大型养路机械发动机防火监测系统研究

【摘 要】针对大型养路机械发动机动力间存在火灾隐患的缺陷，提出一种基于LabVIEW软硬件平台的大型养路机械发动机防火监测系统方案。设计了防火监测系统硬件，并开发了数据采集和防火监测系统软件，实现了对大型养路机械发动机进行防火监測的功能。

【关键词】大型养路机械；发动机；防火监测；LabVIEW

Research on Fire Monitoring System for Railway Large Maintenance Machinery Engine

YANG Zhuo

（CRCC High-Tech Equipment Corporation Limited，Kunming Yunnan 650215，China）

【Abstract】Aiming at the defect of fire potential in railway large maintenance machinery engine house，a scheme of railway large maintenance machinery engine fire monitoring system based on LabVIEW software and hardware platform is proposed.A fire monitoring hardware system is designed.Software of data acquisition and fire monitoring system is developed.The function of fire monitoring for railway large maintenance machinery engine is realized.

【Key words】Railway large maintenance machinery；Engine；Fire monitoring；LabVIEW

0 引言

随着国家近年来对铁路事业的大力投资，我国的铁路事业得到了飞速发展。铁路安全重于泰山，一贯为国家所重视。大型养路机械作为铁路维修养护的现代化装备，是实现铁路不间断运输和行车安全的重要工具，发动机作为大型养路机械的心脏，其重要性不言而喻。

目前，应用于各个铁路局的多品种各型号大型养路机械的发动机动力间普遍存在环境封闭的缺陷。长时间作业势必造成发动机温度升高，倘若发生火情，不易及时察觉，势必造成重大火灾事故，从而影响铁路运输安全和生产经营管理。例如，2015年8月6日，南昌局鹰潭工务机械段一台DWL-48连续式捣固稳定车在作业过程中，发动机动力间发生火灾，造成了重大经济损失。

大型养路机械发动机防火监测系统利用传感器对发动机及其动力间的多种物理信号进行数据采集[1-2]，利用LabVIEW开发的数据采集和状态监测软件[3-5]对数据进行采集、分析、处理、显示、报警、保存和查询。

1 总体设计

根据大型养路机械发动机及其动力间的环境特点，大型养路机械发动机防火监测系统应具备如下主要功能：能够对发动机主要部位的温度进行实时监测；能够对发动机动力间可能产生的烟雾和火焰进行实时监测；能够对发动机动力间的实时影像进行监测；数据采集及状态监测软件能够实时不间断的采集数据，并对数据进行处理、分析、显示、存储和历史数据查询；能够根据实际需求方便的对传感器节点进行组态；人机交互界面合理友好。

大型养路机械发动机防火监测系统的总体设计如图1所示。

大型养路机械发动机防火监测系统的监测对象包括：发动机排气管、涡轮增压器、缸盖、冷却水箱、直流发电机处的温度信号；动力间的烟雾信号；动力间的火焰信号；动力间的视频信号。

大型养路机械发动机防火监测系统的传感器包括：温度传感器、烟雾信号探测器、火焰信号探测器、红外热成像摄像头，分别用于采集发动机及其动力间的温度、烟雾、火焰、视频信号。

大型养路机械发动机防火监测系统的硬件平台包括：信号调理器、数据采集卡、嵌入式计算机。

大型养路机械发动机防火监测系统的软件平台包括：基于LabVIEW软件开发的发动机防火监测系统、Firebird嵌入式数据库。

2 硬件设计

大型养路机械发动机防火监控系统硬件设计如图2所示。温度传感器对发动机重点部位的温度进行监测，烟雾探测器、火焰探测器和红外热成像摄像头分别对动力间的烟雾、火焰和影像进行监测。监控主机内部装有数据采集卡和信号调理器。

2.1 传感器选型

在大型养路机械发动机防火监测系统中，动力间的传感器需要采集如下信号：2个发动机排气管处的温度信号、2个发动机涡轮增压器处的温度信号、发动机缸盖的温度信号、发动机冷却水箱的温度信号、直流发电机出的温度信号、动力间的环境温度信号；动力间的烟雾信号；动力间的火焰信号；动力间的视频信号。

