一种新型便携式转辙机测试仪的设计与实现

王全刚，程良伦，张立家

（1.广东工业大学 自动化学院，广州 510006；2.广东工业大学 计算机学院，广州 510006）

作为铁路系统广泛使用的基础设备，电动转辙机的作用是通过牵引铁路道岔从而改变道岔的连通方向，它的使用可以大大降低铁路维护的劳动强度，提高工作效率。然而电动转辙机的可靠性也直接关系着铁路行车安全，所以必须及时对转辙机进行检修，确保其能够正常工作[1]。

电动转辙机在发生故障前后，都会伴随一些电气参数的变化，主要包括摩擦电流、工作电流、转换力以及动作时间等。按时及时地对转辙机进行测试，记录相关电气参数，并与正常参考值进行比较，以便及时排查和解除故障。

电动转辙机传统的检修方式大都是定时返厂检修，采用转辙机参数测试台对转辙机进行离线检测，由于转辙机体积笨重、拆装繁琐、运输耗时，转辙机测试台又不能进行现场测试，所以急需一种可以对转辙机进行在轨检测的便携式测试仪[2]。

本文以松下电工FPX—C14RD微型PLC为控制单元，提出一种新的便携式转辙机测试仪设计方案，很好地满足测试需求，并通过无线通信技术实现数据的采集和记录，拓展了其物联网应用，实现了在轨无线按状态检修[3]。

1 系统结构与原理

1.1 电动转辙机工作原理

作为控制铁路道岔转换的关键设备，电动转辙机的机械结构主要包括电机、减速器、摩擦连接器等。当需要正向转换道岔时，电机正转，经过齿轮和蜗轮蜗杆减速，再通过摩擦连接器，经齿轮条输出正向转换力，推动道岔由定位移动到反位[4]。

1.2 转辙机测试仪的硬件结构

本仪器的硬件部分主要包括控制器、传感器、以及基于WLAN技术的无线收发模块等。其结构框图如图1所示。

图1 测试仪硬件结构Fig.1 Hardware structure diagram of tester

其中，力传感器和交、直流电流传感器经过AD转换，实时地采集电动转辙机转换道岔过程中的转换力和工作电流，并通过RS232转WiFi模块对所测数据进行无线发送，通过手机、PDA等无线终端，可以显示、保存、查看已测数据，能够实时显示转换力与电流曲线，并可以很方便地对测量结果进行数据分析；兆欧表可以测量转辙机机壳的绝缘性能，并通过RS485进行数据采集；考虑到仪器的便携性，本系统采取DC 24 V大容量高密度可充电锂电池供电，并经过分压电路，为各种传感器模块、通信模块提供DC 12 V电源。

1.3 仪器关键器件的选型

1.3.1 处理器

为了保证测量结果的准确性以及系统运行的可靠性，同时考虑到转辙机测试仪的便携性，选择松下电工FPX-C14RD型PLC作为控制单元，作为一种适用于小型设备控制的通用型PLC，它具有32千步的程序容量，0.32 μs的指令处理速度，并能够扩展各种通信和功能插卡，可以很好地满足仪器设计的需求。

1.3.2 传感器

力传感器选取φ25 mm销式力传感器，测量范围0～10 kN，偏差1%F.S；电流传感器选择钳式非接触交直流传感器，测量范围0～10 A，偏差1%F.S。将力传感器与电流传感器以及各自的运放滤波调整电路封装在一起，实现测量信号的放大，使传感器物理测量范围等比于0～10 V电压模拟量[5]。电流调整电路的原理图如图2所示，该电路为二阶有源低通滤波器，可以同时对输入信号进行滤波、放大以及阻抗变换。

图2 电流调整电路Fig.2 Current adjustment circuit

兆欧表选择迈特仪表MTD-HR-94-S型兆欧表，量程0～1999.9 MΩ，与PLC之间通过Modbus-RTU协议进行通讯。

1.3.3 通信模块

在控制器与移动终端之间建立稳定可靠的通信连接、保证数据安全可靠传输是本设计的关键[6]。选取有人科技USR-WIFI232-B型通信模块，遵守UART异步串口通信协议，可以实现RS232、RS485、RS422和工业以太网口的透明无线传输，支持与Windows/IOS/Android系统的手机/Pad等掌上终端通信[7]。 当通信模块采用 AP（wireless access point）模式工作时，其原理如图3所示。

