基于機器人實現(xiàn)的司機控制器自動檢測系統(tǒng)

段鵬龍，董瑞林

（西安沙爾特寶電氣有限公司，西安 710000）

標動司控器作為司機用來操縱動車組運行的主令控制器，其的主要功能為施加牽引、制動指令、確認列車操縱模式和實現(xiàn)車輛的啟動調速等功能[1]。標動司控器輸出開關量信號給到列車網(wǎng)絡系統(tǒng)來進行列車的控制，因此輸出信號的準確與否直接關系到列車的安全運行。每臺司控器必須進行準確可靠的檢測，以確保出廠的產(chǎn)品符合例行試驗大綱的要求，本文介紹的檢測系統(tǒng)在保證檢測準確的前提下，大大提高了檢測效率。通過PLC精準控制機器人手臂動作[2]，模擬人手操縱司控器，同時設計電平電壓采集電路[3]，得到司機控制器中各擋位開關閉合數(shù)據(jù)和編碼器輸出值以及手柄力輸出值，利用LabVⅠEW上位機，對采集到的數(shù)據(jù)進行解算、處理，并與PLC進行通信[4]，同時與數(shù)據(jù)庫中給定值進行對比判斷，將相關指令反饋給機器人，并將結果輸出到顯示屏。

1 檢測系統(tǒng)的組成

該檢測系統(tǒng)主要測試司控器各檔位速動開關閉合值、編碼器輸出值及手柄力是否與設定值相符合。系統(tǒng)的組成主要包括：LabVⅠEW軟件控制系統(tǒng)、工控機和NⅠ板卡、西門子PLC、機器人及力傳感器與顯示屏等。開始檢測時，安裝在司控器手柄附近的工業(yè)相機對手柄的起始位置進行拍照識別，若手柄未在正確位置，系統(tǒng)會報警提示，需要人為干預。檢測過程為PLC控制機器人手柄沿著給定路線運行，手柄端部安裝的力傳感器撥動司控器檔位手柄在各檔位間平穩(wěn)運行，同時將手柄操作力傳遞給信號采集器。在機器臂推動司控器手柄運行的過程中，和速動開關輸出端連接的快接插頭將9組開關的通斷信號傳遞給PLC，經(jīng)LabVⅠEW軟件解析運算后與數(shù)據(jù)庫中給定值進行比較，將結果傳送至顯示屏。標動司控器在不同檔位輸出對應開關信號時，編碼器也一一對應輸出相應的開關信號，板卡采集到編碼器的開關信號和力傳感器的電壓信號后，由LabVⅠEW軟件進行解算，并與數(shù)據(jù)庫中的給定值進行比較，同時將結果輸出至顯示屏，這樣測試人員可以很直觀地對司控器的功能進行判斷。該檢測系統(tǒng)的總設計框圖如圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)原理框圖

2 各子系統(tǒng)的實現(xiàn)方式

2.1 速動開關輸出信號的處理

標準動車組用司控器有9組速動開關，每組開關有2個觸點，分別為常開觸點和常閉觸點，因此可設計18路開關信號來表示手柄在不同檔位時的開關組合狀態(tài)。給每一路通入24 V直流電源，接通時記為高電平1，斷開時記為低電平0。在可編程邏輯控制器PLC控制機器人撥動手柄至某一檔位時，輸出18路不同的開關量信號，此時PLC采集到一串二進制數(shù)給到LabVⅠEW上位機，然后按從低到高排列，并轉化為十進制數(shù)，與數(shù)據(jù)庫中的設定值進行對比，并將結果存入顯示屏。例如當手柄此時在“C位置”，對應開關信號是“000001111101101001”，顯示器顯示“8 041”，與設定值相符，判定為“OK”。測試示意圖如圖2所示。

