成本權(quán),謝光明,王 超,崔桂程

中車株洲電力機(jī)車有限公司,湖南 株洲 412001

0 引言

電力機(jī)車電氣線路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電纜數(shù)量龐大,常規(guī)的校線方法是人工根據(jù)線表逐根進(jìn)行導(dǎo)通測試,需要多人配合進(jìn)行,這種方式效率低,容易出現(xiàn)漏查、錯查等問題[1-2]。為了提高校線效率和準(zhǔn)確性,業(yè)內(nèi)進(jìn)行了很多探索,如針對帶連接器的電氣線路開發(fā)了接插件自動校線儀器,將被測電纜與儀器插座對接后進(jìn)行自動校線[3-4];針對整車復(fù)雜的電氣線路,開發(fā)了基于嵌入式控制的電線路自動測試系統(tǒng),通過測試轉(zhuǎn)接工裝,將車上的電纜與測試系統(tǒng)連接,實現(xiàn)了單節(jié)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(zhǔn)確性問題。然而,電力機(jī)車上有大量散線連接情況,難以通過網(wǎng)絡(luò)化自動掃描的方式完成校線工作,還需要通過點測方式進(jìn)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(zhǔn)確性是值得研究的課題。本文根據(jù)散線點測實際應(yīng)用需求和調(diào)試數(shù)字化管理需求,研究了一套具備測試結(jié)果自動診斷、數(shù)據(jù)自動記錄的數(shù)字式智能校線裝置,相比傳統(tǒng)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(jié)合試驗數(shù)據(jù)管理的總體需求,校線裝置需要具備從MES系統(tǒng)接收作業(yè)任務(wù)并及時返回試驗結(jié)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(jī)從MES系統(tǒng)獲取校線作業(yè)計劃和作業(yè)文件,校線裝置主機(jī)發(fā)送校線指令,從機(jī)接收指令,主機(jī)與從機(jī)自動校對導(dǎo)通結(jié)果并存儲數(shù)據(jù),一條校線指令完成后,自動跳轉(zhuǎn)至下一條校線指令,校線工序完成后將測試結(jié)果上傳給MES系統(tǒng)(見圖1)。

圖1 校線裝置系統(tǒng)組成

為實現(xiàn)上述功能,結(jié)合校線試驗實際需求,該校線裝置采用WiFi局域網(wǎng)無線通信技術(shù)。允許設(shè)備與服務(wù)器或其他設(shè)備建立穩(wěn)定的無線連接,可以實現(xiàn)更廣范圍的數(shù)據(jù)傳輸,并允許試驗數(shù)據(jù)實時上傳至服務(wù)器。一旦試驗數(shù)據(jù)產(chǎn)生,通過WiFi通信協(xié)議將數(shù)據(jù)實時傳送到遠(yuǎn)程服務(wù)器。這種實時上傳的方式可確保數(shù)據(jù)的即時性和可追溯性?？紤]到試驗數(shù)據(jù)的敏感性,通信采用加密協(xié)議,確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?這可以通過使用安全的WiFi協(xié)議和數(shù)據(jù)加密技術(shù)來實現(xiàn),以防止未經(jīng)授權(quán)的訪問。

服務(wù)器配備有相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理和存儲系統(tǒng),能夠接收、解析和存儲從設(shè)備上傳的試驗數(shù)據(jù)。服務(wù)器可以將數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,并生成相應(yīng)的報告或圖表,便于后續(xù)的分析和管理。服務(wù)器端提供實時監(jiān)控功能,允許用戶或系統(tǒng)管理員隨時遠(yuǎn)程查看正在進(jìn)行的試驗過程。這種實時監(jiān)控有助于及時發(fā)現(xiàn)問題,并在必要時提供反饋。通過使用WiFi局域網(wǎng)通信和實時數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器的功能,不僅能夠在更大范圍內(nèi)穩(wěn)定地進(jìn)行通信,還能夠為技術(shù)人員提供遠(yuǎn)程技術(shù)支持和數(shù)據(jù)管理的便利性。

校線裝置主、從機(jī)均設(shè)計為手持式結(jié)構(gòu),方便攜帶和操作,搭配3.5寸彩色顯示屏,主、從機(jī)同步顯示線序、狀態(tài)、測試結(jié)果,提供清晰的圖形界面,便于試驗人員實時監(jiān)控和分析。通過優(yōu)化現(xiàn)有校線內(nèi)容,編程后封裝到校線裝置內(nèi),減少操作的復(fù)雜程度,且能夠直接對操作步驟及結(jié)果進(jìn)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(fù)判斷接地的步驟。