图3 WiFi模块做AP时的应用Fig.3 Application of WiFi module for AP

2 数据采集及无线通信的PLC实现

2.1 数据采集的PLC实现

2.1.1 电流和力的测量

为了能够精确采集转辙机测试过程中的电流及转换力，使用AFPX-AD2模拟输入插卡作为A/D模数转换工具，可以等比例地将电流传感器和力传感器的输出模拟值转化为数字量，再经过浮点型转换、除以比例系数，从而间接地读取电流和转换力的值[8]。

2.1.2 绝缘电阻的测量

为了使PLC与兆欧表之间建立稳定通信，从而能够实时地读取转辙机机壳绝缘电阻的大小，使用FPX-COM4通信插卡上的两线制RS485通道与兆欧表依照MODBUS-RTU协议进行通信，表1所示为该指令MODBUS格式说明。

表1 MODBUS指令Tab.1 MODBUS instruction

此外，转辙机测试过程中的道岔位置信号由外部电路通过PLC的2个I/O点给入，01代表道岔处于定位状态，10代表处于反位状态，00代表在定位与反位之间。

2.2 无线通信设计

考虑到常用的CC-Link、PC-Link等现场总线并不遵从UART异步串口通信协议，所以通信方式选择自由口通用串行通信，这种模式下可以自定义通信协议，有较强的适应性[9]。

由于本仪器的主要功能是测量转辙机相关功能参数，所以通信简单设计为“请求—应答”的读写模式，即在移动终端发送请求读取PLC寄存器指令，发送周期为20 ms，PLC接收到该指令经过判断后，将所测数据通过串口转WiFi模块写回移动终端[10]，在没有有效测量数据传输时移动端处于侦听状态。其报文定义格式如图4所示。

图4 请求和应答指令的报文格式Fig.4 Message format of the request and the response instruction

其中，请求指令报文格式为“起始符—读功能码—读取寄存器个数—寄存器起始地址—结束符”；应答指令报文格式为“起始符—写功能码—写入个数—所测数据—校验—结束符”。PLC每个寄存器可以存储2个字节，数据发送的时候分为高8位和低8位，所有数据都是以ASCII码字符形式进行双向传送。由于传送数据量较小，校验方式选择和校验。

测量数据区date有4组有效数据，分别为道岔位置、转辙机电机电流、道岔转换力以及绝缘电阻。在PLC一侧道岔位置信号占用一个16位寄存器，为了保证测量精度，所测其他3组数据包含6位小数，各占用2个寄存器。当道岔位置信号由01变为00时，表示道岔由定位开始向反位移动，移动端定时器启动计时，当位置信号由00变为10时，表示到达反位，计时结束，从而得出此次测量的转换时间。

3 客户端的软件层设计

针对智能手机的广泛普及，开发了基于Android操作系统的转辙机测试仪配套软件。主要功能有：

1）通信：首先创建客户端套接字，指定服务器端IP地址与端口号，并在创建Socket时实现自动连接，实现与服务器端PLC的通信。

2）解析存储：根据指定的协议，解析出各种参数的值，存储到Android自带的微型数据库SQLite，实现对PLC所测电流等数据进行纪录和保存[11]。

3）查看记录：从SQLite数据库读取各个参数的值，显示到ListView里面，能够在终端上实时显示电流及转换力的曲线图，对于接收到的数据中过大异常值进行报警纪录，并发出告警声，以便排查转辙机是否故障[12]。

4）数据共享：提供2种数据共享方式，可以选择在终端连入互联网后，通过Http协议，把所测数据以json的形式上传到云端，还可以通过蓝牙将所测数据进行本地设备间共享。

其工作流程如图5所示。

图5 客户端软件工作流程Fig.5 Working flow chart of the client software

4 实验结果

如图6所示为在广州地铁公司试用本仪器对西门子S700K型转辙机进行在轨检测的电流曲线图。从图中可以看出，转辙机最大解锁电流在7 A左右，正常工作电流为1 A左右，道岔动作时间4 s左右，所测数据在正常范围之内。

图6 转辙机电流曲线Fig.6 Current diagram of switch machine

实验结果表明，本仪器可以准确地反映出转辙机工作过程中的各工作状态，配合基于WLAN的无线通信技术和智能终端的应用，提高了电动转辙机测试效率。

5 结语

设计的基于小型PLC控制系统、WLAN无线通信技术以及移动智能终端的新型便携式转辙机测试仪，不仅实现了对转辙机的在轨检测，而且将无线通信与移动终端很好地融合到系统中去，通过搭建小型物联网系统，实现了对测量数据的采集、传输、记录和分析，使仪器更加智能化和人性化，大大提高了转辙机的检修效率。

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