軌道車輛制動系統(tǒng)用電空轉(zhuǎn)換模塊

任向杰,侯化安,王帥帥

(中車青島四方車輛研究所有限公司,山東 青島 266031)

軌道車輛制動系統(tǒng)一般通過壓縮空氣實現(xiàn)制動與緩解,電空轉(zhuǎn)換模塊則是實現(xiàn)該功能的核心部件。本文介紹了一種軌道車輛制動系統(tǒng)用電空轉(zhuǎn)換模塊,如圖1所示。該模塊采用嵌入式電子技術(shù),可通過CAN通信網(wǎng)絡(luò)接收制動控制系統(tǒng)下發(fā)的充氣斜率、排氣斜率、目標(biāo)壓力值等指令信息,采集目標(biāo)腔室壓力傳感器輸出信息并控制高頻電磁閥進(jìn)行充氣、排氣、保壓狀態(tài)的切換,實現(xiàn)對目標(biāo)腔室空氣壓力的控制。同時,該模塊實時監(jiān)控內(nèi)部關(guān)鍵零部件壽命和健康狀態(tài),當(dāng)部件到達(dá)工作壽命要求或出現(xiàn)故障時可記錄事件并發(fā)出維護(hù)信息。該模塊常被用作地鐵車輛、機(jī)車等軌道車輛制動系統(tǒng)的電空轉(zhuǎn)換單元。

圖1 軌道車輛制動系統(tǒng)用電空轉(zhuǎn)換模塊

1 模塊簡介

1.1 模塊組成

軌道車輛制動系統(tǒng)用電空轉(zhuǎn)換模塊主要由氣路控制部分和電子控制部分組成,如圖2所示。

1—壓力傳感器;2—電磁閥驅(qū)動及傳感器采集板;3—主控及監(jiān)控CPU板;4—電源轉(zhuǎn)換板;5—電氣接口處理板;6—金屬外殼;7—六角螺栓;8—板間連接器;9—高速電磁閥;10—減壓閥;11—氣路地板組成。

其中,軌道車輛用微機(jī)控制電空轉(zhuǎn)換模塊各組成部分主要功能為:壓力采集傳感器用于采集目標(biāo)腔室實時壓力,用于控制反饋;高速電磁閥驅(qū)動和壓力傳感器信號采集板卡用于控制高速電磁閥充排氣以及采集傳感器值;主控CPU和監(jiān)控CPU板卡是該模塊的核心控制單元,其中主控CPU用于所有控制邏輯算法處理、監(jiān)控CPU用于監(jiān)控主控CPU當(dāng)前工作狀態(tài);電源處理板將外部110 V電源轉(zhuǎn)換為內(nèi)部24 V、5 V和3.3 V電源,供系統(tǒng)內(nèi)部芯片處理;接口板對電氣輸入信號進(jìn)行過濾處理;金屬外殼用于模塊防護(hù);六角螺栓以及板間連接器用于電路板之間固定連接;高速電磁閥分為充氣電磁閥和排氣電磁閥,實際驅(qū)動充排氣;減壓閥限制最高輸入壓力為650 kPa。

1.2 主要接口

該模塊具備CAN網(wǎng)絡(luò)接口,可通過CAN2.0與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。一方面,接收制動控制系統(tǒng)指令信息,包括目標(biāo)壓力、控制斜率等參數(shù);另一方面,發(fā)送本模塊狀態(tài)信息,包括當(dāng)前實際壓力、關(guān)鍵部件工作壽命及故障狀態(tài)信息等[1]。

數(shù)字量采集接口,可采集DC 110 V數(shù)字量信息,當(dāng)此接口接收到DC 110 V信號時,模塊投入正常工作;模擬量采集接口,可采集制動控制器等輸出的直流4～20 mA電流信息,對應(yīng)0～600 kPa目標(biāo)壓力,作為目標(biāo)壓力指令信息輸入源;空氣壓力采集功能,可采集控制腔室空氣壓力當(dāng)前狀態(tài),作為閉環(huán)反饋;電磁閥充排氣控制功能,可根據(jù)目標(biāo)壓力指令信息和當(dāng)前壓力狀態(tài)信息,進(jìn)行充排氣動作,閉環(huán)控制至目標(biāo)壓力。

2 工作原理

2.1 氣路原理

軌道車輛制動系統(tǒng)用電空轉(zhuǎn)換模塊氣路原理如圖3所示,氣源從輸入口輸入,通過減壓閥減壓控制,將輸入壓力穩(wěn)定在650 kPa;充氣閥得電充氣,排氣閥得電排氣,傳感器采集輸出口壓力作為閉環(huán)控制反饋壓力,最終實現(xiàn)對目標(biāo)腔室的壓力控制。

圖3 軌道車輛制動系統(tǒng)用電空轉(zhuǎn)換模塊氣路原理圖

2.2 電氣控制原理

軌道車輛制動系統(tǒng)用電空轉(zhuǎn)換模塊電氣原理如圖4所示,主要包括電源處理、生命信號、RS232通信、模擬量輸入、CAN通信、BI輸入、模擬量采集、高速電磁閥驅(qū)動1、高速電磁閥驅(qū)動2和存儲等模塊。

