基于LabVIEW 和超聲波傳感器的受電弓試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

梁增提 廖金團(tuán) 梁家興 梁正智 唐 健

（柳州城市職業(yè)學(xué)院，廣西 柳州 545036）

受電弓是電力機(jī)車的一個(gè)重要電器，其弓頭滑板在工作高度范圍內(nèi)對(duì)接觸網(wǎng)導(dǎo)線的壓力稱為受電弓的靜態(tài)接觸壓力。靜態(tài)接觸壓力偏小，則接觸電阻增大，功率損耗增加，機(jī)車運(yùn)行時(shí)易產(chǎn)生離線；壓力偏大，則機(jī)械磨損增加，甚至造成滑板局部拉槽，進(jìn)而造成接觸導(dǎo)線彈跳拉弧，以致刮弓[1]。

受電弓靜態(tài)接觸壓力與工作高度之間的關(guān)系稱為受電弓的靜態(tài)特性[1]。良好的靜態(tài)特性才能使受電弓與接觸網(wǎng)正常接觸，可靠受流。同時(shí)，在保證對(duì)接觸網(wǎng)和受電弓底架無有害沖擊的前提下，升降弓的時(shí)間應(yīng)盡可能短。

機(jī)車受電弓在出廠前或檢修后須測(cè)試和調(diào)整其靜態(tài)特性及升降弓時(shí)間，以保證狀態(tài)良好。傳統(tǒng)的測(cè)試方法是人工檢測(cè)、使用便攜式檢測(cè)儀或其他檢測(cè)設(shè)備。人工檢測(cè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力且精度低，而便攜式檢測(cè)儀和通常的檢測(cè)設(shè)備一般采用單片機(jī)做主控制器，對(duì)超聲波傳感器的高度和拉力傳感器的拉力等模擬量信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再傳輸給上位機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。其設(shè)備復(fù)雜，開發(fā)周期長(zhǎng)，可靠性差，調(diào)試不便。本文旨在研究使用LabVIEW 軟件平臺(tái)同各傳感器模塊進(jìn)行數(shù)字化的通信，以開發(fā)簡(jiǎn)單易調(diào)，可靠性高，開發(fā)周期短的檢測(cè)設(shè)備。

1 總體方案

如圖1 所示，空氣彈簧通入壓縮空氣后驅(qū)動(dòng)受電弓上升，升弓到機(jī)械極限高度時(shí)，掛在弓頭滑板上的限位拉繩帶動(dòng)限位開關(guān)動(dòng)作，結(jié)合超聲波傳感器獲得的升弓初始高度數(shù)據(jù)和降弓高度數(shù)據(jù)，由LabVIEW 開發(fā)的上位機(jī)軟件計(jì)算得到升降弓時(shí)間。

圖1 受電弓試驗(yàn)平臺(tái)示意圖

進(jìn)行受電弓的靜態(tài)特性測(cè)試時(shí)，在減速電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，由掛在弓頭滑板上的牽引鋼絲繩帶動(dòng)受電弓勻速上升和下降，同時(shí)拉動(dòng)拉力傳感器得到受電弓的靜態(tài)接觸壓力。結(jié)合超聲波傳感器獲得的弓頭高度數(shù)據(jù)，上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)繪制升弓、降弓靜態(tài)特性曲線和同高壓力差曲線，并計(jì)算最大同高壓力差和最大同向壓力差等數(shù)據(jù)。

上位機(jī)軟件將數(shù)字化通信采集到的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行快速且高效的TDMS 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并生成試驗(yàn)報(bào)告供工作人員打印。

2 串行通信

如圖2 所示，工控機(jī)通過RS232 至RS485 轉(zhuǎn)換器連接KS103-485 型超聲波傳感器、DAQM-4206 型模擬量轉(zhuǎn)RS485 模塊及CS-I0404-485 型串口繼電器進(jìn)行RS485 串口通信。由軟件分別讀取受電弓的高度數(shù)據(jù)、靜態(tài)接觸壓力及升弓限位信號(hào)；并發(fā)出空氣彈簧電磁閥通斷電和減速電機(jī)正反轉(zhuǎn)等控制信號(hào)。

圖2 數(shù)據(jù)通信鏈路示意圖

上位機(jī)軟件中使用VISA 配置串口函數(shù)來配置串口通信參數(shù)：波特率9600，數(shù)據(jù)位8 位，停止位1 位，無奇偶校驗(yàn)和流控制，通信超時(shí)1 秒。分別設(shè)置負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換拉力傳感器信號(hào)的模擬量轉(zhuǎn)RS485 模塊、串口繼電器和超聲波傳感器的設(shè)備地址為01、02 和0xe8（默認(rèn)）。

