杨国伟

（中车大连机车车辆有限公司，辽宁 大连 116022）

0 引言

随着我国铁路运力的增强，以及向高速重载方向的发展趋势，用户对机车安全性的要求也越来越高[1]。对机车驱动装置使用前和大修后进行跑合测试，是确保列车的运行安全的重要手段。设计开发符合实际需要、自动控制功能强、便于测试分析的驱动装置跑合试验台十分必要。同时，传统制造业已经无法完全满足人们的需求，企业迫切需要向智能化、信息化模式转型，打破信息孤岛对工业设备的桎梏，通过使用边缘到云端的数据集成分析一体化平台，实现设备远程状态监测与故障诊断。国际上，福伊特（VOITH）生产的驱动装置例行试验台拥有居于世界前列的控制系统，但无法用于其他电机驱动装置的试验，未将该装置建立在工业互联网平台中，无法实现数据的实时传输、共享及远程分析，检测环节孤立。国内早在1994年，我国建成青岛四方车辆研究所，并完成铁路车辆振动、滚动试验。华能机电生产的轮对跑合试验台可对高速动车组或地铁列车的齿轮箱或轴箱进行跑合、清洗试验，可适用于车轴齿轮箱油洗和跑合；大连机车车辆有限公司通过分析车载监测数据来对车辆运用状态进行监测，但还未见对轴箱的振动、温度等信号的测量分析与工业互联网平台整合的报道。国内各大型制造企业已开始瞄准工业互联网，比如三一重工旗下的树根互联[2]进行的IT（Internet Technology）与OT（Operational Technology）的结合，在工业互联网[3]传输技术的基础上，通过数据的分析优化设备的运营管理，同时将创新应用运用到质量管理和协同生产环节，突出企业的竞争优势。

综合国内外研究现状可发现，如何借助工业互联网对制造企业特别是对动力机车相关企业进行升级具有重要意义，并且已经成为国内外企业关注的焦点。因此，利用了工业互联网技术，设计了机车驱动装置例行跑合试验台，可对系统实现远程控制和数据传输。

1 多功能例行跑合试验台

1.1 多功能例行跑合试验台主要结构与功能

多功能例行跑合试验台针对驱动装置的跑合性能进行测试，对交流异步电机装配上减速齿轮箱后进行空载运行试验和轮对悬空试验，通过对驱动装置跑合过程中振动、温度等信号的采集，检测跑合试验中驱动装置中有无异常的振动或者温度的剧烈变化，判断驱动装置是否出现故障，例如轴承出现缝隙、轮对瑕疵等。驱动装置的瞬时角速度、气隙转矩等状态可以由振动、温度信号通过量化分析后获取。通过试验台调整频率的变化可改变驱动装置的电机转速，从而获取轮对的运动参数，进而分析驱动装置的健康状况，判断是否存在故障等隐患。

设计的试验台由PLC控制模块、操控面板模块、接地保护转换开关模块、嵌入式仪表模块、通讯模块，变频器控制模块等构成，系统整体架构如图1所示。

图1 机车驱动装置例行跑合试验台系统构架图

其中，控制模块主要由PLC完成对跑合试验台整体系统的数据采集、控制，包括对振动信号、温度信号进行采集，对操作面板模块的控制，实现传感器与上位机之间的通讯等，以达到对驱动装置的运行状态进行判断的目的；操控面板模块通过触点的方式，负责操作试验台的启、停以及变频器的启、停等；接地保护转换开关主要实现接地保护的功能，防止运行时出现漏电等状况；嵌入式仪表模块主要将振动以及温度变化的电信号转换成4~20 mA电流信号，并由通讯模块向PLC进行传输；通讯模块分为两部分，第一部分主要指PLC通过DP总线和变频器进行的通信，控制变频器的启停，同时将嵌入式仪表模块采集到的振动参数、温度参数和变频器自身的状态参数等传输至PLC，第二部分则是实现PLC与工控机的通讯；变频器控制模块通过调整频率的变化来控制驱动装置的中电机的运行速度，同时反馈其本身的参数，并且变频器模块包含过流过压保护、超温保护、缺相保护、最大频率输出保护等功能；上位工控机（IPC）主要完成对PLC采集的参数进行实时动态显示并保存（显示实时数据曲线）、对存储跑合曲线的数据库进行管理，并满足实时监控报警和打印等功能；LED显示器与打印机等设备位于系统平台的人机接口部分，作为交换信息的输入、输出设备的接口。现场设备如图2所示。

