道岔动力特性实时监测系统的开发*

黄 辉 雷晓燕 刘庆杰

(1.广州地铁设计研究院有限公司，510010，广州; 2.华东交通大学铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心,330013,南昌∥ 第一作者,助理工程师)



道岔动力特性实时监测系统的开发*

黄 辉1雷晓燕2刘庆杰2

(1.广州地铁设计研究院有限公司，510010，广州; 2.华东交通大学铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心,330013,南昌∥ 第一作者,助理工程师)

基于美国国家仪器(NI)公司的嵌入式测控系统CompactRIO 9068和c系列数据采集卡NI 9237、NI 9234等系列硬件设备,用图形化编程语言LabVIEW开发了道岔动力特性实时监测系统。该系统实现了同时对轮轨力和振动加速度的数据采集、数据传输、数据存储和数据实时显示等功能。通过在某城市轨道交通线上的试验验证了本系统工作的可靠性。

城市轨道交通; 道岔; 动力特性; 实时监测

First-author′s address Guangzhou Metro Design & Research Institute Co.,Ltd.,510010,Guangzhou,China

作为轨道交通的重要组成部分,道岔具有构造复杂、寿命短、限制列车速度、行车安全性低、养护维修投入大等特点[1]。随着铁路运输向着高速、重载、高密度和大运量发展,列车通过道岔时,势必会加剧轮轨动力响应,缩短其使用寿命和增加养护维修成本,轻则影响列车过岔时的运行状态和旅客乘坐的舒适性,重则造成极大的安全隐患[2]。因此,列车通过道岔时的动力特性倍受关注[3],对列车过岔时动力特性的监测也变得尤为重要。

道岔是轨道的薄弱环节之一。列车过岔时,道岔的振动加速度和所受的力直接反映了其所处的状态。这就要求对这两项指标同时进行实时监测。另外,有的线路上道岔很多,有的相对较少,不同的道岔区监测的情况不尽相同。这又需要监测系统具有良好的扩展性。因此,开发1个能同时对道岔区振动加速度和受力情况进行实时监测,并具有良好扩展性的监测系统,才能更好地适应现场监测的需要。

监测系统程序开发是基于美国国家仪器(NI)公司推出的LabVIEW软件实现的。LabVIEW软件是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言,具有两个巨大的优势:一是编程简单,形象生动,易于理解和掌握;二是LabVIEW软件针对数据采集、仪器控制、信号分析与处理等任务,提供了节点(函数)以对底层协议进行高度封装[4]，大大提高了开发效率。LabVIEW程序包括前面板、程序框图、图标和连线板4个部分。

本监测系统采用NI公司推出的CompactRIO系列产品cRIO 9068,选用采集卡NI 9237和NI 9234同时进行轮轨力和振动加速度的采集,利用LabVIEW软件进行编程实现数据的传输、存储和实时显示等功能。

1 道岔动力特性实时监测系统的开发

1.1 道岔动力特性实时监测系统的工作原理

道岔动力特性实时监测系统构成如图1所示。将应变计和加速度计粘贴于道岔区的测点上,并通过电缆分别与数据采集卡NI 9237和NI 9234连接。采集到的信号传输至cRIO 9068系统的I/O(输入/输出)模块,通过编写FPGA(现场可编程门列)程序将数据传输至FPGA。实时控制器(RT)则通过编写的程序读取已传输至FPGA上的数据,并实现在机箱上数据存储。最后通过RT程序读取的数据以网络流的方式与上位机进行数据交互并传输至上位机,并在上位机上实时显示。

图1 道岔动力特性实时监测系统构成

1.2 硬件结构

(1) 上位机。上位机是1台PC机,作为整个监测系统的核心,在其上完成所有程序的开发。上位机通过安装的NI MAX管理软件与CompactRIO 9068系统进行连接,同时,以网络流的方式与CompactRIO 9068系统的RT进行通信,实现数据和信息的交互。

(2) CompactRIO 9068系统。CompactRIO 9068系统是一款可重新配置的嵌入式测控系统,由实时嵌入式控制器和内嵌FPGA芯片的8槽机箱组成,工作温度范围为-40 ℃到70 ℃。

(3) 数据采集卡NI 9237。NI 9237是4通道的同步电桥模块,支持半桥和全桥编程,其分辨率为24位,可实现4通道同步采集模拟输入,最高采样率可达50 kHz,工作温度范围为-40 ℃到70 ℃。

(4) 数据采集卡NI 9234。NI 9234是4通道的动态信号采集模块,能针对集成电路压电式(IEPE)传感器与非集成电路压电式(IIEPE)传感器进行高精度音频测量。NI 9234的分辨率为24位,最高采样率为51.2 kHz,可实现4通道同步采样模拟输入。

(5) 加速度传感器。加速度传感器选用美国国家压电公司生产的356A16型三轴向加速度传感器,其灵敏度为100 mV/g,频率响范围为0.3～6.0 kHz,量程为±50g(g为重力加速度),分辨率为0.000 1g。

1.3 程序开发

监测系统的程序开发采用可为用户提供更多自定义功能的CompactRIO的FPGA模式。一个完整的FPGA项目包括FPGA程序、RT程序和上位机程序,其软件架构图如图2所示。

图2 FPGA项目软件架构图

1.3.1 FPGA程序

FPGA程序采用while(条件)循环和平铺式顺序结构,可对采样率、激励电压等参数进行设置,通过FPGA I/O节点读取I/O模块各通道数据,然后将其写入DMA(直接内存存取)FIFO(先入先出队列)。DMA FIFO是非常关键的同步技术。在高速采集过程中,FPGA采集的速率远远快于RT循环的速率。因此,为保证RT读取全部数据而又不出现数据丢失的情况,就必须采用DMA FIFO方式进行数据传递。FPGA程序编辑完成后可编译下载至FPGA机箱中。图3为FPGA程序流程图。

