吳 凡， 郭前崗， 周西峰

(南京郵電大學(xué) 自動化學(xué)院，江蘇 南京 210023)

基于LabVIEW的多輪對超聲探傷系統(tǒng)設(shè)計

吳 凡， 郭前崗， 周西峰

(南京郵電大學(xué) 自動化學(xué)院，江蘇 南京 210023)

針對目前車輪檢測方法大多以傳統(tǒng)手持式人工探傷儀為主的現(xiàn)狀，本文在國內(nèi)某企業(yè)現(xiàn)役多通道超聲探傷儀硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計了一套多輪對超聲探傷系統(tǒng)。系統(tǒng)基于LabVIEW平臺，可以實現(xiàn)系統(tǒng)自檢、用戶信息管理、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)分析、顯示結(jié)果、數(shù)據(jù)存儲、自動判傷、輸出檢測報告等功能。系統(tǒng)采用可變分辨率的數(shù)據(jù)處理方法，保證了檢測過程的實時性及結(jié)果的準確性。

多輪對；超聲探傷；LabVIEW；實時性

0 引言

車輪是列車的主要受力部件，其幾乎承擔(dān)了列車的全部重量并完成在鋼軌上的轉(zhuǎn)動。車輪的擦傷、剝離、不圓度、非正常磨耗加劇以及輪輞周向裂損故障會直接影響行車安全[1]。目前的探傷手段主要依靠檢測人員的手動探傷[2]，勞動強度大，探傷效率低，而且探傷依賴檢測人員的經(jīng)驗，準確性和可靠性難以保證。因此列車車輪無損檢測受到了高度重視。

目前常用的列車車輪檢測技術(shù)可以分為電渦流探傷(EC)、磁粉探傷(MT)、超聲探傷(Ultrasonic Test，UT)等[3]。超聲探傷具有適用范圍廣、成本較低、靈敏度相對較高、便于缺陷的定位和定量分析等優(yōu)勢，而其中的多探頭多通道組合掃查技術(shù)可以根據(jù)各通道的探頭類型對采集數(shù)據(jù)進行綜合處理來判定車輪內(nèi)部的傷損情況[4]?？捎糜诖笮偷淖詣踊托畔⒒潭容^高的車輪探傷系統(tǒng)。

基于上述背景，本文根據(jù)國內(nèi)某企業(yè)現(xiàn)役多通道超聲探傷儀硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計一套多輪對超聲自動探傷系統(tǒng)。主要介紹了自動探傷系統(tǒng)的總體方案，包括總體架構(gòu)、采集單元、探頭陣列及上位機軟件系統(tǒng)，闡述了重要環(huán)節(jié)的設(shè)計方案，并對所做工作進行總結(jié)。

1 系統(tǒng)總體方案概述

1.1 總體架構(gòu)

多輪對超聲自動探傷系統(tǒng)通過多通道組合的超聲波探頭，分別由上位機控制獨立通道進行超聲激勵和信號采集，最終根據(jù)各通道的探頭類型對采集數(shù)據(jù)進行綜合處理并分析被測車輪的健康狀態(tài)。采集單元以及控制顯示平臺為系統(tǒng)的核心，如圖1所示。每3個采集單元為一組，通過交換機將采集數(shù)據(jù)傳送至無線模塊，再通過無線傳輸方式將數(shù)據(jù)傳送至路由器，并最終送入上位機進行處理并顯示結(jié)果。探傷數(shù)據(jù)通過TCP協(xié)議(傳輸控制協(xié)議)傳輸。而上位機的控制指令通過UDP協(xié)議(用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議)，以相反的傳輸路徑送至各個采集單元，以控制儀器工作。

圖1 總體架構(gòu)圖

圖2 采集單元結(jié)構(gòu)圖

1.2 采集單元

采集單元以UT控制器[5]為核心，將探頭陣列、水路裝置、編碼器以及接口控制器等集成在一起，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。UT控制器通過超聲激勵與采集電路控制探頭，產(chǎn)生激勵并采集超聲波信號，接口控制器控制水路裝置的打開和關(guān)閉以及采集編碼器數(shù)據(jù)，最終所有數(shù)據(jù)通過UT控制器以無線傳輸方式傳送至上位機。