图2 机车驱动装置例行跑合试验台

驱动装置若是存在故障，则在跑合试验中会出现包括温升、振动烈度和加速度等指标超出阈值等状况，驱动装置的例行跑合试验台包含的设备及需要采集的信号见表1。

表1 跑合试验台信号采集内容

1.2 多功能例行跑合试验台软件部分设计

该试验台的软件架构部分利用基于Net Framework 4.5的Windows窗体应用进行搭建和设计，利用Visual Studio将C#作为编程语言完成例行跑合试验台的监控界面设计。该试验台的软件设计部分包括使用了CSTSOFT、DevComponent.DotNetBar、LaMarvin等类库作为基础进行设计开发，总共设计包括基本设置、曲线设定、实时数据、启动试验台、停止试验台、系统配置、用户管理、数据查询等8个模块部分，其中基本设置包含对于试验台类型选择、拥有类型、测试编号，以及曲线的下发和上读的功能。曲线设定用于设定下发的曲线。实时数据实现即时读取试验台的数据功能，例如实时读取当前时刻的振动、温度等信息。启动试验台和停止试验台负责启停试验台的开启和停止，并记录下此时实际的跑合曲线。系统配置包括对温度、振动条件的选取，由于存在多个温度和振动信号，有些信号在使用的过程中并不作为参考依据，可在系统配置部分勾选去除。用户管理部分存储用户的账号及密码，用户可根据账号密码登录该监控平台。数据查询部分可查询历史保存的曲线，以便操作人员进行记录。

进行跑合试验时，工控机首先通过跑合试验台的运行界面向PLC下发已设定的跑合曲线，之后点击监控软件的启停按钮来记录实时跑合曲线，操作人员通过操作面板控制跑合试验的开始和停止。嵌入式仪表模块和变频器模块获取跑合试验中驱动装置的振动、温度信号等以及加速度信号，工控机根据获取到的信号显示实时的跑合曲线，跑合曲线中包含单次跑合试验中实际的振动、温度、转速的情况，并在跑合试验完成后，由操作人员在上位机操作界面中选择是否将该次跑合数据存储进数据库中，便于日后对驱动装置跑合试验的历史数据进行查询。跑合试验台的运行界面如图3所示。

图3 例行跑合试验台运行界面

1.3 多功能例行跑合试验台通讯部分及实现

驱动装置例行跑合试验台完成信息的采集和边缘计算控制反馈等功能。跑合试验台设备采用OPC UA（Object Linking and Embedding（OLE）for Process Control）通信标准作为现场控制层对接的协议标准[4]，OPC UA主要特性包括：统一访问接口、高通信、可靠性、冗余性、高兼容性和标准安全模型。根据它的特性可以实现统一的信息模型和数据[5]，解决了不同规范设备之间的连接和访问问题[6]。应用OPC数据通讯技术实现PLC和边缘计算服务器间的数据通讯，OPC客户端对现场设备进行组态控制，将数据输送给管控系统。同时，将现场总线通讯技术应用于PLC和变频器间的通讯，采集到的变量通过工业以太网传送给上位机进行数据监测和分析，同时接收上位机发送的指令信号，根据控制参数指令进行频率调整，实现电机转速的改变。驱动装置例行跑合试验台的网络构架示意图如图4所示。

图4 驱动装置跑合试验台网络框架结构

现场设备获取的信息错误有以下几种原因，包括接口接线失误、各服务器版本不适配等硬件配置错误，文件丢失等信息错误导致的网络断续传输错误和复杂环境因素所导致的数据斑驳现象等[7]。为方便进行数据分析，本系统设计对冗余的原始数据进行筛选、归一化等预处理，将优质数据提供给服务器端控制环节、数据库存储环节。

2 基于工业互联网的系统架构

2.1 搭建面向工业互联网的跑合试验云平台

本跑合试验台系统的工业云平台网络架构如图5所示，现场级和车间级主要完成试验台中传感器、监测设备的连接，以及实现控制系统与上下层设备的信息通讯。现场级包括获取跑合实验台监测设备所采集到的振动及温度信号数据、控制变频器的启停等。企业级计划安排工业云平台，实现用户端数据存储与处理、信息集成共享以及业务应用支撑等功能，完成与生产监测设备、业务管理、移动应用程序之间的信息交互。企业级各项指标向用户开放，可通过上位机的故障诊断系统以及监测设备的运行参数和环境来分析故障的部位、性质等，并通过上位机的维护决策机制来对跑合试验台进行相应的维护。

图5 基于工业云平台的跑合试验台的网络架构

本跑合试验台系统利用基于TCP/IP协议的套接字技术（Socket）通信接入企业级工业互联网云平台，满足实际生产中的智能化需求。Socket技术是基于TCP/IP协议的通讯方式，其中Socket对网络中不同主机上的应用进程之间进行双向通信的端点的抽象。在应用层通过传输层和多台服务器进行数据通信时，TCP会遇到同时为多个应用程序进程提供并发服务的问题。为了区别不同的应用程序进程和连接，计算机操作系统为应用程序与TCP/IP协议交互提供了套接字（Socket）接口。应用层可以和传输层通过Socket接口，区分来自不同应用程序进程或网络连接的通信，实现数据传输的并发服务。

