王全剛，程良倫，張立家

（1.廣東工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，廣州 510006；2.廣東工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣州 510006）

作為鐵路系統(tǒng)廣泛使用的基礎(chǔ)設(shè)備，電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)的作用是通過(guò)牽引鐵路道岔從而改變道岔的連通方向，它的使用可以大大降低鐵路維護(hù)的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率。然而電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)的可靠性也直接關(guān)系著鐵路行車安全，所以必須及時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)進(jìn)行檢修，確保其能夠正常工作[1]。

電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)在發(fā)生故障前后，都會(huì)伴隨一些電氣參數(shù)的變化，主要包括摩擦電流、工作電流、轉(zhuǎn)換力以及動(dòng)作時(shí)間等。按時(shí)及時(shí)地對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)進(jìn)行測(cè)試，記錄相關(guān)電氣參數(shù)，并與正常參考值進(jìn)行比較，以便及時(shí)排查和解除故障。

電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)傳統(tǒng)的檢修方式大都是定時(shí)返廠檢修，采用轉(zhuǎn)轍機(jī)參數(shù)測(cè)試臺(tái)對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)進(jìn)行離線檢測(cè)，由于轉(zhuǎn)轍機(jī)體積笨重、拆裝繁瑣、運(yùn)輸耗時(shí)，轉(zhuǎn)轍機(jī)測(cè)試臺(tái)又不能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，所以急需一種可以對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)進(jìn)行在軌檢測(cè)的便攜式測(cè)試儀[2]。

本文以松下電工FPX—C14RD微型PLC為控制單元，提出一種新的便攜式轉(zhuǎn)轍機(jī)測(cè)試儀設(shè)計(jì)方案，很好地滿足測(cè)試需求，并通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和記錄，拓展了其物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了在軌無(wú)線按狀態(tài)檢修[3]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

1.1 電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)工作原理

作為控制鐵路道岔轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵設(shè)備，電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括電機(jī)、減速器、摩擦連接器等。當(dāng)需要正向轉(zhuǎn)換道岔時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，經(jīng)過(guò)齒輪和蝸輪蝸桿減速，再通過(guò)摩擦連接器，經(jīng)齒輪條輸出正向轉(zhuǎn)換力，推動(dòng)道岔由定位移動(dòng)到反位[4]。

1.2 轉(zhuǎn)轍機(jī)測(cè)試儀的硬件結(jié)構(gòu)

本儀器的硬件部分主要包括控制器、傳感器、以及基于WLAN技術(shù)的無(wú)線收發(fā)模塊等。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 測(cè)試儀硬件結(jié)構(gòu)Fig.1 Hardware structure diagram of tester

其中，力傳感器和交、直流電流傳感器經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換，實(shí)時(shí)地采集電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)轉(zhuǎn)換道岔過(guò)程中的轉(zhuǎn)換力和工作電流，并通過(guò)RS232轉(zhuǎn)WiFi模塊對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線發(fā)送，通過(guò)手機(jī)、PDA等無(wú)線終端，可以顯示、保存、查看已測(cè)數(shù)據(jù)，能夠?qū)崟r(shí)顯示轉(zhuǎn)換力與電流曲線，并可以很方便地對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析；兆歐表可以測(cè)量轉(zhuǎn)轍機(jī)機(jī)殼的絕緣性能，并通過(guò)RS485進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；考慮到儀器的便攜性，本系統(tǒng)采取DC 24 V大容量高密度可充電鋰電池供電，并經(jīng)過(guò)分壓電路，為各種傳感器模塊、通信模塊提供DC 12 V電源。

1.3 儀器關(guān)鍵器件的選型

1.3.1 處理器

為了保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性以及系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，同時(shí)考慮到轉(zhuǎn)轍機(jī)測(cè)試儀的便攜性，選擇松下電工FPX-C14RD型PLC作為控制單元，作為一種適用于小型設(shè)備控制的通用型PLC，它具有32千步的程序容量，0.32 μs的指令處理速度，并能夠擴(kuò)展各種通信和功能插卡，可以很好地滿足儀器設(shè)計(jì)的需求。

1.3.2 傳感器

力傳感器選取φ25 mm銷式力傳感器，測(cè)量范圍0～10 kN，偏差1%F.S；電流傳感器選擇鉗式非接觸交直流傳感器，測(cè)量范圍0～10 A，偏差1%F.S。將力傳感器與電流傳感器以及各自的運(yùn)放濾波調(diào)整電路封裝在一起，實(shí)現(xiàn)測(cè)量信號(hào)的放大，使傳感器物理測(cè)量范圍等比于0～10 V電壓模擬量[5]。電流調(diào)整電路的原理圖如圖2所示，該電路為二階有源低通濾波器，可以同時(shí)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波、放大以及阻抗變換。

