陳興功 王 璐 上海鐵路局杭州供電段

在電氣化鐵路供電系統(tǒng)中，電力機車通過受電弓從接觸網(wǎng)導線獲得電能，經(jīng)過長時間的運行，接觸導線磨耗引起導線截面減小，導線電阻增大，導致接觸導線發(fā)熱，加劇導線磨損。如果掉線截面過小，將導致斷線，將給鐵路運營帶來巨大損失。所以及時有效地對接觸線進行測量，顯得尤為重要。

按照現(xiàn)有的檢測手段，利用天窗時間封鎖線路，工人拿卡尺站在梯車平臺上近距離檢測。在提速后車輛密度增加，行車間隔縮短的情況下，該工作方式測量速度慢、效率低的問題尤為突出，所以急需要一種便捷有效的測量方式來提高工作效率。

1 方案選定

本方案采用了測量接觸線殘高的測量方式。測量儀分為數(shù)顯量具和手持式記錄器兩部分,如圖1所示。

圖1 數(shù)顯量具和手持式記錄器

數(shù)顯量具帶有彈簧的夾口，可以很方便迅速的夾在接觸線上，手持式記錄器，與數(shù)顯量具連接，能夠顯示測量得到的數(shù)據(jù)，并將數(shù)顯量具測得的數(shù)據(jù)存儲于存儲器中。測量過程中，工人僅需要將數(shù)顯量具卡住接觸線，不需要人工讀數(shù)測量，直接取得殘高值，并且儀器自動記錄測量時間、測量數(shù)據(jù)、測量標識號，免去了人工記錄的繁瑣，杜絕了人為錯誤記錄。

采用本方案有以下優(yōu)點：

(1)精度高：容柵式數(shù)顯量具精度可以達到0.01 mm，甚至可以達到0.001 mm，完全滿足現(xiàn)場精度的要求。

(2)檢測直觀方便：手持式設備的液晶顯示屏能將測量數(shù)據(jù)實時顯示，并且根據(jù)線型參數(shù)實時報警。

(3)設備經(jīng)濟實用，適于推廣：容柵數(shù)顯量具的價格適中，手持式記錄器方便實用，通過計算機自動查表換算，將殘高值換算成相應的面積，完全省去了繁瑣的人工查表過程，減輕了現(xiàn)場工作壓力，提高了工作效率，也提高了工作的正確性。非常適合現(xiàn)場推廣。

2 數(shù)顯量具的數(shù)據(jù)輸出

一般常見容柵式數(shù)顯量具輸出接口采用一種同步串行傳輸方式，在模塊組件設計了一個金手指接口，依次是電源地（Vneg）、數(shù)據(jù)（Data）、時鐘（Clock）、電源（Vpos），如圖 2所示。

圖2 容柵式數(shù)顯量具輸出接口

通過示波器實際測量，可以見到如圖3所示波形。上方波形是時鐘（Clock），下方波形是數(shù)據(jù)（Data）。數(shù)據(jù)的電平為1.5 V。在普通模式下，每隔0.3 s發(fā)送一組數(shù)據(jù)。

通過波形邏輯分析，得出輸出數(shù)據(jù)的組成關系如圖3。發(fā)送每組48位數(shù)據(jù)，前24位是絕對參數(shù)，這個數(shù)據(jù)和數(shù)顯量具的參數(shù)有關。后24位是相對參數(shù)，這個就是我們需要的測量值，它的數(shù)據(jù)組成是低位在前。

圖3 示波器實際測量波形

3 手持式記錄器的設計

根據(jù)現(xiàn)場的需要，要求手持式記錄儀除了能夠獲取數(shù)顯量具的數(shù)據(jù)外，還要有實時報警功能、數(shù)據(jù)記錄功能、時鐘功能。設計框圖如圖4。

圖4 手持式記錄儀設計框圖

主控芯片選用Silicon Laboratories公司的C8051F310單片機作為主控制器，它是一種完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU芯片，內(nèi)部集成了大量功能部件。C8051F310使用Silicon Laboratories專利的高速CIP-51微控制器內(nèi)核，70%的指令執(zhí)行時間為一個或者兩個系統(tǒng)時鐘周期,是標準8051指令執(zhí)行速度的12倍。工作電壓為2.7 V～3.6 V，典型工作電流為5mA，低功耗的特性適合便攜式設備設計。