根据大型养路机械动力间的环境和需要采集的信号，传感器的选型如表1所示。

表1 防火监测系统传感器选型

温度传感器采用德国Asmik公司的MIK-AL-10非接触式传感器[6]，温度测量范围可达到0-500℃，测量精度可达1.5℃，广泛应用于工业物体测量。

烟雾信号传感器采用英国阿波罗防火探测器有限责任公司的XP95本安型光电感烟探测器55000-640[7]。该探测器采用光散射原理工作，适用于缓慢燃烧或者阴燃。

火焰信号传感器采用上海安誉智能科技有限公司的A715/UVIR2 红紫外复合火焰探测器[8]，探测器依配备2个红外传感器和1个紫外传感器，具有反应速度快，灵敏度高优点。广泛应用于铁路机车、军用装甲车辆和船舶等设置。

红外热成像摄像头采用荷兰Orlaco公司的红外热成像摄像头0103730[9]，该摄像头218倍变焦，内置夜视功能，IP69K防水等级，镜头玻璃有自热功能，防振动防冲击。

2.2 数据采集卡选型

数据采集（DAQ）的目的是将传感器输出的模拟信号转换成计算机可以接受的数字信号，再进行存储、显示、分析与处理的过程，是数据采集软硬件的完美契合。选择合适的数据采集卡，能够提高测试测量精准性，缩短开发周期并降低成本。

根据数据采集硬件的要求如下：

1）能够同时对8个通道的模拟信号进行采样，每个通道的数据采集速率为25600Hz。

2）能够同时对4个通道的开关量信号进行采样。

根据以上要求，计算出采集卡的采样率至少为204.8kS/s，同时至少有8个模拟输入和4个数字I/O。由此可选择美国国家仪器（National Instruments，简称NI）有限公司的NI 6321型号数据采集卡。该型号数据采集卡的参数如表2所示。

表2 NI 6321数据采集卡参数

2.3 信号调理器选型

信号调理器选用NI公司的NI SCXI-1122。该信号调理器为16通道隔离传感器输入模块，可对温度传感器输入信号进行调理。

3 软件设计

大型养路机械发动机防火监测系统的软件设计平台采用NI公司的LabVIEW软件。该软件是一种图形化编程语言，支持多线程，适合于连续的数据采集，被广泛应用于工业自动化、测试测量、设备状态监测等领域。

3.1 防火監测系统软件流程

防火监测系统的软件设计采用5个线程，如图3所示。线程1为事件结构，用于处理GUI事件，包括：系统参数设置、实时温度测点选择、历史数据查询及视频回放、报警记录查询；线程2为发动机及动力间的温度数据采集、处理、显示、保存，并判断是否报警；线程3为烟雾信号的采集及显示，并保存烟雾报警数据；线程4为火焰信号的采集及显示，并保存火焰报警信号；线程5为视频信号的采集、显示和保存。

3.2 防火监测系统关键技术

3.2.1 主从设计模式

防火监测系统能够对温度数据、烟雾信号数据、火焰信号数据进行数据采集、数据处理、数据显示、数据保存。在软件设计时，该处用到了LabVIEW的主从（Master/Slave）设计模式[10]。

主从设计模式适用于一对多的情况，只有主方能够发布数据，从方只能被动响应。主方没有发布新的数据时，所有从方都在等待数据。一旦主方发布新的数据，所有从方立刻被唤醒并响应，处理数据后再次转入休眠状态。

在大型养路机械发动机防火监测系统中，主从模式中的主线程用来采集数据，从线程用来显示数据和保存数据，如图4所示。

3.2.2 数据库操作

防火监测系统对采集到的实时数据和报警数据进行保存，存入到Firebird嵌入式数据库中。在软件设计中，用到了如下数据库操作技术：数据库连接；数据表的创建和删除；数据记录的插入、删除、修改和读取等。

