Design of Air Source System for Online Detection Equipment of Urban Rail Vehicle
朱俊霖张哲李洪匡俊儒（南京理工大学自动化学院，江苏南京210094）
宫伟（南京地铁运营有限责任公司，江苏南京211135）
摘要：针对城轨车辆在线检测设备玻璃检测窗缺乏无损清洁的问题，介绍了一种城轨车辆在线检测设备空气清扫风源
系统。首先描述了系统硬件结构方案，给出了系统的硬件选型设计和工作原理；然后阐述了软件功能，给出了PLC软件和上位机软件流程；最后进行试验与分析，结果表明所提出的风源系统的风压与风速指标，均能够满足地铁在线检测设备玻璃检测窗空气清扫的要求。
关键词：城轨车辆；在线检测；清扫；气源
Abstract:Aiming at the problem of lack of non-destructive sweeping of the online detection equipment of urban rail ve- hicle,an air source based sweeping system for urban rail vehicle onlinenspection equipments developed in this paper. Firstly,the hardware structure is constructed,and the hardware sel
ection,design and working principle of the system are intro-duced.Then the software functions are described,and the PLC software and the upper computer software process are given. Finally,through tests and analysis,the results show that the proposed air source-based sweeping system's wind pressure and wind speed meet air-cleaning requirements for urban rail vehicle online inspection equipment.
Keywords:urban rail vehicle,online inspection,sweeping,air source
截止到2020年12月31日，全国共有45个城市开通城市轨道交通运营线路长度7978.19公里，轨道交通已经成为众多城市公交岀行的首选交通方式咱1」。车辆是城市轨道交通岀行的主要载体，随着运行速度的不断提升以及客流量的不断增加，运营部门对车辆运行的安全性也提岀了更高的要求。城轨车辆在线检测设备能够对运行中车辆关键部件实施在线检测，对异常状态进行诊断与报警，近年来得到了越来越多的关注吟4暂。
城轨车辆在线检测设备广泛采用了红外温度传感器、工业相机、激光测距传感器等器件，安装在地下隧道内，且一般采用向上或斜上的角度对车辆进行非接触式数据采集，而车辆运行时引起的活塞风会将隧道内浮尘吹起，并落在传感器表面，造成传感器精度下降甚至失效。 传统的开关门防护以及毛刷清扫装置存在故障率高、镜头刮花等缺陷，而高效的空气清扫方式却因为
隧道内缺乏压缩空气而无法实施。文献［5］探讨了轻量化风源系统发展方向，对关键部件进行了减重设计，适用于客运机车领域；文献［6暂研究了一种冷轧机空气吹扫系统，解决了乳化液斑迹缺陷，其风源来自于自备压缩气站；文献［7］设计了一种风压测量防堵装置，对大流量吹扫场景具有应用价值。尽管众多学者对空气清扫进行了众多研究，但不需要压缩空气源且满足地铁设备安全限界要求的风源系统，一直未能得到较好的解决。因此研究能够满足城轨车辆在线检测设备所需要的清洁空气源，实现对在线检测设备测量窗口的清扫，对确保检测传感器精度、保障车辆安全运行，具有重要意义。
1硬件设计
城轨车辆在线检测设备空气清扫风源系统在硬件上采用了高压直流离心风机作为风源部件，采用PLC可编程逻辑控制器作为调速部件，设计了PLC与调速控制器的电路接口，采用标准ZL-80X型防水防尘单元实现了整体IP防护 1.1高压直流离心风机
吹扫用途压缩空气系统最常用的气源部件为往复活塞式压缩机，但需要配套储气罐并在岀口处设置传感器方可实现压力等控制叫由于隧道内限界及运营安全需要，传统容积式压缩机气源装置不能在隧道内安装，因此本文借鉴动力式压缩机思路回，采用小型高压直流离心风机作为本系统的气源部件。
系统选用宁波东莱机电有
限公司生产高压直流离心风
机，其具有噪音低、体积小、转
速高和风压高等优点，广泛应
用在扬尘监测仪、颗粒物采样
仪、吸尘器等领域。综合考虑风
机寿命与调速控制等因素，最
终选型WS9250-24-240-
X200风机，其具体技术参数如
表1所示。
表1WS9250直流风机产品信息
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WS9250直流风机采用了NMB滚珠轴承，延长使用寿命并降低工作造影体积小、重量轻且风量大尤其
