王皖君，呂永杰，陳 靜，林 石

(南京林業(yè)大學(xué) 機械電子工程學(xué)院，南京 210037)

鐵路貨運車輛超重、偏載、偏重都會給鐵路運輸帶來嚴(yán)重的安全隱患，監(jiān)管部門通常在干線上安裝軌道衡、超偏載儀等計量監(jiān)測設(shè)備，以監(jiān)督這些現(xiàn)象的發(fā)生。但這些措施屬于事后監(jiān)督范疇，且存在投資較大、覆蓋面有限等局限性，還需定期校準(zhǔn)和維護(hù)[1-3]。為提高超偏載檢測裝置的綜合性能，科研人員開展了大量研究工作[4-7]，門金勇等[6]研制了新型鐵路貨運車輛超偏載檢測裝置，能實現(xiàn)100 km/h內(nèi)貨車超偏載工況的準(zhǔn)確測量，現(xiàn)場試用結(jié)果表明檢測精度達(dá)到預(yù)期要求，但建設(shè)成本較高。譚覃等[7]提出了一種非接觸式鐵路貨運車輛超偏載檢測系統(tǒng)，樣機試驗結(jié)果表明，可實時檢測裝載的超偏載狀態(tài)，但在準(zhǔn)確性標(biāo)定和現(xiàn)場應(yīng)用方面還需深入研究。目前，貨運站迫切需要在裝車時對貨車載重量、偏載和偏重狀況進(jìn)行檢測，從源頭上干預(yù)，防止超重、偏重和偏載的發(fā)生，使用方便、性能可靠的輪重儀研發(fā)工作一直在持續(xù)進(jìn)行。甘英俊等[8-9]研制了一種便攜式鐵道車輛智能輪重儀，采用一體化設(shè)計，液壓部件布置在輪重儀內(nèi)部，結(jié)構(gòu)緊湊，但維護(hù)困難。李展恒[10]針對自主研制的輪重儀設(shè)計了測控系統(tǒng)，將其分為下位機和上位機兩部分，下位機完成輪重測量和顯示，通過串行通信發(fā)送到上位機進(jìn)行處理和保存，但該方案沒有考慮通信過程中可能存在干擾并導(dǎo)致數(shù)據(jù)出錯。隆玲[11]綜合ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)和ARM技術(shù)，設(shè)計了智能輪重儀的無線數(shù)據(jù)采集模塊和上位機數(shù)據(jù)處理模塊，初步達(dá)到了應(yīng)用要求。測控系統(tǒng)是輪重儀的關(guān)鍵技術(shù)之一，是保證整機穩(wěn)定工作、檢測準(zhǔn)確的核心部分，許多科研人員都為其研制的輪重儀開發(fā)各具特色的測控系統(tǒng)，以滿足標(biāo)準(zhǔn)和使用要求。針對自主研制的分體式輪重儀，我們設(shè)計了一種采用STC15F2K32S2單片機的測控系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)輪重檢測過程的自動化和信息化。貨車輪重測試完成后能夠自動計算總重、貨重、偏載和偏重供用戶查詢，并設(shè)計有低電壓保護(hù)、超重保護(hù)、溫度校正功能，使輪重儀的綜合性能指標(biāo)滿足用戶要求和監(jiān)管部門標(biāo)準(zhǔn)。

1—左臂；2—油缸；3—活塞；4—斜支點；5—定位擋片；6—彈簧；7—檢測片；8—橫拉桿；9—后推桿；10—頂推螺母；11—右臂；12—拉緊螺母；13—連接油管；14—壓力傳感器；15—啟動按鈕；16—液晶顯示屏；17—測控系統(tǒng)；18—電動液壓泵總殼體；19—充電插座；20—電源開關(guān)；21—可充電電池；22—減速機構(gòu)；23—電機；24—液壓油泵；25—回油閥；26—液壓膠管。