1.3 探頭陣列

探頭陣列由編碼器和多個探頭構(gòu)成。探頭包括2個單晶大角度探頭和6個雙晶直探頭，分別用于檢測踏面及輪緣部分的缺陷和輪輞部分的缺陷。系統(tǒng)根據(jù)多個通道超聲探頭的連續(xù)掃查，可以發(fā)現(xiàn)某一位置的連續(xù)缺陷；根據(jù)不同類型的超聲探頭，可以從多個角度對同一缺陷掃查，獲取該缺陷的大致形狀。根據(jù)多通道多探頭的組合掃查方式，綜合各個探頭的檢測數(shù)據(jù)，可以對缺陷進行一定程度上的定量表示和定性分析。同時探頭陣列中加入編碼器用于測量探頭陣列在檢測過程中的位置。

2 探傷系統(tǒng)軟件設(shè)計

多輪對超聲自動探傷軟件系統(tǒng)是整個探傷檢測系統(tǒng)的核心。系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要完成上位機與采集單元之間數(shù)據(jù)的高速傳輸，采集數(shù)據(jù)的快速處理，處理結(jié)果的實時顯示、過限報警，以及系統(tǒng)自檢、用戶信息管理、檢測過程記錄、數(shù)據(jù)存儲、輸出檢測報告等綜合功能。系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

圖3 工作流程圖

2.1 軟件運行及開發(fā)環(huán)境

軟件采用美國國家儀器有限公司(NI)的LabVIEW軟件作為開發(fā)工具。LabVIEW的應(yīng)用范圍廣泛，支持SQL、Access等數(shù)據(jù)庫編程及多種格式的報表生成；LabVIEW還提供了豐富的數(shù)據(jù)采集、分析及存儲的庫函數(shù)(控件)，其基于圖形化的編程方式使得編程過程簡潔方便。

系統(tǒng)的運行環(huán)境為基于X86的Win7及以上操作系統(tǒng)的控制主機，CPU要求雙核心以上，顯卡要求為獨立顯卡以上。

2.2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

多輪對超聲自動探傷系統(tǒng)主要功能模塊如圖4所示。包括人機交互模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、可視化模塊以及數(shù)據(jù)存儲模塊。

人機交互模塊中用戶信息按普通操作人員及工程師分別設(shè)置相應(yīng)的權(quán)限，根據(jù)用戶名的不同進行區(qū)分，登錄時根據(jù)相應(yīng)權(quán)限進入不同的操作界面。參數(shù)設(shè)置部分采用一鍵設(shè)置功能省去復(fù)雜的配置過程，使操作更加人性化。

數(shù)據(jù)處理模塊包括連接通信、數(shù)據(jù)分析及成像3個部分。系統(tǒng)中上位機與采集單元設(shè)置命令制定了詳細規(guī)范的通信協(xié)議，保證了通信過程的可靠性，所以超聲檢測單元命令設(shè)置的通信協(xié)議的可靠性可以在一定程度上有所降低，故本系統(tǒng)中采用UDP協(xié)議作為超聲檢測單元命令設(shè)置的傳輸層協(xié)議，而探傷數(shù)據(jù)的傳輸通過TCP協(xié)議實現(xiàn)。TCP是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議，其端到端的傳輸方式可以保證通信過程中的數(shù)據(jù)不丟失[6]。建立連接后每個采集單元會以最大1.5 Mb/s的速度將數(shù)據(jù)傳輸至軟件系統(tǒng)中供后期處理。LabVIEW中提供了很多關(guān)于TCP和UDP連接的庫函數(shù)，可以方便地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信。采集與處理分別開辟不同的循環(huán)[7](LabVIEW中多線程體現(xiàn)在多循環(huán))，它們之間通過隊列實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過解析提取出探傷數(shù)據(jù)，以數(shù)組的形式放入隊列，方便成像算法處理。成像部分是整個系統(tǒng)功能的核心部分，分為實時顯示的成像算法以及回放的成像算法，兩種算法具有相似之處，都是根據(jù)每次接收到的探傷數(shù)據(jù)，先判斷探頭類型，對雙晶直探頭和單晶大角度探頭分別選擇相應(yīng)處理方法，接著根據(jù)編碼器信息計算對應(yīng)在車輪上的位置，最后改變相應(yīng)位置的色值形成圖像。

