基于OPC UA技術(shù)的鐵路客車(chē)蓄電池測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：文章提出了一套基于OPC UA的標(biāo)準(zhǔn)化架構(gòu)，可以將各個(gè)分散的檢測(cè)過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)互通。利用標(biāo)準(zhǔn)的OPC UA架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各不同種類(lèi)的蓄電池在不同檢修工藝下的統(tǒng)一管理，設(shè)計(jì)了一套工藝擴(kuò)展靈活、設(shè)備搭配自由的鐵路客車(chē)蓄電池檢修測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：鐵路客車(chē)；蓄電池；OPC UA；測(cè)試系統(tǒng)；開(kāi)放式

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.02.029

中圖分類(lèi)號(hào)：TP 277，U 2" " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A" " " " " " " "文章編碼：1672-7274（2023）02-00-03

Design of Battery Testing System for Railway Passenger Cars Based on OPC UA Technology

WANG Lei

（Wuhan Dichang Technology Co.， Ltd.， Wuhan 430000， China）

Abstract： This paper proposes a standardized architecture based on OPC UA， which can integrate the scattered detection process data to achieve real-time interoperability. The standard OPC UA architecture is used to realize the unified management of different types of batteries under different maintenance processes， and complete a set of railway passenger car battery maintenance test standard system with flexible process expansion and free equipment collocation.

Key words： railway passenger cars; battery; OPC UA; test system; open

鐵路客車(chē)上常用的蓄電池種類(lèi)包括鎳鎘堿性蓄電池、方形鎳氫堿性蓄電池、圓形鎳氫堿性蓄電池、非免維鉛酸蓄電池、免維鉛酸蓄電池、鋰電池等。不同類(lèi)型的蓄電池其對(duì)電解液的濃度、充放電的參數(shù)等要求均不相同，這就導(dǎo)致設(shè)備的通信方式和通信協(xié)議不一致，對(duì)蓄電池的檢修系統(tǒng)的整體管理造成影響。因此，搭建一套采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)架構(gòu)，提高系統(tǒng)的通用性和兼容性，實(shí)現(xiàn)各種不同檢修工藝的動(dòng)態(tài)調(diào)整，方便各種設(shè)備的快速接入，顯得尤為重要[1]。

OPC以O(shè)LE技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)提供一套標(biāo)準(zhǔn)的OLE/COM接口完成，允許不同設(shè)備和平臺(tái)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了大量應(yīng)用。在控制系統(tǒng)領(lǐng)域應(yīng)用OPC UA可以將各個(gè)分散的子系統(tǒng)進(jìn)行集成，使各不同設(shè)備供應(yīng)商的設(shè)備和應(yīng)用程序之間形成標(biāo)準(zhǔn)化的接口，采用與編程語(yǔ)言無(wú)關(guān)的信息交互標(biāo)準(zhǔn)。各設(shè)備廠家可以根據(jù)自身技術(shù)特點(diǎn)，選擇不同的硬件和編程語(yǔ)言進(jìn)行系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)，再通過(guò)OPC UA標(biāo)準(zhǔn)接口完成組網(wǎng)，以達(dá)到設(shè)備通信數(shù)據(jù)的解耦和功能任意擴(kuò)展的目的。將OPC UA用于蓄電池檢測(cè)系統(tǒng)的搭建能有效解決各種不同設(shè)備之間組網(wǎng)的兼容性問(wèn)題，方便快捷地設(shè)計(jì)出一套開(kāi)放式的測(cè)試系統(tǒng)[2]。

1" 蓄電池測(cè)試工藝

蓄電池檢修測(cè)試的第一步是電解液碳酸鹽含量的測(cè)試，以評(píng)估本組蓄電池的整體電解液性能。每組抽取相應(yīng)比例的蓄電池，采用吸液管吸取電解液，采用滴定法進(jìn)行測(cè)試。如果碳酸鹽含量過(guò)高，則需要清洗蓄電池內(nèi)部，并更換新的電解液；如果電解液測(cè)試合格，則需要對(duì)液位過(guò)低的蓄電池進(jìn)行補(bǔ)液，保證正常的工作液位高度。

為保證電解液的質(zhì)量，在更新和補(bǔ)充溶液時(shí)需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)配制。堿性蓄電池電解液一般采用蒸餾水和氫氧化鉀按一定的比例配制，配制完成后，使用比重儀測(cè)定其重量比。鉛酸蓄電池則采用蒸餾水和95%～98%的硫酸進(jìn)行配制，配制完成后測(cè)量其電解液密度，確保氯離子和鐵離子的含量不超過(guò)規(guī)定值。只有比重或密度在合格范圍內(nèi)的電解液才能使用，補(bǔ)液完成后，下一步是進(jìn)入電參數(shù)相關(guān)的動(dòng)態(tài)測(cè)試過(guò)程[3]。