圖2 電流調(diào)整電路Fig.2 Current adjustment circuit

兆歐表選擇邁特儀表MTD-HR-94-S型兆歐表，量程0～1999.9 MΩ，與PLC之間通過(guò)Modbus-RTU協(xié)議進(jìn)行通訊。

1.3.3 通信模塊

在控制器與移動(dòng)終端之間建立穩(wěn)定可靠的通信連接、保證數(shù)據(jù)安全可靠傳輸是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[6]。選取有人科技USR-WIFI232-B型通信模塊，遵守UART異步串口通信協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)RS232、RS485、RS422和工業(yè)以太網(wǎng)口的透明無(wú)線傳輸，支持與Windows/IOS/Android系統(tǒng)的手機(jī)/Pad等掌上終端通信[7]。 當(dāng)通信模塊采用 AP（wireless access point）模式工作時(shí)，其原理如圖3所示。

圖3 WiFi模塊做AP時(shí)的應(yīng)用Fig.3 Application of WiFi module for AP

2 數(shù)據(jù)采集及無(wú)線通信的PLC實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)采集的PLC實(shí)現(xiàn)

2.1.1 電流和力的測(cè)量

為了能夠精確采集轉(zhuǎn)轍機(jī)測(cè)試過(guò)程中的電流及轉(zhuǎn)換力，使用AFPX-AD2模擬輸入插卡作為A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換工具，可以等比例地將電流傳感器和力傳感器的輸出模擬值轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，再經(jīng)過(guò)浮點(diǎn)型轉(zhuǎn)換、除以比例系數(shù)，從而間接地讀取電流和轉(zhuǎn)換力的值[8]。

2.1.2 絕緣電阻的測(cè)量

為了使PLC與兆歐表之間建立穩(wěn)定通信，從而能夠?qū)崟r(shí)地讀取轉(zhuǎn)轍機(jī)機(jī)殼絕緣電阻的大小，使用FPX-COM4通信插卡上的兩線制RS485通道與兆歐表依照MODBUS-RTU協(xié)議進(jìn)行通信，表1所示為該指令MODBUS格式說(shuō)明。

表1 MODBUS指令Tab.1 MODBUS instruction

此外，轉(zhuǎn)轍機(jī)測(cè)試過(guò)程中的道岔位置信號(hào)由外部電路通過(guò)PLC的2個(gè)I/O點(diǎn)給入，01代表道岔處于定位狀態(tài)，10代表處于反位狀態(tài)，00代表在定位與反位之間。

2.2 無(wú)線通信設(shè)計(jì)

考慮到常用的CC-Link、PC-Link等現(xiàn)場(chǎng)總線并不遵從UART異步串口通信協(xié)議，所以通信方式選擇自由口通用串行通信，這種模式下可以自定義通信協(xié)議，有較強(qiáng)的適應(yīng)性[9]。

由于本儀器的主要功能是測(cè)量轉(zhuǎn)轍機(jī)相關(guān)功能參數(shù)，所以通信簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)為“請(qǐng)求—應(yīng)答”的讀寫模式，即在移動(dòng)終端發(fā)送請(qǐng)求讀取PLC寄存器指令，發(fā)送周期為20 ms，PLC接收到該指令經(jīng)過(guò)判斷后，將所測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)串口轉(zhuǎn)WiFi模塊寫回移動(dòng)終端[10]，在沒(méi)有有效測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸時(shí)移動(dòng)端處于偵聽狀態(tài)。其報(bào)文定義格式如圖4所示。

圖4 請(qǐng)求和應(yīng)答指令的報(bào)文格式Fig.4 Message format of the request and the response instruction

其中，請(qǐng)求指令報(bào)文格式為“起始符—讀功能碼—讀取寄存器個(gè)數(shù)—寄存器起始地址—結(jié)束符”；應(yīng)答指令報(bào)文格式為“起始符—寫功能碼—寫入個(gè)數(shù)—所測(cè)數(shù)據(jù)—校驗(yàn)—結(jié)束符”。PLC每個(gè)寄存器可以存儲(chǔ)2個(gè)字節(jié)，數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)候分為高8位和低8位，所有數(shù)據(jù)都是以ASCII碼字符形式進(jìn)行雙向傳送。由于傳送數(shù)據(jù)量較小，校驗(yàn)方式選擇和校驗(yàn)。

測(cè)量數(shù)據(jù)區(qū)date有4組有效數(shù)據(jù)，分別為道岔位置、轉(zhuǎn)轍機(jī)電機(jī)電流、道岔轉(zhuǎn)換力以及絕緣電阻。在PLC一側(cè)道岔位置信號(hào)占用一個(gè)16位寄存器，為了保證測(cè)量精度，所測(cè)其他3組數(shù)據(jù)包含6位小數(shù)，各占用2個(gè)寄存器。當(dāng)?shù)啦砦恢眯盘?hào)由01變?yōu)?0時(shí)，表示道岔由定位開始向反位移動(dòng)，移動(dòng)端定時(shí)器啟動(dòng)計(jì)時(shí)，當(dāng)位置信號(hào)由00變?yōu)?0時(shí)，表示到達(dá)反位，計(jì)時(shí)結(jié)束，從而得出此次測(cè)量的轉(zhuǎn)換時(shí)間。

