地鐵制動控制裝置測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

（華東交通大學 電氣與電子工程學院，南昌 330013）

地鐵制動系統(tǒng)的正常運行保證了地鐵安全、準確地停車或在緊急情況下快速停車。地鐵制動系統(tǒng)的核心組成部分是制動控制裝置。地鐵制動控制裝置至關(guān)重要，其性能的好壞，直接影響地鐵的行車安全和正常運行。它通過控制其他部件協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)充風和排風，進而控制地鐵行駛過程中的制動和緩解。我國不同地區(qū)研制的制動控制裝置類型不同，設(shè)計裝置性能參數(shù)也不盡相同，造成了國內(nèi)各大城市地鐵的檢測費用昂貴、維護繁瑣、不利于批量生產(chǎn)。因此，設(shè)計適應不同類型的制動控制裝置的測試系統(tǒng)十分必要。

根據(jù)制動控制裝置測試系統(tǒng)具有測試需求多、數(shù)據(jù)精度要求高、實驗過程變化復雜等特點，以工控機、PLC模塊、網(wǎng)絡(luò)控制卡、開關(guān)電源等作為硬件平臺，以Microsoft Visual 2010作為軟件平臺，設(shè)計了地鐵車輛制動控制裝置測試系統(tǒng)[1]，該系統(tǒng)能夠?qū)Σ煌愋偷闹苿涌刂蒲b置進行裝置類型和測試標準的配置，不僅可以進行氣密性測試、傳感器零點測試、閥響應時間測試、載重輸出測試、總風壓力測試、制動缸壓力測試、電氣接線測試、空氣制動測試、防滑測試，而且具有手動選擇、自動選擇、歷史數(shù)據(jù)分析等功能。

1 制動控制裝置工作原理分析

我國自主研制的地鐵制動控制裝置由制動電子控制單元（EBCU）和氣制動控制單元（PBCU）兩大主要部分組成。在硬件方面，一臺微機和一些輸入輸出設(shè)備即構(gòu)成了制動電子控制單元，它作為制動控制裝置的核心部件，是聯(lián)絡(luò)制動控制單元和氣動制動控制單元之間通信的橋梁[2]，通過制動指令線發(fā)送的制動指令控制其執(zhí)行相應動作，實現(xiàn)空氣制動和電制動相互配合的混合制動。氣制動控制單元由電控轉(zhuǎn)換閥、緊急轉(zhuǎn)換、空重閥、中繼閥、壓力傳感器等組成[3]，它接收制動電子控制單元的指令信號，并將其轉(zhuǎn)換為氣動信號輸出到執(zhí)行部件，完成制動和緩解的動作。

2 測試系統(tǒng)硬件設(shè)計

地鐵制動控制裝置測試系統(tǒng)模擬地鐵實際運行工況，通過三線編碼方式發(fā)出制動指令，由PLC執(zhí)行各指令控制完成制動控制裝置的制動過程，并且采集制動控制裝置中的反饋信息，發(fā)送至工控機，經(jīng)過分析處理，最終實現(xiàn)了對制動控制裝置的檢測。該測試系統(tǒng)的輸入輸出信號通過頻率模塊和電壓調(diào)理模塊傳入到制動控制裝置，而輸出的模擬信號通過電氣接口與制動電子控制單元對外接口連接實現(xiàn)通信，從而使信號的輸入輸出都由工控機統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，其電氣線路基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電氣線路基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of the electrical circuit

2.1 硬線編碼

常用制動、緊急制動、快速制動、停放制動、保持制動是地鐵制動常見的幾種制動模式[4]。不同類型的制動控制裝置具有不同類型的制動指令，不同類型的制動控制裝置之間的差異主要體現(xiàn)在接口上，而功能基本保持不變。本系統(tǒng)主要以三線編碼為主，并與MVB網(wǎng)絡(luò)等編碼方式配合對制動控制裝置進行控制。

在進行地鐵制動控制裝置的檢測時，網(wǎng)絡(luò)處于中斷狀態(tài)，制動狀態(tài)通過硬線反映，而制動指令則通過高、低電平表示，高電平表示有效，低電平表示無效[5]。三線編碼方式，即110 V硬線輸入的7級編碼指令，由3根硬線組成，多用于應急模式或網(wǎng)絡(luò)中斷時的分應急模式，應急模式由1根110 V硬線輸入狀態(tài)控制，高電平表示應急模式。表1為110 V硬線編碼，采用格雷碼。