動(dòng)態(tài)測(cè)試過(guò)程主要包括充電過(guò)程、靜置過(guò)程、放電過(guò)程，對(duì)于不同的蓄電池組，可能需要進(jìn)行多個(gè)充-放-充的循環(huán)周期，以激活電池的性能。在充放電過(guò)程中，還需要對(duì)蓄電池的單體電壓、充/放電電流、溫度進(jìn)行采集和監(jiān)控。根據(jù)檢修標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng)任意一次充放電循環(huán)測(cè)得其容量高于額定容量的80%時(shí)，認(rèn)為其性能合格，否則要進(jìn)行更新。

為實(shí)現(xiàn)檢修測(cè)試過(guò)程的可追溯性，在測(cè)試過(guò)程中還需要根據(jù)電池編號(hào)將所有關(guān)鍵的過(guò)程數(shù)據(jù)，如電解液參數(shù)、蓄電池內(nèi)阻、總電壓、充電電流、放電電流、單體電壓、溫度等按時(shí)間都進(jìn)行實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)存儲(chǔ)和記錄[4]。

2" 系統(tǒng)整體架構(gòu)

為解決蓄電池測(cè)試過(guò)程中蓄電池型號(hào)繁雜、測(cè)試工藝要求不同、測(cè)試設(shè)備種類(lèi)多，以及不同廠家設(shè)備信息傳輸協(xié)議不統(tǒng)一的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一套基于OPC UA協(xié)議的測(cè)試系統(tǒng)方案。該方案以O(shè)PC Server服務(wù)為核心，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)技術(shù)，向下兼容電解液測(cè)試設(shè)備、電解液配制設(shè)備、電池內(nèi)阻測(cè)試儀、自動(dòng)充放電設(shè)備等，向上可以擴(kuò)展出MES、KMIS等系統(tǒng)接口，同時(shí)還能組建車(chē)間級(jí)的實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)，甚至擴(kuò)展至站段級(jí)的實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)。測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)采用C/S模式，服務(wù)器內(nèi)安裝OPC Server，其余儀表及設(shè)備為OPC Client客戶(hù)端。在搭建系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)設(shè)定和配置好各功能在OPC Server中對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)地址，OPC Client端可根據(jù)自身功能和需求，在應(yīng)用軟件上配置對(duì)應(yīng)的地址，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互。當(dāng)有新的功能接入時(shí)，只需要在OPC Server中增加相應(yīng)的數(shù)據(jù)地址定義即可。OPC強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和訪問(wèn)能力能完全滿(mǎn)足蓄電池測(cè)試系統(tǒng)中所需要的各種設(shè)備的接入，由于采用了標(biāo)準(zhǔn)的OPC UA數(shù)據(jù)協(xié)議，大大減少了各設(shè)備之間的聯(lián)調(diào)時(shí)間，具備系統(tǒng)功能擴(kuò)展、新設(shè)備能快速接入能力[5]。

3" 服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)

服務(wù)器內(nèi)主要軟件有OPC Server、數(shù)據(jù)庫(kù)、系統(tǒng)配置管理程序等，是本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其性能的好壞直接影響到系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。蓄電池測(cè)試車(chē)間需要設(shè)置專(zhuān)門(mén)的服務(wù)器機(jī)房，配備專(zhuān)用機(jī)柜、UPS電源和空調(diào)系統(tǒng)，保證可靠的運(yùn)行環(huán)境。

OPC Server作為標(biāo)準(zhǔn)的部件，市面上生產(chǎn)廠家眾多，如西門(mén)子、艾默生、施耐德等專(zhuān)業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品供應(yīng)商均能提供，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)也有不少的企業(yè)可以提供性能完善的產(chǎn)品。因其工作于系統(tǒng)后端，配置完成后與測(cè)試系統(tǒng)的日常使用操作無(wú)關(guān)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)只需要根據(jù)各供應(yīng)商的技術(shù)支持能力和技術(shù)開(kāi)發(fā)人員的使用習(xí)慣選擇適合規(guī)格即可。

