Elektromanyetik ray kusur tespit cihazının geliştirilmesi ve saha testi
Ma Jinsheng1, Yu Guiwu1, Huo Jiwei2, Duan Hanhan2, Liu Ze2
(1. Taiyuan Demiryolu Bürosu, Taiyuan 030013, Shanxi; 2. Elektronik ve Enformasyon Mühendisliği Bölümü, Beijing Jiaotong Üniversitesi, Pekin 100044)
Çok frekanslı elektromanyetik uyarım elektromanyetik ray kusur tespit cihazı, rayın sığ yüzeyindeki kusurları ve çatlakları tespit etmek için elektromanyetik indüksiyon prensibini kullanır.Alet cihazı sistemi, bir elektromanyetik hata tespit sensörü, bir elektromanyetik uyarım demodülasyon sinyali işleme ünitesi, aletin mekanik bir yatak yapısı, bir iletişim modülü ve bir alet izleme bilgisayarı içerir. Enstrüman, elektromanyetik uyarma sinyallerinin üretilmesini ve yükseltilmesini, algılama sinyallerinin koşullandırılmasını ve demodülasyonunu gerçekleştiren sinyal işleme çekirdeği olarak FPGA'yı kullanır ve ray hasarı bilgilerinin çıkarılması Ethernet aracılığıyla izleme bilgisayarına iletilir. İzleme bilgisayarı, ray hasar bilgilerinin görüntülenmesini, depolanmasını ve alet ayarını gerçekleştirir. Yerinde testten sonra cihaz, raydaki yüzeysel hasarı gerçek zamanlı olarak tespit edebilir ve iyi bir saha uygulaması olasılığına sahiptir.
Elektromanyetik ray kusur tespiti; elektromanyetik tahribatsız test; test cihazı; FPGA; sinyal demodülasyonu
TP23
Belge tanımlama kodu: Bir
10.16157 / j.issn.0258-7998.2016.11.014
Çince alıntı biçimi: Ma Jinsheng, Yu Guiwu, Huo Jiwei, ve diğerleri.Elektromanyetik ray hatası tespit cihazlarının geliştirilmesi ve saha testi.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2016, 42 (11): 56-58, 65.
İngilizce alıntı biçimi: Ma Jinsheng, Yu Guiwu, Huo Jiwei, ve diğerleri.Elektromanyetik ray kontrol cihazının geliştirilmesi ve saha testi.Elektronik Tekniğin Uygulanması, 2016, 42 (11): 56-58, 65.
0 Önsöz
Demiryolu kusur tespiti, demiryolu mühendisliği departmanının önemli bir görevidir ve demiryolu hasarının zamanında ve kapsamlı tespiti, doğrudan demiryolu taşımacılığının güvenliği ile ilgilidir. Halihazırda demiryolu hatalarının tespiti için kullanılan teknik prensipler arasında ses, ışık, elektrik, manyetizma, ısı, radyasyon vb. Yer almaktadır. Bunların arasında akustik prensibe dayalı ultrasonik ray hata tespit teknolojisi, demiryolu sahasında en yaygın kullanılan ve en önemli teknolojidir. Bir çeşit kusur. Bununla birlikte, ultrasonik yansıma prensibine dayanan ultrasonik hata tespit yöntemi, rayın sığ yüzey kusurlarını tespit ederken kör alanlara sahiptir.Rayın yüzeyinden itibaren 5 mm'lik alanda ultrasonik kusur tespitinin çözünürlüğü çok düşüktür ve hatta kusurlara karşı duyarsızdır. Ray yüzey kusurları için, son yıllarda kademeli olarak makine görüşü tespitine dayalı optik yöntemler uygulanmaktadır.Bu yöntem, görüntü tanıma yoluyla ray yüzey hasarını belirleyebilir. Ancak optik yöntemler yüzeyde gömülü kusurları tespit edemez. Çeşitli kusur tespit prensiplerindeki manyetik yöntem, ultrasonik ve makine görüşünün tamamlayıcısıdır.Elektromanyetik indüksiyon prensibini kullanan elektromanyetik uyarma sinyali, rayın yüzeysel katmanında girdap akımları oluşturabilir.Rayda kusurlar varsa, girdap akımının oluşturduğu manyetik alan olacaktır. Manyetik alan değişikliğinin demodülasyonu yoluyla, ray kusurlarının derecesi elde edilebilir. Ray kusur tespiti için elektromanyetik indüksiyon yöntemi, ray kusur tespiti için önerilen ilk yöntemdir, ancak elektromanyetik tespit devre hassasiyeti ve sinyal-gürültü oranı için yüksek gerekliliklere sahip olduğundan, iyi uygulanmamıştır. Son yıllarda entegre devrelerin, elektromanyetik algılama bileşenlerinin ve modern sinyal işleme teknolojisinin gelişmesiyle birlikte elektromanyetik ray kusur tespiti, çeşitli ülkelerdeki araştırmacıların giderek daha fazla ilgisini çekmektedir.
