火车轮状态的实时监控大作业

1、火车轮状态的实时监控大作业传感器与虚拟仪器大作业题目 火车轮状态的实时监控 姓名 班级 通信111 学号 2014年04月11日目 录目 录I第1章 火车轮状态的实时监控意义及应用11.1 课题研究意义11.2 课题应用1第2章 火车轮状态的实时监控设计原理22.1 设计目的22.2 程序框图主要功能模块介绍22.2.1“ Butterworth滤波器(逐点)”函数22.2.2 “数组最大值与最小值（逐点）”函数32.2.3“布尔值转换（逐点）”函数32.2.4条件结构4第3章 火车轮实时监控设计的步骤53.1 创建一个新的VI53.2 构建仿真数据数组83.2.1 Butterworth滤波

2、处理93.2.2峰值检测93.3 完整程序框图10第4章 火车轮状态的实时监控源程序134.1 创建一个完整的前面板134.2 Butterworth 滤波处理134.3 峰值检测144.4 完整源程序框图14第5章 程序的运行结果15第6章 实验总结与体会16参考文献17致 谢18第1章 火车轮状态的实时监控意义及应用1.1 课题研究意义在当代信息发展迅速的情况下,各类通信方式为人们提供着强大的支柱。虚拟仪器技术是计算机和传统的仪器技术融合的产物，是现代测试技术与系统的发展趋势。虚拟仪器与传统仪器相比，在智能化程序、处理能力、性能价格比、可操作性及功能扩展等方面都具有明显的技术优势。它的设计

3、与开发是利用高效灵活的软件来完成的，用户可根据实际需要自己构建仪器的功能、操作和显示界面。图形化编程语言LabVIEW是当今国内外设计虚拟仪器最为流行的软件，整个仪控系统都完全可以使用它来开发与执行。目前，虚拟仪器技术在测量方面的应用已日趋成熟，它已成为测试及测量领域的工业标准，故此，本文主要探讨虚拟仪器技术在远程控制领域中的开发与应用。长期以来，我国铁路处于低装备率高利用率高强度运动状态，特别是随着火车运动速度的一再提高，更加重了火车轮的负担。火车的车轮状态是否完好关系大火车的安全运行，为了保障行车安全，提高运输能力，铁道部门必须经常对火车车轮状态进行检测。就目前现状来看，国内外所做的努力都

4、是把精力放在车轮的生产或修复环节的缺陷检测方面，在线检测相对较少。基于这种情形，本文引入虚拟仪器技术的思想和设计方法，在Labview 8.20虚拟仪器开发环境下，运用Labview的逐点分析库，研发了火车轮状态的实时监控系统。1.2 课题应用 火车轮状态的实时监控室仿真火车轮工作状态振动特性监控系统的工作，通过对各车厢火车轮在运行过程中采集到的波形离散数据进行滤波处理和峰值检测，获得火车轮的工作状态，对实际应用有比较重要的知道意义。本章设计的火车轮状态的实时监控，目的是通过监控火车轮的运行状态进行监测，对火车轮进行故障诊断，保证火车轮运行在正常范围内，避免发生才、重大事故。 第2章 火车轮状

5、态的实时监控设计原理2.1 设计目的 基于Labview 8.2虚拟平台，使用图形语言编程，利用逐点选板中的部分函数，设计一个火车轮状态的实时监控系统，实时监控火车轮的工作状态，在火车轮尚未发生故障之前，预知重大事故的发生危险，规避特大交通事故的出现。2.2 程序框图主要功能模块介绍火车轮状态实时监控系统用于监控火车轮的运行状态，并通过对采集来的波形进行高通滤波获得火车轮运行的异常情况。火车轮状态实时监控系统主要由4个功能块来实现，分别为仿真数据的构建Butterworth 滤波处理峰值检测和游标位置实时显示。 2.2.1“ Butterworth滤波器(逐点)”函数 如图2-1所示，“But