系統(tǒng)配置管理程序包括了對(duì)OPC數(shù)據(jù)地址的分配、系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集與數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)、歷史記錄的查詢(xún)、測(cè)試報(bào)表的打印等功能。系統(tǒng)初次安裝或?qū)⑿碌墓に囋O(shè)備添加到系統(tǒng)時(shí)需要進(jìn)行OPC Sever數(shù)據(jù)地址定義的配置，而一般系統(tǒng)中所使用到的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)較多，為方便管理和使用，數(shù)據(jù)地址可根據(jù)蓄電池測(cè)試的不同工藝進(jìn)行分組。根據(jù)生產(chǎn)工藝，將同類(lèi)型設(shè)備定義成一個(gè)OPC Group，再根據(jù)具體的設(shè)備編號(hào)和數(shù)據(jù)類(lèi)型定義對(duì)應(yīng)的OPC Item節(jié)點(diǎn)名稱(chēng)。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，由各測(cè)試設(shè)備對(duì)OPC Item的數(shù)據(jù)值進(jìn)行動(dòng)態(tài)刷新，管理程序采用周期掃描的方式對(duì)各數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控。

4" 主要測(cè)試設(shè)備

在蓄電池測(cè)試過(guò)程中涉及多個(gè)工序、各種不同的設(shè)備，而各個(gè)車(chē)輛段的檢修部門(mén)根據(jù)客車(chē)運(yùn)行環(huán)境、蓄電池的狀態(tài)不同，還會(huì)相應(yīng)增加一些測(cè)試過(guò)程，從而影響了測(cè)試系統(tǒng)設(shè)備的配置。雖然測(cè)試設(shè)備種類(lèi)會(huì)有不同，但工作模式主要分為基于計(jì)算機(jī)的控制方式、基于單片機(jī)的控制方式、基于PLC的控制方式等三種。

4.1 電解液測(cè)定與配置

電解液的測(cè)定一般采用化學(xué)滴定法進(jìn)行：從樣品電解液中量取5 ml電解液，置于錐形瓶中，加50 ml不含二氧化碳的蒸餾水及2滴1%酚酞指示液，用1M鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至紅色消失，記下鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液消耗的毫升數(shù)V1（ml），再加2滴0.1%甲基檢指示液，繼續(xù)用1M鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至橙紅色，記下鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液消耗的總毫升數(shù)V2（ml）。電解液中K2CO3含量計(jì)算公式為K2CO3（g/L）=27.6×（V2-V1）。”

從以上測(cè)試方法來(lái)看，更適合于采用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行分析和計(jì)算，在本方案中我們使用C#語(yǔ)言編寫(xiě)基于.net運(yùn)行環(huán)境的上位機(jī)程序來(lái)完成測(cè)試結(jié)果的記錄和結(jié)論的計(jì)算。在數(shù)據(jù)傳輸方面，借助標(biāo)準(zhǔn)的Opc.Ua.Client.dll組件，并根據(jù)dll提供的ConnectServer、GetReferenceDescriptionCollection、ReadNode、WriteNodes、AddSubscription等方法來(lái)分別實(shí)現(xiàn)OPC服務(wù)的連接、獲取節(jié)點(diǎn)、讀節(jié)點(diǎn)值、寫(xiě)節(jié)點(diǎn)值、訂閱節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)等操作，再結(jié)合實(shí)時(shí)刷新、事件、消息等多種編程方法和技巧實(shí)現(xiàn)對(duì)OPC Item節(jié)點(diǎn)的操作，極大地提高了程序開(kāi)發(fā)的靈活性和適應(yīng)性。

測(cè)定前操作人員登錄程序，然后使用掃描槍掃描蓄電池的二維碼，獲取蓄電池編號(hào)信息，再由檢測(cè)人員錄入測(cè)定過(guò)程中的V1、V2值填入界面對(duì)應(yīng)錄入框后，程序會(huì)自動(dòng)計(jì)算K2CO3含量并進(jìn)行結(jié)論的判定。程序根據(jù)測(cè)定的流程實(shí)時(shí)更新OPC中工位的工作狀態(tài)節(jié)點(diǎn)值，并在測(cè)定完成后，將測(cè)試人員、測(cè)試時(shí)間、蓄電池編號(hào)、測(cè)試參數(shù)、測(cè)試結(jié)論等信息主動(dòng)更新進(jìn)OPC Sever對(duì)應(yīng)的OPC Item節(jié)點(diǎn)中，將工作狀態(tài)節(jié)點(diǎn)值設(shè)置為完成狀態(tài)。

