基于LabVIEW 和超聲波傳感器的受電弓試驗平臺設計

梁增提 廖金團 梁家興 梁正智 唐 健

（柳州城市職業(yè)學院，廣西 柳州 545036）

受電弓是電力機車的一個重要電器，其弓頭滑板在工作高度范圍內(nèi)對接觸網(wǎng)導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，機車運行時易產(chǎn)生離線；壓力偏大，則機械磨損增加，甚至造成滑板局部拉槽，進而造成接觸導線彈跳拉弧，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，在保證對接觸網(wǎng)和受電弓底架無有害沖擊的前提下，升降弓的時間應盡可能短。

機車受電弓在出廠前或檢修后須測試和調(diào)整其靜態(tài)特性及升降弓時間，以保證狀態(tài)良好。傳統(tǒng)的測試方法是人工檢測、使用便攜式檢測儀或其他檢測設備。人工檢測費時費力且精度低，而便攜式檢測儀和通常的檢測設備一般采用單片機做主控制器，對超聲波傳感器的高度和拉力傳感器的拉力等模擬量信號進行轉(zhuǎn)換，再傳輸給上位機軟件進行數(shù)據(jù)處理。其設備復雜，開發(fā)周期長，可靠性差，調(diào)試不便。本文旨在研究使用LabVIEW 軟件平臺同各傳感器模塊進行數(shù)字化的通信，以開發(fā)簡單易調(diào)，可靠性高，開發(fā)周期短的檢測設備。

1 總體方案

如圖1 所示，空氣彈簧通入壓縮空氣后驅(qū)動受電弓上升，升弓到機械極限高度時，掛在弓頭滑板上的限位拉繩帶動限位開關動作，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)的上位機軟件計算得到升降弓時間。

圖1 受電弓試驗平臺示意圖

進行受電弓的靜態(tài)特性測試時，在減速電機的驅(qū)動下，由掛在弓頭滑板上的牽引鋼絲繩帶動受電弓勻速上升和下降，同時拉動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)，上位機軟件實時繪制升弓、降弓靜態(tài)特性曲線和同高壓力差曲線，并計算最大同高壓力差和最大同向壓力差等數(shù)據(jù)。

上位機軟件將數(shù)字化通信采集到的大量數(shù)據(jù)進行快速且高效的TDMS 數(shù)據(jù)存儲，并生成試驗報告供工作人員打印。

2 串行通信

如圖2 所示，工控機通過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；并發(fā)出空氣彈簧電磁閥通斷電和減速電機正反轉(zhuǎn)等控制信號。

圖2 數(shù)據(jù)通信鏈路示意圖

上位機軟件中使用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，無奇偶校驗和流控制，通信超時1 秒。分別設置負責轉(zhuǎn)換拉力傳感器信號的模擬量轉(zhuǎn)RS485 模塊、串口繼電器和超聲波傳感器的設備地址為01、02 和0xe8（默認）。

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)對串口發(fā)送設備地址0xe8、寄存器0x02、命令0xb4（檢測范圍0～5M，返回0x0a～0x1450mm 數(shù)據(jù)）后，暫停數(shù)據(jù)流等待180ms 響應時間，通過Bytes at Port 屬性節(jié)點檢查接收緩沖區(qū)返回的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)為2 時，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)返回的十六進制字符串數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為字節(jié)數(shù)組，然后取出這2 個字節(jié)的整數(shù)數(shù)據(jù)進行拼接，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)

對串口寫入設備地址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 個輸入通道的模擬量輸入值）和CRC 校驗碼F1CC 后，模擬量轉(zhuǎn)RS485 模塊將響應21 個字節(jié)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)格式為：設備地址0x01+0x04+字節(jié)數(shù)0x10+8 個通道的高字節(jié)和低字節(jié)數(shù)據(jù)+CRC 校驗碼。使用VISA 讀取函數(shù)獲取接收緩沖區(qū)中的十六進制字符串數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為字節(jié)數(shù)組后取出第4 和第5個整數(shù)數(shù)據(jù)（模擬量輸入通道1）進行拼接，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）進行工程變換，乘以9.8（1kgf=9.8N）即為拉力傳感器檢測到的拉力（牛），也即受電弓的靜態(tài)接觸壓力。工程變換的計算式為：實時物理量=物理量下限+（物理量上限-物理量下限）*（實時數(shù)字量-數(shù)字量下限）/（數(shù)字量上限-數(shù)字量下限）。

2.3 讀限位開關狀態(tài)

對串口寫入設備地址0x02、功能碼0x02（讀開關量輸入狀態(tài)）、寄存器地址（0000，從第一個輸入信號寄存器開始查詢），寄存器數(shù)（0004，查詢4 個輸入信號的狀態(tài)）和CRC 校驗碼79FA 后，串口繼電器模塊響應6 個字節(jié)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)格式為：設備地址0x02+0x02+字節(jié)數(shù)0x01+4 個輸入信號的狀態(tài)數(shù)據(jù)（1 個字節(jié)）+CRC 校驗碼（2 個字節(jié)）。轉(zhuǎn)換響應數(shù)據(jù)為字節(jié)數(shù)組后取出第4 個整數(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 上的限位開關狀態(tài)，此信號用于升降弓時間測試時判斷受電弓是否上升到了最大高度。

