基于LabVIEW的軌道交通數(shù)據(jù)監(jiān)控與處理系統(tǒng)設(shè)計

種興靜 冷子文 高軍偉 蓋宏宇

摘要： 為了更方便對軌道交通列車監(jiān)測和輔助逆變器的維護(hù)管理，本文基于LabVIEW設(shè)計了一種實時顯示的軌道交通列車輔助逆變監(jiān)控系統(tǒng)。以計算機(jī)和NI cRIO 9075數(shù)據(jù)采集卡搭建硬件系統(tǒng)，采用LabVIEW開發(fā)平臺建立可視化人機(jī)界面，結(jié)合數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等平臺在智能系統(tǒng)實驗室進(jìn)行仿真模擬實驗。仿真結(jié)果表明，該監(jiān)控系統(tǒng)可以準(zhǔn)確顯示環(huán)境溫度和電流等物理量，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的顯示和存儲，實時監(jiān)測輔助逆變電壓的變化，并從時域和頻域?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，提取有用信號。該研究為進(jìn)一步故障信號診斷分析奠定了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： LabVIEW; 輔助逆變; 數(shù)據(jù)采集; 監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號： TP274; TP277? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

輔助逆變器是軌道交通列車上不可或缺的重要部件，為列車交流負(fù)載提供穩(wěn)定電源，是輔助供電的核心系統(tǒng)，但輔助逆變器故障直接影響到列車交流負(fù)載，甚至?xí)?dǎo)致列車不能正常工作。由于傳統(tǒng)輔助逆變器監(jiān)測設(shè)備使用復(fù)雜，不能及時監(jiān)控到輔助逆變器的故障信號，對軌道交通列車的安全運(yùn)行存在一定隱患[1]。因此，智能化的輔助逆變器監(jiān)控系統(tǒng)在很大程度上方便了對輔助逆變器的實時監(jiān)控和正常的維護(hù)管理，相對于傳統(tǒng)的監(jiān)測設(shè)備具有很大優(yōu)勢。隨著人工智能的發(fā)展，虛擬儀器得到了更廣泛應(yīng)用[2]。由于LabVIEW圖形化的開發(fā)語言簡單易懂，對后續(xù)軟件的調(diào)整與維護(hù)便利。因此，本文利用LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺，建立一個簡單、友好的可視化人機(jī)交互界面，設(shè)計了一種實時顯示的軌道交通列車輔助逆變器監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過LabVIEW可視化的編程技術(shù)，對軌道交通車輛運(yùn)行過程中電壓、電流等物理量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和監(jiān)控，上位機(jī)通過對采集到的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行處理和分析，建立人機(jī)交互界面[34]。該輔助逆變監(jiān)控系統(tǒng)通過實時監(jiān)測軌道交通列車運(yùn)行狀態(tài)，能夠及時發(fā)現(xiàn)故障，并對其進(jìn)行診斷分析，具有一定的實際應(yīng)用價值。

1 數(shù)據(jù)監(jiān)控與處理系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 數(shù)據(jù)監(jiān)控與處理系統(tǒng)總體設(shè)計

該系統(tǒng)采用美國國家儀器公司NI所研發(fā)的LabVIEW開發(fā)平臺，并配以實時控制器Compact RIO系統(tǒng)，完成多通道數(shù)據(jù)采集及信號處理[5

6]。系統(tǒng)總體設(shè)計由各類傳感器、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[7

8]及上位機(jī)等模塊組成。系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示。輔助逆變器各類物理量信號，通過相應(yīng)的傳感器進(jìn)行信號采集，轉(zhuǎn)換為電

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計信號，采集到的電信號經(jīng)由信號調(diào)理電路進(jìn)行預(yù)處理，然后通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中模擬輸入模塊和NI cRIO 9075模塊進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，采用以太網(wǎng)連接控制器的方式將采集到的數(shù)字信號傳到計算機(jī)，通過虛擬儀器LabVIEW平臺對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，實現(xiàn)輔助逆變器信號在人機(jī)界面的顯示和存儲。系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示。1.2 數(shù)據(jù)監(jiān)控與處理系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件部分由數(shù)據(jù)采集設(shè)備和計算機(jī)組成，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將信號調(diào)理電路預(yù)處理后的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字電信號，然后利用PC機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理。本文采用的CompactRIO系統(tǒng)，由一個包含處理器和用戶可編程FPGA控制器及NI或第3方提供的一個或多個信號調(diào)理I/O模塊組成[911]。數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括各類傳感器及信號調(diào)理電路，通過各類傳感器將采集到的溫度及電壓的物理信號經(jīng)過信號調(diào)理電路進(jìn)行預(yù)處理，并將這些物理信號再轉(zhuǎn)換為電信號。