表1 110 V硬線編碼表Tab.1 110 V hard-line coding

2.2 PLC選型及工作原理

PLC（programmable logic controller）作為測試系統(tǒng)核心部件，采用S7-300中型PLC，其CPU采用緊湊型314C-2PtP規(guī)格，固有精度為12位，5個模擬輸入模塊SM331和2個模擬量輸出模塊SM332[6]，PLC模塊需求如表2所示。PLC通過RS232-RS485總線與工控機相連，與通信接口程序之間信息的傳輸采用自定義協(xié)議。PLC協(xié)議中將數(shù)據(jù)位進行定義，使之與PLC及測控模塊輸入/輸出的物理地址映射相對應。PLC的A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送功能，而邏輯控制功能則通過主測試程序進行軟件配置，減少了頻繁的邏輯功能改變帶來的程序修改，靈活地實現(xiàn)PLC輸入、輸出信號類型及通道的轉(zhuǎn)換。在對制動控制裝置進行測試時，工控機模擬產(chǎn)生各種制動指令，通過串口通信發(fā)送到PLC，然后PLC模塊執(zhí)行各指令，其模擬量和開關(guān)量分別控制比例閥和電磁閥動作[7]，向制動控制裝置輸出電氣指令或信息。同時，制動控制裝置根據(jù)模擬輸入的各種電氣指令或信息進行制動控制和邏輯運算，并給出相應的輸出響應。PLC及測控模塊接收來自制動控制裝置的信息，然后傳給上位機進行顯示。

表2 PLC模塊需求表Tab.2 Requirements of PLC module

2.3 CAN與MVB

設(shè)計中采用一塊PC104總線CAN卡來進行測試系統(tǒng)與地鐵制動控制裝置之速度信息的發(fā)送與接收。在這個CAN卡上有2個通道，通道1用于從制動控制裝置的外部CAN總線獲取數(shù)據(jù)，通道2用于從測試系統(tǒng)上的脈沖寬度調(diào)制（PWM）和速度信號接口板上獲取數(shù)據(jù)。

MVB（multifunction vehicle bus）用于制動控制裝置測試系統(tǒng)主測試程序與網(wǎng)絡(luò)通信程序之間的通信。同時，MVB網(wǎng)絡(luò)通信方式作為一種制動級別模式發(fā)送方式，可以通過網(wǎng)絡(luò)連接對制動控制裝置發(fā)送控制指令。

3 可配置測試系統(tǒng)軟件設(shè)計

地鐵制動控制裝置測試系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)首先通過STEP7軟件編寫PLC編程程序，并將其上載到PLC設(shè)備中，實現(xiàn)對PLC的控制。系統(tǒng)開發(fā)平臺為Microsoft Visual 2010，使用C#.NET技術(shù)[8]。軟件設(shè)計流程如圖2所示。

圖2 軟件設(shè)計流程Fig.2 Flow chart of software design

由于不同項目使用的制動指令和測試標準不同，需根據(jù)不同項目不同裝置類型進行配置，保證檢測信號的可靠性和準確性。軟件可配置功能主要是通過使用.ini文件保存不同裝置類型的制動電氣指令信息及檢測標準信息。通過Microsoft Visual 2010實現(xiàn)對文件的操作，首先在出廠時測試系統(tǒng)自動預置一個空的“.ini”文件，之后通過獲取文件的路徑讀取配置信息。

本測試系統(tǒng)包括測試標準配置和裝置類型配置兩大模塊。用戶可以根據(jù)實際情況設(shè)置測試標準和裝置類型。其中，在裝置類型配置界面中，系統(tǒng)可以根據(jù)項目名稱和裝置類型獲取歷史配置。參數(shù)標準配置界面如圖3所示，裝置類型配置界面如圖4所示。

圖3 參數(shù)標準配置界面Fig.3 Configuration interface of parameter standard

圖4 裝置類型配置界面Fig.4 Configuration interface of the type of device

4 試驗驗證

地鐵制動控制裝置測試系統(tǒng)在設(shè)計完成后，采用現(xiàn)場試驗的方式對制動控制裝置進行試驗。由于所有測試項均在同一個硬件平臺下完成，針對地鐵制動控制裝置測試系統(tǒng)測試需求多、實驗過程復雜等特點，以對制動控制裝置的氣密性進行測試為例，測試結(jié)果如表3所示，測試界面如圖5所示。

氣密性測試位置有總風氣路（AR），總風壓力開關(guān)氣路（BC），2 個空簧氣路（AS1、AS2）。氣密性測試合格為在緩解、緊急制動、常用100%制動下各被測氣路均滿足在1 min內(nèi)壓降不大于5 kPa。氣密性測試項經(jīng)多次試驗后，各試驗數(shù)據(jù)和結(jié)果均在要求范圍內(nèi)，滿足設(shè)計要求。

表3 氣密性測試數(shù)據(jù)表Tab.3 Test data of air tightness

圖5 氣密性測試界面Fig.5 Test interface of air tightness

5 結(jié)語

地鐵制動控制裝置測試系統(tǒng)所包含的所有測試項經(jīng)過現(xiàn)場實驗，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)算法合理、軟件界面簡潔明了、便于操作，目前已在武漢地鐵4號線、重慶地鐵2號線投入使用。同時，對于不同地區(qū)的地鐵制動控制裝置，只需在軟件中改變配置，就可以用于不同類型地鐵制動控制裝置的檢測。隨著現(xiàn)代城市的發(fā)展，地鐵現(xiàn)代化建設(shè)的步伐不斷加快，地鐵車輛制動系統(tǒng)的需求日益增加，移動式多型號地鐵制動控制裝置測試系統(tǒng)作為地鐵制動控制裝置在生產(chǎn)、運營中的重要配套設(shè)備，具有良好的應用前景。

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