袁虎林

（深圳市地鐵集團(tuán)3號線運(yùn)營分公司，518173，深圳∥工程師）

司機(jī)控制器是城市軌道交通車輛的控制設(shè)備，是司機(jī)用來操縱機(jī)車運(yùn)行的控制電器。司機(jī)控制器利用控制電路的低壓電器來間接控制主電路的電氣設(shè)備，其動作的性能直接關(guān)系到車輛的平穩(wěn)操縱及各種動作的實(shí)現(xiàn)。司機(jī)控制器即使發(fā)生小故障，都會給列車帶來很大的安全隱患，如電氣設(shè)備接受錯誤指令產(chǎn)生誤動作等。保證司機(jī)控制器的檢修質(zhì)量，驗(yàn)證其動作的可靠性顯得尤其重要。

司機(jī)控制器試驗(yàn)裝置（以下簡為“試驗(yàn)裝置”）是檢驗(yàn)司機(jī)控制器性能的關(guān)鍵性設(shè)備，能直接檢驗(yàn)司機(jī)控制器的檢修質(zhì)量。深圳地鐵3號線車輛試驗(yàn)裝置將以此為需求進(jìn)行研制，可實(shí)現(xiàn)對司機(jī)控制器開關(guān)動作邏輯、觸頭電阻、電位器輸出特性等的自動測量和試驗(yàn)。

試驗(yàn)裝置采用整體設(shè)計(jì)，具有可靠性好、集成度高、設(shè)備占地面積小、測試精度高等特點(diǎn)；具有自動監(jiān)控、自動安全保護(hù)功能，一旦某些部件發(fā)生異常，設(shè)備會自動停止運(yùn)轉(zhuǎn)以保證不會對設(shè)備及人員造成傷害。

1 試驗(yàn)裝置硬件設(shè)計(jì)

司機(jī)控制器試驗(yàn)裝置的硬件以工控機(jī)為核心（如圖1），利用PCI總線擴(kuò)展槽和串口采集司機(jī)控制器及電阻檢測儀的數(shù)據(jù)。其中：數(shù)據(jù)采集卡用以負(fù)責(zé)采集司機(jī)控制器的電位器、觸頭的開關(guān)狀態(tài)和電壓；電源模塊為司機(jī)控制器提供110V可調(diào)電壓和24V高精度電壓；司機(jī)控制器邏輯點(diǎn)的通斷狀況通過PLC（可編程控制器）的輸入輸出點(diǎn)來監(jiān)控實(shí)現(xiàn)；低電阻測試儀是為檢測觸點(diǎn)接觸電阻而設(shè)計(jì)。

圖1 司機(jī)控制器試驗(yàn)裝置硬件設(shè)計(jì)框圖

PLC和工控機(jī)通過RS 485通信，低電阻測試儀器通過RS 232通信。工控機(jī)基本配置為CPU酷睿雙核E 5300，2G內(nèi)存。試驗(yàn)裝置采用西門子S7－200PLC對試驗(yàn)線路進(jìn)行自動控制，采用高精度A／D（模擬／數(shù)字）模塊對試驗(yàn)過程中的模擬量進(jìn)行處理。試驗(yàn)裝置采用高精度數(shù)顯儀表，可實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程的自動控制與參數(shù)的自動采集，并可實(shí)時顯示試驗(yàn)工況，簡化了操作過程；同時配備工業(yè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集與控制來實(shí)現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的管理，并生成相關(guān)的測試報(bào)表。試驗(yàn)裝置中同時采用了基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡和基于現(xiàn)場總線的PLC。兩者在數(shù)據(jù)的采集和控制上能起到不同的作用：前者對信號的采集更精確和靈敏，故用以采集電位器和觸點(diǎn)電壓等模擬量；后者則主要起到控制觸頭開合、采集觸頭開合狀態(tài)的作用。兩者采集的數(shù)據(jù)互為參考，保證了準(zhǔn)確性，也為試驗(yàn)裝置的功能擴(kuò)展創(chuàng)造了可能性。

2 試驗(yàn)裝置軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)司機(jī)控制器操作的邏輯關(guān)系，考慮到試驗(yàn)裝置集數(shù)據(jù)采集技術(shù)、通信技術(shù)、動態(tài)圖形處理技術(shù)于一體，本試驗(yàn)裝置的軟件采用LabView開發(fā)，并結(jié)合Access數(shù)據(jù)庫和COM等技術(shù)。

