城轨列车牵引电机轴承监控系统设计与实现_李东炎.pdf

，研究与设计微型电脑应用 年第 卷第期作者简介：李东炎（），男，硕士，研究方向为列车轴承故障诊断、列车网络控制；李常贤（），男，教授，博士，研究方向为轨道列车网络控制系统及设备开发。文章编号：（）城轨列车牵引电机轴承监控系统设计与实现李东炎，李常贤（大连交通大学，自动化与电气信息工程学院；轨道交通装备设计与制造技术国家地方联合工程研究中心，辽宁，大连 ）摘要：为了监控轴承的实时状态，保障牵引电机的正常工作，设计并实现了一款牵引电机轴承监控系统。监控系统下位机主要完成牵引电机轴承数据采集，数据预处理，时域，频域特征指标计算，数据存储及数据传输等功能。用户使用上位机通过 协议与下位机进行连接，实现对轴承实时状态的监控，时域、频域特征指标数据显示。重点阐述系统上位机的软件程序设计及实现。该系统经过试验，可以实时监控牵引电机轴承的状态，对轴承产生的故障能够及时做出报警。关键词：电机轴承；实时采集；实时监控；故障报警；软件开发中图分类号：；文献标志码：，（；，）：，：；引言牵引电机作为列车的动力源，其健康状态直接影响着列车的平稳性和安全性。轴承是牵引电机的基础零件，也是电机中最易损坏的部分，而且由于轴承损坏的原因会占到电机故障的。城轨列车电机滚动轴承基本结构由轴承内环、轴承外环、滚动体、保持架四部分构成。当电机轴承外环内表面、内环外表面或滚子发生故障时，故障点与其他相邻面接触时会产生振动信号。由于电机出现故障后，电机轴承温度会不断上升，所以对于电机温度的监控同样重要。电机的振动信号及温度数据主要通过安装在牵引电机轴承上的传感器进行采集，振动信号数据量庞大，导致传输数据难度加大。同时牵引电机的故障也不易于发现，不能及时做出预警，极大的影响了列车的行车安全。针对上述问题，同时根据企业实际需求，搭建城轨列车牵引电机轴承监控系统。以此系统实时监控牵引电机轴承的状态，可以对电机轴承发生的故障做出及时的预警。实时监控轴承状态，对于列车的安全行驶具有极其重要的作用，可以更好的保障乘客的人身安全。牵引电机轴承监控系统总体设计方案牵引电机轴承监控系统总体框架如图所示。系统包含数据采集单元，中央数据处理单元，上位机人机交互单元，牵引系统车载单元以及 服务器。通过安装在列车牵引电机轴承的复合传感器（温度、振动加速度传感器）实时采集轴承的温度及振动加速度原始数据，数 据采集单元将数据通过 协议传输到中央数据处 ，研究与设计微型电脑应用 年第 卷第期图牵引电机轴承监控系统结构框图理单元进行预处理及特征值计算以进行故障诊断。同时，牵引系统车载单元采集牵引电机的三相电流，三相电压及转速数据，通过 协议传输至中央数据处理单元。中央数据处理单元将处理得到的时频域数据通过 协议传输到上位机（）显示轴承的实时状态。同时将所有数据以 协议传输到 服务器进行数据集中存储管理。监控系统各单元功能设计 数据采集单元 数据采集层该层的功能是通过安装在各列车电机轴承上的压电式加速度传感器采集轴承（传动端和非传动端）振动信号（可以实现多通道采集）。采用温度传感器采集各电机轴承温度信号。同时牵引系统车载单元采集电机三相电流、三相电压、转速原始数据通过 协议传输至数据处理单元。以上数据的采样频率及通道选择可在上位机进行设定。中央数据处理单元 数据处理层该层功能主要是将数据采集单元发送来振动加速度原始数据进行预处理（零均值处理、滤波处理、异常值处理），以去除数据中的干扰因素，获得精度更高的故障数据。将预处理后的数据进行特征计算，分别得到时域，频域指标。如偏斜度，式（）；峭度，式（）；均方根值，式（）。个频域指标，谱重心，式（）；谱均值，式（）；谱有效值，式（）。（）（）（）（）（）（）y（）y（）（）（，）（）y（）（）y（）（）式中，y（）表示时域振动信号（）经过 变换后得到的频域序列，为时域振动信号（）的样本点总数。对原始数据以及计算得到的时、频域特征数据保存为 文件。同时对每种类型的文件夹压缩及加密，以减少磁盘占用空间及保证数据的安全性。中央数据处理单元故障诊断层该层的功能是实现温度预警以及振动加速度报警功能。）对于温度故障诊断：通过对采集到的温度数据进行实时监控与存储。主要分为两种故障诊断方式：一是温度阈值报警；二是温差报警。若温度及温差超过所设定的阈值，则会产生温度报警。）