Цифровая обработка сигналов в ZETLАВ при проведении дефектоскопии колесных пар

В современном мире, где происходит тотальное внедрение вычислительной техники и систем автоматизации во все отрасли жизни, в некоторых критических приложениях роль человека-оператора остаётся доминирующей. К таким приложениям относится обеспечение безопасности перевозок на железнодорожном транспорте, в частности, неразрушающий контроль колесных пар подвижного состава.

Надежность и безопасность эксплуатации железнодорожного подвижного состава гарантируются испытаниями колес или колесных пар, как при их изготовлении, так и в эксплуатации, где эти испытания проводятся через установленные промежутки времени. Колесные пары подвижного состава, состоящие из осей с цельнокатаными или бандажными колесами, а также навесных деталей, подвергаются техническим осмотрам, в процессе которых в них выявляют дефекты материала и механические повреждения.

При стандартном подходе к решению задачи детектирования дефектов колесных пар возникает необходимость создания особого пункта технического контроля, где на специальном оборудовании происходят операции по выявлению неисправностей колес или колесных пар. Данные методы обладают значительными достоинствами (низкими затратами времени, автоматической подачей колесных пар, удобством технического обслуживания, диагностики и ремонта благодаря системе функционального контроля и т.д.), однако такое обслуживание связано с пребыванием исследуемых колес в нерабочем состоянии.

В дополнение к существующим методам дефектоскопии на железнодорожном транспорте предлагается рассмотреть создание пункта оперативного контроля технического состояния колесных пар, находящегося непосредственно вблизи железнодорожного полотна и осуществляющего контроль колес состава при прохождении его мимо пункта. Основой для определения дефектов служит обнаружение события прохождения подвижного состава по полотну при помощи оптических датчиков перемещения, а также акустический метод, позволяющий осуществлять анализ шумов, источником которых является каждая колесная пара в отдельности. Схема предлагаемого пункта контроля представлена на рисунке 1.


Рисунок 1. Схема пункта контроля колесных пар

Как видно из рисунка, участок дефектоскопии представляет собой отрезок железнодорожного полотна, рядом с которым на безопасном расстоянии в линию расположены восемь датчиков:

  • два оптических датчика перемещения RF603 по краям (лазерный датчик перемещения RF603, в основу работы которого положен принцип оптической триангуляции, используется для измерения расстояния или перемещения бесконтактным методом);
  • шесть микрофонов ВС 501 в центре (микрофон ВС 501 (ICP) — преобразователь звукового давления в электрический сигнал с выходом стандарта ICP (IEPE)).

Датчики подключены к анализатору спектра ZET017-U8, находящемуся в помещении, являющемся диспетчерским пунктом для данной системы, где также располагается персональный компьютер. Многофункциональный анализатор спектра ZET017-U8 в создаваемой системе предназначен для измерения параметров спектральных составляющих сигналов. Подключение анализатора к персональному компьютеру осуществляется по шине USB 2.0 или интерфейсу промышленный Ethernet. Встроенный усилитель для датчиков со встроенной электроникой позволяет подключать микрофоны стандарта ICP (IEPE) без использования промежуточных усилителей, что очень важно, поскольку используемые в системе микрофоны имеют именно такой тип подключения. Анализатор спектра является измерительным средством с достаточно широким, для данной задачи, частотным диапазоном и прочими характеристиками для измерения акустических параметров колесных пар в движении.

Определившись со структурой и составом аппаратной части пункта дефектоскопии колесных пар, необходимо обрисовать алгоритм функционирования системы, призванной решать серьезные задачи в области технического контроля, а, следовательно, и безопасности. Схема применяемого алгоритма достаточно универсальна и представлена на рисунке 2.


Рисунок 2. Схема универсальной измерительной системы

Построение систем, обладающих функциональностью анализа и контроля, всегда базируется на объекте осуществления контроля. Для сбора информации с объекта используются различные датчики — первичные преобразователи, которые воспринимают воздействие на него и в качестве выходного значения имеют изменение электрического потенциала (или тока), степень и скорость изменения которого пропорциональна воздействию на датчик. В рассматриваемой системе в качестве таких преобразователей используются лазерные датчики перемещения и микрофоны. Электрический потенциал с датчиков поступает на модуль сбора данных, созданный на основе аналого-цифрового преобразования. Это звено является промежуточным между датчиком и контроллером, выполняющим математическую обработку информации и выработку управляющего воздействия. В свою очередь, модуль сбора данных представляет собой непростое устройство, состоящее из нескольких звеньев: кодека, выполняющего предварительную обработку сигнала и аналого-цифрового преобразователя. Данные в цифровом виде передаются в цифровой сигнальный процессор и в линию связи для последующей математической обработки. Прохождение сигналов и координация работы модуля сбора данных обеспечивается встроенным микроконтроллером. Сигналы от датчика, но уже в цифровом виде, поступают в линию передачи данных. Линия передачи данных может быть как проводной, так и беспроводной. Вся последующая математическая обработка сигналов производится на микроконтроллере или обычном персональном компьютере. Именно тут происходит программная реализация алгоритма контроля и вывод информации о результатах, на основе которой осуществляются последующие действия по принятию решений.