圖4 軟件系統(tǒng)功能框圖

可視化模塊包括過程記錄回放、B掃顯示及檢測數(shù)據(jù)回放。B掃顯示指的是在探傷過程中對數(shù)據(jù)的實時顯示。實時顯示的目的在于：監(jiān)測探傷設(shè)備是否處于正常工作狀態(tài)；初步判斷車輪的傷損情況。由于是簡單初步的診斷，所以采用將采集的數(shù)據(jù)(即聲壓大小)與設(shè)定的閾值相比較的方法，小于閾值(無傷)用灰色表示，大于閾值(有傷)則用紅色表示，從而對傷損情況進行標識。這種方式更加直觀地將有傷的部分與無傷的部分區(qū)分開來。而檢測數(shù)據(jù)的回放則是為了對數(shù)據(jù)進行分析，所以采用灰度函數(shù)，對于每一個聲壓值都有一個相應(yīng)的色值來對應(yīng)，形成圖像。圖像的顏色可以根據(jù)閾值的變化而變化，根據(jù)閾值及相應(yīng)的顏色對傷損情況做出最終判斷。

數(shù)據(jù)存儲模塊包括數(shù)據(jù)存儲及歷史查詢功能。LabVIEW提供了快速測量數(shù)據(jù)的存儲解決方案——TDMS文件，其實質(zhì)為一種二進制數(shù)據(jù)文件存儲類型。TDMS格式的特點是占用磁盤空間小，讀寫速度快，可讀性強，是LabVIEW推出的一種用于數(shù)據(jù)快速存儲的數(shù)據(jù)存儲格式[8]。TDMS的邏輯結(jié)構(gòu)主要分為3層：根目錄、通道組、通道號，其中每一層都可以添加特定的屬性，方便讀取和存儲，有助于數(shù)據(jù)的準確分類和有效檢索。該存儲方案不僅解決了系統(tǒng)實時存儲問題，而且便于歷史數(shù)據(jù)的查詢。存儲過程開始時打開文件直至存儲完成將文件關(guān)閉，避免頻繁打開關(guān)閉文件減緩讀寫速度。數(shù)據(jù)按不同采集單元和不同通道分別存儲，方便后期管理。另外系統(tǒng)還采用Access數(shù)據(jù)庫對重要數(shù)據(jù)進行綜合管理。

3 重要環(huán)節(jié)設(shè)計方案

3.1 數(shù)據(jù)解析環(huán)節(jié)方案設(shè)計

采集單元中的數(shù)據(jù)以一定形式發(fā)給上位機軟件，數(shù)據(jù)解析即是對接收到的數(shù)據(jù)進行解析，轉(zhuǎn)換成成像算法所需的數(shù)據(jù)類型。接收到的數(shù)據(jù)首先要對幀頭進行判斷，數(shù)據(jù)的幀頭為兩個字節(jié)，如果按照每次取兩字節(jié)進行比較，一旦傳輸過程中發(fā)生數(shù)據(jù)丟失造成數(shù)據(jù)錯位，那么之后接收到的數(shù)據(jù)可能將全部是錯誤數(shù)據(jù)。這樣系統(tǒng)的容錯能力將會很低，這是不允許的。因此系統(tǒng)中采用逐個字節(jié)比較的方法，對于幀頭正確的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)體部分一次性全部取出，重排成數(shù)組的形式，放入隊列中；而幀頭錯誤的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)予以丟棄。接收一幀數(shù)據(jù)的解析流程如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)解析流程圖