图3 FPGA程序流程图

1.3.2 RT程序

RT编程是整个程序开发的核心,包含UI(用户界面)命令循环、消息处理循环、Watchdog监测循环、系统状态与FPGA监测循环、采集与记录循环等5个并行循环。

(1) UI命令循环建立网络流连接,使RT程序能够接受上位机程序发来的消息。

(2) 消息处理循环用于处理来自UI命令循环、消息处理循环、Watchdog循环和监测循环的全部消息。

(3) Watchdog循环用于实现周期触发,以确保系统响应。

(4) 系统状态与FPGA监测循环周期性地通过网络变量向上位机程序发送监控信息,使用户能实时了解RT系统和FPGA的工作状况。例如,用户可在上位机程序实时获取RT系统CPU资源利用率和驱动器空间资源利用率等指标的信息。

(5) 采集与记录循环采用while循环和事件结构,主要实现触发、数据采集、数据存储等功能。图4为采集与记录循环的程序流程图。

图4 采集与记录循环程序流程图

采集与记录循环中实现触发的方式有强制触发和自动触发两种。强制触发按钮位于上位机用户显示界面,是布尔类型按钮。当用户点击时,采集系统被强制触发实现数据采集。自动触发包括均方值触发和最大值触发,其触发值可在上位机程序的配置文件中设置。均方值触发适用于采集波形为震荡波形的振动加速度信号,最大值触发适用于采集波形容易发生突变的轮轨力。为避免自动触发后出现有效数据丢失的情况,程序采用队列实现了缓存的功能,这样可保证在采用最大值触发时,最大值前的一段有效数据能被采集到。

RT程序中将读取的数据以TDMS(技术资料数据化管理系统)文件的形式进行存储。TDMS文件具有高速存储的特性,特别适合于海量数据存储。

1.3.3 上位机程序

上位机程序主要包含配置文件程序和用户界面程序。

配置文件程序的主要功能是进行参数设置。用户可根据实际情况和需求在配置文件程序中设置轮轨力标定系数、加速度换算系数、通道名称、数据存储时的文件名称等一系列参数。所有参数设置完成以后,运行配置文件程序便可生成配置文件。将该配置文件拷贝至RT终端根目录中，便完成了对整个采集系统的配置。

上位机与RT端通过命令流的形式进行交互。在用户显示界面输入IP地址,点击连接按钮,便可建立上位机与RT端的连接。RT端传输过来的各通道数据在上位机用户显示界面实时显示,调用最大值函数还可实时显示各通道数据的最大值。在实时模块编号输入框中输入想要查看的模块编号,便可观察到相应模块各通道的实时波形图。图5为上位机用户显示界面。

2 道岔动力特性实时监测系统的应用

将本监测系统应用于某城市轨道交通试验线上,试验车是1列2节车厢的系统试验车。试验一共布置了6个数据测试点。其中,测点1和测点3位于尖轨部分的尖轨上；测点2和测点4位于尖轨部分的曲基本轨上,并与测点1和测点3对应；测点5和测点6位于辙叉部分的曲股里轨上。测点1、2、5、6处采用轨腰压缩法粘贴应变计,经标定后采集轮轨力。测点3、4处粘贴加速度计以采集振动加速度。测点布置图可参见图5上位用户显示界面。某列列车通过时测点3的垂向振动加速度和测点5的垂向轮轨力如图6和图7所示。

图5 上位机用户显示界面

图6 测点3垂向振动加速度

图7 测点5垂向轮轨力

3 结语

基于LabVIEW软件开发的道岔动力特性实时监测系统具有以下特点:

(1) 该系统能同时实现轮轨力和振动加速度的数据采集、存储和实时显示;

(2)实现了多方式触发和数据缓存,避免了自动触发后出现有效数据丢失;

(3)界面简洁,操作方便;

(4)系统的可扩展性强,用户可根据道岔区的实际情况扩展新的采集通道。

本监测系统可通过实时反映列车通过道岔时钢轨的动力特性,以使相关人员根据监测结果制定相应的应对措施,确保列车过岔时车辆运行的安全状态和旅客乘坐的舒适性。

[1] 练松良.轨道工程[M].上海:同济大学出版社,2006.

[2] 谭晓春,罗雁云.轨道交通列车过岔振动特性研究[J].城市轨道交通研究,2008,11(1):28.

[3] 李新东,卢贵云,熊佳阳.高速道岔区动力响应的仿真研究[J].铁道车辆,2006,44(3):6.

[4] 陈树学,刘萱.LabVIEW宝典[M].北京:电子工业出版社,2011.

Development of Real-time Monitoring System for the Dynamic Characteristics of Turnout

HUANG Hui, LEI Xiaoyan,LIU Qingjie

A real-time monitoring system for the dynamic characteristics of turnout is developed based on National Instruments (NI) embedded measurement and the control systems of CompactRIO 9068, the c series date acquisition card NI 9237, NI 9234 and other hardware devices. Graphical programming language Labview is used in the development. This system could realize data collecting, transmitting, storing and real-time displaying of wheel/rail force and vibration acceleration. The reliability of the system is verified through experimental test on a rail transit line.

urban rail transit; turnout; dynamic characteristics; real-time monitoring

*国家自然科学基金项目(U1134107；51368021)

U 213.6

10.16037/j.1007-869x.2016.09.009

2014-12-04)