3 程序設計

上位機主界面組態(tài)了拉力測試、升降弓時間測試和手動收放線等試驗按鈕，用于顯示受電弓靜態(tài)特性曲線的XY圖和高度、拉力、升降弓時間等實時數(shù)據(jù)的控件，以及操作員、車號、編號及型號等信息框，如圖3 所示。其中，當點擊保存數(shù)據(jù)圖按鈕時，如果信息填寫不完整或XY 圖沒有試驗數(shù)據(jù)時，彈出提示框并不予保存試驗記錄。程序框架采用生產(chǎn)者/消費者的程序設計模式，通過事件結(jié)構(gòu)響應各個按鈕的操作，并利用隊列操作函數(shù)將該事件要做的動作信息入隊列，然后在主循環(huán)中將信息出隊列并利用條件結(jié)構(gòu)進行相應的計算和處理。其中，收放線功能是手動控制減速電機正反轉(zhuǎn)，將牽引鋼絲繩放出或收回到適合操作的長度。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作。程序中判斷拉力大于20N 時才發(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）時停止電機。

圖3 試驗臺主界面

3.1 升降弓時間測試

將限位拉繩掛裝在受電弓弓頭滑板上（升弓到最大高度時，拉繩帶動金屬體觸發(fā)限位開關動作），將超聲波傳感器放在弓頭下方，即可開始升降弓時間測試：上位機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，開始升弓時間計時。當受電弓上升到最大高度時，限位拉繩帶動末端金屬體接近限位開關，上位機接收到限位開關ON 信號后停止計時，計算得到升弓時間；經(jīng)過2 秒的停留后，上位機發(fā)出DO1 OFF 的指令，空氣彈簧電磁閥斷電，受電弓靠自重下降，開始降弓時間計時，直到受電弓下降到初始高度時停止。程序流程如圖4 所示。

圖4 升降弓時間測試流程圖

3.2 靜態(tài)特性測試

將牽引鋼絲繩掛裝在受電弓弓頭滑板上，開始拉力測試：記錄弓頭的初始高度，同時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時檢測鋼絲繩的拉力，當拉力≥40N 時，說明鋼絲繩已經(jīng)被拉緊受力，減速電機開始正轉(zhuǎn)放線，讓受電弓勻速升弓，同時繪制升弓靜態(tài)特性曲線。受電弓準備上升到最大高度時，拉力會慢慢降低，當拉力＜40N 時，說明受電弓已經(jīng)上升到最大高度，減速電機停止放線。

停留10 秒后，減速電機反轉(zhuǎn)收線，牽引受電弓勻速降弓，同時繪制降弓靜態(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，減速電機停止收線，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)特性測試流程圖

靜態(tài)特性測試采用枚舉型對象結(jié)合條件結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)進行流程控制，并通過XY 圖實時繪制特性曲線。試驗臺需要繪制升弓、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)將這些實時值組成數(shù)組，再分別捆綁成簇，并組合成三條曲線的簇數(shù)組供XY 圖顯示。測試流程進入升弓階段時，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。程序記錄進入停留階段的開始時間和此時的最大高度，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，表征了受電弓各運動鏈接部分的摩擦力大小[2]。因升弓和降弓的高度數(shù)據(jù)是實時數(shù)據(jù)，不是相同的線性細分，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。然后對這兩個值進行0.01 米的細分，作為高度數(shù)據(jù)對升弓和降弓拉力分別進行一維線性插值，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

上位機采用TDMS 文件的形式存取試驗數(shù)據(jù)，TDMS 文件是LabVIEW 推出的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，它以二進制方式存儲數(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)庫對海量實時數(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 時間格式的當前日期和時間作為組名，各項數(shù)據(jù)的名稱為通道名，將受電弓的信息和試驗數(shù)據(jù)保存起來。點擊打開數(shù)據(jù)圖按鈕時，程序彈出試驗記錄子VI，并使用打開、列出內(nèi)容和讀取等TDMS 函數(shù)將各臺受電弓的試驗記錄信息列出到多列列表框中。操作人員選中某條記錄時，程序?qū)⒆x取該記錄的詳細數(shù)據(jù)，將三條特性曲線顯示在XY 圖中，同時計算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。當點擊打印報表按鈕時，程序通過創(chuàng)建報表函數(shù)根據(jù)預設的模板創(chuàng)建報表，并通過添加報表文本函數(shù)和添加控件圖像至報表函數(shù)將各項試驗數(shù)據(jù)和XY 圖添加到報表中。最后通過打印報表函數(shù)將生成的報表輸出到系統(tǒng)默認的打印機進行打印。

4 試驗平臺測試

使用軟硬件安裝調(diào)試完成的試驗平臺對一臺檢修后的某型號受電弓進行出廠前的靜態(tài)特性和升降弓時間試驗，如圖6 所示。最終生成的試驗報告如圖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，升弓時間7.8 秒，降弓時間5.6 秒。參照該型受電弓檢修規(guī)程的各項數(shù)據(jù)，判定此臺受電弓為合格產(chǎn)品。經(jīng)比對其他檢測設備的試驗結(jié)果，與此試驗平臺的試驗數(shù)據(jù)偏差很小。

圖6 受電弓靜態(tài)特性試驗

圖7 試驗報告

結(jié)束語

上位機和各信號模塊直接進行RS485 通信的受電弓試驗平臺，免去了單片機復雜的軟硬件開發(fā)。同時，得益于LabVIEW 功能強大、簡單易用的圖形化編程，大大縮短了開發(fā)周期，保證了試驗平臺的可靠性，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。試驗平臺已在工程現(xiàn)場應用，將本方案稍做修改，即可應用于其它類似的場合中，具有一定的推廣價值。