基于Arduino 便携式轨道车辆管路设备压力测试仪

刘宝中 杨 夏 周其显 王 华

（南京铁道职业技术学院 机车车辆学院，南京 210031）

作为影响车辆制动系统安全的重要部件，轨道车辆供风系统及压缩空气管路设备承担着保证列车安全、可靠停车的重要职能。其维护保养也是整个系统中最重要的一部分工作，需要定期更换易损易耗件（如润滑油、滤芯、干燥剂等），同时维护保养后的现场测试尤为重要。传统轨道车辆压缩空气管路设备（如干燥器、过滤器、减压阀等）的检查及测试内容较为烦琐，受制于车辆维护现场空间及安全因素，一般无法实现在线测试及诊断，不便于车辆部件的快速化、智能化测试及诊断。

以城市轨道交通地铁车辆为例，目前传统的风源系统干燥装置测试手段是在车辆每个月或季度的定期修理过程中，采用手动计时方式统计干燥装置再生转换周期是否正常，并对下游风缸的压缩空气进行湿度检测或手动排水检查，在冬季来临之前还要对排水阀加热器进行低温测试，确认空气管路是否干燥清洁。这种维修手段不仅增加了车辆维修人员的工作量，而且维修效果不佳。随着列车智能运维技术的快速发展，智能传感技术及网络通信技术得到了充分应用，而传统人工干预排查的方法已逐渐无法满足现代轨道交通的发展需要[1-2]，日常维护检修也开始向智能化及智慧化方向发展。

针对传统车辆压缩空气管路设备在日常维护保养过程中工作烦琐、无法有效直观获取参数信息的弊端，设计了一种简易便携手持式压力测试诊断仪。它可以在车辆现场直接测量压缩空气管路设备的主要参数，为合理制定检修周期及判定产品性能提供科学依据，从而真正实现轨道车辆压缩空气管路设备各部件在全生命周期内的智能化诊断与预测性维护。

1 系统设计

便携式压缩空气管路设备在线测试诊断仪系统方案如图1 所示。本装置以压力传感器为测量元件，以微处理器和数据采集模块为主要硬件，基于Arduino开发平台，将测试单元、采集单元、处理单元及显示单元高度集成在一个方便携带的手持式仪表中，并定制开发上位机软件，可方便用户在线实时获取部件气压的变化量、时间周期、时间-压力曲线等，同时可以根据需要增加初级自诊断及状态预警功能，通过网络手段可远程上传至云端服务器，与车辆智能运维平台相融合，通过大数据分析对部件状态及时进行干预或预警。

以压缩空气管路过滤器为例，可日常测试过滤器前后端压力损失变化。如果接近阈值极限，即可判定其超负荷运行或性能衰减（如堵塞、冰冻等）。也可将检测数据通过网络上传至云端，系统可以根据数据分析结果提醒维护人员实施更换维护等操作。本装置完全改变了传统按月或按空压机运行时间定期修理的维护方式，极大地解放了地铁车辆运营维护人员，最终实现对整车压缩空气管路部件质量的实时健 康管理。

基于上述装置，整个测控系统主要实现如下功能。（1）管路压缩空气泄漏量测试：测量设定时间T 内的压力泄漏量。（2）压力上升周期测试：测量管路设备压力值从P1→P2所用的时间T。（3）压差测试：测量部件前后压力差值。（4）气动阀阈值测试：测量气动阀开启（关闭）压力值。（5）响应精度测试：测试气缸内压力变化率。（6）再生转换周期测试：测试类似双塔干燥器再生转换周期。

2 硬件设计

图2 为本装置硬件逻辑框图。其中，采集单元选用扩散硅压阻式压力传感器，取值范围为0 ～1.6 MPa， 供电为10 V 直流电，输出电流为0 ～50 mV。处理单元选用Arduino Pro Mini ATMEGA328P 集成板作为为微控制单元MCU，利用Arduino Pro Mimi 自带的10 位ADC 通道，采集压力传感器的模拟量信号，并进行模数转换，再向显示屏实时传输。显示单元选用串口TFT 电容屏，通过TTL-232 模块将MCU 和显示屏连接，通过串口通信更新和切换屏幕。