6、terworth滤波器（逐点）”函数位于滤波器（逐点）子选板中，在程序框图中的空白处单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择路径“函数信号处理逐点滤波器（逐点）Butterworth滤波器（逐点）”即可找到该函数。 图2-1“Butterworth滤波器（逐点）”函数的选择路径 2.2.2 “数组最大值与最小值（逐点）”函数 “数组最大值与最小值（逐点）”函数位于其他函数（逐点）子选板中，如图2-2所示，其功能是在由“采样长度”指定的区间内，搜索输入采样数据点集中地最大值和最小值。在程序框图中的空白处单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择路径“函数信号处理逐点其它函数（逐点）数组最大值与最小值（逐点

7、）”即可找到该函数。 图2-2“数组最大值与最小值（逐点）”函数选择路径 2.2.3“布尔值转换（逐点）”函数 “布尔值转换（逐点）”函数用于识别输入的转换。如图2-3所示，其调用路径为“函数信号处理逐点其他函数（逐点）布尔值转换（逐点）”。 图2-3“布尔值转换（逐点）”函数选择路径 2.2.4条件结构 利用2个条件结构实现一下功能：接收并记录火车轮状态的异常信号，在对1个车厢的所有车轮状态进行检测以后，显示检测结果。其中，外层条件结构的分支“真”用于接收并记录火车轮状态的异常信号，分支“假”用于实现显示检测结果和初始值赋值功能。在分支“假”中内嵌了1个条件结构，内嵌条件结构的分支“真”用于

8、显示检测结果和初始值，分支“假”会进行数据流的传递。 第3章 火车轮实时监控设计的步骤 下面将对前面所说的仿真数据数组的构建，Butterworth滤波处理峰值检测和游标位置实时显示4个功能块的程序框图进行详细介绍。在编写程序框图之前，首先要进行前面板的设计，具体的设计步骤如下所示3.1 创建一个新的VI创建新VI，命名为 Train wheels Monitor.vi。其操作路径为“文件新建VI”。当然，如果在Labview8.2的启动界面，直接单击新建栏中的VI即可。添加5个数值输入控件，分别命名为“低截止频率：fl”“高截止频率：fh”“阶数”“Length”和“Threshold”。其

9、中前3个属于滤波参数（Filter Parameters），后2个属于其他参数（Other Parameters）。添加2个数值显示控件，分别命名为“No.of Train”和“No. of Wheels”，作为当前正在进行分析的车厢和车轮的标识。添加2个波形图控件，分别命名为“Original Data”和“Bad/Good Wheels”，前者用来显示仿真数据波形，后者用来显示每节火车车轮的运行状态。为了明确显示仿真数据和火车轮的运行状态，需要对2个波形图控件进行属性的配置。 “Original Data”进行属性的配置。如图3-1所示，在属性对话框的“标尺”选项卡中，取消勾选“幅值（Y轴

10、）”的“自动调整标尺”，将“最大值”和“最小值”分别设置为“80”和“0”，并将“网络样式和颜色”设置为无（第1种样式）；如图3-2所示，在“游标”选项卡中添加1个游标0，并勾选“显示游标”复选框。图3-1“ 标尺”选项卡属性的配置图3-2 “游标”选项卡属性的配置 对“Bad/Good Wheels”进行属性的配置。如图3-3所示，在属性对话框的“曲线”选项卡中，将“曲线0”的“颜色”设置为蓝色；在“标尺”选项卡中，取消勾选“时间（X轴）”的“自动调整标尺”，将最大值和最小值分别设置为“5”和“0”，并将“网络样式和颜色”设置为无（第1种样式）。另外，在控件的“图例”显示项上右击鼠标，在弹出

