CC BY
57
УДК 004.5+629.423.3
Совершенствование контроля узлов механической части электрического подвижного состава применением интеллектуальной системы тепловизионного контроля
А. Е. Цаплин, В. А. Васильев, С. А. Фомин
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9
Для цитирования: Цаплин А. Е, Васильев В. А., Фомин С. А. Совершенствование контроля узлов механической части электрического подвижного состава применением интеллектуальной системы тепловизионного контроля // Известия Петербургского университета путей сообщения. - СПб.: ПГУПС, 2019. - Т. 16, вып. 2. - С. 268-274. DOI: 10.20295/1815-588X-2019-2-268-274
Аннотация
Цель: Совершенствование контроля узлов механической части электрического подвижного состава благодаря внедрению современных технических средств на основе методик тепловизионного контроля. Применение тепловизоров при контроле узлов механической части электрического подвижного состава позволит значительно повысить безопасность движения, что является актуальной задачей. Методы: Использована неохлаждаемая микроболометрическая матрица при создании корпуса с применением 3D-печати с программным обеспечением среды визуального программирования LabView. Результаты: Разработана интеллектуальная система тепловизионного контроля. Аппаратная часть системы выполнена с применением технологии 3D-печати, программная часть, благодаря наличию модуля Vision, дает возможность реализовать распознавание образов, что полностью автоматизирует процесс контроля различных узлов механической части электрического подвижного состава. В разработанном макете используется программное обеспечение в среде LabView, которое разделено на 3 части в рамках одного проекта: код для программируемой логической интегральной схемы (LabView FPGA), код для системы реального времени (LabView Real-Time) и код операционной системы Windows. Практическая значимость: Интеллектуальная система тепловизионного контроля позволяет бесконтактно определять тепловое состояние узлов механической части электрического подвижного состава с возможностью прогнозирования остаточного ресурса оборудования в режиме реального времени.
Ключевые слова: Тепловизионный контроль, механическая часть, подвижной состав, интеллектуальная система, неразрушающий контроль.
Введение
Успехи, достигнутые за последние 25 лет в освоении инфракрасного диапазона электромагнитного спектра, привели к созданию разнообразной информационной аппаратуры, в частности, тепловизоров - устройств, предназначенных для наблюдения объектов по их собственному инфракрасному излучению.
Предшественники тепловизоров - теплогенераторы - были способны только обнаруживать теплоизлучающие объекты и определять на них направление. По мере развития теплопе-ленгенераторов появилась возможность использовать их не только для указанных целей, но и для визуального наблюдения распределения температуры теплоизлучающих объектов и их опознания. Так совершился логический
переход от теплогенераторов к тепловизорам. Возможность тепловизоров дистанционно оценивать температурные поля в реальном масштабе времени и без каких-либо нарушений тепловой среды, неизбежных при применении контактных датчиков температуры, вызвала широкое внедрение тепловизоров в различные области промышленного производства и научные исследования [1-3].
Физические основы тепловизионного контроля
Все тела, температура которых отличается от абсолютного нуля, являются источниками инфракрасного излучения. Характер излучения зависит от агрегатного состояния вещества.
Инфракрасное излучение - часть оптического излучения и занимает в спектре электромагнитных волн диапазон, характеризуемый длинами волн от 0,76 до 1000 мкм, - весьма протяженную спектральную область, примыкая с одной стороны к видимому излучению, а с другой - к электромагнитным колебаниям радиодиапазона. Инфракрасную область спектра принято делить на четыре части: ближнюю (1 = 0,76-3 мкм), среднюю (1 = 3-6 мкм), дальнюю (1 = 6-15 мкм) и очень далекую (1 = 15-1000 мкм).
Инфракрасное излучение так же, как и видимый свет, распространяется в однородной среде по прямой линии, подчиняется закону обратных квадратов, способно отражаться, преломляться, претерпевать дифракцию, интерференцию и поляризацию. Скорость распространения инфракрасных лучей равна скорости света.
