摘 要 針對 GB/T36287—2018《城市軌道交通列車再生制動能量地面利用系統(tǒng)》涉 及 的 回 饋 型、存 儲 型 和 混 合 型再生制動能量地面利用系統(tǒng)產(chǎn)品的型式試驗需求，提出了一種基于 LabVIEW 的數(shù)據(jù)監(jiān)控系 統(tǒng)。充 分 利 用 虛 擬 儀器、數(shù)據(jù)庫等技術，實現(xiàn)對試驗參數(shù)實時監(jiān)控、即時 存 儲、動態(tài)更新數(shù)據(jù)庫、同步調(diào)用庫中數(shù)據(jù)判斷試驗狀態(tài);完 善數(shù)據(jù)導出和分析功能，采用數(shù)據(jù)可視化顯示令數(shù)據(jù)更加直觀表現(xiàn)。該系統(tǒng)已開始應用于再生制動能量地面利用 系統(tǒng)產(chǎn)品的檢驗和認證工作，為產(chǎn)品型式試驗提供可靠的測控平臺。

　　關鍵詞 城軌裝備試驗;數(shù)據(jù)監(jiān)控;LabVIEW;數(shù)據(jù)庫;數(shù)據(jù)可視化

　　隨著我國城市軌道交通的快速發(fā)展，各地對城市軌 道交通的能耗要求日趨嚴格，在新建和既有線供電系統(tǒng) 改造過程中，均將列車再生制動能量地面利用系統(tǒng)作為 項目建設的必要部分之一。列車再生制動能量地面利 用系統(tǒng)通過將列車再生制動產(chǎn)生的電能進行存 儲 或 回 饋電網(wǎng)，避免了傳統(tǒng)牽引供電系統(tǒng)通過電阻消耗再生制 動能量，大大降低城市軌道交通的運行能耗。 GB/T36287—2018《城市軌道交通列車再生制動 能量地面利用系統(tǒng)》中提出了評價回饋型、存儲 型 和 混 合型3種再生制動能量地面利用系統(tǒng)產(chǎn)品的性 能 的 試 驗方法。

　　現(xiàn)階段再生制動相關產(chǎn)品試驗過程中，多采用 直接讀取測量儀器數(shù)據(jù)的現(xiàn)場測量方法，不具備集成或 完善的測量系統(tǒng)，僅能觀測和記錄單點的參數(shù)，無 法 對 試驗動態(tài)過程進行全過程的觀測和記錄，未能對不同參 數(shù)(如電壓、電流、溫度等)進行相關性分析，一定程度上 影響試驗狀態(tài)的實時性判斷，降低了試驗效率和精確程 度。 為解決上述存在的問題，基于 LabVIEW 設計并開 發(fā)了具備數(shù)據(jù)采集、存儲、處理等功能的列車再生制動 能量地面利用系統(tǒng)試驗平臺數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，并通過數(shù)據(jù) 庫技術和數(shù)字可視化顯示的應用，實現(xiàn)實時監(jiān)測試驗運 行狀態(tài)、保證上限報警，設計并完善數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、降低 了數(shù)據(jù)處理分析的工作量。

　　1 列車再生制動能量地面利用系統(tǒng)試驗平臺

　　列車再生制動能量地面利用系統(tǒng)試驗平臺主電路 結(jié)構，包括城市軌道交通直流供電電源、城 市軌 道 交 通 交 流 試 驗 電 源 等 兩 部 分。平 臺 設 備 主 要 由整流變壓器、整流器、變壓器、雙 向 變 流 柜、三 相 感 應 調(diào) 壓器、三 相 變 壓 器、六 脈 波 整 流 器、三 相 變 頻 電 源 等 組 成，實現(xiàn)為牽引變流器、儲能裝置(超級 電 容 儲 能 裝 置、 飛輪儲能裝置)、再生電能吸收裝置、直流快速斷路器等 產(chǎn)品提供直流供電電源;給斷 路 器、接 觸 器、制 動 電 阻、 牽引電機、齒輪箱等設備試驗提供試驗電源。

　　城軌列車牽引供電系統(tǒng)機組聯(lián)調(diào)試驗時，被試變壓 器輸入端連接到10kV 電網(wǎng)上，模擬運行時中壓網(wǎng)絡供 電，牽引整流器輸出端連接到電源逆變回路變流器直流 側(cè)，實現(xiàn)電能回饋;單獨逆變器試驗時，電能經(jīng)變壓器降 為1180V 或590V 交流電整流后給被試逆變器供電， 輸出電能回饋到電網(wǎng)。基于試驗系統(tǒng)需要和檢測數(shù)據(jù) 要求，監(jiān)控系統(tǒng)必須實時監(jiān)測各測量點電參量及溫度數(shù)據(jù)，以保證設備運行狀態(tài)判斷和后續(xù)試驗分析質(zhì)量。

