一種新型便攜式轉轍機測試儀的設計與實現

王全剛，程良倫，張立家

（1.廣東工業大學 自動化學院，廣州 510006；2.廣東工業大學 計算機學院，廣州 510006）

作為鐵路系統廣泛使用的基礎設備，電動轉轍機的作用是通過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的勞動強度，提高工作效率。然而電動轉轍機的可靠性也直接關系著鐵路行車安全，所以必須及時對轉轍機進行檢修，確保其能夠正常工作[1]。

電動轉轍機在發生故障前后，都會伴隨一些電氣參數的變化，主要包括摩擦電流、工作電流、轉換力以及動作時間等。按時及時地對轉轍機進行測試，記錄相關電氣參數，并與正常參考值進行比較，以便及時排查和解除故障。

電動轉轍機傳統的檢修方式大都是定時返廠檢修，采用轉轍機參數測試臺對轉轍機進行離線檢測，由于轉轍機體積笨重、拆裝繁瑣、運輸耗時，轉轍機測試臺又不能進行現場測試，所以急需一種可以對轉轍機進行在軌檢測的便攜式測試儀[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轍機測試儀設計方案，很好地滿足測試需求，并通過無線通信技術實現數據的采集和記錄，拓展了其物聯網應用，實現了在軌無線按狀態檢修[3]。

1 系統結構與原理

1.1 電動轉轍機工作原理

作為控制鐵路道岔轉換的關鍵設備，電動轉轍機的機械結構主要包括電機、減速器、摩擦連接器等。當需要正向轉換道岔時，電機正轉，經過齒輪和蝸輪蝸桿減速，再通過摩擦連接器，經齒輪條輸出正向轉換力，推動道岔由定位移動到反位[4]。

1.2 轉轍機測試儀的硬件結構

本儀器的硬件部分主要包括控制器、傳感器、以及基于WLAN技術的無線收發模塊等。其結構框圖如圖1所示。

圖1 測試儀硬件結構Fig.1 Hardware structure diagram of tester

其中，力傳感器和交、直流電流傳感器經過AD轉換，實時地采集電動轉轍機轉換道岔過程中的轉換力和工作電流，并通過RS232轉WiFi模塊對所測數據進行無線發送，通過手機、PDA等無線終端，可以顯示、保存、查看已測數據，能夠實時顯示轉換力與電流曲線，并可以很方便地對測量結果進行數據分析；兆歐表可以測量轉轍機機殼的絕緣性能，并通過RS485進行數據采集；考慮到儀器的便攜性，本系統采取DC 24 V大容量高密度可充電鋰電池供電，并經過分壓電路，為各種傳感器模塊、通信模塊提供DC 12 V電源。

1.3 儀器關鍵器件的選型

1.3.1 處理器

為了保證測量結果的準確性以及系統運行的可靠性，同時考慮到轉轍機測試儀的便攜性，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，并能夠擴展各種通信和功能插卡，可以很好地滿足儀器設計的需求。

1.3.2 傳感器

力傳感器選取φ25 mm銷式力傳感器，測量范圍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放濾波調整電路封裝在一起，實現測量信號的放大，使傳感器物理測量范圍等比于0～10 V電壓模擬量[5]。電流調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，可以同時對輸入信號進行濾波、放大以及阻抗變換。

圖2 電流調整電路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Modbus-RTU協議進行通訊。

1.3.3 通信模塊

在控制器與移動終端之間建立穩定可靠的通信連接、保證數據安全可靠傳輸是本設計的關鍵[6]。選取有人科技USR-WIFI232-B型通信模塊，遵守UART異步串口通信協議，可以實現RS232、RS485、RS422和工業以太網口的透明無線傳輸，支持與Windows/IOS/Android系統的手機/Pad等掌上終端通信[7]。 當通信模塊采用 AP（wireless access point）模式工作時，其原理如圖3所示。

圖3 WiFi模塊做AP時的應用Fig.3 Application of WiFi module for AP

2 數據采集及無線通信的PLC實現

2.1 數據采集的PLC實現

2.1.1 電流和力的測量

為了能夠精確采集轉轍機測試過程中的電流及轉換力，使用AFPX-AD2模擬輸入插卡作為A/D模數轉換工具，可以等比例地將電流傳感器和力傳感器的輸出模擬值轉化為數字量，再經過浮點型轉換、除以比例系數，從而間接地讀取電流和轉換力的值[8]。

2.1.2 絕緣電阻的測量

為了使PLC與兆歐表之間建立穩定通信，從而能夠實時地讀取轉轍機機殼絕緣電阻的大小，使用FPX-COM4通信插卡上的兩線制RS485通道與兆歐表依照MODBUS-RTU協議進行通信，表1所示為該指令MODBUS格式說明。

表1 MODBUS指令Tab.1 MODBUS instruction

此外，轉轍機測試過程中的道岔位置信號由外部電路通過PLC的2個I/O點給入，01代表道岔處于定位狀態，10代表處于反位狀態，00代表在定位與反位之間。

2.2 無線通信設計

考慮到常用的CC-Link、PC-Link等現場總線并不遵從UART異步串口通信協議，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議，有較強的適應性[9]。