В отличие от изображений в видимой и ближней инфракрасных областях спектра, полученных за счет отраженного излучения объекта и различий в отражательной способности его элементов и отражающего фона, тепловые (инфракрасные) изображения создаются за счет собственного теплового излучения объекта и обусловливаются различиями в температуре и излучательной способности
его элементов и окружающего фона. Изменения температуры поверхности излучения объекта в определенной мере соответствуют деталям визуально наблюдаемой картины, по этой причине создаваемые тепловизором изображения в основном отвечают представлениям о форме и размерах рассматриваемых объектов.
В настоящее время широкое распространение получили полупроводниковые болометры. Полупроводниковый болометр - это прибор, предназначенный для индикации и измерения теплового излучения (оптического или инфракрасного диапазона частот электромагнитного излучения).
Для характеристики болометров используют следующие параметры:
1) сопротивление активного термистора болометра при комнатной температуре;
2) рабочее напряжение;
3) чувствительность при определенной частоте модуляции лучистого потока, равная отношению полезного сигнала, снимаемого с болометра на вход усилителя, к мощности излучения, падающего на болометр;
4) порог чувствительности, численно равный мощности излучения, которая вызывает сигнал, эквивалентный уровню собственных шумов болометра, т. е. порог чувствительности зависит от минимальной мощности излучения, которую при данных условиях способен зарегистрировать болометр;
5) постоянная времени, характеризующая тепловую инерционность активного терми-стора;
6) уровень собственных шумов.
После создания первых тепловизоров длительное время считалось достаточным качественное наблюдение теплоизлучающих объектов. Затем появилась необходимость количественного измерения температуры объектов по получаемым термограммам. В настоящее время применение тепловизоров для дистанционного измерения температурных полей является одним из важных приложений тепловидения, используемых при неразрушающем контроле различных объектов [4-8].
Создание интеллектуальной системы тепловизионного контроля
Механические узлы технических средств электрического подвижного состава в процессе эксплуатации подвержены физическому износу, что приводит к дополнительным затратам на эксплуатацию и ремонт подвижного состава. При этом важное значение для безопасности движения имеет осуществление качественной и своевременной дефектоскопии узлов и деталей механической части подвижного состава.
Использование тепловизоров при контроле узлов механической части электрического подвижного состава позволит значительно повысить безопасность движения, что является актуальной задачей [9-13].
На кафедре «Электрическая тяга» ПГУПС совместно с американской компанией «National Instruments» разработан макет интеллектуальной системы тепловизионного контроля узлов механической части электрического подвижного состава.
Основным ее компонентом стала программируемая инфракрасная камера на базе встраиваемой системы sbRIO-9651 (SOM) [14].
Данная система (рис. 1) идеально подходит для работы с цифровыми сигналами, обладает малыми размерами и большой вычислительной мощностью. Она имеет программируе-
мую логическую интегральную схему Xilinx Zynq-7000, 2-ядерный процессор ARM Cortex-A9 667 MHz, 512 MB памяти DDR3 и 512 MB SLC NAND Flash. Для программирования SOM не нужно применять программаторов, а также на ней уже реализованы все популярные интерфейсы (Ethernet, USB и т. д.).
Важнейшим компонентом любой цифровой камеры является ее матрица. В настоящее время имеются два типа матриц для камер, работающих в дальнем инфракрасном диапазоне (8-14 мкм) - охлаждаемые и неохлаждаемые. Использование охлаждаемых матриц оправдано в системах, где необходимы высокие разрешающая способность и чувствительность, однако их стоимость высокая и они нуждаются в системах охлаждения на жидком азоте.
В свою очередь, неохлаждаемые микроболометрические матрицы, хотя и обладают более низким разрешением и чувствительностью 50 мК против 20 мК у охлаждаемых, но они дешевле и просты в эксплуатации, поэтому для создания программируемой инфракрасной камеры использована именно такая матрица (рис. 2).