11、的快捷菜单中选择“直方图”，选择地2行第2个样式，如图3-4所示。图3-3 “曲线”选项卡属性的配置图3-4 波形图控件的直方图类型的选择(4)对前面板进行修饰和美化，创建完毕的前面板如图4-1所示。3.2 构建仿真数据数组 首先创建1个While循环结构。系统的程序框图的主要功能均在该循环里完成。仿真数据是通过对火车轮上安置的传感器进行检测采样来获得的，并最终转换为数组格式供滤波使用。3.2.1 Butterworth滤波处理 对仿真数据进行滤波处理，可以滤除从采样过程引入的噪声信号，获得有用信号的特征信息，添加2个“Butterworth滤波器（逐点）”函数，分别对表示火车轮状态的仿真数据

12、进行高通和低通滤波，对滤波器类型的具体设置如下。 （1）添加1个“Butterworth滤波器（逐点）”函数，在函数的“滤波器类型”端子处单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择“创建常量”，即可创建1个枚举常量的项设置为“Highpass”，此时滤波器就能实现高通滤波的功能，如图4-1所示。同理，再添加1个“Butterworth滤波器（逐点）”函数，并将创建的枚举常量的项设置为“Lowpass”，此时滤波器就能实现低通滤波的功能，如图4-1所示。3.2.2峰值检测检测经过滤波处理的仿真信号数组的峰值，获得并显示有用信号的特征信息，添加3个“数组最大值与最小值（逐点）”函数，分别获得仿真数据的最

13、大值和最小值。将反映对应火车轮状态的信号数组的最大值与阈值进行比较，将比较结果输入“布尔值转换（逐点）”函数，根据函数输入端子“方向”的输入，检测是否进行了“方向”指定的转换，并进行相应的程序设计。峰值检测模块，其具体的设计步骤如下。 （1）添加3个“数组最大值与最小值（逐点）”函数。其中1个函数的“采样长度”为指定长度×4，用于获得经过高通滤波处理后的全部火车状态的仿真信号数组的最大值；第2个函数的“采样长度”也为指定×4，用于获得经过低通滤波处理后的每节车厢的火车轮状态的仿真信号数组的最大值；第3个函数的“采样长度”为指定长度。用于获得经过低通滤波处理后的每个火车轮状态

14、的仿真信号数组的最大值。 （2）添加2个“布尔值转换（逐点）”函数。 将反映每节车厢火车轮状态的数组中最大值与阈值的比较结果传递给第1个“布尔值转换（逐点）”函数，该函数的输入端子“方向”为“True-False”，此时如果数组的最大值由大于阈值变化为小于阈值，则说明本节车厢所有的火车轮状态检测完毕。 将反映每个火车轮状态的数组中最大值与阈值的比较结果传递给第2个“布尔值转换（逐点）”函数，该函数的输入端子“方向”也为“True-False”，此时如果数组的最大值由大于阈值变化为小于阈值，则说明本节车厢的单个火车轮状态检测完毕。 （3）添加2个条件结构，实现记录和显示有用信号的特征信息。 添加

15、第1个条件结构，在分支“真”中添加1个“创建数组”，将反映每一个火车轮状态的信号数组的最大值添加到“报告显示”数组中。 在分支“假”中，添加1个内嵌条件结构，在内嵌条件结构的分支“真”中显示生成报告，直方图的幅值越小说明火车轮的运行状态越好，在内嵌条件结构的分支“假”中只实现数据流的传递。3.3 完整程序框图 如图3-5所示，显示1个活动游标，并根据波峰检测进程改变其位置。这里使用了属性节点“游标位置：游标X坐标”，并且每隔60个采样点，调整1次活动鼠标的X轴位置。“游标位置：游标X坐标”的创建方法是：在波形图“Original Data（8 Trains）”上单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单上

16、选择“创建属性节点游标游标位置游标X坐标”，如图所示。图3-5 “游标位置：游标X坐标”的创建 此外，这里还使用了“层叠式顺序结构”和“加1（逐点）”函数，用于显示正在进行处理的车厢和本车厢的火车轮的火车轮索引。对于“加1（逐点）”函数而言，每当该函数的“激活”端的输入为TRUE时，则输出端“计数器”加1。当“初始化”端为TURE时，计数器清零，重新开始计数。如图3-6所示，“加1（逐点）”函数的选择路径为“函数信号处理逐点其他函数（逐点）加1（逐点）”。图3-6 “加1（逐点）”函数的选择路径和端子图 最后，在While循环中添加1个“等待（ms）”函数，将其输入端子“等待时间（ms）”的