2.1 超聲波傳感器通信

使用VISA 清空I/O 緩沖區(qū)函數(shù)清空串口以便接收新數(shù)據(jù)，然后使用VISA 寫入函數(shù)對(duì)串口發(fā)送設(shè)備地址0xe8、寄存器0x02、命令0xb4（檢測(cè)范圍0～5M，返回0x0a～0x1450mm 數(shù)據(jù)）后，暫停數(shù)據(jù)流等待180ms 響應(yīng)時(shí)間，通過Bytes at Port 屬性節(jié)點(diǎn)檢查接收緩沖區(qū)返回的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)為2 時(shí)，表示與超聲波傳感器的通信成功。使用VISA 讀取函數(shù)獲取接收緩沖區(qū)返回的十六進(jìn)制字符串?dāng)?shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為字節(jié)數(shù)組，然后取出這2 個(gè)字節(jié)的整數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，得到10～5200mm 的高度數(shù)據(jù)，除以1000 即為受電弓弓頭的高度值（米）。

2.2 讀拉力傳感器數(shù)據(jù)

對(duì)串口寫入設(shè)備地址0x01、功能碼0x04（讀取輸入寄存器）、寄存器地址0000，寄存器數(shù)0008（讀取8 個(gè)輸入通道的模擬量輸入值）和CRC 校驗(yàn)碼F1CC 后，模擬量轉(zhuǎn)RS485 模塊將響應(yīng)21 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)格式為：設(shè)備地址0x01+0x04+字節(jié)數(shù)0x10+8 個(gè)通道的高字節(jié)和低字節(jié)數(shù)據(jù)+CRC 校驗(yàn)碼。使用VISA 讀取函數(shù)獲取接收緩沖區(qū)中的十六進(jìn)制字符串?dāng)?shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為字節(jié)數(shù)組后取出第4 和第5個(gè)整數(shù)數(shù)據(jù)（模擬量輸入通道1）進(jìn)行拼接，并按拉力傳感器的量程（0～20kg 輸出4～20MA）和模擬量轉(zhuǎn)換模塊的分辨率（12 位）進(jìn)行工程變換，乘以9.8（1kgf=9.8N）即為拉力傳感器檢測(cè)到的拉力（牛），也即受電弓的靜態(tài)接觸壓力。工程變換的計(jì)算式為：實(shí)時(shí)物理量=物理量下限+（物理量上限-物理量下限）*（實(shí)時(shí)數(shù)字量-數(shù)字量下限）/（數(shù)字量上限-數(shù)字量下限）。

2.3 讀限位開關(guān)狀態(tài)

對(duì)串口寫入設(shè)備地址0x02、功能碼0x02（讀開關(guān)量輸入狀態(tài)）、寄存器地址（0000，從第一個(gè)輸入信號(hào)寄存器開始查詢），寄存器數(shù)（0004，查詢4 個(gè)輸入信號(hào)的狀態(tài)）和CRC 校驗(yàn)碼79FA 后，串口繼電器模塊響應(yīng)6 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)格式為：設(shè)備地址0x02+0x02+字節(jié)數(shù)0x01+4 個(gè)輸入信號(hào)的狀態(tài)數(shù)據(jù)（1 個(gè)字節(jié)）+CRC 校驗(yàn)碼（2 個(gè)字節(jié)）。轉(zhuǎn)換響應(yīng)數(shù)據(jù)為字節(jié)數(shù)組后取出第4 個(gè)整數(shù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成布爾型數(shù)組，取元素0 的數(shù)據(jù)即為接在串口繼電器模塊IN1 上的限位開關(guān)狀態(tài)，此信號(hào)用于升降弓時(shí)間測(cè)試時(shí)判斷受電弓是否上升到了最大高度。

3 程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)主界面組態(tài)了拉力測(cè)試、升降弓時(shí)間測(cè)試和手動(dòng)收放線等試驗(yàn)按鈕，用于顯示受電弓靜態(tài)特性曲線的XY圖和高度、拉力、升降弓時(shí)間等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的控件，以及操作員、車號(hào)、編號(hào)及型號(hào)等信息框，如圖3 所示。其中，當(dāng)點(diǎn)擊保存數(shù)據(jù)圖按鈕時(shí)，如果信息填寫不完整或XY 圖沒有試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，彈出提示框并不予保存試驗(yàn)記錄。程序框架采用生產(chǎn)者/消費(fèi)者的程序設(shè)計(jì)模式，通過事件結(jié)構(gòu)響應(yīng)各個(gè)按鈕的操作，并利用隊(duì)列操作函數(shù)將該事件要做的動(dòng)作信息入隊(duì)列，然后在主循環(huán)中將信息出隊(duì)列并利用條件結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和處理。其中，收放線功能是手動(dòng)控制減速電機(jī)正反轉(zhuǎn)，將牽引鋼絲繩放出或收回到適合操作的長(zhǎng)度。為便于單人操作和防止鋼絲繩剮蹭，需要操作人員拉著鋼絲繩牽引其動(dòng)作。程序中判斷拉力大于20N 時(shí)才發(fā)出正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)指令，拉力小于20N 或大于100N（鋼絲繩卡住）時(shí)停止電機(jī)。