В разработанном макете применяется программное обеспечение в среде LabView, которое разделено на 3 части в рамках одного проекта: код для программируемой логической интегральной схемы (LabView FPGA), код для си-
XÜinx Zyng-7000
2-Core A RM Cortex-А 9 667 MHz
FPGA Artix-7
160 D/O
Support Flash card
H5 о
iTL'OWiSlitH
UART, 2 Ethernet,
2 USB Host/Device, 2 CAN
! - ' * L
: M Ч < te ■
Я
h
512 Ш, DDR3
•¿SL
'■ WlV
Ji рЙН :
«: ï^'ij i 1 ' [30.! J 1
о
о
о,
512MB, SLC NAtin Flash
Рис. 1. Встраиваемая система sbRIO-9651 (SOM)
Рис. 2. Микроболометрическая матрица UL-03362-040 (АЦП - аналогово-цифровой преобразователь, $Р! - последовательный периферийный интерфейс)
стемы реального времени (LabView Real-Time) и код операционной системы Windows [15, 16].
Благодаря наличию в LabView модуля Vision FPGA, можно получать изображение и работать с ним на программируемой логической интегральной схеме, что значительно увеличивает производительность и разгружает процессор, позволяя полностью отказаться от обработки изображения на Real-Time. При этом код выполняет лишь стриминг изображения на персональный компьютер, где производится его визуализация.
Аппаратная часть системы создана с применением технологии ЭБ-печати, программная часть, благодаря наличию модуля Vision, дает возможность реализовать распознавание образов, что полностью автоматизирует процесс контроля различных узлов механической части электрического подвижного состава.
Заключение
Разработанное программное обеспечение позволяет бесконтактно определять тепловое
состояние узлов механической части электрического подвижного состава с возможностью прогнозирования остаточного ресурса оборудования в режиме реального времени.
Библиографический список
1. Зеленченко А. П. Диагностические комплексы электрического подвижного состава : учеб. пособие / А. П. Зеленченко, Д. В. Федоров. - М. : Учеб.-метод. центр по образованию на ж.-д. транспорте, 2014. - 112 с.
2. Зеленченко А. П. Техническая диагностика электрического подвижного состава : учеб. пособие / А. П. Зеленченко, И. А. Ролле, А. Е. Цаплин. -СПб. : ПГУПС, 2016. - 68 с.
3. Зеленченко А. П. Надежность электроподвижного состава : учеб. пособие / А. П. Зеленченко, И. А. Ролле, А. Е. Цаплин. - СПб. : ПГУПС, 2014. -36 с.
4. Афонин А. В. Инфракрасная термография в энергетике : в 2 т. Т. 1. Основы инфракрасной термографии / А. В. Афонин, Р. К. Ньюпорт, В. С. Поляков
и др. ; под ред. Р. К. Ньюпорта, А. И. Таджибаева. -СПб. : Изд-во ПЭИПК, 2000. - 240 с.
5. Ллойд Дж. Системы тепловидения / Дж. Ллойд ; пер. с англ. Н. В. Васильченко ; под ред. А. И. Горячева. - М. : Мир, 1978. - 414 с.
6. Бажанов С. А. Тепловизионный контроль электрооборудования в эксплуатации / С. А. Бажанов. -М. : НТФ «Энергопрогресс», 2005. - Вып. 5 (77), ч. 1. - 80 с.
7. Бажанов С. А. Тепловизионный контроль электрооборудования в эксплуатации / С. А. Бажанов. -М. : НТФ «Энергопрогресс», 2005. - Вып. 6 (78), ч. 2. - 64 с.
8. Госсорг Ж. Инфракрасная термография. Основы, техника, применение / Ж. Госсорг ; пер. с фр. Н. В. Васильченко ; под ред. Л. Н. Курбатова. - М. : Мир, 1988. - 399 с.
9. Козлов Е. Е. Рекомендации по тепловизион-ному контролю / Е. Е. Козлов // Электрооборудование : эксплуатация и ремонт. - 2015. - № 5-6. -С. 12-18.
10. Нестерин В. А. Применение методов тепло-визионного обследования при профилактическом контроле электрооборудования / В. А. Нестерин, В. С. Генин, А. М. Акимов, Д. Н. Афанасьев // Труды Академии электротехнич. наук Чувашской Республики. - 2001. - № 1. - С. 18-23.