試驗(yàn)裝置的主程序流程圖包括初始化和操作測試兩部分。主程序流程如圖2所示。初始化程序包括測試儀接通電源后，程序自己調(diào)用已經(jīng)設(shè)置好的數(shù)據(jù)庫（datasheet），然后登錄試驗(yàn)裝置的軟件系統(tǒng)。操作測試程序是自動檢測，程序依次進(jìn)行換向閉合表測試、級位和電位器測試、警惕按鈕測試；待所有測試完畢，則停止測試，保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并可方便地查看測試結(jié)果。

在數(shù)據(jù)管理方面，通過ADO（高層數(shù)據(jù)庫訪問）技術(shù)和OLE（對象連接和嵌入）接口與數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)文檔進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。ADO有兩種途徑可以對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訪問：一種是使用數(shù)據(jù)控件，幾乎不需要編寫代碼，就能方便地實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的常用操作；另一種是使用ADO對象編程，完全通過編寫代碼來對數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問。利用ADO控件訪問數(shù)據(jù)庫的方式雖然簡單方便，但不利于對大容量數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訪問，而且靈活性也不好。通過ADO對象，直接利用編碼的方式實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的操作，會使數(shù)據(jù)庫處理更靈活、功能更強(qiáng)大，并且綜合性更強(qiáng)。本軟件在數(shù)據(jù)管理方面使用ADO對象將主程序與數(shù)據(jù)庫連接起來。

圖2 軟件系統(tǒng)的主程序流程結(jié)構(gòu)圖

在數(shù)據(jù)報(bào)表方面，可根據(jù)用戶要求定制報(bào)表格式。本軟件通過采用OLE技術(shù)，使用OLE容器來嵌入EXCEL對象，從而使與EXCEL對象相關(guān)聯(lián)的全部數(shù)據(jù)都被復(fù)制和納入到OLE容器控件中，切斷了對象與其他應(yīng)用程序的鏈接，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)不被其他的應(yīng)用程序修改。在OLE容器中嵌入對象可以通過在設(shè)計(jì)時使用OLE容器的“插入對象”對話框或者在運(yùn)行時用Create Embed的方法。而在本應(yīng)用程序中，采用了Create Embed方法在運(yùn)行時動態(tài)嵌入EXCEL對象，提高了程序的運(yùn)行效率和可靠性。

工控機(jī)操作界面的設(shè)計(jì)既要考慮試驗(yàn)項(xiàng)目的需要，又要方便操作，同時應(yīng)美觀、實(shí)用。為此，設(shè)計(jì)了多級操作界面。為保證試驗(yàn)的科學(xué)性和嚴(yán)肅性，所有控制參數(shù)和與試驗(yàn)項(xiàng)目有關(guān)的數(shù)據(jù)都不允許修改。在主界面上不僅有司機(jī)控制器型號的選擇，還可根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)的實(shí)際情況，設(shè)置了“查詢未完成試驗(yàn)”、“繼續(xù)上次試驗(yàn)”和“查詢試驗(yàn)結(jié)果”等功能，使界面的設(shè)計(jì)更加人性化。

在試驗(yàn)裝置工作過程中，所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)都實(shí)時顯示在液晶顯示器上，直觀、清晰，方便操作人員觀測試驗(yàn)進(jìn)展情況。同時，在界面的右方提示本項(xiàng)試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，方便試驗(yàn)操作人員和工程技術(shù)人員清楚地了解試驗(yàn)的目的和結(jié)論。在操作界面左下角標(biāo)注“提示信息”。這個信息包含了試驗(yàn)電源的工作狀態(tài)信息和故障狀態(tài)信息。通過觀察這些信息，操作人員可以實(shí)時掌控試驗(yàn)裝置的工作狀態(tài)，出現(xiàn)故障時也可以通過故障信息迅速地對試驗(yàn)裝置進(jìn)行維修和調(diào)試。

3 主要試驗(yàn)項(xiàng)目及方法

3.1 司機(jī)控制器的開關(guān)動作邏輯試驗(yàn)

檢測觸點(diǎn)閉合、斷開的方法（如圖3）是：控制觸頭Kn一端接地，另用選定的數(shù)據(jù)采集卡檢測輸入量Dn是否為1或0（1表示閉合，0表示斷開）。圖3中Kn為被檢測的觸頭；Kx為接地控制開關(guān)，由數(shù)據(jù)采集卡控制；Dn為采集卡數(shù)字輸入變量號（即檢測點(diǎn)）。

圖3 開關(guān)動作邏輯試驗(yàn)原理圖

按司機(jī)控制器邏輯閉合表的要求進(jìn)行司機(jī)控制器的觸頭閉合、斷開狀態(tài)的邏輯測試，并在計(jì)算機(jī)顯示屏上直觀地實(shí)時顯示。

