便攜式接觸網(wǎng)測(cè)量?jī)x的研制

陳興功 王 璐 上海鐵路局杭州供電段

在電氣化鐵路供電系統(tǒng)中，電力機(jī)車(chē)通過(guò)受電弓從接觸網(wǎng)導(dǎo)線(xiàn)獲得電能，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，接觸導(dǎo)線(xiàn)磨耗引起導(dǎo)線(xiàn)截面減小，導(dǎo)線(xiàn)電阻增大，導(dǎo)致接觸導(dǎo)線(xiàn)發(fā)熱，加劇導(dǎo)線(xiàn)磨損。如果掉線(xiàn)截面過(guò)小，將導(dǎo)致斷線(xiàn)，將給鐵路運(yùn)營(yíng)帶來(lái)巨大損失。所以及時(shí)有效地對(duì)接觸線(xiàn)進(jìn)行測(cè)量，顯得尤為重要。

按照現(xiàn)有的檢測(cè)手段，利用天窗時(shí)間封鎖線(xiàn)路，工人拿卡尺站在梯車(chē)平臺(tái)上近距離檢測(cè)。在提速后車(chē)輛密度增加，行車(chē)間隔縮短的情況下，該工作方式測(cè)量速度慢、效率低的問(wèn)題尤為突出，所以急需要一種便捷有效的測(cè)量方式來(lái)提高工作效率。

1 方案選定

本方案采用了測(cè)量接觸線(xiàn)殘高的測(cè)量方式。測(cè)量?jī)x分為數(shù)顯量具和手持式記錄器兩部分,如圖1所示。

圖1 數(shù)顯量具和手持式記錄器

數(shù)顯量具帶有彈簧的夾口，可以很方便迅速的夾在接觸線(xiàn)上，手持式記錄器，與數(shù)顯量具連接，能夠顯示測(cè)量得到的數(shù)據(jù)，并將數(shù)顯量具測(cè)得的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器中。測(cè)量過(guò)程中，工人僅需要將數(shù)顯量具卡住接觸線(xiàn)，不需要人工讀數(shù)測(cè)量，直接取得殘高值，并且儀器自動(dòng)記錄測(cè)量時(shí)間、測(cè)量數(shù)據(jù)、測(cè)量標(biāo)識(shí)號(hào)，免去了人工記錄的繁瑣，杜絕了人為錯(cuò)誤記錄。

采用本方案有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)精度高：容柵式數(shù)顯量具精度可以達(dá)到0.01 mm，甚至可以達(dá)到0.001 mm，完全滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)精度的要求。

(2)檢測(cè)直觀(guān)方便：手持式設(shè)備的液晶顯示屏能將測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，并且根據(jù)線(xiàn)型參數(shù)實(shí)時(shí)報(bào)警。

(3)設(shè)備經(jīng)濟(jì)實(shí)用，適于推廣：容柵數(shù)顯量具的價(jià)格適中，手持式記錄器方便實(shí)用，通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)查表?yè)Q算，將殘高值換算成相應(yīng)的面積，完全省去了繁瑣的人工查表過(guò)程，減輕了現(xiàn)場(chǎng)工作壓力，提高了工作效率，也提高了工作的正確性。非常適合現(xiàn)場(chǎng)推廣。

2 數(shù)顯量具的數(shù)據(jù)輸出

一般常見(jiàn)容柵式數(shù)顯量具輸出接口采用一種同步串行傳輸方式，在模塊組件設(shè)計(jì)了一個(gè)金手指接口，依次是電源地（Vneg）、數(shù)據(jù)（Data）、時(shí)鐘（Clock）、電源（Vpos），如圖 2所示。

圖2 容柵式數(shù)顯量具輸出接口

通過(guò)示波器實(shí)際測(cè)量，可以見(jiàn)到如圖3所示波形。上方波形是時(shí)鐘（Clock），下方波形是數(shù)據(jù)（Data）。數(shù)據(jù)的電平為1.5 V。在普通模式下，每隔0.3 s發(fā)送一組數(shù)據(jù)。

通過(guò)波形邏輯分析，得出輸出數(shù)據(jù)的組成關(guān)系如圖3。發(fā)送每組48位數(shù)據(jù)，前24位是絕對(duì)參數(shù)，這個(gè)數(shù)據(jù)和數(shù)顯量具的參數(shù)有關(guān)。后24位是相對(duì)參數(shù)，這個(gè)就是我們需要的測(cè)量值，它的數(shù)據(jù)組成是低位在前。

圖3 示波器實(shí)際測(cè)量波形

3 手持式記錄器的設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的需要，要求手持式記錄儀除了能夠獲取數(shù)顯量具的數(shù)據(jù)外，還要有實(shí)時(shí)報(bào)警功能、數(shù)據(jù)記錄功能、時(shí)鐘功能。設(shè)計(jì)框圖如圖4。

圖4 手持式記錄儀設(shè)計(jì)框圖

主控芯片選用Silicon Laboratories公司的C8051F310單片機(jī)作為主控制器，它是一種完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU芯片，內(nèi)部集成了大量功能部件。C8051F310使用Silicon Laboratories專(zhuān)利的高速CIP-51微控制器內(nèi)核，70%的指令執(zhí)行時(shí)間為一個(gè)或者兩個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期,是標(biāo)準(zhǔn)8051指令執(zhí)行速度的12倍。工作電壓為2.7 V～3.6 V，典型工作電流為5mA，低功耗的特性適合便攜式設(shè)備設(shè)計(jì)。

