城轨列车牵引电机轴承监控系统设计与实现
时间：2023-04-15 20:45:03 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
李东炎， 李常贤
(大连交通大学， 1.自动化与电气信息工程学院；
2. 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 116021)
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80%[1]。
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[2]。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[3]。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[4]。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[5]。
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框架如图1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MQTT服务器。
图1 牵引电机轴承监控系统结构框图
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UDP协议传输到中央数据处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TCP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UDP协议传输到上位机(PC)显示轴承的实时状态。同时将所有数据以MQTT协议传输到MQTT服务器进行数据集中存储管理。
2.1 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TCP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。
2.2 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(1)；
峭度，式(2)；
均方根值，式(3)。3个频域指标，谱重心，式(4)；
谱均值，式(5)；
谱有效值，式(6)。
(1)
(2)
(3)
Fj=(j-1)/N(j=1,…,N)
(4)
(5)
(6)
式中，y(j)表示时域振动信号u(i)经过FFT变换后得到的频域序列，N为时域振动信号u(i)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.txt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。
2.3 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。
1) 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。
2) 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。
2.4 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。
3.1 上位机软件总体功能设计
软件主要功能包括：与下位机TCP通讯功能，FTP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IP，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2所示。
图2 上位机软件总体框架
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IP地址进行连接。FTP时、频域文件下载、文件删除子界面，是以FTP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UDP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CPU时间。
3.2 上位机软件程序设计与实现
上位机软件开发工具为Visual Studio 2015，通过Qt VS Tools 与Qt5.9.6建立连接，实现VS与Qt的混合编程。Qt是基于C++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[6]。程序设计主要包括界面程序设计，UDP通讯线程类程序设计。
3.2.1 软件界面程序设计与实现
软件主界面类继承Qt中的QMianWindow类，通过在主界面类中添加菜单栏类——QMenu类，工具栏QToolBar类。QAction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QAction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QWidget或QDialog类。
通过在Qt Desidner中添加控件，设置界面布局实现自定义子菜单界面。QSplitter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。QMdiArea类使用于主窗口中，用于容纳多个子菜单界面类。将继承于QSplitter的子菜单类添加入QMdiArea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
QToolBar *fileToolBar=addToolBar(tr("File"));
QMenu *fileMenu = menuBar()->addMenu(tr("文件"));
fileMenu->setObjectName("m_fileMenu");
parentActionName = fileMenu->objectName();
//将个子菜单按索引值nameIndex分别加入QMdiArea中mdiSub[nameIndex]
=mdiArea->addSubWindow(child[nameIndex]);
child[nameIndex]->parentArea = mdiArea;
如图3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。
图3 子菜单界面创建流程图
3.2.2 软件通讯线程类程序设计与实现
UDP通讯类继承Qt的QUdpSocket类来进行UDP数据报文的发送和接收。在使用QUdpSocket通讯类时要在VS2015的工程属性界面Qt modules中添加“network”模块。通过初始化QUdpSocket对象，绑定IP地址和端口号。当收到数据时，会触发readyRead()信号，通过自定义processPendingDatagramsByUC()槽函数可以对读取的数据进行处理。
UDP通讯类部分代码如下：
//初始化UDP通讯对象，绑定IP地址及端口。
_udpSocketByUC = new QUdpSocket(parent);
_udpSocketByUC->bind(_portByUC,QUdpSocket::ShareAddress);
//通过connect()连接readyRead()信号和槽函数
connect(_udpSocketByUC, SIGNAL(readyRead()),this, SLOT(processPendingDatagramsByUC()), Qt::DirectConnection);
在槽函数processPendingDatagramsByUC()中将datagramBuffer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
char * datagramBuffer = new char[datagramSize];
_udpSocketByUC->readDatagram(datagramBuffer, datagramSize,&hostAddress);
_bufferQueue.append(qMakePair(datagramSize, datagramBuffer));
线程类继承Qt中的QThread类，一个QThread类对象管理一个线程。QThread的执行从run()函数的执行开始。调用run()函数线程启动。然后启动UDP通讯接口。将通过UDP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4所示。首先根据线程启动标志runIsStop判断线程是否启动，若runIsStop标志为false，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。
图4 报文数据处理流程图
线程类部分代码如下：
//线程启动后，判断报文队列是否为空
if (gMsgDuty.size() == 0)
{
QThread::msleep(100);//延时100 ms
}
Else
//加入互斥锁
mutex.lock();
t = gMsgDuty.head();
gMsgDuty.pop_front();
//解锁操作
mutex.unlock();
}
4.1 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5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5 软件主界面
4.2 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6所示。鼠标选择下位机IP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UDP协议传输到下位机数据处理单元。参数设置界面如图7所示。
图6 连接下位机运行界面图
图7 下位机参数设置运行界面
4.3 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8所示。对于下位机存储的加密压缩.zip文件，可由FTP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8 振动加速度数据实时显示界面
4.4 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。界面如图9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9 轴承振动故障诊断数据运行界面
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MQTT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[7]。
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。
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