地鐵制動(dòng)控制裝置測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（華東交通大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，南昌 330013）

地鐵制動(dòng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行保證了地鐵安全、準(zhǔn)確地停車或在緊急情況下快速停車。地鐵制動(dòng)系統(tǒng)的核心組成部分是制動(dòng)控制裝置。地鐵制動(dòng)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(yùn)行。它通過控制其他部件協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)充風(fēng)和排風(fēng)，進(jìn)而控制地鐵行駛過程中的制動(dòng)和緩解。我國不同地區(qū)研制的制動(dòng)控制裝置類型不同，設(shè)計(jì)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(cè)費(fèi)用昂貴、維護(hù)繁瑣、不利于批量生產(chǎn)。因此，設(shè)計(jì)適應(yīng)不同類型的制動(dòng)控制裝置的測(cè)試系統(tǒng)十分必要。

根據(jù)制動(dòng)控制裝置測(cè)試系統(tǒng)具有測(cè)試需求多、數(shù)據(jù)精度要求高、實(shí)驗(yàn)過程變化復(fù)雜等特點(diǎn)，以工控機(jī)、PLC模塊、網(wǎng)絡(luò)控制卡、開關(guān)電源等作為硬件平臺(tái)，以Microsoft Visual 2010作為軟件平臺(tái)，設(shè)計(jì)了地鐵車輛制動(dòng)控制裝置測(cè)試系統(tǒng)[1]，該系統(tǒng)能夠?qū)Σ煌愋偷闹苿?dòng)控制裝置進(jìn)行裝置類型和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的配置，不僅可以進(jìn)行氣密性測(cè)試、傳感器零點(diǎn)測(cè)試、閥響應(yīng)時(shí)間測(cè)試、載重輸出測(cè)試、總風(fēng)壓力測(cè)試、制動(dòng)缸壓力測(cè)試、電氣接線測(cè)試、空氣制動(dòng)測(cè)試、防滑測(cè)試，而且具有手動(dòng)選擇、自動(dòng)選擇、歷史數(shù)據(jù)分析等功能。

1 制動(dòng)控制裝置工作原理分析

我國自主研制的地鐵制動(dòng)控制裝置由制動(dòng)電子控制單元（EBCU）和氣制動(dòng)控制單元（PBCU）兩大主要部分組成。在硬件方面，一臺(tái)微機(jī)和一些輸入輸出設(shè)備即構(gòu)成了制動(dòng)電子控制單元，它作為制動(dòng)控制裝置的核心部件，是聯(lián)絡(luò)制動(dòng)控制單元和氣動(dòng)制動(dòng)控制單元之間通信的橋梁[2]，通過制動(dòng)指令線發(fā)送的制動(dòng)指令控制其執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)空氣制動(dòng)和電制動(dòng)相互配合的混合制動(dòng)。氣制動(dòng)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(dòng)電子控制單元的指令信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為氣動(dòng)信號(hào)輸出到執(zhí)行部件，完成制動(dòng)和緩解的動(dòng)作。

2 測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

地鐵制動(dòng)控制裝置測(cè)試系統(tǒng)模擬地鐵實(shí)際運(yùn)行工況，通過三線編碼方式發(fā)出制動(dòng)指令，由PLC執(zhí)行各指令控制完成制動(dòng)控制裝置的制動(dòng)過程，并且采集制動(dòng)控制裝置中的反饋信息，發(fā)送至工控機(jī)，經(jīng)過分析處理，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)制動(dòng)控制裝置的檢測(cè)。該測(cè)試系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)通過頻率模塊和電壓調(diào)理模塊傳入到制動(dòng)控制裝置，而輸出的模擬信號(hào)通過電氣接口與制動(dòng)電子控制單元對(duì)外接口連接實(shí)現(xiàn)通信，從而使信號(hào)的輸入輸出都由工控機(jī)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(dòng)、緊急制動(dòng)、快速制動(dòng)、停放制動(dòng)、保持制動(dòng)是地鐵制動(dòng)常見的幾種制動(dòng)模式[4]。不同類型的制動(dòng)控制裝置具有不同類型的制動(dòng)指令，不同類型的制動(dòng)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(duì)制動(dòng)控制裝置進(jìn)行控制。