校線裝置主、從機(jī)采用WiFi無線通信技術(shù)?？紤]到電力機(jī)車空間相對封閉,且電纜布線路徑較為復(fù)雜,選用高性能的WiFi無線通信模塊,確保在工作區(qū)域內(nèi)能夠穩(wěn)定、可靠地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。使用可充電電池,確保設(shè)備能夠在一次充電后持續(xù)工作較長時間,適應(yīng)長時間的測試任務(wù)。校線裝置具備休眠待機(jī)功能,當(dāng)設(shè)備不使用時,自動進(jìn)入休眠狀態(tài)以降低功耗,有效延長電池續(xù)航時間。

可通過USB導(dǎo)入線序表格,或測試數(shù)據(jù)導(dǎo)出。同時,也能將測試數(shù)據(jù)通過USB導(dǎo)出,以便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析。測試結(jié)果可聲光提醒,確保用戶能夠及時獲知測試狀態(tài)。同時,支持無線WiFi數(shù)據(jù)傳輸,使得測試數(shù)據(jù)可以實時傳輸?shù)狡渌O(shè)備或MES服務(wù)器,方便遠(yuǎn)程監(jiān)控。支持重啟后續(xù)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(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與控制,包括CPU、內(nèi)存、閃存等組件,用于執(zhí)行編碼、解碼、數(shù)據(jù)處理以及控制整個系統(tǒng)的功能。使用WiFi無線模塊,實現(xiàn)主、從機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。微機(jī)處理單元負(fù)責(zé)將經(jīng)過編碼處理的數(shù)據(jù),包括測試參數(shù)、指令等發(fā)送給從機(jī)。

從機(jī)通過內(nèi)置的WiFi無線模塊接收來自主機(jī)的編碼數(shù)據(jù)。WiFi通信確保了從機(jī)能夠在100 m以上的范圍接收到穩(wěn)定的數(shù)據(jù)信號。從機(jī)接收到編碼數(shù)據(jù)后,將傳輸給從機(jī)內(nèi)的主控芯片進(jìn)行解碼。涉及到對數(shù)據(jù)的解壓、解密或其他處理,以還原出原始測試數(shù)據(jù)。

從機(jī)解碼后的測試結(jié)果會被打包,并通過WiFi無線模塊發(fā)回給主機(jī)。這樣,主機(jī)能夠接收并處理從機(jī)傳回的測試結(jié)果。主機(jī)通過顯示屏同步顯示測試結(jié)果,使試驗人員能夠?qū)崟r了解測試狀態(tài)。此外,系統(tǒng)還配備聲光提醒功能,通過發(fā)出聲音或點亮LED等方式提醒試驗人員測試結(jié)果和系統(tǒng)狀態(tài)。

2.2 微機(jī)處理控制單元構(gòu)成

校線裝置微機(jī)處理控制單元主控芯片采用ESP32-S2,設(shè)計8 MB Flash ROM、8 MB RAM、4.3寸彩色LCD,板載大功率開關(guān)型DC-DC支持鋰電池供電輸入,使用USB Type-C接口與程序開發(fā)主機(jī)(電腦)連接,方便程序開發(fā)試驗數(shù)據(jù)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(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)支持WiFi(2.4 GHz)高速無線網(wǎng)絡(luò)接口。平板電腦可以通過WiFi無線局域網(wǎng)絡(luò)TCP協(xié)議觀測信號和發(fā)出控制指令。微處理器控制單元內(nèi)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(tǒng)芯片(SoC),用于實現(xiàn)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(lián)網(wǎng)(IOT)應(yīng)用,它具有強(qiáng)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(yùn)行時的數(shù)據(jù),有助于支持復(fù)雜的應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)處理。彩色液晶顯示屏用于顯示用戶界面、試驗數(shù)據(jù)、系統(tǒng)狀態(tài)等。它提供了直觀的圖形界面,增強(qiáng)了用戶體驗。大功率開關(guān)型DC-DC轉(zhuǎn)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(shè)備能夠穩(wěn)定運(yùn)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(fā)主機(jī)(例如電腦)連接,方便程序的開發(fā)和試驗數(shù)據(jù)的下載。USB Type-C接口具有反插特性,提高了連接的穩(wěn)定性和方便性。通過WiFi(2.4 GHz)接口,設(shè)備能夠無線連接到局域網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)與其他設(shè)備或服務(wù)器的通信。這提供了高速、可靠的無線連接,適用于各種IOT應(yīng)用場景。