圖3 試驗(yàn)臺(tái)主界面

3.1 升降弓時(shí)間測(cè)試

將限位拉繩掛裝在受電弓弓頭滑板上（升弓到最大高度時(shí)，拉繩帶動(dòng)金屬體觸發(fā)限位開關(guān)動(dòng)作），將超聲波傳感器放在弓頭下方，即可開始升降弓時(shí)間測(cè)試：上位機(jī)讀取超聲波傳感器的弓頭高度數(shù)據(jù)并給串口繼電器模塊發(fā)出DO1 ON 的指令，空氣彈簧電磁閥通電，受電弓被頂升，開始升弓時(shí)間計(jì)時(shí)。當(dāng)受電弓上升到最大高度時(shí)，限位拉繩帶動(dòng)末端金屬體接近限位開關(guān)，上位機(jī)接收到限位開關(guān)ON 信號(hào)后停止計(jì)時(shí)，計(jì)算得到升弓時(shí)間；經(jīng)過2 秒的停留后，上位機(jī)發(fā)出DO1 OFF 的指令，空氣彈簧電磁閥斷電，受電弓靠自重下降，開始降弓時(shí)間計(jì)時(shí)，直到受電弓下降到初始高度時(shí)停止。程序流程如圖4 所示。

圖4 升降弓時(shí)間測(cè)試流程圖

3.2 靜態(tài)特性測(cè)試

將牽引鋼絲繩掛裝在受電弓弓頭滑板上，開始拉力測(cè)試：記錄弓頭的初始高度，同時(shí)控制空氣彈簧電磁閥通電，受電弓開始被頂升。拉力傳感器通過滾輪實(shí)時(shí)檢測(cè)鋼絲繩的拉力，當(dāng)拉力≥40N 時(shí)，說明鋼絲繩已經(jīng)被拉緊受力，減速電機(jī)開始正轉(zhuǎn)放線，讓受電弓勻速升弓，同時(shí)繪制升弓靜態(tài)特性曲線。受電弓準(zhǔn)備上升到最大高度時(shí)，拉力會(huì)慢慢降低，當(dāng)拉力＜40N 時(shí)，說明受電弓已經(jīng)上升到最大高度，減速電機(jī)停止放線。

停留10 秒后，減速電機(jī)反轉(zhuǎn)收線，牽引受電弓勻速降弓，同時(shí)繪制降弓靜態(tài)特性曲線和同高壓力差曲線。下降到初始高度多0.05 米的位置時(shí)，減速電機(jī)停止收線，保持1 秒后空氣彈簧電磁閥斷電結(jié)束，程序流程如圖5 所示。

圖5 靜態(tài)特性測(cè)試流程圖

靜態(tài)特性測(cè)試采用枚舉型對(duì)象結(jié)合條件結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行流程控制，并通過XY 圖實(shí)時(shí)繪制特性曲線。試驗(yàn)臺(tái)需要繪制升弓、降弓和同高壓力差三條特性曲線，每條曲線是由拉力值組成x 值，高度值組成y 值，通過循環(huán)結(jié)構(gòu)將這些實(shí)時(shí)值組成數(shù)組，再分別捆綁成簇，并組合成三條曲線的簇?cái)?shù)組供XY 圖顯示。測(cè)試流程進(jìn)入升弓階段時(shí)，正常的拉力值均超過40N。判斷受電弓高度已超過0.7 米并且拉力小于40N，說明受電弓上升到了最大高度。程序記錄進(jìn)入停留階段的開始時(shí)間和此時(shí)的最大高度，發(fā)出空氣彈簧電磁閥斷電指令，并通過修改枚舉變量進(jìn)入停留階段。受電弓的同高壓力差是指受電弓在同一高度下，上升和下降的靜態(tài)接觸壓力差。該值的大小，表征了受電弓各運(yùn)動(dòng)鏈接部分的摩擦力大小[2]。因升弓和降弓的高度數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，不是相同的線性細(xì)分，而且數(shù)據(jù)量大小不同，數(shù)組數(shù)據(jù)的升降序不同。因此，需要先反轉(zhuǎn)升弓高度數(shù)據(jù)的數(shù)組，與降弓高度數(shù)據(jù)數(shù)組比較第一個(gè)元素，取小的數(shù)作為同高壓力差高度數(shù)據(jù)的最大值；反轉(zhuǎn)降弓高度數(shù)組，與升弓高度數(shù)組比較第一個(gè)元素，取大的數(shù)作為同高壓力差高度數(shù)據(jù)的最小值。然后對(duì)這兩個(gè)值進(jìn)行0.01 米的細(xì)分，作為高度數(shù)據(jù)對(duì)升弓和降弓拉力分別進(jìn)行一維線性插值，即可將相同高度值下的降弓拉力減去升弓拉力，得到同高壓力差數(shù)據(jù)。