4.2 蓄電池內(nèi)阻測(cè)試儀

蓄電池在動(dòng)態(tài)充放電之前，一般需要通過(guò)內(nèi)阻測(cè)試儀進(jìn)行直流內(nèi)阻和交流內(nèi)阻的測(cè)量，從而快速地排查并剔除故障電池。一般采用電阻按規(guī)定的電流進(jìn)行放電，再測(cè)量電池兩端的電壓降，從而計(jì)算出直流內(nèi)阻。通過(guò)輸入一個(gè)恒定的交流電流信號(hào)，然后測(cè)量蓄電池正負(fù)極柱上的響應(yīng)信號(hào)和相位差，再通過(guò)阻抗公式計(jì)算得出交流內(nèi)阻。

為方便以最低成本對(duì)大量的蓄電池進(jìn)行快速測(cè)試，測(cè)試儀可選擇STM32單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用手持便攜形式，由可充電鋰電池供電，并配置觸摸顯示屏方便操作和對(duì)測(cè)試結(jié)果顯示。根據(jù)測(cè)試的原理，需要實(shí)現(xiàn)測(cè)試電阻的接入控制、放電電流測(cè)量、蓄電池電壓測(cè)量、交流信號(hào)的產(chǎn)生及相關(guān)測(cè)量的硬件電路。在網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接方面，通過(guò)在車(chē)間建立無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，測(cè)試儀通過(guò)Wi-Fi接入系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。單片機(jī)的軟件采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，除正常進(jìn)行控制邏輯和顯示屏操作的編寫(xiě)外，還需要移植PC UA Client協(xié)議。協(xié)議移植可以通過(guò)導(dǎo)入OPC UA庫(kù)并添加對(duì)應(yīng)的opcua.c文件完成，然后進(jìn)行資源的配置，按軟件流程調(diào)用對(duì)應(yīng)的函數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)與OPC Server的連接和數(shù)據(jù)交互。

4.3 充放電設(shè)備

鐵路客車(chē)蓄電池的種類(lèi)較多，常規(guī)配備的充放電設(shè)備電壓范圍為DC10～180 V，電流為0～50 A。為了保護(hù)蓄電池，減少因電壓電流波動(dòng)對(duì)電池性能測(cè)試的影響，充放電精度一般要求較高。為滿(mǎn)足設(shè)備的精度要求，充放電設(shè)備中的整流逆變單元采用IGBT作為核心功率器件，充放電的控制邏輯由PLC執(zhí)行。

在充放電測(cè)試前，根據(jù)相應(yīng)流程配置好充電參數(shù)、放電參數(shù)、充放電次數(shù)，然后啟動(dòng)設(shè)備，即可按既定的流程進(jìn)行。由于一次充放電時(shí)間較長(zhǎng)，在此過(guò)程中PLC通過(guò)AI單元連接的電壓、電流傳感器可實(shí)時(shí)采集和監(jiān)控過(guò)程數(shù)據(jù)，并寫(xiě)入至對(duì)應(yīng)的OPC Item節(jié)點(diǎn)中。在本方案中我們選擇的是西門(mén)子S7-1500 PLC，采用博途軟件進(jìn)行編程和配置。S7-1500的V2.6版本可支持OPC UA客戶(hù)端模式，其客戶(hù)端默認(rèn)是禁止的，需要在配置軟件中激活OPC UA客戶(hù)端，然后導(dǎo)入OPC UA服務(wù)器接口，即可創(chuàng)建讀取列表和寫(xiě)入列表。PLC作為使用頻率最高的工業(yè)控制器件之一，其OPC UA接口的穩(wěn)定性在各種不同的項(xiàng)目中已經(jīng)得到了廣泛的驗(yàn)證，非常適合于需要連續(xù)工作24 h甚至48 h以上的充放電過(guò)程數(shù)據(jù)的傳輸。

5" 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)鐵路客車(chē)蓄電池的檢修測(cè)試要求，本文從相關(guān)工藝入手，再結(jié)合各不同工藝下所使用的設(shè)備情況進(jìn)行分析，論述了各種不同設(shè)備采用OPC UA技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互的方式。在系統(tǒng)服務(wù)器設(shè)計(jì)完成后，分別選取三種采用不同控制器件的設(shè)備介紹其與OPC Server數(shù)據(jù)交互的方法和過(guò)程。采用OPC UA技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的就是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的開(kāi)放性，除能兼容不同平臺(tái)設(shè)備外，還能根據(jù)檢修調(diào)整工藝快速擴(kuò)展和更改系統(tǒng)功能，解決了傳統(tǒng)通信交互耦合性高、系統(tǒng)擴(kuò)展性差的問(wèn)題。■

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