　　2 分布式數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計

　　考慮到試驗平臺最大試驗能力投入使用時，可滿足 兩路整流、兩路逆變同時使用，測量系統(tǒng) 則 需 要 采 集 直 流側(cè)電參量(兩路直流電壓、電流)、逆變回饋側(cè) 交 流 電 參量(兩路三相電壓、電流)、10kV 側(cè)交流電參量(一路 三相電壓、電流)等11路電信號;被試產(chǎn) 品 性 能 測 試 過 程中，多數(shù)元器件具有溫度限值要求，要 保 證 產(chǎn) 品 安 全 運行，必須監(jiān)測各點溫度數(shù)據(jù)用于判斷狀態(tài)及溫升試驗 等。

　　為了保證上述試驗 數(shù) 據(jù) 質(zhì) 量，更 加 準 確、迅 速 判 斷 運行狀態(tài)，要求監(jiān)控系統(tǒng)具備較快的采集速度和數(shù)據(jù)處 理速度，采用功率分析儀、記錄 儀、工 控 機 等 傳 輸 速 度 快、處理效率高的監(jiān)測裝備。系統(tǒng)利用分布式電壓、電流、溫度傳感器實 時 測 量 電 參 數(shù) 和溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)信號處理和放大后接入 數(shù) 據(jù) 采 集 系 統(tǒng)， 完成數(shù)據(jù)初步處理;通過以太網(wǎng)交換機將功率分析儀和 記錄儀中的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到工控機中，使用監(jiān)控系統(tǒng)軟 件實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、篩 選、存 儲;控 制 按 照IPv4通 信 協(xié) 議 完成數(shù)據(jù)交換、信息處理、指令發(fā)送等過程。

　　3 基于有限狀態(tài)機的系統(tǒng)軟件設計

　　3.1 數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)主程序設計

　　軟件部分是數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)信息與控制的交互中心， 負責對監(jiān)測設備發(fā)送配置命令和采集指令、顯示現(xiàn)場返 還數(shù)據(jù)信息。根據(jù)系統(tǒng)使用環(huán)境要求，軟件需具備響應 速度快、能夠長時間工作、性能穩(wěn)定等特點，主要功能包 括：參數(shù) 設 置;數(shù) 據(jù) 顯 示;波 形 顯 示;溫 升 計 算;趨 勢 查 詢;數(shù)據(jù)導出及分析等。

　　系統(tǒng)基于 Labview 虛擬儀器軟件進行編寫和開發(fā)， 通過 VISA 庫函數(shù)[1]調(diào)用硬件資源，利用 NI-MAX 添 加數(shù)據(jù)監(jiān)測設備I/O 地址，從而使用以太網(wǎng)交換機實現(xiàn) 信息交互，對監(jiān)測設備發(fā)送配置命令、完 成 數(shù) 據(jù) 信 息 采 集、狀態(tài)信息轉(zhuǎn)換等。系統(tǒng)采用有限狀態(tài)機設計，狀 態(tài) 機 設 計 包 括 “初 始 化”、“設 置”、“準 備 開 始”、“開始”、“配置參數(shù)”、“數(shù)據(jù)采集”、“資源釋放”、“停 止”、“選擇 波 形”、“溫 升 計 算”、“查 看 波 形”、“查 詢 參 數(shù)”、“導出數(shù)據(jù)”等13個狀態(tài)。狀態(tài)機控制子模塊負責 操作指令轉(zhuǎn)發(fā)、控制系統(tǒng)進程。功能按鈕值改變后，狀 態(tài)機隊列輸出更新，系統(tǒng)程序能夠?qū)崿F(xiàn)集中調(diào)用各功能 子 VI。

　　數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)登錄成功后，軟件自動初始化，完成 各儀器參數(shù)設置后系統(tǒng)隨時等待“開始采集”的指令;若系統(tǒng)已進行相應數(shù)據(jù)采集，過程中需停止，“停止采集” 值改變后占用 資 源 釋 放，系 統(tǒng) 再 次 進 入“準 備 開 始”狀態(tài)，等待指令。“開始采集”值改變，檢查配置是否更新， 若系統(tǒng)配置改變，狀態(tài)機發(fā)送新的狀態(tài)指令、更新隊列 輸出，跳轉(zhuǎn)到“配置參數(shù)”開始配置狀態(tài)，調(diào)用接線配置、 掃描配置、故障處理等多個子 VI，完成數(shù)據(jù)采集前個監(jiān) 測儀器的參數(shù)設置。系統(tǒng)將儀器參數(shù)配置到各個監(jiān)控 設備后，“配置參數(shù)”狀態(tài)結(jié)束直接跳轉(zhuǎn)到“數(shù)據(jù)采集”狀 態(tài)，開始采集數(shù)據(jù)，“運行狀態(tài)”顯示“進入采集狀態(tài)”;若 “開始采集”值改變，系統(tǒng)配置未更新，則狀態(tài)機直接跳 轉(zhuǎn)到“數(shù)據(jù)采集”狀態(tài)，基于此狀態(tài)軟件進一步拓展功能 應用。