3.2 成像環(huán)節(jié)方案設(shè)計

前文提到采集單元是以1.5 Mb/s的速度傳輸數(shù)據(jù)的，當(dāng)6臺設(shè)備同時工作時數(shù)據(jù)量是非常大的。LabVIEW中圖像數(shù)據(jù)主要由LabVIEW中的簇結(jié)構(gòu)構(gòu)成[9-10]，其中以像素點的排列順序描述圖像中各像素顏色的字節(jié)數(shù)組是圖像處理的主要內(nèi)容。該數(shù)組是非常大的。每來一次數(shù)據(jù)，系統(tǒng)就要對如此龐大的數(shù)組進行一次修改，工作量非常大。這會對CPU造成很大負擔(dān)，導(dǎo)致整個系統(tǒng)工作效率減慢，無法滿足實時顯示的要求。因此系統(tǒng)在采集分辨率不變的前提下，應(yīng)改變畫圖分辨率進行圖像繪制。首先判斷數(shù)據(jù)是否為有傷的數(shù)據(jù)，對于有傷的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)以高分辨率的方式在圖像上進行標示；對于沒有傷的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)對位置靠近的一組數(shù)據(jù)只取一幀進行畫圖，處理過程中降低分辨率，以較粗的線條將這一組數(shù)據(jù)的位置覆蓋，這樣與每一幀數(shù)據(jù)都進行繪制形成的圖像相比在視覺效果上并無明顯差別，而實際上卻大大提高了CPU的處理速度，并能保證傷損不丟失。同時為避免頻繁刷新占用太多CPU資源，系統(tǒng)采用延遲前面板刷新的方式[11]，以200幀/次的刷新頻率對前面板進行刷新顯示，實際中該頻率并不影響人眼的觀察，并且能使系統(tǒng)達到實時顯示的效果。

4 結(jié)論

本文所介紹的多輪對超聲自動探傷系統(tǒng)可以對一節(jié)車廂3對車輪同時進行檢測，節(jié)省人力，大大提高了檢測車輪的效率。同時基于LabVIEW平臺設(shè)計了一套系統(tǒng)軟件，其優(yōu)點為：(1)設(shè)置不同的操作權(quán)限，防止由于操作人員的誤操作而導(dǎo)致探傷結(jié)果的不準確；(2)采用友好的人機交互界面及一鍵設(shè)置方式，省去了復(fù)雜的參數(shù)配置，操作人員只需簡單培訓(xùn)而無需具備相關(guān)專業(yè)知識即可操作儀器；(3)軟件采用B掃的顯示方式來呈現(xiàn)探傷結(jié)果，更加直觀易懂；(4)軟件采用可變分辨率的方法形成B掃圖像，同時延遲前面板刷新，即使大量探傷數(shù)據(jù)也可完成實時顯示。

軟件功能豐富齊全，除探傷顯示等基礎(chǔ)功能外還包括系統(tǒng)自檢、用戶信息管理、檢測過程記錄、數(shù)據(jù)查看、數(shù)據(jù)存儲以及輸出檢測報告等綜合功能，滿足目前對探傷設(shè)備的功能需求，并具有可擴展性。

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Design of multiple wheel pairs flaw detection system using ultrasonic based on LabVIEW

Wu Fan, Guo Qiangang, Zhou Xifeng

(College of Automation, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210023, China)

In view of the current wheel detection methods which are mostly based on the traditional manual detection device, this paper designs a set of multi wheel ultrasonic flaw detection system based on the hardware structure of a domestic enterprise active multi channel ultrasonic flaw detector. System is based on LabVIEW platform, and it can achieve self check, user information management, data receiving, data analysis, display results, data storage, automatic judgment, detection report output and other functions. The data processing method with variable resolution is adopted to guarantee the real-time performance and the accuracy of the results.

multiple wheel pairs; ultrasonic flaw detection; LabVIEW; real-time

TP277

A

1674- 7720(2016)03- 0015- 03

吳凡，郭前崗，周西峰. 基于LabVIEW的多輪對超聲探傷系統(tǒng)設(shè)計[J].微型機與應(yīng)用，2016,35(3)：15- 17，20.

2015-11-03)

吳凡(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：檢測技術(shù)與自動化裝置。

郭前崗(1960-)，男，教授，主要研究方向：智能控制理論與技術(shù)及其在電氣系統(tǒng)中的應(yīng)用。

周西峰(1960-)，男，教授，主要研究方向：計算機監(jiān)測與控制技術(shù)及智能與網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)。