使用LabVIEW和PXI模块化仪器搭建监管和采集系统，用于全尺寸列车牵引测试台

作者：

P. Borghesani - POLITECNICO DI MILANO
P. Pennacchi - POLITECNICO DI MILANO
S. Chatterton - POLITECNICO DI MILANO
R. Ricci - POLITECNICO DI MILANO
F. Mapelli - POLITECNICO DI MILANO
D. Tarsitano - POLITECNICO DI MILANO

我们设计了一个实验性的全尺寸测试台，用于监控火车牵引设备并实施高效的基于状态的维护(CBM)技术，主要关注牵引组件。我们可以使用该测试台来详细了解轴承、齿轮和电机等主要机械部件的故障。

我们在带有制动电机的特殊测试台上安装了来自真实列车的牵引电机和牵引齿轮箱，以模拟实际的列车运行条件。为了准确再现列车应用（例如转向架悬架）中恶劣运行条件下的环境噪声，我们将牵引电机和牵引变速箱安装在由四个无刷电机驱动的振动平台上。

我们为变速箱、轴承座和电机配备了加速度计、热电偶、扭矩计等多种传感器。由于测试台的复杂性，以及高功率、高速、重负载应用的安全性问题，我们需要一个复杂的系统来监管、测量和记录测试台的状态及其组件。因此，我们开发了一款双智能多层次的系统，并将其中一部分安装在靠近测试台的测试室，另一部分安装在单独的控制室中。

该设计充分利用NI PXI模块化仪器的优势，将整体架构分为两个主要子系统：

• 监管系统(SUSY)管理测试会话和相关任务
• 数据采集系统(DASY)处理并存储已安装传感器测量的数据

监管与采集系统的架构

监管系统的架构有三层。首先，运行在主机上的LabVIEW应用程序管理图形用户界面，显示执行器的状态（如速度和扭矩）并存储用户输入。控制室中用户可访问的PC还可以控制测试台活动的宏观调度，例如，触发预热、转换和测试的执行。

第二层解释、协调各个活动，并转换为单个设备的命令。以NI PXI-1042 8插槽机箱为代表，机箱配备实时嵌入式处理器和多个I/O模块，包括：

• 1个PXI-8512 CAN/HS
• 2个PXI-6143多功能数据采集模块
• 1个PXI-6521 8通道绝缘继电器和8通道数字输入模块
• 1个PXI-6238 M系列多功能DAQ模块

该设备位于靠近控制室计算机的位置。该设备上运行的LabVIEW应用程序以2 ms的时间周期实时监控系统以及工作台上单个设备的状况。此外，该应用程序还详细解析信号，以向第一层报告测试台的状态。此外，PXI模块还负责安全和应急管理。借助实时软件中的确定性循环，LabVIEW Real-Time可以快速检测电机发出的警告或故障信号，并自动解决紧急情况，而无需等待主机的输入。

应用程序与电机控制单元网络通信，并通过不同的通道表示第三层：
• 我们选择CANopen协议，通过屏蔽串行电缆，传输或接收处理振动平台的驱动器的消息。这些电机控制单元直接放置在距离PXI模块约50米的测试室中，所以选择CANopen协议。
• 为控制室中的牵引组件选择了模拟信号和数字信号的组合。

数据采集系统基于另一个PXI-1042模块，模块没有实时处理器，位于靠近测试台的测试室。使用长光纤电缆和遥控器将该PXI模块连接至PC。之所以选择光纤电缆，是因为大型电气火车电机会产生较强的干扰，信号必须覆盖较远的距离，并且大量信号要通过该电缆传输。

PXI平台上安装了多个NI DAQ设备，为加速度计信号提供24个模拟输入通道（24位，102 kS/s/ch），为音频信号提供4个模拟输入通道（24位，204.8 kS/s/ch )、16个模拟输入通道（16位，1 MS/s/ch）、24个数字输入/输出和两个计数器（32位）。这些通道用来处理测试台上不同类型传感器测量的信号，包括：

• 1个扭矩计
• 1个转速计
• 4个三轴加速度计（1个位于电机底盘上，3个位于其中一个齿轮箱上）
• 4个可读取温度的工业双压电加速度计和16个简单的压电加速度计，全部放置在轴承座上
• 2个麦克风
• 2个环境温度/湿度传感器和2个热敏电阻

数据采集系统的PC上使用LabVIEW编程的应用程序基于生产者-消费者架构，在采样频率为20 kHz时，可采集和存储46个信号。采集由监管系统的PXI模块发出的数字信号触发，数据采集系统的PXI模块使用其中一个数字输入进行检测。

作者信息：

P. Borghesani
POLITECNICO DI MILANO
pietro.borghesani@mail.polimi.it