2.3 檢測電路

檢測電路設(shè)計結(jié)合電力機(jī)車校線工藝中的線纜導(dǎo)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(nèi)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(jī)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(rèn)線路導(dǎo)通且沒有接地后,發(fā)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(jī)首先通過無線檢測電路原理局域網(wǎng)絡(luò)通信發(fā)送測試預(yù)備信號給從機(jī),信號內(nèi)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(jī)液晶屏進(jìn)行顯示,此時從機(jī)繼電器K1保持為斷開。主機(jī)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(tǒng)發(fā)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(tǒng)記錄線纜對地電阻值后進(jìn)行下一步測試。接著主機(jī)發(fā)送檢測命令給從機(jī)使繼電器K1閉合,主機(jī)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(tǒng)自動記錄實時電阻值,測試合格,主機(jī)自動進(jìn)行下一線纜測試。

主從機(jī)探測表筆上設(shè)置了LED指示燈,當(dāng)線纜檢測通過時亮綠燈;當(dāng)檢測到接地時紅燈閃爍;當(dāng)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(jī)車外殼短路,中間連線正常。主從機(jī)液晶顯示界面同樣設(shè)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(dǎo)通電阻較大。

3 實施效果

試驗效率方面,電力機(jī)車傳統(tǒng)校線作業(yè)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(shù)字式智能校線裝置設(shè)計了友好的人機(jī)交互界面,試驗人員不再需要繁瑣的手工操作,只需設(shè)置必要的參數(shù),主從機(jī)之間通過無線通信,實現(xiàn)了測量信息和試驗數(shù)據(jù)的自動傳輸,試驗記錄和判斷過程由裝置自動完成。當(dāng)前線纜測試通過后系統(tǒng)自動進(jìn)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(fù)擔(dān),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(zhì)量方面,試驗結(jié)果的數(shù)字化記錄消除了手動記錄可能發(fā)生的錯誤,裝置實時顯示試驗結(jié)果,試驗人員能夠在試驗過程中及時發(fā)現(xiàn)異常,減少了因錯誤操作引起的問題。自動化數(shù)據(jù)記錄不僅提高了準(zhǔn)確性,還避免了因人為疏漏導(dǎo)致的潛在問題,為確保機(jī)車電氣系統(tǒng)狀態(tài)的準(zhǔn)確判斷提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。

數(shù)據(jù)追溯性方面,校線裝置將測試結(jié)果實時上傳至MES系統(tǒng),并將車號、作業(yè)人員和作業(yè)時間等信息進(jìn)行記錄存儲,可對每根線纜的校線情況進(jìn)行追溯管理。

應(yīng)用本文研究的數(shù)字式智能校線裝置,電力機(jī)車校線作業(yè)效率、校線質(zhì)量、數(shù)據(jù)追溯性得到顯著改善,不僅節(jié)約了生產(chǎn)成本,也提高了機(jī)車產(chǎn)品質(zhì)。

4 結(jié)束語

本文旨在解決傳統(tǒng)機(jī)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(shù)、數(shù)字化檢測技術(shù)、智能診斷技術(shù)實現(xiàn)了電力機(jī)車校線試驗的自動化、智能化和數(shù)字化,為機(jī)車產(chǎn)品質(zhì)量提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。經(jīng)過應(yīng)用驗證,該裝置顯著提高了試驗效率,降低了機(jī)車校線出錯率和試驗人員的勞動強(qiáng)度,減輕了校線工序的復(fù)雜性,為產(chǎn)品質(zhì)量提升提供了堅強(qiáng)的技術(shù)保障。本文研究成果的成功應(yīng)用,不僅解決了當(dāng)前機(jī)車校線試驗存在的問題,更符合自動化作業(yè)的趨勢,為自動化檢測和測試在電力機(jī)車調(diào)試和檢修領(lǐng)域的運(yùn)用提供了有益的參考。