11. Основные положения методики инфракрасной диагностики электрооборудования и ВЛ. РД 153-34.0-20.363. - М. : Департамент стратегии раз-
вития и научно-технической политики РАО ЕЭС России, 1999. - 78 с.
12. Хренников А. Ю. Тепловизионный контроль электротехнического оборудования и опыт диагностики силовых трансформаторов / А. Ю. Хренников, А. В. Рубцов, В. В. Щербаков, С. А. Языков // Электрические станции. - 2006. - № 5. -С. 63-67.
13. Володин А. И. Тепловизионный контроль технического состояния узлов подвижного состава / А. И. Володин, О. В. Балагин, В. К. Фоменко // Наука и техника транспорта. - 2009. - № 1. - С. 73-77.
14. NI sbRIO-9651. System on Module. Carrier Board Design Guide. - National Instruments Corporation. 2017. - 76 p.
15. LabView user manual. - National Instruments Corporation. 2003. - 456 p.
16. LabView measurements manual. - National Instruments Corporation. 2003. - 256 p.
Дата поступления: 12.04.2019 Решение о публикации: 24.04.2019
Контактная информация:
ЦАПЛИН Алексей Евгеньевич - канд. техн. наук, доцент, [email protected] ВАСИЛЬЕВ Виталий Алексеевич - канд. техн. наук, доцент, [email protected] ФОМИН Сергей Анатольевич - аспирант, [email protected]
Improving the monitoring of mechanical elements of electric rolling stock by application of the intelligent thermal imaging system
A. E. Tsaplin, V. A. Vasiliev, S. A. Fomin
Emperor Alexander I Petersburg State Transport University, 9, Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190031, Russian Federation
For citation: Tsaplin A. E., Vasiliev V.A., Fomin S.A. Improving the monitoring of mechanical elements of electric rolling stock by application of the intelligent thermal imaging system. Proceedings of Petersburg Transport University, 2019, vol. 16, iss. 2, pp. 268-274. (In Russian) DOI: 10.20295/1815-588X-2019-2-268-274
Summary
Objective: Improving the control of mechanical elements of electric rolling stock through the introduction of modern technical means based on thermal imaging techniques. The use of thermal imagers in the monitoring of mechanical elements of electric rolling stock will significantly improve traffic safety,
which is a relevant objective. Methods: An uncooled microbolometric matrix was used when creating a case using 3D printing with LabView visual programming software. Results: An intelligent system for thermal imaging was developed. The hardware part of the system is made using 3D printing, the software part, due to the Vision module, makes it possible to implement pattern recognition, which fully automates the monitoring of various mechanical elements of electric rolling stock. The developed layout uses LabView software, which is divided into 3 parts within one project: code for a programmable logic integrated circuit (LabView FPGA), code for a real-time monitoring system (LabView Real-Time), and Windows code. Practical importance: Intelligent thermal imaging system provides for contactless determination of the thermal condition of mechanical elements of electric rolling stock with the ability to predict the residual life of the equipment in real time.
Keywords: Thermal imaging, mechanical part, rolling stock, intelligent system, non-destructive inspection.
References
1. Zelenchenko A. P. & Fedorov D. V. Diagnostiches-kiye kompleksy elektricheskogo podvizhnogo sostava. Ucheb. posobiye [Diagnostic complexes of electric rolling stock. Training manual]. Moscow, Uchebno-metodicheskiy tzentr po obrazovaniyu na zheleznodo-rozhnom transporte [Training and Methodical Center for Education in Railway Transport] Publ., 2014, 112 p. (In Russian)
2. Zelenchenko A. P., Rolle I.A. & Tsaplin A. E. Tekh-nicheskaya diagnostika elektricheskogo podvizhnogo sostava. Uchebn. posobiye [Technical diagnostics of electric rolling stock. Training manual]. Saint Petersburg, PGUPS Publ., 2016, 68 p. (In Russian)
3. Zelenchenko A. P., Rolle I.A. & Tsaplin A. E. Na-dezhnost' elektropodvizhnogo sostava. Uchebn. posobiye [Reliability of electric rolling stock. Training manual]. Saint Petersburg, PGUPS Publ., 2014, 36 p. (In Russian)
