列車輪對踏面故障在線檢測系統研究

閆金陽，方素平

(合肥工業大學航空結構件成形制造與裝備安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230009)

0 引言

列車輪對作為列車行走的重要部件，是列車行車安全的重要保證，對列車輪對踏面故障進行檢測，及時排除由車輪踏面故障引起的行車安全隱患是極其必要的[1-2]。傳統的依賴人工測量的手段存在著效率低和實時性差的問題，對車輪踏面進行實時測量的需求日益提高。本文設計的基于STM32F03VET6和UC/OS-Ⅲ實時操作系統的列車輪對踏面故障檢測系統，具有強實時性、高效率和低成本等特點，在我國輪對踏面故障檢測方面有著巨大的發展潛力。

1 系統工作原理及總體架構

1.1 工作原理

當車輪輪對踏面產生擦傷、磨損(以下簡稱故障)后，故障處的車輪踏面圓周半徑較無故障時變小，從而車輪故障處輪緣頂點位置低于無故障時車輪輪緣頂點的位置，通過測得這兩個位置的相對位移量h即可得到車輪的踏面擦傷、磨損值[3]，檢測原理圖如圖1。

圖1 檢測原理圖

本設計的測量機構是一套利用位移法進行檢測的平行四桿機構，由測量尺桿、擺桿、支撐彈簧、限位調整裝置和位移傳感器等部分組成。其流程為：列車未到達檢測機構時，測量尺桿6在支撐彈簧1和11以及限位調整裝置4和8的共同作用下保持一定的初始高度；當列車駛過該檢測機構時，車輪輪緣會將測量尺板6壓下，通過測量尺桿下方的非接觸式位移傳感器6和10測得輪緣頂點位移變化量，并送入STM32微控制器內，最終獲得車輪的踏面擦傷、磨損量。測量機構如圖2。

1-支撐彈簧； 2-擺桿； 3-非接觸式位移傳感器； 4-限位調整裝置； 5-底板； 6-測量尺桿； 7-底板；8-限位調整裝置； 9-擺桿； 10-非接觸式位移傳感器； 11-支撐彈簧。

1.2 總體架構

本系統主要由軌邊采集層、控制傳輸層和應用管理層組成，系統整體架構如圖3所示。其中，軌邊數據采集層作為整個系統架構的基礎，該層由多套平行四桿機構組成，將踏面故障信息通過傳感器送入控制傳輸層；控制傳輸層由移植了UC/OS-Ⅲ 實時操作系統的 STM32 為主控制器及其外圍功能模塊組成，對上一層的初始數據進行處理得到車輪踏面擦傷、磨損值，通過RS485通信傳入應用管理層；應用管理層為由C#語言開發的控制管理軟件。該層接收來自控制傳輸層的踏面擦傷、磨損值，通過將車輪踏面擦傷值與已設置好的踏面磨損超限值進行比較，將磨損超限的車輪進行報警處理，并對其他未超限的車輪做出科學預測分析，為整個系統的在線測量和科學管理提供準確和全面的依據。

圖3 系統整體架構

2 系統的硬件構成

本系統的主控板卡在硬件設計上選擇意法半導體公司的STM32F103VET6芯片作為控制器主控芯片，外擴傳感器模塊、存儲模塊、觸摸屏模塊、通信模塊和電源模塊等。系統硬件結構如圖4。

圖4 系統硬件結構

2.1 傳感器模塊

本設計擬選用型號為ML33-12.5-V1的電渦流位移傳感器。其利用電渦流效應感應，能精確地探測出被測金屬物體與探頭相對位置關系的變化，并以0～5 V的電壓信號輸出，對于這種連續變化的模擬信號量，通常使用ADC將其轉變為離散的數字信號量來進一步處理，考慮到STM32微控制器的工作電壓僅在2.0～3.6 V之間，本設計傳感器的接口電路采用了經典的電阻分壓電路，接口電路如圖5。本接口設計中，為了最大限度地利用ADC的測量精度，需合理設計兩個分壓電阻的比例并選用精度較高的分壓電阻，使ADC恰好用到滿量程。同時，兩個分壓電阻的值應設計合理，電阻太小會導致功耗過大，電阻太大則會導致ADC測量不夠穩定。

圖5 ML33-12.5-V1接口電路

2.2 通信模塊

因為RS485通信具有接口電平低、傳輸速率高、抗干擾能力強和傳輸距離遠等諸多優點，本設計選擇控制器通過RS485串口與遠程監控端的PC機實現通信。RS485接口電路如圖6所示。

圖6 RS485接口電路

3 系統的軟件設計

系統軟件的設計分為MCU內程序設計和遠程監控端的控制管理軟件設計兩大部分。

3.1 MCU內程序設計

在STM32硬件平臺上移植UC/OS-Ⅲ嵌入式實時操作系統，并引入STemWin圖形界面。UC/OS-Ⅲ是一個實時的、可裁剪的、搶占式、多任務內核，在實時性要求很高的工業控制領域有著廣泛的應用[4]。

圖7 主程序流程

系統主程序流程如圖7所示，在主程序開始前，需要將板上的硬件資源初始化，并調用OSInit()函數初始化中斷嵌套計數器、任務間通信模塊和優先級位圖表等各個內核模塊。隨后進入臨界區，調用OSTaskCreate()函數創建初始任務，再由初始任務創建其他實時任務，任務及其參數如表1。最后調用OSStart()函數，由內核進行任務調度。本設計按照優先級調度法和時間片輪轉調度法相結合的調度策略，對不同優先級任務按照任務優先級高低進行調度，相同優先級任務則為其分配時間片進行輪轉調度。

表1 系統任務及其參數

其中state_task通過監控車輪的到來或離開而打開或關閉定時器，從而達到控制ADC采集的目的；pre_task用于對數據進行預處理；calc_task利用最小二乘法處理數據，并計算結果保存到結構體鏈表中；uart_task通過RS485通信將結果送到遠程監控端的PC機上；show_task和touch_task優先級較低，用于在觸摸屏上顯示一些參數信息，提高測量現場的人機互動。任務間通過信號量來解決對共享資源的互斥訪問和任務同步問題。以pre_task為例，該任務先請求來自DMA中斷服務程序發送的信號量，將電壓信號轉化為位移量并分組歸類后，釋放該信號量，然后重新請求，以此循環，從而實現中斷和任務間的同步。直到一組車輪完全離開后退出此循環，再向calc_task發送任務內嵌信號量，以此來保證不同任務對共享資源的互斥訪問，其程序流程如圖8所示。

圖8 pre_task程序流程

3.2 遠程監控端控制管理軟件設計

在微軟.NET Framework開發環境下，采用 C#語言完成控制管理軟件的開發[5]。遠程監控端是具有發送命令、數據顯示、系統設置等功能的信息化管理系統。用戶通過主界面上的按鈕選擇進入其他子界面，進而向下位機發送控制命令或查看過往列車車輪狀態信息，其功能模塊設計如圖9所示。

圖9 控制管理軟件結構和功能圖

4 結語

本文根據列車輪對踏面故障檢測的功能需求，對其進行了軟硬件設計，為列車車輪踏面磨損在線測量提供了一種有效的解決方案。通過在STM32微控制器上移植UC/OS-Ⅲ實時操作系統，并結合控制器外圍設備，使整個嵌入式測控系統具備了良好的實時性和高度的可擴展性，使其在列車輪對踏面故障檢測方面具有巨大的發展空間和實用價值。