硬件连接如图3 所示，利用Arduino 平台提供的各种子模块开发人机界面实现数据的采集、处理、实时显示以及保存等工作。为便于后续读取及深入分析数据，设计了独立的数据保存模块及USB 3.0 对外接口。Arduino 是一种加载了嵌入式微控制器的电路板，同时包含了可供用户编辑的开放式软件开发平台。基于该平台，可以在文本编辑编辑器中编写并修改程序，并将编写完成的程序发送到Arduino 开发板，实现控制功能目标[3-5]。

3 软件设计

程序开发分为两部分。

第一部分为压力采集与数据处理程序开发。采集程序选用Arduino 官方提供的集成开发环境（Integrated Development Environment，IDE）平台，使用软件用C 语言结合Arduino 库函数进行开发，且开发过程中尽可能选用Arduino 官网提供的通信库和时钟库。Arduino 对开发板的硬件和软件系统都进行了人性化的封装和简化，并提供完备的库函数供开发者调用。

第二部分为串口通信屏的程序开发。采用VisualTFT 软件，按照设备指定的串口通信协议进行开发。VisualTFT 是一款针对串口屏进行设置的软件，有着强大的串口屏开发和调试等功能，提供了多种通信串口的模拟设备，让用户可以快速实现PC 软件与窗口屏联机之间的通信，通过指令助手发送调试命令控制虚拟串口屏显示，完成人机交互设计。

4 试验测试

为直观检测管路压力波动情况（如制动缸压力测试、车辆管路保压测试、压缩机启停压力极限测试、双塔干燥器再生转换压力测试等）或精确测试气动阀（如制动阀、减压阀等）的开启及回座压力值，根据现场需要，可以按设定采样频率实现压力传感器信号的采集与分析，并以波形图实时显示。必要时，可通过互联网将采样数据实时上传，通过大数据分析完成部件性能的趋势分析、状态预警及故障诊断等多 项功能。

4.1 压力测试

以城轨车辆电空制动阀测试为例，为检测制动系统预控压力与制动缸目标压力的一致性（图4），传统测试主要是通过外接数显压力表或通过LabVIEW在线采集设备读取。前者过于简单，后者则要配置压力传感器、数据采集卡及电脑，较为烦琐。

通过便携式压力测试设备，只需要在采样点1 和采样点2 处分别连接测试设备的两个压力端口，点击压力上升曲线测试，即可实时获得预控压力与制动缸目标压力的跟随曲线（如图5 所示），并可根据测试精度要求改变采样频率。测试结果显示，当预控压力阶梯式小幅度变化时，制动缸压力能够快速随之变化，满足系统测试要求。

事实上，气动部件在出现功能性故障前往往伴随着泄漏的情况发生，轻微甚至中度的泄漏均有可能不会影响功能，不易被发现，很多时候是通过人工维护时听声音来判断是否发生了严重泄漏。利用便携式压力测试仪可以清晰观测不同泄漏趋势下压力传感器信号的变化情况，通过提取相应的特征值，建立产品泄漏的判断模型，达到故障预警的目的。

4.2 时间周期测试

图6 为利用测试仪对某气动设备容输出侧积腔室压力从零充压至额定值所用的时间周期测试统计图，试验要求周期（2.5±0.5）s 为合格，否则不合格。

通过对异常特征点（不合格点）的分析，可定位故障原因，积累故障样本，借鉴相关性分析等大数据分析方法，结合工程经验提取特征值，逐步实现自动化的异常报警、预警，并给出异常原因，为运维决策提供支撑。用户还可以通过外接计算机或USB 接口，生成并下载故障预测和健康评估报告（含状态监测报表、阈值报警报表、故障数据告及维修建议报告等）。

5 结语

目前，下一代轨道交通车辆关键系统及部件逐渐朝轻量化、智能化、环保节能等方向快速发展，随之而来的维护与检修也对设备在智能化管理、智能化诊断、智能化运维等方面提出了新的要求。

结合地铁车辆公司在车辆日常维护检修过程中的技术难题及需求，设计了一种便携式压力测试诊断装置，可以实现压缩空气管路设备的气密性测试、压力上升试验、压力损失测试及再生转换周期测试等，可为合理制定检修周期及判定产品性能提供科学依据，实现轨道车辆压缩空气管路部件全生命周期内的智能化诊断与预测性维修。