基于Arduino 便攜式軌道車輛管路設(shè)備壓力測試儀

劉寶中 楊 夏 周其顯 王 華

（南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機車車輛學(xué)院，南京 210031）

作為影響車輛制動系統(tǒng)安全的重要部件，軌道車輛供風系統(tǒng)及壓縮空氣管路設(shè)備承擔著保證列車安全、可靠停車的重要職能。其維護保養(yǎng)也是整個系統(tǒng)中最重要的一部分工作，需要定期更換易損易耗件（如潤滑油、濾芯、干燥劑等），同時維護保養(yǎng)后的現(xiàn)場測試尤為重要。傳統(tǒng)軌道車輛壓縮空氣管路設(shè)備（如干燥器、過濾器、減壓閥等）的檢查及測試內(nèi)容較為煩瑣，受制于車輛維護現(xiàn)場空間及安全因素，一般無法實現(xiàn)在線測試及診斷，不便于車輛部件的快速化、智能化測試及診斷。

以城市軌道交通地鐵車輛為例，目前傳統(tǒng)的風源系統(tǒng)干燥裝置測試手段是在車輛每個月或季度的定期修理過程中，采用手動計時方式統(tǒng)計干燥裝置再生轉(zhuǎn)換周期是否正常，并對下游風缸的壓縮空氣進行濕度檢測或手動排水檢查，在冬季來臨之前還要對排水閥加熱器進行低溫測試，確認空氣管路是否干燥清潔。這種維修手段不僅增加了車輛維修人員的工作量，而且維修效果不佳。隨著列車智能運維技術(shù)的快速發(fā)展，智能傳感技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)得到了充分應(yīng)用，而傳統(tǒng)人工干預(yù)排查的方法已逐漸無法滿足現(xiàn)代軌道交通的發(fā)展需要[1-2]，日常維護檢修也開始向智能化及智慧化方向發(fā)展。

針對傳統(tǒng)車輛壓縮空氣管路設(shè)備在日常維護保養(yǎng)過程中工作煩瑣、無法有效直觀獲取參數(shù)信息的弊端，設(shè)計了一種簡易便攜手持式壓力測試診斷儀。它可以在車輛現(xiàn)場直接測量壓縮空氣管路設(shè)備的主要參數(shù)，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)，從而真正實現(xiàn)軌道車輛壓縮空氣管路設(shè)備各部件在全生命周期內(nèi)的智能化診斷與預(yù)測性維護。

1 系統(tǒng)設(shè)計

便攜式壓縮空氣管路設(shè)備在線測試診斷儀系統(tǒng)方案如圖1 所示。本裝置以壓力傳感器為測量元件，以微處理器和數(shù)據(jù)采集模塊為主要硬件，基于Arduino開發(fā)平臺，將測試單元、采集單元、處理單元及顯示單元高度集成在一個方便攜帶的手持式儀表中，并定制開發(fā)上位機軟件，可方便用戶在線實時獲取部件氣壓的變化量、時間周期、時間-壓力曲線等，同時可以根據(jù)需要增加初級自診斷及狀態(tài)預(yù)警功能，通過網(wǎng)絡(luò)手段可遠程上傳至云端服務(wù)器，與車輛智能運維平臺相融合，通過大數(shù)據(jù)分析對部件狀態(tài)及時進行干預(yù)或預(yù)警。

以壓縮空氣管路過濾器為例，可日常測試過濾器前后端壓力損失變化。如果接近閾值極限，即可判定其超負荷運行或性能衰減（如堵塞、冰凍等）。也可將檢測數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)上傳至云端，系統(tǒng)可以根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果提醒維護人員實施更換維護等操作。本裝置完全改變了傳統(tǒng)按月或按空壓機運行時間定期修理的維護方式，極大地解放了地鐵車輛運營維護人員，最終實現(xiàn)對整車壓縮空氣管路部件質(zhì)量的實時健 康管理。

基于上述裝置，整個測控系統(tǒng)主要實現(xiàn)如下功能。（1）管路壓縮空氣泄漏量測試：測量設(shè)定時間T 內(nèi)的壓力泄漏量。（2）壓力上升周期測試：測量管路設(shè)備壓力值從P1→P2所用的時間T。（3）壓差測試：測量部件前后壓力差值。（4）氣動閥閾值測試：測量氣動閥開啟（關(guān)閉）壓力值。（5）響應(yīng)精度測試：測試氣缸內(nèi)壓力變化率。（6）再生轉(zhuǎn)換周期測試：測試類似雙塔干燥器再生轉(zhuǎn)換周期。

2 硬件設(shè)計

圖2 為本裝置硬件邏輯框圖。其中，采集單元選用擴散硅壓阻式壓力傳感器，取值范圍為0 ～1.6 MPa， 供電為10 V 直流電，輸出電流為0 ～50 mV。處理單元選用Arduino Pro Mini ATMEGA328P 集成板作為為微控制單元MCU，利用Arduino Pro Mimi 自帶的10 位ADC 通道，采集壓力傳感器的模擬量信號，并進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再向顯示屏實時傳輸。顯示單元選用串口TFT 電容屏，通過TTL-232 模塊將MCU 和顯示屏連接，通過串口通信更新和切換屏幕。