通過整形放大電路將數(shù)顯量具輸出的時鐘和數(shù)據(jù)信號接入單片機IO口，配置外部中斷資源。通過軟件處理將數(shù)據(jù)讀取并轉(zhuǎn)化成需要的形式。

儀器中設計了相應的時鐘芯片、EEPROM存儲器、USB接口電路、點陣式液晶模塊、按鍵、蜂鳴器。

4 程序設計

接觸線殘高測量儀的軟件主要分記錄器單片機程序、上位機程序。手持式記錄器內(nèi)的單片機程序主要完成對手持設備內(nèi)元件的初始化、單片機內(nèi)資源配置及相關應用模塊的調(diào)用。不但要完成數(shù)顯量具發(fā)送的數(shù)據(jù)的解釋和換算，還包含了液晶菜單顯示、存儲器管理、密碼管理、電能監(jiān)視等功能，所以程序管理顯得尤為重要。

在設計過程中，采用了狀態(tài)機的方式來管理各個功能。程序中MenuState用于標識菜單編號，不同的取值代表不同的功能界面，在主循環(huán)中對其進行判斷，進入相應的菜單子函數(shù)，每個菜單子函數(shù)首先載入相應的顯示內(nèi)容和輸入輸出信息，子函數(shù)完成后，對MenuState返回一個值，實現(xiàn)進入下一級菜單或回到主界面的功能。程序簡單易行，便于進一步擴展。 以下是部分源程序。while(1)//主循環(huán)函數(shù)

{

switch(MenuState)//狀態(tài)標識符

{

case 0： MenuScreen();break;//主菜單顯示界面 0 case 1： SaveDocScreen(1);break;//存檔選擇界面(1=進入工作)

case 2： SaveDocScreen(2);break;//存檔選擇界面(2=瀏覽)

case 3： SetScreen();break;//設置界面 3

case 11：FileScreen(KeyState);break;//存檔信息界面11

case 111：WorkScreen(KeyState);break;//工作界面 111

case 21：ScanScreen(KeyState);break;//瀏覽界面 21

case 31：PasswordScreen();break;//密碼設置界面 31

case 32：TimeSetScreen();break;//時間設置界面 32

default：break;}}

上位機程序采用VisualBasic編寫，通過MSCOMM控件與儀器實現(xiàn)通訊。USB連接后，軟件可以自動檢測到設備，手持儀器中選擇需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)檔，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C程序后，程序可根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)自動解釋出作業(yè)地點、作業(yè)時間、接觸線線型、工號、測量數(shù)據(jù)等，并將其繪制成Excel表格。根據(jù)測量得到得殘高值，軟件自動查表得出磨損面積，省去了繁瑣的人工查表。程序界面見圖5。程序生成的Excel表格見圖6。

圖5 程序界面見圖

圖6 程序生成的Excel表格

5 現(xiàn)場試驗和后期改進工

試制成功的便攜式接觸網(wǎng)測量儀交付杭州鐵路供電段金華電力工區(qū)現(xiàn)場試驗，對該儀器進行了模擬試驗，并在窗口時間進行現(xiàn)場實測。在試驗過程中同時采取傳統(tǒng)測量方法進行對比，便攜式接觸網(wǎng)測量儀在工作效率、測量精度以及制表正確率上都大大提高，得到了現(xiàn)場廣泛好評。

根據(jù)現(xiàn)場工人試驗的反饋意見，結合目前電氣化鐵路發(fā)展要求，便攜式接觸網(wǎng)測量儀要結合無線數(shù)據(jù)傳輸技術和GPS全球定位技術，自動標示測量值的位置信息和時間信息，通過數(shù)據(jù)庫技術分析測量得到的數(shù)據(jù)，進行總體的分析和估算，提高對現(xiàn)場的設備的監(jiān)測力度和效率，為智能化鐵路建設作出貢獻。

6 結論

本設計針對現(xiàn)場工作情況，設計并制作了實用的便攜式接觸線測量設備，在經(jīng)濟性、便捷性、有效性上取得了比較理想的效果，適合推廣。