Следуя описанному алгоритму функционирования пункта дефектоскопии колесных пар, следует заметить, что одной из основных его частей является программная часть, которая в данном случае представляет собой универсальную измерительную лабораторию, состоящую из множества виртуальных приборов и называемую ZETLАВ. Программный комплекс ZETLАВ обладает возможностью визуализации, спектрального анализа, измерения электрических параметров, генерации, записи и воспроизведения сигналов, поступающих на входные каналы анализаторов спектра ZET017-U8. При использовании столь широкой функциональности и возможностей измерительного прибора, формируется измерительная и анализирующая части системы дефектоскопии.

Суть работы по выявлению дефектов колесных пар при помощи виртуальных приборов ZETLAB сводится к тому, чтобы по лазерным датчикам перемещения определить время прохождения подвижного состава мимо цепочки датчиков, синхронизировать систему и по сигналам с микрофонов выявить шумы и стуки колес, задокументировав полученные результаты в виде отчетов.

В рабочем состоянии диспетчерский пункт фиксирует прохождение каждого состава по железнодорожному полотну, на котором функционирует представленная система контроля. Одним из подтверждений факта прохождения поезда по рельсам является запись сигналов системы, исходный вид которых представлен на рисунке 3.


Рисунок 3. Исходный сигнал с датчиков, входящих в систему дефектоскопии колесных пар

Последующая цифровая обработка полученных сигналов выполняется в несколько этапов:

  • обработка сигналов с оптических датчиков перемещения;
  • синхронизация сигналов микрофонов по сигналам с датчиков перемещения;
  • усреднение и разбиение акустического сигнала по анализируемым участкам, соответствующим каждой колесной паре состава;
  • спектральный и корреляционный анализ сигналов;
  • специальные дополнительные виды анализа сигналов, например, порядковый анализ методом синхронного накопления.

Последовательное и правильное проведение всех этапов обработки сигналов гарантирует получение в конечном итоге логичного и взвешенного решения о состоянии конкретной колесной пары состава с точки зрения присутствия в ней подозрительных шумов, что может быть свидетельством того, что колесная пара неисправна.

При обработке исходного сигнала, представленного на рисунке 3, система выполняет заявленную последовательность действий, получая на промежуточном этапе усредненный и разбитый по колесным парам акустический сигнал, показанный на рисунке 4. Из рисунка видно, что дефекты возможны у колесной пары четвертого вагона, поэтому проводится спектральный анализ. Спектрограмма, представленная на рисунке 5, отражает наличие шума в широкой полосе частот, что соответствует ударному воздействию, то есть третья колесная пара четвертого вагона прошедшего поезда имеет подозрение на наличие дефекта, из-за которого возникают удары, обнаруженные оборудованием пункта контроля.


Рисунок 4. Промежуточный этап обработки данных после усреднения и разбиения акустического сигнала на участки


Рисунок 5. Спектрограмма сигнала с колесной пары четвертого вагона.

Пункт оперативного контроля технического состояния колесных пар (ОКТСКП) является законченным функционирующим оборудованием, которое располагается на различных объектах, как представлено на рисунке 6.


Рисунок 6. Пункт ОКТСКП

Одним из основных преимуществ системы ОКТСКП является возможность оперативного обнаружения дефектов при нормальном функционировании объекта исследования, а именно самой колесной пары. При накоплении информации в течении долгого времени, можно делать выводы об изменении состояния колес с течением времени, поскольку все исходные данные анализа сохраняются на компьютере.

Общий подход к построению пункта проведения дефектоскопии на железнодорожном транспорте, делает полученную систему достаточно универсальной, а, следовательно, и наращиваемой, то есть расширяемой в зависимости от нужд отрасли. Таким образом, внедрение цифровой техники и методов цифровой обработки сигналов на транспорте для решения проблем безопасности и технического контроля является перспективной и неотложной задачей.