圖2 速動開關測試示意圖

2.2 編碼器輸出信號的處理

標準動車組用司控器有2組相同的編碼器，同時輸出2路格雷碼信號[5]，互為冗余設計，極大地保證了列車的安全運行。每組格雷碼由9位二進制數(shù)組成，檢測時，給編碼器接入24 V DC工作電壓，隨著司控器手柄的轉動，板卡會接收到編碼器輸出連續(xù)的格雷碼信號，根據(jù)機器人的位置確定某一檔位的編碼器輸出值，當信號達到穩(wěn)態(tài)時，采集到的數(shù)據(jù)即為該位置對應的編碼器輸出值。需要特別注意的是，為了盡可能真實地反映人手扳動司控器手柄的狀態(tài)，在機器人路徑設計時，在快要到達指定位置時，使機器臂緩慢推動手柄，最終依靠手柄的慣性力滑入相應位置，為了防止手柄“越位”，需要在此設定編碼器輸出值判定條件，是否在規(guī)定的在區(qū)間內，若超出，需要給到PLC信號，控制機器臂將手柄回退。當板卡將采集到的二進制數(shù)傳遞給LabVⅠEW軟件時，由軟件進行解算，并與設定值進行比較分析，同時將結果輸出至顯示屏，并與PLC進行通信，控制機器臂的下一步運行。測試示意圖如圖3所示。

圖3 編碼器測試示意圖

2.3 手柄操作力信號的處理

機器臂在推動司控器手柄動作的過程中，力傳感器將對應的模擬電壓信號輸入到板卡中，板卡采集到0～5 V直流電壓信號。由于司控器在每一檔位有定位特性，在推動手柄時，電壓值會跳變，使用LabVⅠEW軟件設置一種算法，拾取2個檔位之間的峰值電壓，根據(jù)力傳感器的特性，換算成相應的力值，即為該檔位的手柄操作力。測試示意圖如圖4所示。

圖4 手柄力測試示意圖

3 測試系統(tǒng)軟件

軟件部分采用LabVⅠEW軟件為開發(fā)工具平臺，搭載機器人自帶的數(shù)據(jù)庫軟件，在Windows 7操作系統(tǒng)下開發(fā)。測試系統(tǒng)軟件主要包括系統(tǒng)控制模塊、原始數(shù)據(jù)庫錄入模塊、身份管理模塊、速動開關測試模塊、編碼器測試模塊、手柄力測試模塊和數(shù)據(jù)處理與顯示模塊等，軟件的測試界面如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)測試界面

3.1 測試系統(tǒng)的權限功能

因該測試系統(tǒng)具有較強的專業(yè)性，需要有資質的人員操作，為了防止其他人誤操作而損壞設備，在系統(tǒng)操作前需要進行身份識別。員工ⅠC卡是員工身份識別的有效憑證，目前大部分員工卡是非接觸式ⅠC卡，具有操作方便，識別快速的特點，卡內儲存有員工工號等信息，設備管理員將培訓合格人員的員工編號提前錄入系統(tǒng)中，在操作時，操作人員先刷卡，系統(tǒng)將讀卡器采集到的員工編號與數(shù)據(jù)庫中錄入的編號進行比對，相符后才可進入測試界面，這樣可以有效保護測試系統(tǒng)。

3.2 測試軟件的通信功能

每臺司控器測試完畢會生成相應的測試報告，為了管理方便及隨時查看報告內容。軟件通過系統(tǒng)內置的無線通信模塊與公司內部局域網(wǎng)進行連接，將測試報告保存在本地服務器上，通過內部網(wǎng)絡權限配置，相關職能人員可以很方便地調取測試報告。

3.3 軟件測試流程

軟件測試流程示意圖如圖6所示。

圖6 軟件測試流程示意圖

4 結束語

目前，基于該方案的司機控制器自動檢測系統(tǒng)在我公司已經(jīng)投入使用，其檢測方便、高效，自動化程度高，大大解放了生產(chǎn)力，尤其在批量化檢測中，顯示出極大的優(yōu)勢。