1 輪重儀的結(jié)構(gòu)及工作原理

輪重儀總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由起重支架部件和電動液壓泵部件兩部分組成，兩部分之間由液壓膠管連接。后推桿與橫拉桿相平行；左臂固定在后推桿和橫拉桿的左端；右臂滑動設(shè)置在后推桿和橫拉桿的右端；拉緊螺母與橫拉桿通過螺紋配合，頂推螺母與后推桿通過螺紋配合，頂推螺母、拉緊螺母分別位于右臂的左右兩側(cè)；轉(zhuǎn)動拉緊螺母可以推動右臂沿著橫拉桿向左側(cè)移動，轉(zhuǎn)動頂推螺母可以推動右臂沿著后推桿向右側(cè)移動。舉升貨車車輪測量輪重時，先將檢測片拉到左端，擰緊檢測片固定螺釘，將檢測片固定在橫拉桿上；然后將左臂和右臂插入車輪與鐵軌之間，使兩定位擋片靠緊車輪端面；再旋轉(zhuǎn)拉緊螺母與頂推螺母，推動右臂向左移動，使兩斜支點緊支在車輪外圓面，放松檢測片緊固螺釘使檢測片向右滑動至靠緊車輪外圓面；再旋緊回油閥，持續(xù)按下啟動按鈕，電機高速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)減速機構(gòu)減速后驅(qū)動液壓油泵工作產(chǎn)生高壓油，通過液壓膠管和連接油管流入起重支架部件的兩油缸中，兩活塞伸出舉起貨車車輪；檢測片在彈簧力作用下向右劃過車輪，松開啟動按鈕，電機停轉(zhuǎn)；與此同時，壓力傳感器將油壓轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)測控系統(tǒng)處理后在液晶顯示屏上顯示出輪重數(shù)據(jù)。由于采用電機驅(qū)動液壓油泵，壓油的力量和速度不受人為因素的影響，故可減小測量誤差；由于不需要人力壓油，故可減輕勞動強度，并提高工作效率。

2 測控系統(tǒng)總體設(shè)計

圖2 輪重儀測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

輪重儀測控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。輪重儀測控系統(tǒng)以微控制器為核心，操作按鍵、行程開關(guān)等開關(guān)量信號通過光電隔離接入微控制器，微控制器進(jìn)行邏輯判斷后通過電機控制模塊控制液壓泵電機的啟停；壓力傳感器輸出的電壓信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后由微控制器讀取，經(jīng)過處理后在液晶顯示屏上顯示測量結(jié)果，用戶若需要可以保存到內(nèi)部存儲器；通信接口可用于外接打印機輸出測量結(jié)果；電池組為整個輪重儀測控系統(tǒng)供電，經(jīng)穩(wěn)壓電源降壓后為微控制器及外圍電路、電源基準(zhǔn)模塊供電。

2.1 硬件設(shè)計

輪重儀測控系統(tǒng)微控制器選用宏晶科技公司的STC15F2K32S2單片機，該芯片集成8通道10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部含高可靠復(fù)位電路和高精度R/C時鐘，無需外圍電路，具有高性能、低功耗和實時性好等優(yōu)點，片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器能夠滿足應(yīng)用要求。微控制器原理如圖3所示，為了能夠減小使用環(huán)境溫度對測量準(zhǔn)確度的影響，系統(tǒng)選用熱敏電阻作為溫度傳感器，電阻R1和熱敏電阻R2構(gòu)成溫度檢測電路，由微控制器的ADC6引腳檢測；采用精密電阻R3和R4形成電源電壓分壓取樣電路，通過ADC7引腳檢測后由軟件計算并顯示出當(dāng)前的電池電壓。E2PROM存儲器AT24C32用于保存標(biāo)定數(shù)據(jù)、測量結(jié)果，通過I2C總線和微控制器相連。

圖3 微控制器電路

2.1.1 電源模塊

輪重儀采用可充電鋰電池組供電，電機工作時電池電壓波動較大。因此本系統(tǒng)采用集成電路LM2576設(shè)計穩(wěn)壓電源，可以避免線性穩(wěn)壓電源效率低的缺點，其電路如圖4所示。將輸入電源電壓12～16.8 V轉(zhuǎn)換為5 V電源為單片機、存儲器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、電壓基準(zhǔn)、液晶顯示屏等提供電源，并通過在輸入端串接二極管來防止直流電源反接[12]。

