一種三軌受流器線路試驗(yàn)上位機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

胡旺勝, 魏衍成, 岳 偉

中車株洲電力機(jī)車有限公司, 湖南 株洲 412001

0 引言

地鐵車輛是復(fù)雜的機(jī)電一體化產(chǎn)品,受流器則是地鐵車輛極其重要的電器部件。受流器與第三軌的接觸狀況將直接決定取流質(zhì)量的優(yōu)劣,并影響車輛運(yùn)行的品質(zhì),而第三軌受流器的受流質(zhì)量即電流通過(guò)滑板的流暢程度[1]。滑板與第三軌動(dòng)態(tài)受流特性是影響第三軌供電系統(tǒng)研究可靠性的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題[2]。而影響第三軌受流器受流質(zhì)量的因素有很多,如縱向、橫向、垂向沖擊力、沖擊加速度[3-5]等。通過(guò)檢測(cè)并收集三軌受流器集電靴垂向壓力、縱向壓力、關(guān)鍵部位應(yīng)力以及3個(gè)方向加速度等數(shù)據(jù)并進(jìn)行計(jì)算分析,可直觀顯示最終線路試驗(yàn)數(shù)據(jù),以滿足后續(xù)運(yùn)用工況分析的要求。

雖然現(xiàn)有諸多監(jiān)測(cè)硬件已經(jīng)有成熟的應(yīng)用方案與案例,但對(duì)于與硬件結(jié)合分析的上位機(jī)軟件的開發(fā)仍無(wú)法達(dá)到實(shí)際工況的應(yīng)用預(yù)期。假定車輛最高時(shí)速為120 km/h,則上位機(jī)軟件須具有極高的響應(yīng)速度與采樣頻率,才能獲取足夠詳細(xì)的樣本數(shù)據(jù)用于受流器的工況分析,但市面上成熟的上位機(jī)僅具有協(xié)議數(shù)據(jù)顯示功能,無(wú)法顯示最終試驗(yàn)數(shù)據(jù),亦無(wú)法滿足試驗(yàn)要求,因此設(shè)計(jì)一款具備協(xié)議數(shù)據(jù)級(jí)最終試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示功能的上位機(jī)具有非常重要的意義。

1 總體方案

本次上位機(jī)設(shè)計(jì)基于成熟的弓網(wǎng)檢測(cè)光纖傳感系統(tǒng),系統(tǒng)主要配置如表1所示。其中,受流器與第三軌的線路試驗(yàn)數(shù)據(jù)由各光電傳感器采集,經(jīng)光纖傳感分析儀進(jìn)行信號(hào)解調(diào)、補(bǔ)償修正后,通過(guò)以太網(wǎng)向上位機(jī)發(fā)送。

表1 弓網(wǎng)檢測(cè)光纖傳感系統(tǒng)配置

1.1 需求分析

上位機(jī)軟件需要采集并存儲(chǔ)的受流器集電靴的數(shù)據(jù)共6項(xiàng),分別是垂向壓力、縱向壓力、關(guān)鍵部位應(yīng)力、垂向加速度、橫向加速度和縱向加速度。

按照車輛最高時(shí)速120 km/h估算,要取得足夠詳細(xì)的數(shù)據(jù)用于工況分析,上位機(jī)的通信頻率至少需要達(dá)到100 Hz/次(即10 ms/次)。

根據(jù)現(xiàn)有弓網(wǎng)檢測(cè)光纖傳感系統(tǒng)的通信接口與協(xié)議,上位機(jī)須采用以太網(wǎng)接口通信,協(xié)議為UDP協(xié)議,協(xié)議中將需要采集的6項(xiàng)數(shù)據(jù)從浮點(diǎn)轉(zhuǎn)為整形,擴(kuò)大了10 000倍精度,即實(shí)際值為1.0,網(wǎng)絡(luò)傳輸值為10 000,數(shù)據(jù)類型為double word。

1.2 軟件開發(fā)

1.2.1 開發(fā)工具

根據(jù)上述需求,綜合考慮性能要求、開發(fā)效率和后續(xù)的可擴(kuò)展性,選擇.NET平臺(tái)的WinForm框架進(jìn)行上位機(jī)開發(fā),使用C#語(yǔ)言進(jìn)行編程。