3 客戶端的軟件層設(shè)計(jì)

針對(duì)智能手機(jī)的廣泛普及，開發(fā)了基于Android操作系統(tǒng)的轉(zhuǎn)轍機(jī)測(cè)試儀配套軟件。主要功能有：

1）通信：首先創(chuàng)建客戶端套接字，指定服務(wù)器端IP地址與端口號(hào)，并在創(chuàng)建Socket時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連接，實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器端PLC的通信。

2）解析存儲(chǔ)：根據(jù)指定的協(xié)議，解析出各種參數(shù)的值，存儲(chǔ)到Android自帶的微型數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite，實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC所測(cè)電流等數(shù)據(jù)進(jìn)行紀(jì)錄和保存[11]。

3）查看記錄：從SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)讀取各個(gè)參數(shù)的值，顯示到ListView里面，能夠在終端上實(shí)時(shí)顯示電流及轉(zhuǎn)換力的曲線圖，對(duì)于接收到的數(shù)據(jù)中過(guò)大異常值進(jìn)行報(bào)警紀(jì)錄，并發(fā)出告警聲，以便排查轉(zhuǎn)轍機(jī)是否故障[12]。

4）數(shù)據(jù)共享：提供2種數(shù)據(jù)共享方式，可以選擇在終端連入互聯(lián)網(wǎng)后，通過(guò)Http協(xié)議，把所測(cè)數(shù)據(jù)以json的形式上傳到云端，還可以通過(guò)藍(lán)牙將所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行本地設(shè)備間共享。

其工作流程如圖5所示。

圖5 客戶端軟件工作流程Fig.5 Working flow chart of the client software

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖6所示為在廣州地鐵公司試用本儀器對(duì)西門子S700K型轉(zhuǎn)轍機(jī)進(jìn)行在軌檢測(cè)的電流曲線圖。從圖中可以看出，轉(zhuǎn)轍機(jī)最大解鎖電流在7 A左右，正常工作電流為1 A左右，道岔動(dòng)作時(shí)間4 s左右，所測(cè)數(shù)據(jù)在正常范圍之內(nèi)。

圖6 轉(zhuǎn)轍機(jī)電流曲線Fig.6 Current diagram of switch machine

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本儀器可以準(zhǔn)確地反映出轉(zhuǎn)轍機(jī)工作過(guò)程中的各工作狀態(tài)，配合基于WLAN的無(wú)線通信技術(shù)和智能終端的應(yīng)用，提高了電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)測(cè)試效率。

5 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)的基于小型PLC控制系統(tǒng)、WLAN無(wú)線通信技術(shù)以及移動(dòng)智能終端的新型便攜式轉(zhuǎn)轍機(jī)測(cè)試儀，不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)的在軌檢測(cè)，而且將無(wú)線通信與移動(dòng)終端很好地融合到系統(tǒng)中去，通過(guò)搭建小型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的采集、傳輸、記錄和分析，使儀器更加智能化和人性化，大大提高了轉(zhuǎn)轍機(jī)的檢修效率。

[1]沈相宙.鐵路道岔養(yǎng)護(hù)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2004：90-95.

[2]王安，袁學(xué)飛，彭志永.基于ARM的便攜式轉(zhuǎn)轍機(jī)測(cè)試儀的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2006，14（9）：1269-1271.

[3]王灃浩，姜歌東，曹世勇.一種智能型轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)態(tài)特性測(cè)試系統(tǒng)的研制[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，34（7）：1-5.

[4]江海洋.鐵路轉(zhuǎn)轍機(jī)測(cè)試與管理綜合系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2005.

[5]閆衛(wèi)剛.ZC-3型便攜式轉(zhuǎn)轍機(jī)綜合測(cè)試儀的開發(fā)與應(yīng)用[J].太原鐵道科技，2013（3）：33-35.

[6]郭輝，傅成華，吳浩.基于nRF2401的PLC無(wú)線通信控制器[J].電子設(shè)計(jì)工程，2010，18（3）：113-115.

[7]黃爾烈，安憲軍，霍振宇.PLC嵌入手機(jī)控制技術(shù)的研究[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007，23（8）：58-60.

[8]梁明坤，陳關(guān)君，楊熠，等.基于WIFI的體溫監(jiān)測(cè)傳感器設(shè)計(jì)[J].應(yīng)用科技，2011，38（6）：25-29.

[9]劉國(guó)宏.無(wú)線電監(jiān)控系統(tǒng)在自來(lái)水公司中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化博覽，2006（8）：66-67.

[10]盧俊，柳旭.適用于PDA的PLC編程系統(tǒng)開發(fā)[J].廈門大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，44（3）：363-366.

[11]魏天騏，羅慶生，王勇，等.基于安卓的智能儲(chǔ)物柜控制平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械與電子，2013（3）：28-31.

[12]張傳真，張莉，江建軍.Android平臺(tái)無(wú)線視頻監(jiān)控小車的設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2013，36（10）：19-22.