在進(jìn)行地鐵制動(dòng)控制裝置的檢測(cè)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)處于中斷狀態(tài)，制動(dòng)狀態(tài)通過硬線反映，而制動(dòng)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(jí)編碼指令，由3根硬線組成，多用于應(yīng)急模式或網(wǎng)絡(luò)中斷時(shí)的分應(yīng)急模式，應(yīng)急模式由1根110 V硬線輸入狀態(tài)控制，高電平表示應(yīng)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(cè)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(gè)模擬輸入模塊SM331和2個(gè)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(jī)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(jìn)行定義，使之與PLC及測(cè)控模塊輸入/輸出的物理地址映射相對(duì)應(yīng)。PLC的A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)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(cè)試程序進(jìn)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(shí)現(xiàn)PLC輸入、輸出信號(hào)類型及通道的轉(zhuǎn)換。在對(duì)制動(dòng)控制裝置進(jìn)行測(cè)試時(shí)，工控機(jī)模擬產(chǎn)生各種制動(dòng)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(dòng)作[7]，向制動(dòng)控制裝置輸出電氣指令或信息。同時(shí)，制動(dòng)控制裝置根據(jù)模擬輸入的各種電氣指令或信息進(jìn)行制動(dòng)控制和邏輯運(yùn)算，并給出相應(yīng)的輸出響應(yīng)。PLC及測(cè)控模塊接收來自制動(dòng)控制裝置的信息，然后傳給上位機(jī)進(jìn)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(jì)中采用一塊PC104總線CAN卡來進(jìn)行測(cè)試系統(tǒng)與地鐵制動(dòng)控制裝置之速度信息的發(fā)送與接收。在這個(gè)CAN卡上有2個(gè)通道，通道1用于從制動(dòng)控制裝置的外部CAN總線獲取數(shù)據(jù)，通道2用于從測(cè)試系統(tǒng)上的脈沖寬度調(diào)制（PWM）和速度信號(hào)接口板上獲取數(shù)據(jù)。

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

3 可配置測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

地鐵制動(dòng)控制裝置測(cè)試系統(tǒng)的軟件實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)PLC的控制。系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)為Microsoft Visual 2010，使用C#.NET技術(shù)[8]。軟件設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

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

由于不同項(xiàng)目使用的制動(dòng)指令和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)不同，需根據(jù)不同項(xiàng)目不同裝置類型進(jìn)行配置，保證檢測(cè)信號(hào)的可靠性和準(zhǔn)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(dòng)電氣指令信息及檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)信息。通過Microsoft Visual 2010實(shí)現(xiàn)對(duì)文件的操作，首先在出廠時(shí)測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)預(yù)置一個(gè)空的“.ini”文件，之后通過獲取文件的路徑讀取配置信息。

本測(cè)試系統(tǒng)包括測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)配置和裝置類型配置兩大模塊。用戶可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)目名稱和裝置類型獲取歷史配置。參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(yàn)驗(yàn)證

地鐵制動(dòng)控制裝置測(cè)試系統(tǒng)在設(shè)計(jì)完成后，采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方式對(duì)制動(dòng)控制裝置進(jìn)行試驗(yàn)。由于所有測(cè)試項(xiàng)均在同一個(gè)硬件平臺(tái)下完成，針對(duì)地鐵制動(dòng)控制裝置測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試需求多、實(shí)驗(yàn)過程復(fù)雜等特點(diǎn)，以對(duì)制動(dòng)控制裝置的氣密性進(jìn)行測(cè)試為例，測(cè)試結(jié)果如表3所示，測(cè)試界面如圖5所示。

氣密性測(cè)試位置有總風(fēng)氣路（AR），總風(fēng)壓力開關(guān)氣路（BC），2 個(gè)空簧氣路（AS1、AS2）。氣密性測(cè)試合格為在緩解、緊急制動(dòng)、常用100%制動(dòng)下各被測(cè)氣路均滿足在1 min內(nèi)壓降不大于5 kPa。氣密性測(cè)試項(xiàng)經(jīng)多次試驗(yàn)后，各試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果均在要求范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

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

圖5 氣密性測(cè)試界面Fig.5 Test interface of air tightness

5 結(jié)語

地鐵制動(dòng)控制裝置測(cè)試系統(tǒng)所包含的所有測(cè)試項(xiàng)經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)算法合理、軟件界面簡(jiǎn)潔明了、便于操作，目前已在武漢地鐵4號(hào)線、重慶地鐵2號(hào)線投入使用。同時(shí)，對(duì)于不同地區(qū)的地鐵制動(dòng)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(dòng)控制裝置的檢測(cè)。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(dòng)系統(tǒng)的需求日益增加，移動(dòng)式多型號(hào)地鐵制動(dòng)控制裝置測(cè)試系統(tǒng)作為地鐵制動(dòng)控制裝置在生產(chǎn)、運(yùn)營中的重要配套設(shè)備，具有良好的應(yīng)用前景。

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