　　3.2 數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集子模塊設計

　　為實現(xiàn)數(shù)據(jù)操作管理等功能設計，“數(shù)據(jù)采集”作為 數(shù)據(jù)庫應用和可視化顯示的應用程序基礎，是一個重要 狀態(tài)分支，該狀態(tài)的程序設計和正常運行是監(jiān)控系統(tǒng)解 決的核心問題。“數(shù)據(jù) 采集”狀態(tài)下，系統(tǒng)能夠獲取所有監(jiān)測儀器數(shù)據(jù)，包括電 壓和電流的實測值、基波有效值、全波有效值、頻率以及 溫度等試驗參數(shù)，將通道名稱與參數(shù)信息捆綁輸出創(chuàng)建 全局變量。

　　軟件進行實時數(shù)據(jù)采集、篩選、顯示存儲等 多個子程序進 程，應 用“測 量 數(shù) 據(jù)”全局變量傳遞數(shù)據(jù) 流，對數(shù)據(jù)進行入庫預處理，通過SQL操作將信息存儲 到數(shù)據(jù)庫內(nèi)，釋放數(shù)據(jù)庫連接，完成數(shù)據(jù)存儲過程。在 采集系統(tǒng)完善的基礎上，系統(tǒng)設計“選擇波形”、“溫升計 算”、“查看波形”、“電參量趨勢”、“導出數(shù)據(jù)”等多個功 能應用，用戶可通過點選功能按鈕進入子 VI實現(xiàn)進一 步數(shù)據(jù)操作。

　　3.3 數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)關系數(shù)據(jù)庫子模塊設計

　　試驗臺測試測量過程中采集到的數(shù)據(jù)需要實時存 儲，并同步調(diào)用數(shù)據(jù)用于判定試驗狀態(tài)，存在大量數(shù)據(jù) 查詢和管理工作，若通過人工管理和讀寫文件實現(xiàn)則會 加長系統(tǒng)響應時間、降低處理速度、影響試驗效果的準 確性[2-4]，因此文中設計采用數(shù)據(jù)庫保存數(shù)據(jù)、完成數(shù)據(jù) 處理。 系統(tǒng)應 用 MicrosoftOfficeAccess關 系 數(shù) 據(jù) 庫 管 理系統(tǒng)建立參數(shù)數(shù)據(jù)庫。

　　根據(jù)實際應用需求，數(shù)據(jù)庫內(nèi)容包括試驗 配置和 試 驗 數(shù) 據(jù) 兩 個 表 單，涵 蓋ID 地 址、試 驗 負 責 人 ID、試驗 負 責 人 姓 名、登 錄 密 碼、權 限、試 驗 類 型、試 驗 編碼、存儲時間、以及實測參量等多項數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)程 序調(diào)用庫中內(nèi)容可判斷試驗工程師是否有權限使用數(shù) 據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)、修改數(shù)據(jù)信息，用于軟件使用權限管理;對 表單內(nèi)的數(shù)據(jù)進行寫入、查詢、調(diào)用、導出，實現(xiàn)數(shù)據(jù)集 中處理和分析。

　　4 數(shù)據(jù)處理與可視化應用設計

　　4.1 數(shù)據(jù)查詢、篩選與導出應用設計

　　較之傳統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)后期數(shù)據(jù)分析過程繁雜，本 系統(tǒng)在虛擬儀器技術和數(shù)據(jù)庫應用相結(jié)合的基礎上，設 計實現(xiàn)了數(shù)據(jù)查詢、篩選及導出子模塊。 程序通過“while”循環(huán)實現(xiàn)主程序?qū)Ρ灸�塊的調(diào) 用，子 VI啟用后數(shù)據(jù)庫后臺自動連接，檢測人員可 通 過 選 擇 試驗起始時間、試驗終止時間、樣品編號、試驗類型中任 何試驗條件查詢數(shù)據(jù)情況，后臺程序通過“where”操作 符自動掃描信息位置，導出該部分內(nèi)容。

　　但隨著試驗數(shù) 據(jù)的不斷累積，實時存儲的數(shù)據(jù)量逐漸龐大，用于檢測 分析的只是能夠代表被測設備性能的典型值，為使試驗 數(shù)據(jù)更加簡潔，系統(tǒng)增設“多重查詢”方法。可以根據(jù)試 驗需求通過“for”循環(huán)使用“where”、“and”等 操 作 符 直 接定位選擇特定內(nèi)容數(shù)據(jù)。該功能的實現(xiàn)大幅度提高 了試驗數(shù)據(jù)處理效率，同時也保證所有試驗數(shù)據(jù)有效存 儲、防止數(shù)據(jù)丟失。