1.2.2 人機(jī)界面

軟件人機(jī)界面設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 軟件人機(jī)界面設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、控件3個(gè)區(qū)域。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域顯示經(jīng)過(guò)計(jì)算與濾波之后的數(shù)據(jù),更新周期為0.5 s;歷史數(shù)據(jù)區(qū)域顯示試驗(yàn)過(guò)程中記錄的數(shù)據(jù),記錄周期為4 ms,提供曲線圖和表格2種顯示方式;控件區(qū)域提供通信啟動(dòng)/停止和導(dǎo)出數(shù)據(jù)2項(xiàng)功能,導(dǎo)出數(shù)據(jù)可將軟件記錄的數(shù)據(jù)以Excel的格式導(dǎo)出。

1.2.3 軟件開發(fā)

根據(jù)需求分析結(jié)果,對(duì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)流程如圖2所示,執(zhí)行周期為5 ms,同時(shí),根據(jù)設(shè)計(jì)流程完成軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā),如圖3所示。

圖2 軟件設(shè)計(jì)流程

圖3 上位機(jī)軟件開發(fā)

1.2.4 初版程序驗(yàn)證

按上述軟件流程完成程序開發(fā)后,通過(guò)模擬仿真環(huán)境對(duì)上位機(jī)軟件進(jìn)行測(cè)試,發(fā)現(xiàn)存在2個(gè)問(wèn)題:一是同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收、記錄和圖表更新,數(shù)據(jù)量較大后,圖表更新占用時(shí)間較多,無(wú)法保證4 ms的執(zhí)行周期,大約連續(xù)記錄15 min后,執(zhí)行速度減慢到2～3次/s;二是記錄數(shù)據(jù)量較多后,執(zhí)行導(dǎo)出指令占用內(nèi)存較大,導(dǎo)出速度慢,容易死機(jī)。

1.2.5 程序優(yōu)化

為解決上述問(wèn)題,將上位機(jī)軟件拆分為2個(gè):數(shù)據(jù)存儲(chǔ)上位機(jī)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示與儲(chǔ)存,數(shù)據(jù)顯示上位機(jī)負(fù)責(zé)讀取儲(chǔ)存數(shù)據(jù)并顯示。優(yōu)化后的程序流程如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后的程序流程

2 上位機(jī)軟件線路驗(yàn)證

對(duì)已完成優(yōu)化的上位機(jī)軟件進(jìn)行線路試驗(yàn),實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù),并以4 ms為周期記錄,總體顯示效果如圖5所示。

圖5 上位機(jī)總體顯示效果

同時(shí),上位機(jī)可讀取數(shù)據(jù)并顯示曲線,如圖6所示;可對(duì)壓力曲線、加速度曲線進(jìn)行局部放大,如圖7所示;可顯示已記錄的線路數(shù)據(jù),如圖8所示。

圖6 讀取數(shù)據(jù)并顯示曲線

圖7 曲線局部放大

圖8 顯示記錄數(shù)據(jù)

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上位機(jī)的設(shè)計(jì)與開發(fā),與試驗(yàn)設(shè)備配合,實(shí)現(xiàn)了受流器運(yùn)行過(guò)程中各項(xiàng)參數(shù)的采集、處理、顯示和存儲(chǔ)功能,完全滿足了線路試驗(yàn)要求。與現(xiàn)有的上位機(jī)相比,具備以下應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

1)同時(shí)具備協(xié)議數(shù)據(jù)顯示及最終試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示功能,完全滿足線路試驗(yàn)需求。

2)最高實(shí)現(xiàn)了500 Hz的通信頻率,盡可能減小了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的時(shí)間顆粒度,為分析受流器工況提供了詳實(shí)的數(shù)據(jù)支持。

3)采用多文件記錄的方式,實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)記錄,保證了線路試驗(yàn)過(guò)程中數(shù)據(jù)的完整性。

4)本上位機(jī)軟件框架可擴(kuò)展性強(qiáng),可快速進(jìn)行二次開發(fā),以滿足各型受流器與受電弓的線路試驗(yàn)需求。