由于本儀器的主要功能是測量轉轍機相關功能參數，所以通信簡單設計為“請求—應答”的讀寫模式，即在移動終端發送請求讀取PLC寄存器指令，發送周期為20 ms，PLC接收到該指令經過判斷后，將所測數據通過串口轉WiFi模塊寫回移動終端[10]，在沒有有效測量數據傳輸時移動端處于偵聽狀態。其報文定義格式如圖4所示。

圖4 請求和應答指令的報文格式Fig.4 Message format of the request and the response instruction

其中，請求指令報文格式為“起始符—讀功能碼—讀取寄存器個數—寄存器起始地址—結束符”；應答指令報文格式為“起始符—寫功能碼—寫入個數—所測數據—校驗—結束符”。PLC每個寄存器可以存儲2個字節，數據發送的時候分為高8位和低8位，所有數據都是以ASCII碼字符形式進行雙向傳送。由于傳送數據量較小，校驗方式選擇和校驗。

測量數據區date有4組有效數據，分別為道岔位置、轉轍機電機電流、道岔轉換力以及絕緣電阻。在PLC一側道岔位置信號占用一個16位寄存器，為了保證測量精度，所測其他3組數據包含6位小數，各占用2個寄存器。當道岔位置信號由01變為00時，表示道岔由定位開始向反位移動，移動端定時器啟動計時，當位置信號由00變為10時，表示到達反位，計時結束，從而得出此次測量的轉換時間。

3 客戶端的軟件層設計

針對智能手機的廣泛普及，開發了基于Android操作系統的轉轍機測試儀配套軟件。主要功能有：

1）通信：首先創建客戶端套接字，指定服務器端IP地址與端口號，并在創建Socket時實現自動連接，實現與服務器端PLC的通信。

2）解析存儲：根據指定的協議，解析出各種參數的值，存儲到Android自帶的微型數據庫SQLite，實現對PLC所測電流等數據進行紀錄和保存[11]。

3）查看記錄：從SQLite數據庫讀取各個參數的值，顯示到ListView里面，能夠在終端上實時顯示電流及轉換力的曲線圖，對于接收到的數據中過大異常值進行報警紀錄，并發出告警聲，以便排查轉轍機是否故障[12]。

4）數據共享：提供2種數據共享方式，可以選擇在終端連入互聯網后，通過Http協議，把所測數據以json的形式上傳到云端，還可以通過藍牙將所測數據進行本地設備間共享。

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 實驗結果

如圖6所示為在廣州地鐵公司試用本儀器對西門子S700K型轉轍機進行在軌檢測的電流曲線圖。從圖中可以看出，轉轍機最大解鎖電流在7 A左右，正常工作電流為1 A左右，道岔動作時間4 s左右，所測數據在正常范圍之內。

圖6 轉轍機電流曲線Fig.6 Current diagram of switch machine

實驗結果表明，本儀器可以準確地反映出轉轍機工作過程中的各工作狀態，配合基于WLAN的無線通信技術和智能終端的應用，提高了電動轉轍機測試效率。

5 結語

設計的基于小型PLC控制系統、WLAN無線通信技術以及移動智能終端的新型便攜式轉轍機測試儀，不僅實現了對轉轍機的在軌檢測，而且將無線通信與移動終端很好地融合到系統中去，通過搭建小型物聯網系統，實現了對測量數據的采集、傳輸、記錄和分析，使儀器更加智能化和人性化，大大提高了轉轍機的檢修效率。

[1]沈相宙.鐵路道岔養護[M].北京：中國鐵道出版社，2004：90-95.

[2]王安，袁學飛，彭志永.基于ARM的便攜式轉轍機測試儀的設計[J].計算機測量與控制，2006，14（9）：1269-1271.

[3]王灃浩，姜歌東，曹世勇.一種智能型轉轍機動態特性測試系統的研制[J].西安交通大學學報，2000，34（7）：1-5.

[4]江海洋.鐵路轉轍機測試與管理綜合系統的研究與開發[D].武漢：武漢理工大學，2005.

[5]閆衛剛.ZC-3型便攜式轉轍機綜合測試儀的開發與應用[J].太原鐵道科技，2013（3）：33-35.

[6]郭輝，傅成華，吳浩.基于nRF2401的PLC無線通信控制器[J].電子設計工程，2010，18（3）：113-115.

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

[8]梁明坤，陳關君，楊熠，等.基于WIFI的體溫監測傳感器設計[J].應用科技，2011，38（6）：25-29.

[9]劉國宏.無線電監控系統在自來水公司中的應用[J].自動化博覽，2006（8）：66-67.

[10]盧俊，柳旭.適用于PDA的PLC編程系統開發[J].廈門大學學報：自然科學版，2005，44（3）：363-366.

[11]魏天騏，羅慶生，王勇，等.基于安卓的智能儲物柜控制平臺設計[J].機械與電子，2013（3）：28-31.

[12]張傳真，張莉，江建軍.Android平臺無線視頻監控小車的設計[J].電子測量技術，2013，36（10）：19-22.