适合于安装在隧道限界要求严格的设备内使用。针对WS9250直流风机，选用的配套控制器型号为WS2408DY01，支持电阻/电压/PWM调速。
图1给岀了所选型的WS9250直流风机与配套WS2408DY01控制器的实物图。
1.2PLC可编程逻辑控制器
采用PLC对风机控制器进行调速控制与转速测量，同时完成与上位机交互。由于系统所需I/O点数较少，因此采用西门子S7-200SMART ST20型号的PLC［10］。
西门子ST20PLC自带了PWM脉冲输岀功能，可以直接
国家重点研发计划（2017YFB1201201）及南京理工大学大学生课外学术科研基金资助
图1直流风机与控制器实物图
用于直流风机调速控制，但由于PLC输岀的为24V脉冲，而控制器输入为5V，因此本系统采用光耦设计了5V-24V的电平转换电路［11］遥
西门子ST20PLC具有高速输入端口，可以满足风机控制器50KHz的转速脉冲的高速计数功能，并可通过定时采集模块，实现电机转速实时计算。
为便于上位机软件控制，上位机与PLC之间采用网络通信。PLC标配的PROFINET接口支持多种通信协议，能够满足系统上位机与PLC的通信需求。
图2给岀了所选型的PLC及所设计的电平转换电路板图。
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图2PLC与电平转换板图
1.3防尘防水单元
风源系统工作典型环境为地铁隧道内，而隧道内的粉尘会因活塞风而周期性漫布在整个隧道空间内，会被风机吸入而影响风机寿命；另外地铁公司每3~6个月对地铁隧道进行冲洗凹，无法避免会有水泼溅到设备本体上，因此需要进行防尘防水设计。
系统选用标准ZL-80X系列的通风过滤组件，具体型号为上海凯天公司的ZL-802通风过滤网，如图3所示，其防尘防水等级为IP44，可方便地通过更换过滤棉将系统升级为IP54防护等级，并可进一步在风机进风口加装二级过滤装置，从而将风源系统防护等级升级为IP55遥1.4箱体单元
系统选型的风机、控制器、电平转换板、防尘防水单元等均需要设计箱体，集成为一体化方能完成现场安装遥
根据隧道内环境需求，以及所选择的风机等部件尺寸，箱体高度和宽度均确定为150mm，长度为420mm，如图4所示。箱体与外部需要进行接口，其风口为焊接在箱壁上的风管，直径为M20，电口采用航插方式，采用不低于五芯的航插插座遥
图4箱体单元图
2软件设计
系统软件主要包括PLC控制软件和上位机软件，其中PLC 控制软件实现风机调速，上位机软件实现PLC配置、转速指令发送、自动/手动切换、风机启动/停止控制、系统工作装人机界面显示、定时设定等功能。
2.1PLC软件
PLC通过网络与上位机通讯，接收上位机发送的报文并进行解析，然后根据报文指令实现风机调速，并将转速脉冲信号定时采集后转变为转速，发送给上位机。PLC软件流程及工作原理如图5所示。
图5PLC软件流程与工作原理
通讯方式：采用PLC自带的开放式用户通信指令，将PLC 作为客户端，上位机作为服务器；与上位机进行基于TCP/IP协议的连接，实现双向通讯，其中上位机IP地址为192.168.0.20 (可设置修改)，端口为8000，如果连接成功则置位M0.0遥报文接收：将上位机发送的报文的2个字节ASCII码保存在以VB0为首地址的寄存器中，报文格式如下：
开机EA，关机EB
自动选档：档位1(20%)：AB
档位2(40%)：AC
刘西文
档位3(60%)：AD
档位4(80%)：AE
手动调试:BX：X为ASCII码值为27-126的字符。
报文解析：将VW0中存放的报文传递给MW10，如果传递成功并且报文符合规范则触发报文解析子程序，将报文解析成相应的脉冲频率，如果是开机指令则置位M30.0让PLC输岀默
认频率（20Hz，周期为0.5s）的PWM波，如果是关机指令则让频率为0实现关机动作并且复位M30.0，如果在调速范围内则解析成相对应的频率保存在MW14中，如图6所示。
图6PLC报文解析程序
PWM输岀：通过M30.0输岀PWM波，其频率为MW14中存储的数值，频率可通过上位机修
改设定。
22上位机软件
上位机软件主要用于控制电
机转速信号，实现风量调节，并同
时获取风机转速信号，实现对风机
运行参数及工作状态监测，软件采
用C++编程。
上位机软件流程如图7所示，
实现的功能如下：
1）设备连接：设置控制风机的
PLC的通讯IP和端口，以便软件
其通过TCP/IP与PLC进行连接。
2）风机工作：发送指令到PLC,
阿片类化合物
风机即可开始工作。
3）无级调速：拖动滑动条，即
可调整风机风量大小，点击“执
行”，风机将以“滑动条百分比x最
大转速”的转速进行速度调整。
4）停止工作：发送固定指令到
PLC，风机停止工作。
5）定时：可以设定风机在何时启动，通过新建定时，可以具体到某年某月某日某时某刻开始运行，某年某月某日某时某刻停止运行。
上位机软件界面如图8所示。3试验与验证
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图7上位机软件流程图
首先对所设计的风源系统进行了调速试验，采用风速计、风压计和噪声计对风源系统进行测试，其中风速计型号为希玛AC816，风压计为鑫思特HT-1890，噪声计为希玛AS-804B。
图8上位机软件界面