具体地，本跑合试验台系统通过开启系统中网络通讯服务，获取多台接入互联网设备的访问信息，包括远地主机的IP地址和端口等。之后判断该主机的IP地址是否达到访问级别，如达到则可接入本地的IP，实现网络通讯，构建驱动装置跑合试验系统的云平台。通过本跑合试验台系统的云平台，操作人员可在任意一台达到访问级别的接入企业级互联内网的服务器进行试验台的跑合试验。本跑合试验台系统允许利用远程的网络端口和节点，通过非现场的服务器向本地传输试验的跑合类型以及曲线号，现场级的试验台设备可根据远程服务器所传输的跑合类型以及曲线号进行跑合试验，工控机获取到跑合曲线之后利用工业以太网向PLC发送数据，PLC返回跑合曲线的实际参数和性能状况，包括振动、温度、频率转速等传感信息以及跑合状态，如有故障可及时报警。

2.2 基于工业云平台的跑合试验故障诊断系统和维护决策机制

驱动装置例行跑合试验台对采集到的振动信号的故障诊断和预测主要是通过云平台系统完成的。基于工业云平台的跑合试验系统将采集到的振动信号通过通讯模块传输至上位机，上位机利用小波分析和趋势分析来实现对于驱动装置的故障预测及诊断。滚动轴承的故障类型按振动信号的特征一般分为两类，一种是表面损伤类故障，例如点蚀、剥落、擦伤等，另一种是磨损故障，例如长时间使用所产生的磨损部分。对于表面损伤类故障，当损伤处经过轴承元件表面时，会产生一个有异的冲击脉冲宽带信号，进而引起轴承的振动，该类振动就是损伤类故障引起的振动信号的基本特征。然而这种振动响应往往会被较大的振动信号所掩盖，导致无法很好地从功率谱中分辨。对于分辨损伤类故障的振动信号，传统的频谱分析方法较适合用来分析平稳信号，而对于变速器，齿轮故障时会产生各种各样的振动信号，这些信号与时间有相当大的相依性，传统方法单独对频率进行分析时，无法判断出信号的相依性。因此引入小波分析的方法，将时域和频域结合起来，能够精确地表达信号的时频特征。以正常振动信号经小波分析后的结果作为阈值，当经过处理之后的小波信号超过阈值，则判断该次跑合存在异常或者故障，并且及时进行报警。小波分析图像如图6所示。

图6 小波分析模型

另外，驱动装置例行跑合试验台的云平台系统引入基于数据驱动的预测建模和维护决策机制，经过选择、标准化等预处理后的信号通过状态识别，如果未见异常，则继续进行健康度预测，其步骤如图7所示。首先，数据获取和处理阶段输出状态表征数据，通过预测性维护模型的状态识别功能对装配的过程判断是否异常，如未见异常则直接进入健康度预测阶段。健康度预测是指利用振动、温度等状态参数及特征信号，基于不同的分析方法与预测模型来评估装备的健康状态和未来变化趋势的预测方式。在本系统中采用的分析方法是小波分析，如出现异常则进入故障判别和定位阶段，根据传感器的信号数据利用小波分析和幅值的趋势分析来判断故障的性质和定位，并将故障的性质和定位信息作为健康度预测阶段的输入。之后，通过对于健康度的预测来对设备进行维护和管理，并及时进行检修，维护决策采用维护代价最小化作为目标进行执行，构成一整套基于数据驱动的预测建模和维护决策控制系统，以满足对驱动装置跑合试验的实际需求。

图7 预测性维护模型

3 结语

本系统通过实时监测跑合试验过程的各项参数，运用数据驱动的分析算法，在上位机中对采集到的振动、温度等数据进行分析。同时，本系统可远程获得设备运行状态信息，对是否发生故障进行预警，确定其部位、性质等，保障工厂设备与服务器系统间信息的高准确率传输，降低人工成本、减轻维护压力，实现各级人员对关键设备的监测力度的提升。优化设备管理业务流程，完成从业务驱动向数据驱动的运营机制的升级，大力推进了设备稳定性管理，促进预测性维护的数字化、信息化、智能化，为同类生产制造企业的工业互联网建设提供了参考和借鉴。

基于现有的平台，未来还可以根据具体的施工需要增加视频监控平台，完善热成像技术对关键设备温度检测的应用，实现红外热成像监测及温度报警；应用图像智能识别技术、建立结合机器学习的设备运行模型，通过后台对比算法进行报警，亦可以利用光纤震动及声音侦听技术对设备的振动声音进行监测，并及时预警。