應(yīng)用到該軸承故障監(jiān)控系統(tǒng)中，以提高故障預(yù)警的準(zhǔn)確[7]。

該監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)過運(yùn)行測(cè)試和用戶的反饋信息表明：該系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)所提出的功能需求并達(dá)到使用要求。對(duì)于保障牽引電機(jī)的安全運(yùn)行具有重要的作用。