圖4 軌道車輛制動系統(tǒng)用電空轉(zhuǎn)換模塊電氣原理圖

其中,電源處理模塊實現(xiàn)對輸入電源的轉(zhuǎn)換工作,將110 V電源轉(zhuǎn)換為內(nèi)部使用的24 V、5 V和3.3 V電源;生命信號模塊輸出2.5 Hz的周期信號,用于提示監(jiān)控設(shè)備電空制動單元工作正常;模擬量輸入模塊用于接收制動控制系統(tǒng)發(fā)來的4～20 mA電流指令信號、CAN通信模塊用于接收系統(tǒng)發(fā)來的CAN指令信號,這兩個指令信號可分別作為系統(tǒng)壓力輸出的指令信號;BI輸入模塊作為電空制動單元的工作的使能信號,當(dāng)為高電平輸入時模塊開始工作,低電平時停止工作;模擬量采集模塊用于采集輸出壓力值、高速電磁閥驅(qū)動1和高速電磁閥驅(qū)動2作為電空制動單元充排氣閥的控制部件,同時受控于主控CPU。所有信號的處理、輸入和輸出均由主控CPU完成:主控CPU接收到指令信號后,采用閉環(huán)PID控制算法[2],通過高速電磁閥1、高速電磁閥2以及模擬量采集模塊的反饋實現(xiàn)對目標(biāo)壓力的控制功能。

監(jiān)控CPU用于監(jiān)控主控CPU的工作狀態(tài),當(dāng)主控CPU工作異常時,可令電空制動單元導(dǎo)向安全制動;存儲模塊實時存儲電磁閥、傳感器和主控CPU等模塊的工作狀態(tài)并記錄部件工作壽命及故障狀態(tài)信息。

3 應(yīng)用場景

3.1 動力集中電動車組控制車制動系統(tǒng)

軌道車輛制動系統(tǒng)用電空轉(zhuǎn)換模塊可用于動力集中電動車組控制車制動系統(tǒng)中,作為控制車制動系統(tǒng)電空控制的核心模塊,既可實現(xiàn)對控制車本身的制動或者緩解控制,又可通過控制列車管的制動或者緩解實現(xiàn)對附掛車輛的制動緩解控制。圖5為電空轉(zhuǎn)換模塊在動力集中電動車組控制車制動系統(tǒng)的應(yīng)用說明。

圖5 電空轉(zhuǎn)換模塊在動力集中電動車組控制車制動系統(tǒng)的應(yīng)用說明

如圖5所示,軌道車輛用微機(jī)控制電空轉(zhuǎn)換模塊通過外CAN網(wǎng)絡(luò)與外界指令信息進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,通過內(nèi)CAN網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)多個智能模塊間的數(shù)據(jù)信息傳遞[3]。動力集中電動車組控制車制動系統(tǒng)各部分的智能模塊根據(jù)指令信息(如自動制動司控器指令、單獨制動司控器指令等)進(jìn)行目標(biāo)壓力的計算,并控制制動系統(tǒng)各部分的壓力輸出,從而實現(xiàn)對動力集中電動車組車輛的制動控制[4]。

3.2 城軌車輛制動系統(tǒng)

城軌車輛是當(dāng)前軌道交通領(lǐng)域的發(fā)展熱點,其制動系統(tǒng)一般采用直通式制動控制系統(tǒng)[5],軌道車輛制動系統(tǒng)用電空轉(zhuǎn)換模塊可以完美地契合其使用需求。在城軌車輛制動系統(tǒng)中,軌道車輛制動系統(tǒng)用電空轉(zhuǎn)換模塊可用于制動缸預(yù)控壓力的輸出控制,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)說明如圖6所示。

圖6 電空轉(zhuǎn)換模塊在城軌車輛制動系統(tǒng)的應(yīng)用說明

如圖6所示,軌道車輛制動系統(tǒng)用電空轉(zhuǎn)換模塊與制動控制器、電子制動控制單元EBCU、風(fēng)源、減壓閥、中繼閥和制動缸構(gòu)成了基本的城軌車輛制動系統(tǒng)[6]。在城軌車輛制動系統(tǒng)中,電空轉(zhuǎn)換模塊通過CAN網(wǎng)絡(luò)接收制動控制單元發(fā)出的制動目標(biāo)壓力值和壓力變化速率等指令,經(jīng)過解析運(yùn)算后直接控制充排氣電磁閥輸出目標(biāo)壓力值至制動缸中繼閥的預(yù)控端,進(jìn)而控制制動缸到達(dá)目標(biāo)壓力,實現(xiàn)城軌車輛的制動與緩解。

4 結(jié)語

本文介紹了一種軌道車輛制動系統(tǒng)用電空轉(zhuǎn)換模塊的電氣原理、氣路原理和結(jié)構(gòu)組成,并進(jìn)一步介紹了該模塊在動力集中電動車組控制車制動系統(tǒng)和城軌車輛制動系統(tǒng)領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用。該模塊功能齊全、體積小、智能化,作為軌道車輛制動系統(tǒng)的核心控制組成,將有助于推動制動系統(tǒng)未來小型化、智能化的發(fā)展趨勢。