圖4 穩(wěn)壓電源電路

2.1.2 壓力信號采集模塊

液壓回路的壓力與輪重成正比，檢測精度決定了輪重測量準(zhǔn)確度，故選用的壓力傳感器量程為0～50 MPa，綜合精度(非線性、重復(fù)性、遲滯)為±0.1%FS，輸出信號為0～5 V。壓力信號采集電路采用16位∑-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7705將模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，只需外接晶體振蕩器、精密基準(zhǔn)源和少量去耦電容，即可連續(xù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換[13]。壓力檢測模數(shù)轉(zhuǎn)換電路如圖5所示，精密恒壓源REF192為AD7705提供2.5 V的基準(zhǔn)電壓。

圖5 壓力檢測模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

2.1.3 電機控制模塊

輪重儀檢測車輛輪重時需要由電機驅(qū)動液壓泵產(chǎn)生高壓油，電機控制電路如圖6所示。單片機繼電器控制端口輸出低電平時，光電耦合器的輸入端導(dǎo)通，輸出端反相驅(qū)動NPN三極管8050，使繼電器得電，從而控制電機運行，續(xù)流二極管1N4007吸收繼電器線圈的反向電壓以避免損壞三極管。

圖6 電機控制電路

2.1.4 液晶顯示屏模塊

液晶顯示屏采用HT1621驅(qū)動的定制段式液晶顯示，通過向HT1621內(nèi)部寄存器中寫入顯示數(shù)據(jù)的編碼來實現(xiàn)信息的顯示，具有功耗低、成本低的優(yōu)點。液晶管點亮或熄滅只需在對應(yīng)的RAM地址中寫入1或0，與單片機連接的引腳有使能CS、寫控制WR和數(shù)據(jù)data，接口電路如圖7所示。CS引腳使能時，可以讀寫HT1621，在WR信號的上升沿，將data引腳上的串行數(shù)據(jù)寫入。為了節(jié)省電源消耗，設(shè)計了背光光源控制電路，當(dāng)微控制器檢測到長時間無操作時則通過控制三極管關(guān)閉背光光源。

圖7 液晶顯示屏電路

2.1.5 開關(guān)量輸入

圖8 開關(guān)量輸入電路

輪重儀設(shè)有啟動、保存和查詢等人機交互操作按鍵，還設(shè)有舉升行程保護(hù)開關(guān)、舉升成功檢測開關(guān)。為了避免電氣特性及惡劣工作環(huán)境帶來的干擾，所有開關(guān)量輸入電路都采用光電耦合器進(jìn)行隔離，以啟動按鈕為例，原理如圖8所示，保存、查詢、啟動信號分別接入P2.3、P2.4和P2.5端口，舉升成功檢測信號(即停止信號)、舉升行程保護(hù)信號分別接入P1.1和P1.2端口，當(dāng)開關(guān)閉合時，光電耦合器輸入端導(dǎo)通。輸出端光敏三極管導(dǎo)通后，相應(yīng)端口為低電平。

2.2 軟件設(shè)計

鐵路貨運車輛輪重儀測控系統(tǒng)軟件要實現(xiàn)的功能是在人機交互下驅(qū)動液壓泵電機舉升車輪，并通過檢測液壓回路的壓力計算輪重。當(dāng)車輪舉離鐵軌踏面時電機自動停止，當(dāng)輪重數(shù)值穩(wěn)定時，在液晶顯示屏上閃爍顯示，提示用戶保存輪重測量結(jié)果，用戶可以選擇將數(shù)據(jù)保存到存儲器或重新測量。當(dāng)一節(jié)貨車車輪測試完成后，系統(tǒng)自動計算總重、貨重、偏重和偏載。除測量功能外，系統(tǒng)可供用戶根據(jù)需要隨時查詢已經(jīng)完成的測量結(jié)果。此外，系統(tǒng)還提供標(biāo)定參數(shù)設(shè)定、低電壓保護(hù)、超重保護(hù)、舉升行程保護(hù)、溫度校正等功能。