通過(guò)整形放大電路將數(shù)顯量具輸出的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)接入單片機(jī)IO口，配置外部中斷資源。通過(guò)軟件處理將數(shù)據(jù)讀取并轉(zhuǎn)化成需要的形式。

儀器中設(shè)計(jì)了相應(yīng)的時(shí)鐘芯片、EEPROM存儲(chǔ)器、USB接口電路、點(diǎn)陣式液晶模塊、按鍵、蜂鳴器。

4 程序設(shè)計(jì)

接觸線(xiàn)殘高測(cè)量?jī)x的軟件主要分記錄器單片機(jī)程序、上位機(jī)程序。手持式記錄器內(nèi)的單片機(jī)程序主要完成對(duì)手持設(shè)備內(nèi)元件的初始化、單片機(jī)內(nèi)資源配置及相關(guān)應(yīng)用模塊的調(diào)用。不但要完成數(shù)顯量具發(fā)送的數(shù)據(jù)的解釋和換算，還包含了液晶菜單顯示、存儲(chǔ)器管理、密碼管理、電能監(jiān)視等功能，所以程序管理顯得尤為重要。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用了狀態(tài)機(jī)的方式來(lái)管理各個(gè)功能。程序中MenuState用于標(biāo)識(shí)菜單編號(hào)，不同的取值代表不同的功能界面，在主循環(huán)中對(duì)其進(jìn)行判斷，進(jìn)入相應(yīng)的菜單子函數(shù)，每個(gè)菜單子函數(shù)首先載入相應(yīng)的顯示內(nèi)容和輸入輸出信息，子函數(shù)完成后，對(duì)MenuState返回一個(gè)值，實(shí)現(xiàn)進(jìn)入下一級(jí)菜單或回到主界面的功能。程序簡(jiǎn)單易行，便于進(jìn)一步擴(kuò)展。 以下是部分源程序。while(1)//主循環(huán)函數(shù)

{

switch(MenuState)//狀態(tài)標(biāo)識(shí)符

{

case 0： MenuScreen();break;//主菜單顯示界面 0 case 1： SaveDocScreen(1);break;//存檔選擇界面(1=進(jìn)入工作)

case 2： SaveDocScreen(2);break;//存檔選擇界面(2=瀏覽)

case 3： SetScreen();break;//設(shè)置界面 3

case 11：FileScreen(KeyState);break;//存檔信息界面11

case 111：WorkScreen(KeyState);break;//工作界面 111

case 21：ScanScreen(KeyState);break;//瀏覽界面 21

case 31：PasswordScreen();break;//密碼設(shè)置界面 31

case 32：TimeSetScreen();break;//時(shí)間設(shè)置界面 32

default：break;}}

上位機(jī)程序采用VisualBasic編寫(xiě)，通過(guò)MSCOMM控件與儀器實(shí)現(xiàn)通訊。USB連接后，軟件可以自動(dòng)檢測(cè)到設(shè)備，手持儀器中選擇需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)檔，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)程序后，程序可根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)自動(dòng)解釋出作業(yè)地點(diǎn)、作業(yè)時(shí)間、接觸線(xiàn)線(xiàn)型、工號(hào)、測(cè)量數(shù)據(jù)等，并將其繪制成Excel表格。根據(jù)測(cè)量得到得殘高值，軟件自動(dòng)查表得出磨損面積，省去了繁瑣的人工查表。程序界面見(jiàn)圖5。程序生成的Excel表格見(jiàn)圖6。

圖5 程序界面見(jiàn)圖

圖6 程序生成的Excel表格

5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和后期改進(jìn)工

試制成功的便攜式接觸網(wǎng)測(cè)量?jī)x交付杭州鐵路供電段金華電力工區(qū)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)該儀器進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，并在窗口時(shí)間進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。在試驗(yàn)過(guò)程中同時(shí)采取傳統(tǒng)測(cè)量方法進(jìn)行對(duì)比，便攜式接觸網(wǎng)測(cè)量?jī)x在工作效率、測(cè)量精度以及制表正確率上都大大提高，得到了現(xiàn)場(chǎng)廣泛好評(píng)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工人試驗(yàn)的反饋意見(jiàn)，結(jié)合目前電氣化鐵路發(fā)展要求，便攜式接觸網(wǎng)測(cè)量?jī)x要結(jié)合無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)和GPS全球定位技術(shù)，自動(dòng)標(biāo)示測(cè)量值的位置信息和時(shí)間信息，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)分析測(cè)量得到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行總體的分析和估算，提高對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備的監(jiān)測(cè)力度和效率，為智能化鐵路建設(shè)作出貢獻(xiàn)。

6 結(jié)論

本設(shè)計(jì)針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作情況，設(shè)計(jì)并制作了實(shí)用的便攜式接觸線(xiàn)測(cè)量設(shè)備，在經(jīng)濟(jì)性、便捷性、有效性上取得了比較理想的效果，適合推廣。