振动加速度报警是预先设定好时域，频域指标阈值，如果某一通道经实时计算得到的指标值超过阈值，则会产预警数据。人机交互单元 界面显示层（上位机）该层的功能是通过人机交互单元界面，实时显示监控的原始数据，故障诊断数据。使操作人员更及时的获得电机运行状态。在界面中可以设置数据处理单元的处理参数。如某一特征指标的阈值，振动数据的采样频率等。上位机人机交互界面也具有文件解压缩，文件解密功能。下面重点阐述轴承监控系统上位机软件程序设计与实现。监控系统上位机软件设计与实现 上位机软件总体功能设计软件主要功能包括：与下位机 通讯功能，文件下载，删除功能，下位机参数设置功能，时频域显示。辅助功能包括用户注册及密码修改功能，下位机，子网掩码及网关地址修改功能，查看及修改下位机系统时间等功能。软件总体框架如图所示。软件主要包括前端界面显示，前端用户主界面显示包括：连接下位机功能子界面，用于选择下位机 地址进行连接。时、频域文件下载、文件删除子界面，是以 协议下载、删除下位机文件。下位机参数设置子界面，可视化设置下位机运行参数。实时数据显示子界面，可实时显示时域、频域数据指标，方便用户随时查看。后端进行通讯连接，线程调度，数据存储。将大量的数据处理及存储操作放入后端线程中进行以保证界面显示的流畅性。上位机以 协议与下位机进行通讯传输。线程调度采用消息队列进行线程之间数据衔接，每个线程之间不用相互等待，各自有不同的优先级，可以动态的占用 时间。上位机软件程序设计与实现上位机软件开发工具为 ，通过 与 建立连接，实现 与 的混合编程。是基于 的图形用户界面应用程序开发框架，其面向对象的特点易于程序的模块化。程序设计主要包括界面程 ，研究与设计微型电脑应用 年第 卷第期图上位机软件总体框架序设计，通讯线程类程序设计。软件界面程序设计与实现软件主界面类继承 中的 类，通过在主界面类中添加菜单栏类 类，工具栏 类。类，这个类代表了窗口的一个“动作”，比如用户点击菜单时，程序做出响应。将 的实例化对象添加到菜单栏或工具栏中，实现对该“动作”的添加。子菜单界面继承与 或 类。通过在 中添加控件，设置界面布局实现自定义子菜单界面。类实现了一个分离小部件，允许用户通过拖动子部件之间的边界来控制它们的大小。类使用于主窗口中，用于容纳多个子菜单界面类。将继承于 的子菜单类添加入 中，可以实现各子菜单的独立显示。开发界面的主要代码如下：添加菜单栏及工具栏 （）；（）（文件）；（）；（）；将个子菜单按索引值 分别加入 中 （）；如图所示为创建监视实时振动加速度、电机速度、电机温度子菜单界面流程图。软件通讯线程类程序设计与实现 通讯类继承 的 类来进行 数据报文的发送和接收。在使用 通讯类时要在 的工程属性界面 中添加“”模块。通过初始化 对象，绑定 地址和端口号。当收到数 据 时，会 触 发 （）信 号，通 过 自 定 义 （）槽函数可以对读取的数据进行处理。通讯类部分代码如下：初始化 通讯对象，绑定 地址及端口。（）；图子菜单界面创建流程图 （，：）；通过 （）连接 （）信号和槽函数 （，（），（），：）；在槽函数 （）中将 缓存区内的数据进行读取，保存到报文处理队列中。读取报文数据保存到报文处理队列中 ；（，）；（，）；线程类继承 中的 类，一个 类对象管理一个线程。的执行从 （）函数的执行开始。调用 （）函数线程启动。然后启动 通讯接口。将通过 传输的各数据报文放在一个处理报文的任务队列中，根据接收的报文类型进行数据处理。报文处理流程图如图所示。首先根据线程启动标志 判断线程是否启动，若 标志为 ，则继续检查报文任务队列，若报文任务队列不为空，以不同类型的报文分类处理任务队列。报文可分为振动加速度报文、温度报文、频谱报文、转速报文及电压电流报文。为保证临界缓冲区在同一时刻只能由一个线程持有，需要对临界区进行加锁处理。保证原子操作。线程类部分代码如下：线程启动后，判断报文队列是否为空（），研究与设计微型电脑应用 年第 卷第期图报文数据处理流程图 ：（）；延时 加入互斥锁 （）；（）；（）；解锁操作 （）；上位机软件界面显示 软件主界面启动上位软件后，输入用户名及密码，验证成功后进入系统软件主界面，如图所示。主界面中显示各子界面的工具栏以及各子界面的快捷键。图软件主界面 连接下位机及修改参数界面点击“连接”菜单，弹出连接下位机界面，运行界面如图所示。