　　4.2 數(shù)據(jù)可視化應用設計

　　數(shù)據(jù)可視化通過圖形、圖像處理、計算機視覺及用 戶界面等圖形化方式，能夠更加直觀的表現(xiàn)出數(shù)據(jù)信息 和關鍵特征[5-6]。現(xiàn)場試驗過程中，檢測人員為 了 方 便 判斷產(chǎn)品運行狀態(tài)及試驗環(huán)境特點，往往需要大量示波 器、記錄儀等能夠?qū)崿F(xiàn)圖形化顯示的儀器，不僅提高了 試驗成本，也增加了試驗環(huán)境復雜程度。為解決這一問 題，監(jiān)控系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)可視化設計實現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息最優(yōu) 化顯示。

　　程序設計過程中完善所有信息的讀取應用，通過采 樣頻率的合理設置保證信息傳遞的實時性，采用以太網(wǎng) 交換機控制數(shù)據(jù)傳輸，以字符串格式在主界面上顯示實 時電壓、電流、功率、頻率、溫度等名稱及數(shù)值。在滿足 基本數(shù)據(jù)測量的前提下，系統(tǒng)應用 VISA 會話句柄可以 隨時調(diào)用功率分析儀任何通道的原始波形和計算后數(shù) 據(jù)波形，以二維圖表的形式、通過點選所需參量名稱有 選擇性的顯示特征波形。不會因采樣通道數(shù)量、引線距 離、試驗費用等問題影響試驗進度和質(zhì)量。除此之外， 系統(tǒng)應用布爾型變量設計各個限值超高指示，直觀反映 運行狀態(tài)，便于判斷試驗進程;應用外推法計算溫差，采 用描點圖和線性擬合曲線圖顯示溫度變化實際曲線和 計算曲線。

　　5 系統(tǒng)實現(xiàn)與功能驗證

　　為驗證數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)設計方案的可行性，在列車再 生制動能量地面利用系統(tǒng)試驗平臺基礎上，開發(fā)了試驗 平臺數(shù) 據(jù) 監(jiān) 控 系 統(tǒng)，集成所有功能選項，界面簡單明了，便于操作。通過地鐵牽引整流機組變流柜、再生能量逆變回饋 裝置、儲能式有軌電車充電裝置、制動電阻等設備現(xiàn)場 試驗驗證顯示，該系統(tǒng)運行良好，對比現(xiàn)場設備讀數(shù)信 息，數(shù)據(jù)采集準確一致、顯示同步。系統(tǒng)控制與測量功 能符合試驗要求，拓展功能使用正常，實現(xiàn)了既定的設 計目標。

　　6 結(jié) 論

　　本系統(tǒng)應用以太網(wǎng)交換機、現(xiàn)場監(jiān)測儀器和工控機 等硬件設備，設計完成了狀態(tài)機控制、信號量控制、數(shù)據(jù) 采集、數(shù)據(jù)記錄等4個核心模塊，保證列車再生制動能 量地面利用系統(tǒng)試驗平臺數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件功能;通過 VI- SA 串口通 信 和 數(shù) 據(jù) 庫 管 理 技 術，實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化顯 示，試驗全過程可快速判斷運行狀態(tài);數(shù)據(jù)集中存儲、管 理，設計開發(fā)了“數(shù)據(jù)導出及分析”功能，可選擇性查詢、 導出有效信 息，解決了數(shù)據(jù)量龐大難以處理分析的問 題。

　　通過系統(tǒng)搭建和軟件測試，驗證了文中列車再生制 動能量地面利用系統(tǒng)試驗平臺數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的可行性。該系統(tǒng)的應用將有利于提高試驗人員現(xiàn)場操作安全性， 提高整體工作效率，集成顯示各類型試驗參數(shù)便于發(fā)現(xiàn) 問題，降低后續(xù)數(shù)據(jù)處理工作量，具備一定推廣應用價 值。接下來可進一步開發(fā)系統(tǒng)軟件和移動設備相結(jié)合，通過無線局 域 網(wǎng) 技 術 實 現(xiàn) 數(shù) 據(jù) 傳 輸，著 重 網(wǎng) 絡 安 全 防 范，便于試驗人員隨時掌握現(xiàn)場運行狀態(tài)，提升試驗能力。

　　測量方向論文投稿刊物：計算機測量與控制(月刊)創(chuàng)刊于1993年，由中國計算機自動測量與控制技術協(xié)會主辦。報道內(nèi)容：1計算機技術、自動測試技術和自動控制技術的研究成果及發(fā)展方向的綜述與評論。

　　參考文獻

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　　作者：魯培琳