測控軟件根據(jù)系統(tǒng)功能劃分任務(wù)，采用模塊化設(shè)計，應(yīng)用功能主要包括電機控制、溫度檢測、電壓檢測、壓力檢測、參數(shù)設(shè)定功能、清零功能等子程序。支撐應(yīng)用模塊的硬件驅(qū)動程序有E2PROM存儲器讀寫驅(qū)動程序、液晶顯示屏驅(qū)動程序、模數(shù)轉(zhuǎn)換器驅(qū)動程序、開關(guān)量掃描程序和單片機配置程序。電機控制子程序根據(jù)人機交互和保護(hù)邏輯控制液壓泵電機的運行或停止；溫度檢測子程序用于檢測液壓油的溫度并對壓力檢測結(jié)果進(jìn)行修正；電壓檢測子程序主要負(fù)責(zé)電池電壓的監(jiān)測及低電壓保護(hù)；壓力檢測子程序?qū)?shù)字量、壓力轉(zhuǎn)換成輪重；參數(shù)設(shè)定子程序用于提供設(shè)定標(biāo)定參數(shù)的功能；清零功能子程序主要用于保存?zhèn)鞲衅鞯牧泓c偏置。E2PROM讀寫存儲器驅(qū)動程序的主要功能是在需要時向存儲芯片指定地址寫入數(shù)據(jù)或從指定地址讀出數(shù)據(jù)，供應(yīng)用程序調(diào)用；液晶顯示屏驅(qū)動程序主要實現(xiàn)顯示內(nèi)容的刷新，根據(jù)不同的功能狀態(tài)顯示相應(yīng)的內(nèi)容；模數(shù)轉(zhuǎn)換器驅(qū)動程序主要完成模數(shù)轉(zhuǎn)換器的配置，以及從模數(shù)轉(zhuǎn)換器讀取數(shù)字量，供應(yīng)用程序計算液壓管路壓力；開關(guān)量掃描程序包括操作按鍵掃描和行程開關(guān)檢測等；單片機配置程序主要完成輸入/輸出端口配置、時鐘配置和中斷配置等。通過對上述模塊的合理調(diào)度，實現(xiàn)鐵路貨運車輛輪重、偏重和偏載檢測過程的自動化和信息化，提高檢測效率，保證檢測的準(zhǔn)確性，軟件總體框架如圖9所示。

圖9 測控系統(tǒng)軟件總體框架

圖10 測控軟件總流程

鐵路貨運車輛輪重儀測控系統(tǒng)軟件總流程如圖10所示。系統(tǒng)電源打開后，首先進(jìn)行初始化，主要包括單片機、液晶顯示屏控制器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器及存儲器的初始化。初始化完成后，分別采集和顯示當(dāng)前的電池電壓、液壓油溫度，并從存儲器中讀取設(shè)置參數(shù)、標(biāo)定數(shù)據(jù)和已經(jīng)使用的次數(shù)等，如果超過使用次數(shù)限制，關(guān)閉顯示屏和禁用設(shè)備，否則判斷用戶是否按下設(shè)置組合鍵，決定是否進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)。如果需要進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，則進(jìn)入設(shè)置程序，設(shè)置完成后，需要斷電保存并退出設(shè)置程序，重新上電啟動后設(shè)置的參數(shù)才會生效。如果沒有進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)，則繼續(xù)判斷是否激活清零功能，如果進(jìn)入清零功能，則執(zhí)行清零程序，執(zhí)行完后進(jìn)入測量工作狀態(tài)，否則直接進(jìn)入測量工作狀態(tài)。

輪重測量是測控軟件的關(guān)鍵功能，軟件在用戶參與下完成液壓泵電機邏輯控制、液壓管路壓力采集及數(shù)據(jù)處理、異常檢測等任務(wù)，實現(xiàn)檢測過程的自動化和智能化。當(dāng)電源開關(guān)打開，輪重儀自動初始化及自檢完成后，按下啟動按鈕則進(jìn)入測量狀態(tài)，液壓泵電機運行，舉升車輪，同時檢測液壓回路壓力，并計算相對應(yīng)的輪重。當(dāng)成功將車輪舉離鐵軌踏面時，電機自動停止運行，延時等待壓力穩(wěn)定時檢測壓力，經(jīng)過校正后得到輪重，然后在液晶顯示屏上閃爍顯示測得的輪重，以提示用戶保存。如果用戶按下保存按鈕，則將測得車號、輪號的輪重保存在E2PROM存儲器中，并恢復(fù)正常顯示，同時軟件自動計算下一次測量的車號和輪號，繼續(xù)測量。如果電機運行過程中出現(xiàn)舉升超行程、超重等異?，F(xiàn)象，則電機停止運行，進(jìn)行異常提示，直到用戶人工卸壓，消除異常后輪重儀才可以正常工作。當(dāng)一節(jié)貨車的車輪重量全部檢測完成后，軟件根據(jù)JJG(鐵道)129—2004《鐵道貨車超偏載檢測裝置》檢定規(guī)程自動計算總重、貨重、偏載和偏重數(shù)據(jù)[14-16]。

