數字式智能校線裝置的研究與應用

成本權,謝光明,王 超,崔桂程

中車株洲電力機車有限公司,湖南 株洲 412001

0 引言

電力機車電氣線路結構復雜、電纜數量龐大,常規的校線方法是人工根據線表逐根進行導通測試,需要多人配合進行,這種方式效率低,容易出現漏查、錯查等問題[1-2]。為了提高校線效率和準確性,業內進行了很多探索,如針對帶連接器的電氣線路開發了接插件自動校線儀器,將被測電纜與儀器插座對接后進行自動校線[3-4];針對整車復雜的電氣線路,開發了基于嵌入式控制的電線路自動測試系統,通過測試轉接工裝,將車上的電纜與測試系統連接,實現了單節車電線路的自動化測試[5]。上述探索很好地解決了帶連接器的電氣線路校線效率和準確性問題。然而,電力機車上有大量散線連接情況,難以通過網絡化自動掃描的方式完成校線工作,還需要通過點測方式進行校線,這種情況下如何提高校線效率,并確保其完整性與準確性是值得研究的課題。本文根據散線點測實際應用需求和調試數字化管理需求,研究了一套具備測試結果自動診斷、數據自動記錄的數字式智能校線裝置,相比傳統點測試驗方式,具有更高的效率和更可靠的過程保障。

1 校線裝置總體方案

結合試驗數據管理的總體需求,校線裝置需要具備從MES系統接收作業任務并及時返回試驗結果的功能。因此,本文研究的校線裝置總體功能為:校線裝置主機從MES系統獲取校線作業計劃和作業文件,校線裝置主機發送校線指令,從機接收指令,主機與從機自動校對導通結果并存儲數據,一條校線指令完成后,自動跳轉至下一條校線指令,校線工序完成后將測試結果上傳給MES系統(見圖1)。

圖1 校線裝置系統組成

為實現上述功能,結合校線試驗實際需求,該校線裝置采用WiFi局域網無線通信技術。允許設備與服務器或其他設備建立穩定的無線連接,可以實現更廣范圍的數據傳輸,并允許試驗數據實時上傳至服務器。一旦試驗數據產生,通過WiFi通信協議將數據實時傳送到遠程服務器。這種實時上傳的方式可確保數據的即時性和可追溯性。考慮到試驗數據的敏感性,通信采用加密協議,確保數據傳輸的安全性,這可以通過使用安全的WiFi協議和數據加密技術來實現,以防止未經授權的訪問。

服務器配備有相應的數據處理和存儲系統,能夠接收、解析和存儲從設備上傳的試驗數據。服務器可以將數據進行整理,并生成相應的報告或圖表,便于后續的分析和管理。服務器端提供實時監控功能,允許用戶或系統管理員隨時遠程查看正在進行的試驗過程。這種實時監控有助于及時發現問題,并在必要時提供反饋。通過使用WiFi局域網通信和實時數據上傳服務器的功能,不僅能夠在更大范圍內穩定地進行通信,還能夠為技術人員提供遠程技術支持和數據管理的便利性。

校線裝置主、從機均設計為手持式結構,方便攜帶和操作,搭配3.5寸彩色顯示屏,主、從機同步顯示線序、狀態、測試結果,提供清晰的圖形界面,便于試驗人員實時監控和分析。通過優化現有校線內容,編程后封裝到校線裝置內,減少操作的復雜程度,且能夠直接對操作步驟及結果進行顯示,具備通話對講功能,校線裝置自帶接地判斷功能,減少每段線路重復判斷接地的步驟。

校線裝置主、從機采用WiFi無線通信技術。考慮到電力機車空間相對封閉,且電纜布線路徑較為復雜,選用高性能的WiFi無線通信模塊,確保在工作區域內能夠穩定、可靠地進行數據傳輸。使用可充電電池,確保設備能夠在一次充電后持續工作較長時間,適應長時間的測試任務。校線裝置具備休眠待機功能,當設備不使用時,自動進入休眠狀態以降低功耗,有效延長電池續航時間。

可通過USB導入線序表格,或測試數據導出。同時,也能將測試數據通過USB導出,以便后續的數據處理和分析。測試結果可聲光提醒,確保用戶能夠及時獲知測試狀態。同時,支持無線WiFi數據傳輸,使得測試數據可以實時傳輸到其他設備或MES服務器,方便遠程監控。支持重啟后續測,車型、車號錄入。同時,具備錄入車型和車號的功能,有助于對測試數據進行分類和管理。

2 基本功能模塊

2.1 校線裝置工作原理

校線裝置通過微機處理單元進行數據處理與控制,包括CPU、內存、閃存等組件,用于執行編碼、解碼、數據處理以及控制整個系統的功能。使用WiFi無線模塊,實現主、從機之間的數據傳輸。微機處理單元負責將經過編碼處理的數據,包括測試參數、指令等發送給從機。

從機通過內置的WiFi無線模塊接收來自主機的編碼數據。WiFi通信確保了從機能夠在100 m以上的范圍接收到穩定的數據信號。從機接收到編碼數據后,將傳輸給從機內的主控芯片進行解碼。涉及到對數據的解壓、解密或其他處理,以還原出原始測試數據。

從機解碼后的測試結果會被打包,并通過WiFi無線模塊發回給主機。這樣,主機能夠接收并處理從機傳回的測試結果。主機通過顯示屏同步顯示測試結果,使試驗人員能夠實時了解測試狀態。此外,系統還配備聲光提醒功能,通過發出聲音或點亮LED等方式提醒試驗人員測試結果和系統狀態。