Daqin Demiryolu, yıllık 450 milyon tona kadar taşıma hacmi ile Çin'de yeni inşa edilen ilk iki yollu elektrikli ağır hizmet kömür özel hattıdır ve dünyadaki en büyük yıllık taşıma hacmine sahip demiryolu hattıdır. Büyük taşıma hacmi, hattın raylarında yüksek hasar olasılığına ve büyük miktarda ray bakımına yol açmaktadır.Bu nedenle, çeşitli yeni ray hata tespit teknolojileri aktif olarak araştırılmakta ve elektromanyetik ray hata tespit cihazları geliştirilmiştir.
1 Sistemin genel tasarımı
Bu yazıda geliştirilen elektromanyetik ray hata tespit aracı dört bölümden oluşmaktadır: bir destek arabası, bir ön uç algılama birimi, bir sinyal işleme şasisi ve bir izleme bilgisayarı Yapısı Şekil 1'de gösterilmiştir.
Hata tespit arabası, sinyal işleme kabinini ve diğer donanım ekipmanını yüklemek için kullanılır ve elektromanyetik hata tespit sensörünün ray boyunca tespit etmesini sağlar. Kusur tespiti sırasında, arabanın dört tekerleğinin düzleştirilmesi gerekir, böylece sensör raya paralel olabilir ve kusur tespiti sırasında mesafeyi sabit tutabilir. Taşıma sırasında, aletin taşınmasını kolaylaştırmak için arabanın 4 tekerleği dikey konuma ayarlanabilir. Ön uç sensörleri, arabanın altına monte edilmiştir ve rayın üst, sol ve sağ taraflarında olmak üzere toplam 3 adet vardır, böylece 3 taraftan ray hasarını tespit edebilir. Sinyal işleme sistemi, sinyal işleme kutusuna kurulur ve sensör sinyalinin koşullandırılması ve işlenmesinden sorumludur. Denetçiler, izleme bilgisayarı aracılığıyla aletin inceleme sürecini kontrol eder ve denetim verilerinin grafik gösterimini, analizini, depolanmasını ve uzaktan iletimini gerçekleştirir.
Şekil 2'de gösterildiği gibi, cihaz açıldıktan sonra, operatör izleme bilgisayarı aracılığıyla kusur tespit yazılımını başlatır ve yazılım, sentezlenmiş bir uyarma sinyali oluşturmak için Ethernet aracılığıyla FPGA sinyal işleme kartına talimatlar gönderir.Eksitasyon sinyali amplifikatör tarafından güçlendirilir ve ray üzerindeki sensörde bulunan uyarma bobinini çalıştırır. Uyarma elektromanyetik alan oluşturun. Aynı zamanda sensördeki algılama bobini, kusur tarafından modüle edilen kuplaj alanını indükler ve demodülasyon için sinyal koşullandırma kartı aracılığıyla FPGA sinyal işleme kartına bağlanır, ray kusur karakterizasyon bilgilerini çıkarır ve ardından hasar bilgilerini tamamlamak için Ethernet üzerinden izleme bilgisayarına hasar bilgilerini iletir. Ekran depolama ve uzaktan iletim.
2 Enstrüman donanım sistemi tasarımı
Kusur tespit cihazının donanım sistemi temelde bir sinyal işleme sistemi ve bir izleme bilgisayarı içerir Sinyal işleme sistemi, cihazın temelini oluşturur. Alet sinyal işleme sistemi Şekil 3'te gösterilmektedir. İşleme sistemi temel olarak FPGA sinyal işleme kartı, çok kanallı güç dönüştürme kartı, analog sinyal koşullandırma kartı, ADC ve DAC arayüz kartı ve lityum pil içerir.