鼠标选择下位机 地址后，点击“开始连接”。显示连接成功。点击“断开连接”，即可断开与下位机否连接。若要修改下位机参数。打开参数设置界面，例如可以修改采集通道数量，温度与振动数据采样频率等信息，也可以设置不同的报警阈值。设置成功后可将设置的参数通过 协议传输到下位机数据处理单元。参数设置界面如图所示。图连接下位机运行界面图图下位机参数设置运行界面 数据显示界面点击“实时数据”菜单按钮可实时显示振动加速度、温度、三相电流、三相电压数据曲线等曲线。振动加速度数据实时显示界面如图所示。对于下位机存储的加密压缩 文件，可由 协议下载保存到上位机，进行历史数据的显示。软件上位机也具有解密，解压缩功能，方便用户使用。图振动加速度数据实时显示界面 故障诊断界面点击“故障诊断”菜单，弹出实时故障特征值界面。界面 ，研究与设计微型电脑应用 年第 卷第期如图所示。根据对应的数据指标是否大于其阈值判断轴承是否出现故障。若产生故障则对应的指标数据将显示红色预警（图中轴承状态为正常）。图轴承振动故障诊断数据运行界面总结本文提出并实现了对牵引电机轴承的实时监控以及故障报警系统，基本满足了所设计的功能。通过实现振动及温度数据的实时采集，实时监控，保证牵引电机轴承的健康运行。通过上位机人机交互界面方便用户进行监控。为解决大量数据存储问题，将数据实时上传至 服务器，减轻下位机存储空间压力。系统下一步考虑将神经网络算法应用到该轴承故障监控系统中，以提高故障预警的准确。该监控系统经过运行测试和用户的反馈信息表明：该系统基本实现所提出的功能需求并达到使用要求。对于保障牵引电机的安全运行具有重要的作用。参考文献李卓彦，周强强，李志雄 滚动轴承故障诊断技术的研究 科技信息，（）：韩睿基于振动信号的电机轴承故障诊断方法研究合肥：合肥工业大学，路照坭，朱希安机械传动电机轴承故障信号诊断仿真研究自动化仪表，（）：许爱华，杜洋，袁涛 基于深度学习的电机轴承故障诊断研究 组 合 机 床 与自动化加 工 技 术，（）：刘元是，陈建政基于 神经网络的滚动轴承故障诊断 铁道机车与动车，（）：陆文周 开发及实例（附光盘第版）北京：电子工业出版社，：（收稿日期：）（上接第 页）法有利于滤波器参数的设置，促使干扰信号在跳频通信系统的频带数据之内进行跳动，通过对部分频带阻塞干扰进行仿真分析可以看出，对于该类型的干扰应通过功率对抗的方式进行处理，除此之外，应针对带宽进行有效扩展，或者通过对频率数进行增加的方式实现部分频带阻塞干扰方式的抗干扰性能，介于上述抗干扰方式，还可针对部分频带阻塞干扰进行空闲信道搜索技术的引用，该技术可有效避免频带阻塞干扰的影响。多频连续波干扰通过该干扰的产生方式中可以看出多频连续波干扰进行跳频信号处理时，将产生一定的干扰信号，此类干扰信号在时域中处于相互重叠状态，并且该干扰方式可通过连续波的作用下形成定频干扰，应保持干扰频点与跳频频点重合，实现抗干扰功能。通过分析可知，为保证该系统的干扰概率，应将干扰方的功率处于增大的状态下方可实现，而针对被干扰的系统可以通过对跳频频点数进行提高，从而实现系统的有效干扰模式。总结跳频通信实际上指的是扩频通信中的一种通信方式，该系统主要通过本文主要通过二进制的方式产生伪随机码，并将伪随机码以序列的形式进行传输，通过该序列对载波频率振荡器进行有序控制，最终使其产生随着伪随机码跳动而进行跳变的本振载波频率，并将需要发送的信号通过本振载波频率进行传输。在跳频通信系统作用原理的基础上进行抗干扰方式分析，并通过构建系统模型的方式计算误码率的性能，除此之外，本文将基于 软件的作用下对跳频通信系统的抗干扰性能进行测试分析，通过不同程度的参数数据对干扰环境下的跳频通信系统进行测试，最终得到抗干扰措施，在今后的研究过程中，将针对仿真系统进行不断完善，具有重要意义。参考文献王安强，赵知劲基于改进遗传算法的跳频通信智能决策引擎杭 州 电 子 科 技 大 学 学 报（自 然 科 学 版），（）：李湉雨，程 永 茂，张 润萍 跳 频 通 信 自 适 应 技 术 研 究无线互联科技，（）：王文娟，李绪凯，孙慧贤，等电台跳频通信技术分析计算机与网络，（）：王超，姚超云 指挥信息系统跳频通信的干扰与反干扰电脑知识与技术，（）：丁海军，甘忠良 跳频通信干扰策略研究与仿真 信息通信，（）：（收稿日期：）