2.2 微機處理控制單元構成

校線裝置微機處理控制單元主控芯片采用ESP32-S2,設計8 MB Flash ROM、8 MB RAM、4.3寸彩色LCD,板載大功率開關型DC-DC支持鋰電池供電輸入,使用USB Type-C接口與程序開發主機(電腦)連接,方便程序開發試驗數據下載,是一種小體積的、低功耗的、低成本的、高計算性能的IOT型嵌入式系統。控制系統支持WiFi(2.4 GHz)高速無線網絡接口。平板電腦可以通過WiFi無線局域網絡TCP協議觀測信號和發出控制指令。微處理器控制單元內部的組成見圖2。

圖2 微處理器控制單元組成

由圖2可知,ESP32-S2是一個集成了WiFi功能的系統芯片(SoC),用于實現無線通信。ESP32-S2是ESP32系列的一部分,提供可靠的WiFi連接,適用于物聯網(IOT)應用,它具有強大的計算能力和低功耗特性。Flash ROM用于存儲程序代碼和固件,而RAM用于暫時存儲程序運行時的數據,有助于支持復雜的應用程序和數據處理。彩色液晶顯示屏用于顯示用戶界面、試驗數據、系統狀態等。它提供了直觀的圖形界面,增強了用戶體驗。大功率開關型DC-DC轉換器用于支持鋰電池供電輸入。它提供了對電池電壓的有效管理,以確保設備能夠穩定運行,并最大程度地延長電池壽命。USB Type-C接口用于與程序開發主機(例如電腦)連接,方便程序的開發和試驗數據的下載。USB Type-C接口具有反插特性,提高了連接的穩定性和方便性。通過WiFi(2.4 GHz)接口,設備能夠無線連接到局域網絡,實現與其他設備或服務器的通信。這提供了高速、可靠的無線連接,適用于各種IOT應用場景。

2.3 檢測電路

檢測電路設計結合電力機車校線工藝中的線纜導通檢測和接地檢測兩大功能需求,將校線工藝文件和檢測接地2部分內容集成到校線裝置中,檢測點位在校線裝置的屏幕上顯示,檢測時將主、從機的表筆分別接觸該線路首端點位和尾端點位,校線裝置確認線路導通且沒有接地后,發出聲光提示(見圖3)。

圖3 檢測電路原理

如圖3所示,測試時,校線裝置主機首先通過無線檢測電路原理局域網絡通信發送測試預備信號給從機,信號內容主要包括待校線纜線號、點位、位置、顏色、線型等信息,并在從機液晶屏進行顯示,此時從機繼電器K1保持為斷開。主機通過采樣參考電壓和檢測電壓計算出線纜與車體地之間的電阻值,如果電阻值小于10 kΩ,則系統發出接地報警并記錄對地電阻值;如果此時測量電阻值大于10 kΩ,則系統記錄線纜對地電阻值后進行下一步測試。接著主機發送檢測命令給從機使繼電器K1閉合,主機實時采樣參考電壓和檢測電壓快速計算出待測線纜電阻值。如果電阻小于5 Ω,則測試通過,系統自動記錄實時電阻值,測試合格,主機自動進行下一線纜測試。

主從機探測表筆上設置了LED指示燈,當線纜檢測通過時亮綠燈;當檢測到接地時紅燈閃爍;當檢測線路不通時亮紅燈;紅色、綠色交替閃爍表示被測線路與機車外殼短路,中間連線正常。主從機液晶顯示界面同樣設有聲、光提醒功能。紅色表示接地,同時蜂鳴器長響;綠色測試通過,同時蜂鳴器“滴”短響;黃色表示導通電阻較大。

3 實施效果

試驗效率方面,電力機車傳統校線作業需要3人通過傳話完成,采用智能校線裝置后只需要2人就能完成整車校線試驗。數字式智能校線裝置設計了友好的人機交互界面,試驗人員不再需要繁瑣的手工操作,只需設置必要的參數,主從機之間通過無線通信,實現了測量信息和試驗數據的自動傳輸,試驗記錄和判斷過程由裝置自動完成。當前線纜測試通過后系統自動進入下一個項點,無需試驗人員手動操作,極大地降低了試驗人員的操作負擔,使得校線工序更為輕松,大大縮短了試驗時間,提升了整體效率。

校線質量方面,試驗結果的數字化記錄消除了手動記錄可能發生的錯誤,裝置實時顯示試驗結果,試驗人員能夠在試驗過程中及時發現異常,減少了因錯誤操作引起的問題。自動化數據記錄不僅提高了準確性,還避免了因人為疏漏導致的潛在問題,為確保機車電氣系統狀態的準確判斷提供了可靠的數據支持。

數據追溯性方面,校線裝置將測試結果實時上傳至MES系統,并將車號、作業人員和作業時間等信息進行記錄存儲,可對每根線纜的校線情況進行追溯管理。

應用本文研究的數字式智能校線裝置,電力機車校線作業效率、校線質量、數據追溯性得到顯著改善,不僅節約了生產成本,也提高了機車產品質。

4 結束語

本文旨在解決傳統機車校線試驗存在的效率低和易出錯問題,通過引入無線通信技術、數字化檢測技術、智能診斷技術實現了電力機車校線試驗的自動化、智能化和數字化,為機車產品質量提供了可靠的數據支持。經過應用驗證,該裝置顯著提高了試驗效率,降低了機車校線出錯率和試驗人員的勞動強度,減輕了校線工序的復雜性,為產品質量提升提供了堅強的技術保障。本文研究成果的成功應用,不僅解決了當前機車校線試驗存在的問題,更符合自動化作業的趨勢,為自動化檢測和測試在電力機車調試和檢修領域的運用提供了有益的參考。