数据库连接有多种方式[11]：用户选择数据库；使用DSN（Data Source Name）连接数据库；使用UDL（Universal Data Link）文件连接数据库；使用连接字符串连接数据库。在防火监测系统中采用UDL文件连接数据库。

数据库工具包使用NI公司的DCT（Database Connectivity Toolkit）工具包，如图5所示。该工具中集成了数据库的各种操作，包括数据表的创建和删除；数据记录的插入、删除、修改和读取等。

3.2.3 系统报警算法

防火监测系统的报警算法主要用于温度报警判断。该算法利用测量值与阈值进行比较，判断是否产生报警。

温度报警采用二级上限报警方式，第一级为预警，第二级为报警。报警级别不同，给用户提示的报警信号也不相同。

判断报警算法的输入参数有3个：当前值、预警阈值（一级报警阈值）、报警阈值（二级报警阈值），输出参数为报警状态。当前值小于预警阈值时，报警状态为正常；当前值大于等于报警阈值时，报警状态为报警；当前值大于等于预警阈值且小于报警阈值时，报警状态为预警。

3.3 防火监测系统实现

防火监测系统软件如图7所示，系统功能除了数据采集之外，还包括实时监测、历史数据查询、报警记录查询、系统设置等用户界面，使用户方便及时的了解发动机及其动力间的状态。

实时监测界面实时呈现给用户各测点的温度、烟雾报警、火焰报警和摄像头监测到的影像。显示值的底色为绿色时表示正常，黄色表示预警，红色表示报警。报警指示灯为绿色时表示正常，红色表示报警。

历史数据查询界面由测点名称和时间查询历史数据，根据测点数据类型呈现出相应的查询结果，包括温度数据、开关量报警数据、视频数据。

报警记录查询界面由测点和时间查询报警记录，可选择全部测点或单个测点。查询到的数据包括报警数据ID、测点名称、报警类型、报警时间、报警阈值和测量值。

系统设置界面可设置测点名称、温度报警阈值参数，将数据存入数据库，在数据分析处理时使用。

4 系统测试

对大型养路机械发动机防火监测系统进行测试，系统能够对被监测点的报警阈值参数进行设置；实时采集传感器获取的数据；当数据超过报警阈值或动力间有烟雾和火焰时，及时提醒用户；对数据和报警记录存入Firebird数据库；能对历史数据进行查询和分析。测试表明，系统实现了对大型养路机械发动机防火监测的功能。

5 结束语

大型养路机械发动机防火监测系统基于LabVIEW平台，利用温度传感器、烟雾探测器、火焰探测器、热成像摄像头、NI数据采集卡、嵌入式计算机等硬件对发动机及其动力间进行状态监测，开发了LabVIEW数据采集及处理软件，能够实时采集状态数据并对数据进行分析、处理、显示、报警、保存和查询。系统测试结果表明，该系统设计合理有效，界面友好，功能强大，具有较好的应用价值。

【参考文献】

[1]戴世顺.基于多信号融合的智能车载防火系统的设计与实现[D].北京：北京邮电大学，2013.

[2]郭冰陶，刘珊，刘强，等.基于多传感器数据融合的智能火灾监控系统设计[J].自动化与仪表，2016，31（2）：29-32.

[3]赵心宇.无线智能防火报警系统的研究与应用[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2011.

[4]吴龙亮，薛楠，权祎魁等.基于ZigBee与LabVIEW的火灾预警系统的设计[J]. 微型机与应用，2013（22）：53-55.

[5]曾素琼，黄华杰.基于单片机和LabVIEW的无线火灾监测系统设计[J].计算机测量与控制，2015，23（1）：43-45，49.

[6]MIK-AL-10工业在线红外测温仪./cp_28_37.html，2017.4.

[7]XP95-本安型光电感烟探测..cn/Purple/，2017.4.

[9]热成像摄像头0103730./chanpinzhongxin-295944-132660- item-587685.html，2017.4.

[10][11]陈树学，刘萱.LabVIEW宝典[M].北京：电子工业出版社，2011：395，463.

[责任编辑：田吉捷]

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