将风机转速调到最高，软件显示约为2.4万转，此时测量风机岀风口风速和风压，由于量程限制无法完成风速测量，其风压值为7.7kPa；在岀风口10cm处的风速为38m/s，风压为1.66kPa；在岀风口20cm处的风速为25.4m/s，风压为0.62kPa，噪声为70dB；将噪声计距离岀风口50cm和100cm，其噪声分别为62dB和60dB遥试验记录过程如表2所示。
表2调速试验结果
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然后对所设计的风源系统进行了吹扫试验，将落叶片、细碎泥土、灰尘洒在玻璃表面，然后将风机调速到最大，进行直接吹扫，吹扫结果如图9所示，左图为未进行吹扫的玻璃，右图为吹扫后的玻璃，可见经过吹扫后，质量较轻的落叶片经过吹扫后被完全吹走，质量较轻的灰尘被吹走，基本没有痕迹，质量略大的细碎泥土基本消失，但在玻璃板上能够看到残存的细微痕迹，经分析应该是细碎泥土中含有水分造成极少量泥土粘滞在玻璃表面。
图9吹扫试验结果
通过调速试验可以看岀，所设计的气源装置的风速在岀风口10cm处（该距离远超实际工作时岀风口距离玻璃表面的距离）其风速也高达38m/s，风压超过1kPa，达到台风级别。吹扫试验进一步证明所设计的气源装置能够完成在线设备玻璃检测窗口的灰尘吹扫。
4结束语
风源系统采用高压直流离心风机作为风源组件，采用PLC 实现风机调速控制，采用标准通风过滤组件实现IP54等级的防尘防水，且集成箱体尺寸完全满足地铁隧道限界要求，为隧道内城轨车辆在线检测设备空气清扫提供了一种解决方案。
参考文献
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（下转第63页
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于f raad的，则采用赌法选择个体。
1.2交叉
交叉操作是遗传算法获取新个体的重要手段。本文采用的算法中采取单点交叉的方式对种执行交叉操作。当适应度趋于一致时，应当增加交叉概率P c，避免陷入局部最优；当适应度值比较分散时,P c应该采用较低的值。本文引入自适应交叉算子，使得交叉概率可以根据当前种的平均适应度值和个体的适应度值来决定。交叉算子具体的计算表达式如式(2)所示院
f P=(P c1-P c2)(f'-f avg) P c=f max-f avg
i P c,,f'<f avg f'逸f avg
(2)
式中,f max代表体中最大的适应度值,f avg代表每代体的平均适应度值,f'代表待变异个体的适应度值,P c1代表最大交叉率,P c2代表最小交叉率。
1.3变异
在遗传算法中，变异算子可以协助交叉算子生成新的个体，并且与算法的局部搜索能力密切相关。变异算子与交叉算子的相互配合使用，可以让遗传算法同时具备局部搜索能力和全局搜索能力，并且它们也是保持种个体多样性的重要手段。
因为子种1注重于局部搜索，所以该种的变异操作采用普通变异算子。而子种2注重于全局搜索，这就需要算法能创造新的搜索超平面，跳岀局部极值点，因此采用了一种大变异算子来提高变异概率。大变异算子的变异率定义如式(3)所示院孕(2*P m1f max2-f ave2>f max1-f ave1
皂圆=
〔4*P m1else(3)其中，P m1和P m2是子种1和子种2的变异率,f maxd和f max2分别是子种1和2的最大适应度值,f ag和f a…e2分别是子种1和2的平均适应度值。
1.4移民
因为子种1着重于局部搜索，所以在子种1中通过遗传操作产生的新个体用来淘汰种中的最劣个体。而子种2着重于全局搜索，因此在子种2中通过遗传操作产生的新个体用来淘汰种中与其相似的个体，可以保持种的多样性，从而提高种的全局搜索能力。
2实验分析与结论
本次实验将对改进后的多种遗传算法进行大规模的测试，测试用例一共为150个，分为三组进行，并且先后采用了简单专家系统法(SES冤和基本的遗传算法(SGA)作为对照试验。其结果如表1所示。
表2是分别采用DPGA与SGA得到的平均规划成功率。规划成功率的定义是在某一次的测试中，已经成功完成的任务
表1实验结果
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数量与应该完成的任务数量总和的比值。
表2DPGA与SGA的平均规划成功率
卫；•崔叮氏玫创工劝炬4X-诅叩直址回.曲.1」肚L'lJCiA
biJA•盯.以別.■哄
通过表1中的数据可以得知，综合考虑规划时间与得分，改进的双种遗传算法的平均规划时间最短、总分最高，其性能是最优越的，其次是简单专家系统法，最后才是传统的遗传算法；从表2的实验数据可以得到，改进的双种遗传算法的平均规划成功率是明显高于传统的遗传算法的，改进后的双种遗传算法的规划成功率高达95%以上。综合两个表的数据可以得知，本文采用的双种遗传算法能够有效地解决传统遗传算法收敛速度过慢、极易陷入局部极小值等问题，提高了算法的性能。
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豫公网安备41160202000603
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