17、输入值设置为“1”，这样做可延缓循环结构的执行速度。方便更好的观察火车轮状态的变化情况。 第4章 火车轮状态的实时监控源程序4.1 创建一个完整的前面板前面的创建如图4-1所示图4-1 前面板的创建4.2 Butterworth 滤波处理滤波处理如图4-2所示图4-2 Butterworth 滤波处理4.3 峰值检测峰值的检测如图4-3所示图4-3 峰值检测4.4 完整源程序框图如图4-4所示图4-4 火车轮状态实时监控的总体程序框图第5章 程序的运行结果 单击运行按钮，在“Filter Parameters”中分别设置“低截止频率： fl”“高截止频率：fh”和阶数的值为“0.010”“0.

18、250”和“4”;在“Other Parameters”中设置“Length”和“Threshold”的值为“100”和“15”。 如图5所示，在“Result”的数值显示控件“No.of Train”和“No.of Wheel”中可以观察车厢号和对应车厢中个火车轮索引号的变化。另外，在“Original Data”波形图中可以观察到某车厢的火车轮状态。图给出的事第2节车厢（索引号为1）的各个火车轮状态。图5 火车轮状态实时监控的运行界面 第6章 实验总结与体会在本实验所设计的火车轮状态的实时监控中，主要使用了逐点选板上的部分函数，包括“Butterworth滤波器（逐点）”“布尔值转换（逐点

19、）”和“加1（逐点）”等。本实验使用的这些函数展现了使用Labview8.2编写实时监控系统的思路和方法。设计的基于LabVIEW虚拟仪器的智能火车车轮测试系统设计主要的优点为： （1）用图形化编程语言LABVIEW和面向对象编程技术，软件开发效率高，可操作性和维护性好。 （2）充分利用了计算机的外设连接能力，测试结果和波形显示。 （3）在相同的硬件条件下，可以通过修改和增加软件模块，形成新的仪器功能。由于本人的水平有限和设计的条件有限，设计中尚存在许多未尽人意的地方。主要有以下几个方面需要改进和研究： （一）影响火车车轮测试系统系统各个性能的因素很多。选择的信号频率限制严格，带宽较窄。因此需

20、要选用各方面性能都方法，这才能充分发挥虚拟仪器的优点。 （二）所设计的虚拟火车车轮测试系统未具有网络功能。通过本次实验的学习。我对逐点子选板的部分函数的特点和使用有一个比较直观的了解，可以对程序框图和前面板的设计有更好的理解和掌握；这次设计我发现，只有理论水平提高了，才能够将课本知识与实践相整合，理论知识服务于教学实践，以增强自己的动手能力。这个设计十分有意义 我获得很深刻的经验。通过这次设计，我们知道了理论和实际的距离，也知道了理论和实际想结合的重要性，也从中得知了很多书本上无法得知的知识。我们的学习不但要立足于书本，以解决理论和实际教学中的实际问题为目的，还要以实践相结合，理论问题即实践课

21、题，解决问题即课程研究，学生自己就是一个专家，通过自己的手来解决问题比用脑子解决问题更加深刻。学习就应该采取理论与实践结合的方式，理论的问题，也就是实践性的课题。这种做法既有助于完成理论知识的巩固，又有助于带动实践，解决实际问题，加强我们的动手能力和解决问题的能力。 参考文献1张健，韩薪莘，房晓溪，程学庆.LABVIEW图形化编程与实例应用.北京：中国铁道出版社，2005：159160 2戴鹏飞，王胜开，王格芳，马欣.测试工程与LABVEIW应用.北京：电子工业出版社，2006：6477 3路林吉，等.虚拟仪器的应用.电子技术，2006：4046 4Gary W Gohson. LABVIEW Graphic Programming . USA. MC