3.3 TDMS 數(shù)據(jù)存取

上位機(jī)采用TDMS 文件的形式存取試驗(yàn)數(shù)據(jù)，TDMS 文件是LabVIEW 推出的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，它以二進(jìn)制方式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，文件很小，速度很快，可以很好的解決傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫對(duì)海量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存取較慢的問題[3]。使用TDMS 打開函數(shù)創(chuàng)建或打開歷史記錄文件，再通過TDMS 寫入函數(shù)將long 時(shí)間格式的當(dāng)前日期和時(shí)間作為組名，各項(xiàng)數(shù)據(jù)的名稱為通道名，將受電弓的信息和試驗(yàn)數(shù)據(jù)保存起來。點(diǎn)擊打開數(shù)據(jù)圖按鈕時(shí)，程序彈出試驗(yàn)記錄子VI，并使用打開、列出內(nèi)容和讀取等TDMS 函數(shù)將各臺(tái)受電弓的試驗(yàn)記錄信息列出到多列列表框中。操作人員選中某條記錄時(shí)，程序?qū)⒆x取該記錄的詳細(xì)數(shù)據(jù)，將三條特性曲線顯示在XY 圖中，同時(shí)計(jì)算0.4～1.8 米工作高度范圍內(nèi)的最大同高壓力差、最大升降弓壓力和最小升降弓壓力。當(dāng)點(diǎn)擊打印報(bào)表按鈕時(shí)，程序通過創(chuàng)建報(bào)表函數(shù)根據(jù)預(yù)設(shè)的模板創(chuàng)建報(bào)表，并通過添加報(bào)表文本函數(shù)和添加控件圖像至報(bào)表函數(shù)將各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和XY 圖添加到報(bào)表中。最后通過打印報(bào)表函數(shù)將生成的報(bào)表輸出到系統(tǒng)默認(rèn)的打印機(jī)進(jìn)行打印。

4 試驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試

使用軟硬件安裝調(diào)試完成的試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)一臺(tái)檢修后的某型號(hào)受電弓進(jìn)行出廠前的靜態(tài)特性和升降弓時(shí)間試驗(yàn)，如圖6 所示。最終生成的試驗(yàn)報(bào)告如圖7 所示，在0.4～1.8米工作高度范圍內(nèi)升弓接觸壓力55N～65N，降弓接觸壓力70N～80N，最大同高壓力差＜20N，最大高度2.726 米，升弓時(shí)間7.8 秒，降弓時(shí)間5.6 秒。參照該型受電弓檢修規(guī)程的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，判定此臺(tái)受電弓為合格產(chǎn)品。經(jīng)比對(duì)其他檢測(cè)設(shè)備的試驗(yàn)結(jié)果，與此試驗(yàn)平臺(tái)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差很小。

圖6 受電弓靜態(tài)特性試驗(yàn)

圖7 試驗(yàn)報(bào)告

結(jié)束語

上位機(jī)和各信號(hào)模塊直接進(jìn)行RS485 通信的受電弓試驗(yàn)平臺(tái)，免去了單片機(jī)復(fù)雜的軟硬件開發(fā)。同時(shí)，得益于LabVIEW 功能強(qiáng)大、簡(jiǎn)單易用的圖形化編程，大大縮短了開發(fā)周期，保證了試驗(yàn)平臺(tái)的可靠性，也為開發(fā)更多的數(shù)據(jù)處理和質(zhì)量分析等功能提供更加友好的支持。試驗(yàn)平臺(tái)已在工程現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，將本方案稍做修改，即可應(yīng)用于其它類似的場(chǎng)合中，具有一定的推廣價(jià)值。