本文采用一款適用于高級控制和監(jiān)控應(yīng)用的嵌入式控制器NI cRIO 9075，配以4通道C系列電壓輸入模塊NI 9215和8通道C系列電流輸入模塊，通過C模塊將標(biāo)準(zhǔn)電信號輸入到NI cRIO 9075中。其中，NI 9215模塊具有4路同步采樣電壓輸入，每個通道的輸入信號經(jīng)緩沖調(diào)理后，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器對其采樣。NI 9203提供8個模擬輸入通道，每個通道都連接電流信號端子，而且都過壓保護(hù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)TCP/IP協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行通信，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸及監(jiān)控功能[12]。

1.3 數(shù)據(jù)監(jiān)控與處理系統(tǒng)軟件設(shè)計

該系統(tǒng)人機(jī)界面友好，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集顯示、信號的分析處理及數(shù)據(jù)存儲等功能[1315]，便于操作和維護(hù)。軟件設(shè)計主要包括數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析[16]，數(shù)據(jù)采集通過對采樣頻率和通道等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，將數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)送至上位機(jī)，并利用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、刪除等操作[1718]。數(shù)據(jù)主要通過時域分析、頻域分析及時域和頻域聯(lián)合分析處理。時域分析主要是波形及其特征數(shù)據(jù)的顯示，包含自相關(guān)分析和限幅濾波;頻譜及其特征數(shù)據(jù)的顯示為頻域分析，主要包括功率譜分析及快速傅里葉變換（fast fourier transform，F(xiàn)FT）。程序結(jié)構(gòu)如圖2所示。

軟件運(yùn)行環(huán)境為Windows 10下的LabVIEW 2014，由前面板和程序框圖組成。為實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的功能，創(chuàng)建HOST.VI程序框圖，HOST.VI程序框圖如圖3所示。系統(tǒng)通過采集模塊對信號進(jìn)行采集，并將采集到的信號分析處理進(jìn)行顯示，最后將數(shù)據(jù)保存，數(shù)據(jù)庫模塊對數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行管理[19]。本系統(tǒng)軟件設(shè)計設(shè)置溫度和電流信號采樣間隔，通過共享變量功能，獲取采集到的溫度和電流信號，并將數(shù)據(jù)寫入測量文件函數(shù)，結(jié)合數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，將采集到的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中[20]。系統(tǒng)設(shè)定溫度、電流最大值與最小值，當(dāng)采集的信號超出設(shè)定范圍，觸發(fā)報警功能。

2 仿真實驗及分析

通過控制面板對實驗場所的溫度等物理量信號進(jìn)行檢測，調(diào)用子程序，實現(xiàn)輔助逆變器輸出電壓信號的顯示，以便直觀的觀測溫度、電流等物理量的變化情況，控制界面如圖4所示。通過多通路測量，實時顯示溫度等物理量的變化情況，并以波形的方式直觀顯示。當(dāng)溫度超過設(shè)定的最大溫度時，觸發(fā)溫度報警裝置。

通過仿真實驗，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域分析，信號處理框圖如圖5所示。圖5a為功率譜分析，它可以顯示在一定的區(qū)域中信號功率隨著頻率變化的分布情況。其分別將信號類型、頻率、幅值等參數(shù)通過波形發(fā)生器VI輸出原始電壓信號，然后經(jīng)過功率譜VI得到功率譜的波形顯示，信號進(jìn)行自相關(guān)分析后，再進(jìn)行快速傅里葉變換。圖5b為快速傅里葉變換分析，將測得的正弦波形進(jìn)行復(fù)合得到原始電壓信號，原始電壓信號通過“快速傅里葉變換”函數(shù)將其變換，再通過“復(fù)數(shù)至極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換”函數(shù)將變換得到的復(fù)數(shù)轉(zhuǎn)換成實部和虛部，便于諧波分析。

通過數(shù)據(jù)調(diào)用運(yùn)行數(shù)據(jù)分析模塊，信號數(shù)據(jù)分析如圖6所示。圖6a為原始電壓信號，設(shè)置采樣間隔為1 s，逆變器的輸出電壓為220×（1±005）V;圖6b為功率譜分析，顯示信號功率的變化情況，在頻域范圍內(nèi)提取有用信號;圖6c為快速傅里葉變換波形顯示圖，實現(xiàn)對信號的諧波分析，實部與虛部分別表示振幅與相位的變化。通過頻域分析，為信號診斷奠定基礎(chǔ)。

本文基于LabVIEW設(shè)計了軌道交通數(shù)據(jù)監(jiān)控與處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)軌道交通列車輔助逆變器數(shù)據(jù)的采集，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。經(jīng)過實驗表明，該設(shè)計能夠精確測量溫度變化，實時顯示電壓變化情況，穩(wěn)定可靠，滿足軌道交通列車數(shù)據(jù)監(jiān)控的要求。相較于簡單監(jiān)控系統(tǒng)，本系統(tǒng)能夠?qū)崟r顯示數(shù)據(jù)波形并處理。該系統(tǒng)還可應(yīng)用于輔助逆變器的故障診斷，對保證列車可靠、安全的運(yùn)行具有重要的應(yīng)用價值和研究意義。

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