Sinyal işlemenin gerçek zamanlı performansını sağlamak için, sinyal işleme FPGA ile tasarlanmıştır.Tasarım Xilinx Kintex7 XC7K325T FPGA çipini kullanır.Çip, enstrümanın sinyali için 326.080 Mantık Hücresi, 830 DSP Dilimi ve 4 MB dağıtılmış RAM sağlar. İşleme, yeterli kaynakları sağlar. ADC ve DAC arayüz kartları, FPGA tarafından üretilen DDS verilerini analog uyarım çıkışına dönüştürür ve aynı zamanda koşullu elektromanyetik indüksiyon sinyalini karşılık gelen dijital sinyal çıkışına dönüştürür; sinyal koşullandırma, elektromanyetik indüksiyon sinyallerinin hassas amplifikasyonu ve filtrelenmesinden sorumludur; lityum pil sorumludur Tüm donanım sistemi çalıştırılır; izleme bilgisayarı bir ağ iletişim işlevine sahiptir ve ağ üzerinden FPGA ile veri iletimini gerçekleştirir.
Veri kurtarma, demodülasyon ve iletimin tümü, iyi gerçek zamanlı özelliklere sahip olan ancak veri miktarı büyük olan FPGA tarafından gerçekleştirilir, bu nedenle Ethernet, veri aktarım yöntemi olarak seçilir. FPGA ile Ethernet iletişimini gerçekleştirmenin genellikle üç yolu vardır: (1) Üç durumlu Ethernet arabirimi IP çekirdeği (Fikri Mülkiyet Çekirdeği) yöntemi; (2) LwIP protokol yığını yöntemi; (3) Verilog HDL doğrudan programlama yöntemi. Yazılım tasarımının esnekliği ve yürütme verimliliği göz önüne alındığında, bu makale Verilog HDL üzerinden doğrudan programlama ile gerçekleştirilen üçüncü yöntemi kullanmaktadır. Bu yöntem, yüksek verimlilikle ve yonga kaynaklarından tasarruf ederek gerekli işlevleri elde etmek için özelleştirilebilir.
3 Instrument FPGA yazılım tasarımı
Hata tespit cihazının uyarma üretimi, sinyal edinimi, demodülasyonu, işlenmesi ve iletimi Verilog HDL tarafından programlanır ve FPGA üzerinde uygulanır. Sistem açıldıktan sonra, izleme bilgisayarı FPGA başlatma komutunu Ethernet'ten FPGA'ya gönderir ve ardından cihaz analog uyarma sinyalleri, bobin indüksiyon sinyali geri kazanımı ve veri analizi ve iletimi oluşturmaya başlar.
Enstrümanın analog uyarma sinyali, DDS algoritması aracılığıyla 16 bitlik sinüs dalgası dijital sinyalini sentezlemek için ilk olarak FPGA tarafından sentezlenir; daha sonra, 16 bit çözünürlüklü DAC AD9777 ile analog bir uyarma çıkışına dönüştürülür. Sinyal koşullandırma işleminden sonra algılama sinyali ADC ADS62p45 ile 14 bit çözünürlükte dijital sinyale dönüştürülür ve ardından FPGA'ya bağlanır. ADC ve DAC arayüz kartları çalışmadan önce, FPGA'nın SPI arayüzü üzerinden ADC, DAC ve saat yongasının çalışma modunu yapılandırması gerektiği unutulmamalıdır.
FPGA, ADC tarafından dönüştürülen dijital sinyali aldıktan sonra, FFT demodülasyonunu gerçekleştirir ve ardından veri seçim modülü tarafından hasar verisi çıkarılır. Çıkarılan hasar bilgisi DDR3 tarafından önbelleğe alındıktan sonra, veriler Ethernet üzerinden görüntülenmesi ve depolanması için izleme bilgisayarına iletilir. DDR3 önbelleği, saat etki alanı dönüşümünden ve verilerin geçici olarak depolanmasından sorumludur.
Veri alımı ve demodülasyon bir anormallikle karşılaştığında, FPGA, hatanın yerini ve hata ayıklamasını kolaylaştırmak için Ethernet tarafından tespit bilgisayarına geri gönderilecek bir hata kodu oluşturacaktır. Aynı zamanda, denetim bilgisayarı, denetimin kesintiye uğramasını önlemek için FPGA programını zamanında yeniden başlatmak için Ethernet üzerinden sıfırlama bilgisi gönderebilir.
