基于LabVIEW的货运列车轴温报警监控系统

第28卷第24期2012年12月

甘肃科技

Gansu Science and Technology

Vol.28No.24

Dec.2012

基于LabVIEW的货运列车轴温报警监控系统

张锐，张琳琳

（兰州交通大学光电技术与智能控制教育部重点实验室，甘肃兰州730070）

摘要：随着铁路运输的全面发展，列车运营安全显得极其重要。将虚拟仪器技术引入货运列车轴温报警监控系统，介绍了一种基于温度传感器和虚拟仪器的货运列车轴温报警监控系统。同时，提供了一套基于NI公司PCI－6023E数据采集卡和数字式温度传感器DS18B20构成的监控系统的硬件应用电路，以及基于图形编程软件Lab-VIEW的系统程序设计框图。该系统利用软件对采集的数据进行了比较和处理，提高了轴温监测的效率及自动化程度，也使得系统易于实现、便于维护。

关键词：LabVIEW；列车；轴温；DS18B20；监控系统；PCI－6023E

中图分类号：U270.7

铁路作为交通运输的骨干，承担着全国大部分客货周转量，为国民经济发展和社会进步作出了巨大贡献。铁路在扩大运输能力的同时，更加注意提高运输的服务质量和安全性能。然而，铁道车辆在运行的过程中，车轴和轴承相互摩擦，轴承会因为摩擦而发热；当车轴和轴承之间存在磨损或缺陷时，其会不正常发热，轻则热轴，使车体变形，重则造成切轴、燃轴，致使列车颠覆，严重影响铁路运输安全，造成重大财产损失。所以，对轴温进行实时监测，实现轴温的准确显示，确保车轴工作状态正常，对于铁路运输安全是非常有必要的。现阶段我国铁路列车上主要有两种轴温监测装置：1）直接接触车载轴温监测系统；2）非接触式红外轴温探测系统。前者在货运列车中使用较多，后者是通过每隔30km安装红外探头对轴温进行监测，这种方式由于易受外界环境影响和定位困难等原因，使得轴温过高告警兑现率低、误报率高，而且成本很高［1］。

针对上述问题，本论文提出基于虚拟仪器技术的车载式列车轴温报警监控系统，利用LabVIEW优良的人机交互，将轴温数据实时传送至机车监控平台，实现监测，确保铁路运输安全。它能实时地检测、记录运行中列车车轴的温度，超过安全温度则发出报警信号。

1轴温检测系统现状

早期采用人工手持式远红外温度检测仪对入库机车走行部轴承温度进行检测，然后将检测记录数据同门限值进行比较，从而判断机车轴承的质量状态。采用此种方式，轴温检测效率低下，检测数据准确性和可靠性差，无法形成机车轴温档案，只能依照检测数据判断机车轴承的当前状态，不能绘制机车轴承温升曲线从而判断机车轴承状态趋势。随着科学技术的高速发展，人们提出了具有更高可靠性能的轴温检测系统———车载式列车轴温监测系统。它是目前铁路运输采用的一种安全动态监测装置，它把计算机技术、网络技术和温度测量技术等现代高科技应用到列车轴温监测上。该系统的工作原理是利用安装于车辆车轴上的温度传感器，对正在运行的车轴自动探测，并将此信号转换成电信号，然后传输到PC系统，经PC系统放大、计算、比较、存储、分析列车车轴的温度情况，并对温度超标的车轴实时报警。根据该系统提供的数据，车辆维修人员能够准确地了解运行车辆车轴的技术状态，及时发现热轴故障，采取预防措施，避免车轴热切造成重大行车事故。同时，该系统能极大地减轻车辆列检作业人员的劳动强度，避免因经验不足和判断失误等因素造成的误报、漏检、热轴故障，减少行车隐患。

2LabVIEW国内外研究现状及发展趋势

LabVIEW是Laboratory Virtual Instrument Engi-neering Workbench的简称，它是一个工程软件包。在1986年，由美国国家仪表公司（NI）开发研制出它的最早版本，但它是基于苹果公司的Macintosh微机；之后，该公司不断推出基于各种操作系统的LabVIEW版本。LabVIEW软件包的出现，开创了一种新的仪表研究方法，称之为虚拟仪表方法。虚拟仪表使得用户能够根据实际需要运用计算机和合适