4. Afonin A. V., Newport R. K., Polyakov V. S. et al.
Infrakrasnaya termografiya v energetike. V 2 t. T. 1. Os-novy infrakrasnoy termografii [Infrared thermography in the energy sector. In 2 vol. Vol. 1. Basics of infrared thermography]. Eds by R. K. Newport, A. I. Tadzhibayev. Saint Petersburg, PEIPK Publ., 2000, 240 p. (In Russian)
5. Lloyd J. Sistemy teplovideniya [Thermal imaging systems]. Translated from English by N. V. Vasil'chenko, ed. by A. I. Goryachev. Moscow, Mir Publ., 1978, 414 p. (In Russian)
6. Bazhanov S. A. Teplovizionnyj kontrol' elek-trooborudovaniya v ekspluatacii [Thermovision control of electrical equipment in operation]. Moscow,
Energyprogress Publ., 2005, iss. 5(77), ch. 1, 80 p. (In Russian)
7. Bazhanov S. A. Teplovizionnyj kontrol' elek-trooborudovaniya v ekspluatacii [Thermovision control of electrical equipment in operation]. Moscow, Energyprogress Publ., 2005, iss. 6(78), ch. 2, 64 p. (In Russian)
8. Gaussorgues G. La thermographie infrarouge. Principes, technologies, applications [Infrared thermography. The basics, methods, application]. Translated from French by N. V. Vasil'chenko, ed. by L. N. Kurbatova. Moscow, Mir Publ., 1988, 399 p. (In Russian)
9. Kozlov E. E. Rekomendatsii po teplovizionnomu kontrolyu [Recommendations for thermal imaging]. Elektrooborudovaniye: ekspluatatsiya i remont [Electrical equipment: operation and repair], 2015, no. 5-6, pp. 12-18. (In Russian)
10. Nesterin V. A., Genin V. S., Akimov A. M. & Afanas'yev D. N. Primeneniye metodov teplovizion-nogo obsledovaniya pri profilakticheskom kontrole elektrooborudovaniya [Application of thermal imaging methods for preventive control of electrical equipment]. Proceedings of the Academy of Electrical Sciences of the Chuvash Republic, 2001, no. 1, pp. 18-23. (In Russian)
11. Osnovnye polozenia metodiki infrakrasnoy diagnostiki electrooborydovania i VL. RD 153-34.020.363 [Mainprovisions of the method for infrared inspection of electrical equipment and overhead lines. RD 153-34.0-20.363]. Moscow, The Department of Development Strategy and the Science and Technology Policy of RAO UES of Russia Publ., 1999, 78 p. (In Russian)
12. Khrennikov A. Yu., Rubtsov A. V., Shcherba-kov V. V. & Yazykov S. A. Teplovizionnyy kontrol' elektrotekhnicheskogo oborudovaniya i opyt diagnos-tiki silovykh transformatorov [Thermovision control of electrical equipment and experience in diagnosing power transformers]. Electrical stations, 2006, no. 5, pp. 63-67. (In Russian)
13. Volodin A. I., Balagin O. V. & Fomenko V. K. Teplovizionnyy kontrol' tekhnicheskogo sostoyaniya uzlov podvizhnogo sostava [Thermovision control of the technical condition of rolling stock units]. Nauka i tehnika transporta [Science and Technology in Transport], 2009, no. 1, pp. 73-77. (In Russian)
14. NI sbRIO-9651. System on Module. Carrier Board Design Guide. National Instruments Corporation, 2017, 76 p.
15. LabView user manual. National Instruments Corporation, 2003, 456 p.
16. LabView measurements manual. National Instruments Corporation, 2003, 256 p.
Received: April 12, 2019 Accepted: April 24, 2019
Author's information:
Aleksey E. TSAPLIN - PhD in Engineering,
Associate Professor, [email protected]
Vitaly A. VASILIEV - PhD in Engineering,
Associate Professor, [email protected]
Sergey A. FOMIN - Postgraduate Student,