硬件連接如圖3 所示，利用Arduino 平臺提供的各種子模塊開發(fā)人機界面實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理、實時顯示以及保存等工作。為便于后續(xù)讀取及深入分析數(shù)據(jù)，設(shè)計了獨立的數(shù)據(jù)保存模塊及USB 3.0 對外接口。Arduino 是一種加載了嵌入式微控制器的電路板，同時包含了可供用戶編輯的開放式軟件開發(fā)平臺?；谠撈脚_，可以在文本編輯編輯器中編寫并修改程序，并將編寫完成的程序發(fā)送到Arduino 開發(fā)板，實現(xiàn)控制功能目標[3-5]。

3 軟件設(shè)計

程序開發(fā)分為兩部分。

第一部分為壓力采集與數(shù)據(jù)處理程序開發(fā)。采集程序選用Arduino 官方提供的集成開發(fā)環(huán)境（Integrated Development Environment，IDE）平臺，使用軟件用C 語言結(jié)合Arduino 庫函數(shù)進行開發(fā)，且開發(fā)過程中盡可能選用Arduino 官網(wǎng)提供的通信庫和時鐘庫。Arduino 對開發(fā)板的硬件和軟件系統(tǒng)都進行了人性化的封裝和簡化，并提供完備的庫函數(shù)供開發(fā)者調(diào)用。

第二部分為串口通信屏的程序開發(fā)。采用VisualTFT 軟件，按照設(shè)備指定的串口通信協(xié)議進行開發(fā)。VisualTFT 是一款針對串口屏進行設(shè)置的軟件，有著強大的串口屏開發(fā)和調(diào)試等功能，提供了多種通信串口的模擬設(shè)備，讓用戶可以快速實現(xiàn)PC 軟件與窗口屏聯(lián)機之間的通信，通過指令助手發(fā)送調(diào)試命令控制虛擬串口屏顯示，完成人機交互設(shè)計。

4 試驗測試

為直觀檢測管路壓力波動情況（如制動缸壓力測試、車輛管路保壓測試、壓縮機啟停壓力極限測試、雙塔干燥器再生轉(zhuǎn)換壓力測試等）或精確測試氣動閥（如制動閥、減壓閥等）的開啟及回座壓力值，根據(jù)現(xiàn)場需要，可以按設(shè)定采樣頻率實現(xiàn)壓力傳感器信號的采集與分析，并以波形圖實時顯示。必要時，可通過互聯(lián)網(wǎng)將采樣數(shù)據(jù)實時上傳，通過大數(shù)據(jù)分析完成部件性能的趨勢分析、狀態(tài)預(yù)警及故障診斷等多 項功能。

4.1 壓力測試

以城軌車輛電空制動閥測試為例，為檢測制動系統(tǒng)預(yù)控壓力與制動缸目標壓力的一致性（圖4），傳統(tǒng)測試主要是通過外接數(shù)顯壓力表或通過LabVIEW在線采集設(shè)備讀取。前者過于簡單，后者則要配置壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集卡及電腦，較為煩瑣。

通過便攜式壓力測試設(shè)備，只需要在采樣點1 和采樣點2 處分別連接測試設(shè)備的兩個壓力端口，點擊壓力上升曲線測試，即可實時獲得預(yù)控壓力與制動缸目標壓力的跟隨曲線（如圖5 所示），并可根據(jù)測試精度要求改變采樣頻率。測試結(jié)果顯示，當預(yù)控壓力階梯式小幅度變化時，制動缸壓力能夠快速隨之變化，滿足系統(tǒng)測試要求。

事實上，氣動部件在出現(xiàn)功能性故障前往往伴隨著泄漏的情況發(fā)生，輕微甚至中度的泄漏均有可能不會影響功能，不易被發(fā)現(xiàn)，很多時候是通過人工維護時聽聲音來判斷是否發(fā)生了嚴重泄漏。利用便攜式壓力測試儀可以清晰觀測不同泄漏趨勢下壓力傳感器信號的變化情況，通過提取相應(yīng)的特征值，建立產(chǎn)品泄漏的判斷模型，達到故障預(yù)警的目的。

4.2 時間周期測試

圖6 為利用測試儀對某氣動設(shè)備容輸出側(cè)積腔室壓力從零充壓至額定值所用的時間周期測試統(tǒng)計圖，試驗要求周期（2.5±0.5）s 為合格，否則不合格。

通過對異常特征點（不合格點）的分析，可定位故障原因，積累故障樣本，借鑒相關(guān)性分析等大數(shù)據(jù)分析方法，結(jié)合工程經(jīng)驗提取特征值，逐步實現(xiàn)自動化的異常報警、預(yù)警，并給出異常原因，為運維決策提供支撐。用戶還可以通過外接計算機或USB 接口，生成并下載故障預(yù)測和健康評估報告（含狀態(tài)監(jiān)測報表、閾值報警報表、故障數(shù)據(jù)告及維修建議報告等）。

5 結(jié)語

目前，下一代軌道交通車輛關(guān)鍵系統(tǒng)及部件逐漸朝輕量化、智能化、環(huán)保節(jié)能等方向快速發(fā)展，隨之而來的維護與檢修也對設(shè)備在智能化管理、智能化診斷、智能化運維等方面提出了新的要求。

結(jié)合地鐵車輛公司在車輛日常維護檢修過程中的技術(shù)難題及需求，設(shè)計了一種便攜式壓力測試診斷裝置，可以實現(xiàn)壓縮空氣管路設(shè)備的氣密性測試、壓力上升試驗、壓力損失測試及再生轉(zhuǎn)換周期測試等，可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)，實現(xiàn)軌道車輛壓縮空氣管路部件全生命周期內(nèi)的智能化診斷與預(yù)測性維修。