4 Bilgisayar yazılım tasarımının izlenmesi
İnsan-bilgisayar etkileşimli bilgi işlem yazılımı C # dilinde tasarlanmıştır, derleyici Microsoft Visual Studio 2015'i kullanır ve yazılım arabirimi tasarımı tasarım için Microsoft'un yeni nesil form ifade çerçevesi WPF'yi (Windows Presentation Foundation) kullanır.WPF, tam olarak kullanılabilen birleşik bir programlama modeli sağlar Modern bilgisayarlarda mevcut grafik donanımının tüm fonksiyonları.
İzleme bilgisayar yazılımı işlevleri arasında kontrol komutu gönderme ve alma, yonga yapılandırma kayıt adresi ve değer ayarı, Ethernet hata algılama veri iletimi, hata algılama veri depolama ve veri analizi işlevleri yer alır. Süreç Şekil 4'te gösterilmektedir.
5 Deney ve analiz
Elektromanyetik ray hatası tespit cihazının prototipi, Taiyuan Demiryolu Bürosunun Daqin Demiryolunun Chawu bölümünde yerinde test edildi ve hasarlı örnek ray üzerinde çok sayıda hata tespit deneyi gerçekleştirildi. Deneylerden biri için ray hasarı ayarı Şekil 5 (a) 'da gösterilmiştir Şekildeki iki yüzeysel kusur, kusur 1 ve kusur 2 olarak işaretlenmiştir. Prototip tarafından tespit edilen hata tespit eğrisi Şekil 5 (b) 'de gösterilmektedir.
Şekil 5 (b) 'de, eliptik alanlar A, B ve C algılama sesleridir.Bu ani sesler, veri ön işleme sırasında medyan filtreleme ile filtrelenir.Şekilde dikdörtgen D ve E alanlarında gösterilen dalgalanmalar, Şekil 5'e karşılık gelir (a ) 1 ve 2 numaralı kusurlar. Bu eğri, prototip testinin orijinal verileridir ve kusur, yazılım işlendikten sonra gösterilebilir. Şekildeki ray hasarı karakterizasyon verilerinden, tasarlanan alet prototipinin bu iki kusuru etkin bir şekilde izleyebildiği görülmektedir.
6. Sonuç
Bu yazıda tasarlanan elektromanyetik ray kusur tespit prototipi, sinyal uyarımı, edinimi ve demodülasyonunu gerçekleştirmek için yüksek hızlı FPGA kullanır.Açık tespit verisi, gerçek zamanlı analiz için Ethernet üzerinden hata tespit arabasının izleme bilgisayarına iletilir. Saha testleri, elektromanyetik ray kusur tespit cihazının rayın sığ yüzeyindeki kusurları tespit etme yeteneğine sahip olduğunu kanıtlamıştır. Takipte prototipin tespit sensörü optimize edilerek tasarlanacak ve kantitatif kalibrasyon için özel standart hasar numuneleri üretilecektir.
Referanslar
PAPAELIAS M, KERKYRAS S, PAPAELIAS F, et al. Raylı denetim teknolojisinin geleceği ve INTERAIL FP7 projesi. 51.İngiliz Tahribatsız Muayene Enstitüsü 2012 Yıllık Konferansı, 2012: 148-156.
Wang Xuemei Tahribatsız muayene teknolojisi ve demiryolu taşımacılığında uygulaması Chengdu: Southwest Jiaotong University Press, 2010.
Liu Ze, Li Wen, Xue Fangqi, ve diğerleri.Elektromanyetik tomografi rayı kusur incelemesi.IEEE İşlemleri Manyetikler, 2015, 51 (10).
YIN W L, PEYTON A J. Elektromanyetik indüksiyon sistemleri için hız etkilerini içeren duyarlılık formülasyonu IEEE İşlemleri Manyetikler, 2010, 46 (5): 1172-1176.
Tian Yun, Xu Wenbo. Xilinx FPGA Geliştirme Pratik Eğitimi. Beijing: Tsinghua University Press, 2013.
KOZMINSKI A.Windows Presentation Foundation (WPF) teknolojisi, otomatik test sistemlerindeki operatör arayüzü tasarımının zorluklarını karşılar. 2012 IEEE AUTOTESTCON İşlemleri, 2012.
AET üyeleri için yıl sonu avantajları!