的硬件来构造自己的仪表系统，它是以软件为中心，有效地利用计算机的计算、显示和连接能力，提供给用户强大的编程能力和充分的灵活性。LabVIEW 不同于其他编程环境，不是采用基于文本的语言来进行编程，它采用一种图形编程语言，以方框图的形式来进行编程，运用的设备图标和科学家、工程师们习惯的大部分图标基本一致，这使得编程过程和思维过程非常相似。它提供大量的函数和子程序支持用户的任务，也提供一些专用程序如GPIB设备控制、串联设备控制，以及数据的分析、显示和储存。LabVIEW也提供一些用程序开发工具箱，使得用户能够设置断点，动态执行程序来观察数据的传输过程，以及进行方便的调试。同时，LabVIEW提供DLL库接口和CIN节点来使用户有能力在Lab-VIEW平台上使用其他软件平台编译的模块，它是一个开放的开发平台［2］。

基于LabVIEW的监测系统拥有强大的数据采集、仪器控制和友好的用户交互界面，使所开发的检测系统具有良好的实用性、实时性和精确性。它能够实现在特定环境下的大量的数据检测和数据库管理，对不合格的检测对象自动进行声光报警。

3系统总体设计

列车轴温报警监控系统主要由温度数据采集和监控中心两部分组成。监控中心由计算机、通信模块以及LabVIEW软件组成，它的功能就是监测和控制列车车轴温度，对数据采集终端发送来的数据进行显示、存储和分析处理。温度数据采集由数字式轴温报警传感器和NI数据采集卡组成。其工作原理是通过机车上安装的传感器采集轴承温度原始数据，一方面经过数据采集卡进行数据的预处理和传输，再经过LabVIEW轴温监控系统直观准确的显示轴承温度并当温度超过门限值时报警；另一方面采集数据被收集到数据库中用于日后的维修检测。3.1硬件结构与实现

数字式轴温传感器简介：DS18B20是DALLAS 推出的接触式温度传感器，它使用了在板（on－board）专利技术，全部传感器和数字转换电路都集成在一个三极管大小的芯片中。它只有三个引脚（GND、DQ、VDD），通过一根数据线，它可以直接输出温度的数字量。其特点主要有：单总线接口，只需要一根数据线就可完成通讯功能；测量范围为－55 125ħ；每一个传感器内固化64位的唯一序列号（即每一个传感器都有一个特定的ID），通过该序列号，可以唯一地选择该传感器（这种设计使得在一根数据线上连接多个传感器成为可能，即可以实现对多条车轴轴温进行检测）。

NI PCI－6023E数据采集卡简介：PCI－6023E 数据采集卡是NI公司E系列多功能数据采集卡之一，是一种性能优良的低价位的适合PC及其兼容机的采集卡。可与PC的PCI总线相连，它能够完成模拟量输入、数字I/O（8路）及计数I/O等功能。与其配套进行数据采集的接线端子板是CB－68LP 型，通过R6868电缆连接，如图1所示

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图1基于PCI－6023E板卡的硬件系统

本设计用到的硬件：DS18B20数字式轴温传感器，PCI－6023E多功能板卡，R6868数据线缆，CB－68LP接线端子（使用数字量输入0通道和数字量输出1、2通道），指示灯和扩音器等，如图2所示

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图2温度测量控制线路

3.2软件设计与实现

本设计中，考虑到PC机的广泛应用以及Lab-VIEW人机交互界面使用的简捷、易操作，采用串行通信的方式以PC机作为上位机进行显示、控制双重功能。同时采用车载式轴温报警系统对机车轴承温度实时进行监控，任一轴承出现温度异常立即报警。

软件的设计主要包括温度数据采集控制、温度控制、温度分析、温度显示。软件采用的是Lab-VIEW8.5版本。数据采集子程序为按下开始按钮弹出对话框，选择采集数据端口、DAQ通道以及采集频率，按确定后进入主界面。通过实时温度曲线

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第24期张锐等：基于LabVIEW的货运列车轴温报警监控系统