壓力檢測并換算為輪重值是測控軟件的核心算法，決定了輪重儀的測量準(zhǔn)確度。根據(jù)壓力計算輪重的數(shù)學(xué)模型為

(1)

式(1)中：W為輪重計算理論值，t；P為液壓回路壓力，MPa；D為油缸直徑，mm；g為重力加速度。

考慮到活塞和油缸之間存在摩擦力，以及溫度對測量準(zhǔn)確度的影響，還需對輪重計算值進(jìn)行非線性修正和溫度補償，得到輪重儀示值，即

(2)

式(2)中：Wind為輪重儀示值，t；T為輪重儀使用環(huán)境溫度，℃；Tcab為標(biāo)定時的溫度，℃；A、B、C為非線性修正系數(shù)，標(biāo)定時離線計算，并作為輪重儀的設(shè)定數(shù)據(jù)。

3 運行測試及分析

將測控系統(tǒng)裝配到輪重儀中需要在砝碼標(biāo)定臺上進(jìn)行標(biāo)定。采用最小二乘法離線計算標(biāo)定值-輪重儀示值曲線的系數(shù)，并設(shè)置和保存到測控系統(tǒng)的E2PROM中。在輪重測量時，微控制器讀取標(biāo)定系數(shù)并根據(jù)修正模型計算示值。我們研制的分體式輪重儀在砝碼標(biāo)定臺上的檢測值如表1所示，在設(shè)計量程為3～13 t的范圍內(nèi)，示值誤差不超過±0.9%[9,16]。

表1 輪重儀在砝碼標(biāo)定臺上的檢測值

在某貨運站裝車場分別對空車和重車進(jìn)行檢測，測量結(jié)果如表2和表3所示，與軌道衡的檢測結(jié)果相比，輪重儀示值的絕對誤差不超過0.5 t，達(dá)到貨運站裝車檢測的技術(shù)要求。

表2輪重儀空車測量結(jié)果

Table2Measurement results of empty freight vehicle by wheel weight instrument t

測量序號輪重儀示值檢衡車重絕對誤差122.8422.60.24222.7722.60.17322.9422.60.34423.0722.60.47522.9222.60.32

表3輪重儀重車測量結(jié)果

Table3Measurement results of full freight vehicle by wheel weight instrument t

測量序號輪重儀示值檢衡車重絕對誤差182.4182.44-0.03282.3482.44-0.10382.4782.440.03482.5682.440.12582.3782.44-0.07

4 結(jié) 語

我們設(shè)計的測控系統(tǒng)裝配到輪重儀中的應(yīng)用結(jié)果表明：LM2576開關(guān)穩(wěn)壓集成電路的可靠性和工作效率能夠保證微控制器穩(wěn)定、可靠地工作；采用精密恒壓源為模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供基準(zhǔn)可以避免電源紋波電壓的影響；采用定制段式液晶屏作為輪重儀的顯示裝置只需普通的八位單片機即可驅(qū)動，具有顯示效果對比度高、系統(tǒng)成本低廉等優(yōu)點；與應(yīng)變式稱重傳感器相比，本研究通過檢測液壓回路油壓間接測量輪重的方法受輪重重力測量方向的影響較小，當(dāng)起重支架沒有放置到位時，油壓仍然和輪重正相關(guān)，但活塞與油缸壁之間的摩擦力及溫度對液壓油黏度的影響都會影響輪重檢測的準(zhǔn)確性，因此測控系統(tǒng)需設(shè)計溫度修正和非線性修正計算程序?？傮w而言，在設(shè)計指標(biāo)內(nèi)，輪重儀的示值誤差滿足用戶要求，并能自動計算總重、貨重、偏載和偏重，實現(xiàn)了鐵路貨運車輛裝載狀態(tài)檢測過程的自動化和信息化，較好地提高了檢測效率。該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，為鐵路貨運車輛超重、偏重和偏載的判定提供了有效方法。