一種三軌受流器線路試驗上位機的設計與應用

胡旺勝, 魏衍成, 岳 偉

中車株洲電力機車有限公司, 湖南 株洲 412001

0 引言

地鐵車輛是復雜的機電一體化產品,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量的優劣,并影響車輛運行的品質,而第三軌受流器的受流質量即電流通過滑板的流暢程度[1]。滑板與第三軌動態受流特性是影響第三軌供電系統研究可靠性的關鍵技術問題[2]。而影響第三軌受流器受流質量的因素有很多,如縱向、橫向、垂向沖擊力、沖擊加速度[3-5]等。通過檢測并收集三軌受流器集電靴垂向壓力、縱向壓力、關鍵部位應力以及3個方向加速度等數據并進行計算分析,可直觀顯示最終線路試驗數據,以滿足后續運用工況分析的要求。

雖然現有諸多監測硬件已經有成熟的應用方案與案例,但對于與硬件結合分析的上位機軟件的開發仍無法達到實際工況的應用預期。假定車輛最高時速為120 km/h,則上位機軟件須具有極高的響應速度與采樣頻率,才能獲取足夠詳細的樣本數據用于受流器的工況分析,但市面上成熟的上位機僅具有協議數據顯示功能,無法顯示最終試驗數據,亦無法滿足試驗要求,因此設計一款具備協議數據級最終試驗數據顯示功能的上位機具有非常重要的意義。

1 總體方案

本次上位機設計基于成熟的弓網檢測光纖傳感系統,系統主要配置如表1所示。其中,受流器與第三軌的線路試驗數據由各光電傳感器采集,經光纖傳感分析儀進行信號解調、補償修正后,通過以太網向上位機發送。

表1 弓網檢測光纖傳感系統配置

1.1 需求分析

上位機軟件需要采集并存儲的受流器集電靴的數據共6項,分別是垂向壓力、縱向壓力、關鍵部位應力、垂向加速度、橫向加速度和縱向加速度。

按照車輛最高時速120 km/h估算,要取得足夠詳細的數據用于工況分析,上位機的通信頻率至少需要達到100 Hz/次(即10 ms/次)。

根據現有弓網檢測光纖傳感系統的通信接口與協議,上位機須采用以太網接口通信,協議為UDP協議,協議中將需要采集的6項數據從浮點轉為整形,擴大了10 000倍精度,即實際值為1.0,網絡傳輸值為10 000,數據類型為double word。

1.2 軟件開發

1.2.1 開發工具

根據上述需求,綜合考慮性能要求、開發效率和后續的可擴展性,選擇.NET平臺的WinForm框架進行上位機開發,使用C#語言進行編程。

1.2.2 人機界面

軟件人機界面設計如圖1所示。

圖1 軟件人機界面設計

設計有實時數據、歷史數據、控件3個區域。實時數據區域顯示經過計算與濾波之后的數據,更新周期為0.5 s;歷史數據區域顯示試驗過程中記錄的數據,記錄周期為4 ms,提供曲線圖和表格2種顯示方式;控件區域提供通信啟動/停止和導出數據2項功能,導出數據可將軟件記錄的數據以Excel的格式導出。

1.2.3 軟件開發

根據需求分析結果,對軟件進行設計,設計流程如圖2所示,執行周期為5 ms,同時,根據設計流程完成軟件的設計與開發,如圖3所示。

圖2 軟件設計流程

圖3 上位機軟件開發

1.2.4 初版程序驗證

按上述軟件流程完成程序開發后,通過模擬仿真環境對上位機軟件進行測試,發現存在2個問題:一是同時進行數據接收、記錄和圖表更新,數據量較大后,圖表更新占用時間較多,無法保證4 ms的執行周期,大約連續記錄15 min后,執行速度減慢到2～3次/s;二是記錄數據量較多后,執行導出指令占用內存較大,導出速度慢,容易死機。

1.2.5 程序優化

為解決上述問題,將上位機軟件拆分為2個:數據存儲上位機負責實時數據顯示與儲存,數據顯示上位機負責讀取儲存數據并顯示。優化后的程序流程如圖4所示。

圖4 優化后的程序流程

2 上位機軟件線路驗證

對已完成優化的上位機軟件進行線路試驗,實時顯示數據,并以4 ms為周期記錄,總體顯示效果如圖5所示。

圖5 上位機總體顯示效果

同時,上位機可讀取數據并顯示曲線,如圖6所示;可對壓力曲線、加速度曲線進行局部放大,如圖7所示;可顯示已記錄的線路數據,如圖8所示。

圖6 讀取數據并顯示曲線

圖7 曲線局部放大

圖8 顯示記錄數據

3 結束語

通過上位機的設計與開發,與試驗設備配合,實現了受流器運行過程中各項參數的采集、處理、顯示和存儲功能,完全滿足了線路試驗要求。與現有的上位機相比,具備以下應用優勢。

1)同時具備協議數據顯示及最終試驗數據顯示功能,完全滿足線路試驗需求。

2)最高實現了500 Hz的通信頻率,盡可能減小了試驗數據的時間顆粒度,為分析受流器工況提供了詳實的數據支持。

3)采用多文件記錄的方式,實現了試驗數據的長時間持續記錄,保證了線路試驗過程中數據的完整性。

4)本上位機軟件框架可擴展性強,可快速進行二次開發,以滿足各型受流器與受電弓的線路試驗需求。