3.2 司機(jī)控制器的觸頭電阻測定

檢測觸頭接觸電阻的基本原理（如圖4）是：當(dāng)檢測某一觸頭Kn處于閉合狀態(tài)時，如果要測量其接觸電阻RKn，就控制閉合觸頭兩側(cè)開關(guān)Ky和Kx給該觸頭通以電流，然后檢測出的觸頭兩端的電壓Un2、Un1，計(jì)算出觸頭接觸電阻RKn。

其中，I為施加的測試電流值。

圖4 觸頭電阻測定試驗(yàn)原理圖

當(dāng)被測電阻阻值小于幾Ω，測試引線的電阻、探針同測試點(diǎn)的接觸電阻與被測電阻相比已不能忽略不計(jì)時，若仍采用兩線測試方法必將導(dǎo)致測試誤差增大。此時，可采用開爾文連接方式來進(jìn)行測試，如圖5所示。

圖5 開爾文電橋原理圖

圖5中R1、R2、R3、R4均為可調(diào)電阻，Rx為被測觸頭電阻，RN為低值標(biāo)準(zhǔn)電阻。根據(jù)開爾文電橋簡化圖（如圖6），調(diào)節(jié)R1、R2、R3、R4使電橋平衡。此時，Ig＝0，I1＝I3，I2＝I4，I5＝I6，且有

其中，RA為滑線電阻值。

三式聯(lián)立求解可得

將RN和Rx的接線電阻和接觸電阻巧妙地轉(zhuǎn)移到電源內(nèi)阻和阻值很大的橋臂電阻中（如圖6），又通過R1R4＝R2R3和RA≈0的設(shè)定，消除了附加電阻的影響，從而保證了測量低電阻時的準(zhǔn)確度。

圖6 開爾文電橋簡化圖

3.3 試驗(yàn)裝置電位器輸出特性試驗(yàn)

檢測電位器的輸出電壓，可以采用生成報(bào)表的形式直接觀測數(shù)據(jù)（如表1所示）。

4 試驗(yàn)操作步驟

實(shí)驗(yàn)員在開始試驗(yàn)之前必須確認(rèn)電源已正常開啟，并觀察試驗(yàn)裝置上“電源電壓”表讀數(shù)，確認(rèn)供電正常。開啟計(jì)算機(jī)后，將司機(jī)控制器放入安裝位置，并接好司機(jī)控制器與試驗(yàn)裝置之間的連線。雙擊計(jì)算機(jī)桌面上“司機(jī)控制器試驗(yàn)臺測試軟件”圖標(biāo)，進(jìn)入試驗(yàn)軟件用戶登錄界面，填寫用戶名和密碼，點(diǎn)擊登錄（如圖7）。

表1 試驗(yàn)報(bào)表

圖7 軟件登錄界面

登錄成功后，即可進(jìn)入到試驗(yàn)程序界面（如圖8）。點(diǎn)擊“新建”，即新建試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫對話框。選擇“開始測量”，即開始觸點(diǎn)邏輯試驗(yàn)，計(jì)算機(jī)提示確定時，請點(diǎn)擊“確定”按鈕。

圖8 試驗(yàn)界面1

試驗(yàn)完畢，波形穩(wěn)定不變后，點(diǎn)擊“報(bào)表”，查看試驗(yàn)結(jié)果，并可選擇是否保存和打印（如圖9），點(diǎn)擊界面上所示的“生成”，即可生成EXCEL文檔格式的試驗(yàn)報(bào)表。

圖9 試驗(yàn)界面2

5 結(jié)語

本次開發(fā)設(shè)計(jì)的地鐵車輛司機(jī)控制器試驗(yàn)裝置已用于深圳地鐵3號線地鐵車輛中進(jìn)行司機(jī)控制器性能參數(shù)的試驗(yàn)和測定。該裝置能夠進(jìn)行開關(guān)動作邏輯、觸頭電阻和電位器輸出特性的自動測量和試驗(yàn)。通過對地鐵運(yùn)營公司車輛維修過程中的司機(jī)控制器進(jìn)行測試，驗(yàn)證了本裝置硬件、軟件設(shè)計(jì)合理，功能完善，能滿足地鐵車輛司機(jī)控制器性能檢測的要求。

測試過程由計(jì)算機(jī)自動完成，不需要人工干預(yù)。測試結(jié)果由試驗(yàn)裝置利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)保存以備打印。

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