動車組自動導通測試系統的設計

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(中車青島四方機車車輛股份有限公司 技術工程部, 山東 青島 266000)

動車組自動導通測試系統的設計

黃召明,張洪月,魏薇,邱岳,遲金剛

(中車青島四方機車車輛股份有限公司技術工程部,山東青島266000)

動車組自動導通測試系統主要完成動車組整車線纜的導通測試;首先介紹自動測試系統的研制背景，系統的功能性能指標，系統的總體框架和組成以及各個功能模塊原理和功能，然后介紹自動測試系統與動車對接測試試驗的具體過程;測試試驗結果表明該系統能夠實現動車組線纜的自動導通絕緣測試功能，測試速度快，測試準確度高，大大提高了動車組出廠生產過程中的整車線纜測試效率。

導通測試；絕緣測試；二極管測試；線纜表自動導入

0 引言

高速動車組內部電氣設備種類繁多、部署分散，設備間電纜連接冗長且錯綜復雜，動車組整車配線、接線的正確性以及線纜間絕緣性能直接決定動車能否正常、安全的運行，因此，在車輛生產、測試、出廠、定期檢修維護、運行技術保障各階段，都需要對動車整車設備線纜的導通和絕緣性能進行測試。因此進行動車組線纜導通、絕緣等性能測試是保證動車組出廠的重要試驗內容。

電氣線路導通試驗及絕緣試驗是車輛線路試驗的兩個主要工序，是對整車配線、接線正確性和施工質量的全面把關，是后續的通電調試試驗能否正常、順利進行的保障。

線路導通試驗用于檢驗接線是否正確，它是一項非常重要的試驗項目，相當于整個電氣試驗工作任務的50%；絕緣試驗是檢驗電氣配線在施工中有無損傷及絕緣是否良好的重要手段，是保證行車安全的重要試驗內容。

目前公司在動車組及地鐵車輛的線路導通試驗和絕緣試驗過程中，均采用傳統的、落后的手工檢測方式。利用分立儀器、蜂鳴器、對講機進行人工測試，導通試驗用自制蜂鳴器和萬用表進行測試，絕緣試驗主要依靠短接線夾實現配線短接。手工檢測方法存在不能克服的缺陷，無法高效、全面檢測線纜敷設質量。手工檢測方法主要具體存以下問題：

1)測試效率低，人工完成每輛車線纜導通試驗需要5～6小時，且受制于試驗人員素質及長時間作業產生疲勞，不能保證測試準確率；動車組內局部線纜具有連接形式多樣化、復雜化特點，進行動車組線纜測試時，不能實現線纜的快速診錯；三人配合逐點檢測，速度慢、工作量大、繁瑣、枯燥、易疲勞，易造成漏檢、錯檢。

2)只能檢測導通或與臨近線路不通，無有效手段檢測線纜短路(即錯接、多接)和線間的絕緣測試。

3)所用蜂鳴器對接觸電阻不敏感，無法有效檢測接觸不良的問題。

為實現動車組車內電氣配線導通絕緣測試的自動化、數字化、實時化，建立標準的在線檢測流程，提高測試效率和測試的準確度，采用模塊化、可移動的自動化線纜測試設備與測試軟件，配套完善的轉接工裝，通過現場編程實現對車輛配線的線路導通測試、絕緣測試、二極管測試等功能。

本文主要介紹動車組自動導通測試系統的設計，先從測試系統的總體框架出發，介紹系統功能性能指標，分析測試系統每個模塊的功能；然后介紹測試系統與動車對接測試的對接試驗過程。

1 測試系統介紹

1.1 系統功能指標

1) 線纜性能測試：導通電阻(二線、四線電阻)、絕緣電阻、二極管測試；

2) 測試流程自動配置：測試流程支持EXCEL表格自動導入；

3) 線纜盲掃：對未知線纜進行遍歷掃描，確定其連接關系；

4) 線纜診錯掃描：實現一點對多點的診錯掃描；

5) 主控箱和上位機通信：支持LAN/WIFI通信方式；

6) 主控箱和開關單元通信：支持串行通信方式；

7) 數據報表管理：測試數據實時顯示、查詢、存儲、導出、打印功能，測試結果以WORD、EXCEL、PDF三種格式導出；

8) 系統自檢校準：系統功能自檢、系統校準、繼電器開關次數統計功能。

1.2 系統性能指標

1)通道數：4 000路(可擴展到10 000路)；

2)通信接口方式：CAN、LAN、WIFI；

3)電源激勵電流：0.005～1 A，精度：5 mA；

(1)二線測試：電阻范圍：0.1～100 Ω，精確度：±2%±1 Ω；

(2)四線測試：電阻范圍：0.1～100 Ω，精確度：±2% ±0.1 Ω；

4)絕緣測試：

(1)絕緣電阻測量范圍：10～200 MΩ，精確度：±3%；200～500 MΩ，精確度：±5%；

(2)絕緣測試電壓：50 V～500 VDC(程控可調)精確度：±10%±5 V。

1.3 系統總體架構

該線纜測試系統主要由上位機(PC、應用軟件)、1個主控器單元(高壓/恒流激勵、導通/絕緣/二極管功能控制、開關單元級聯控制、數據采集、數據上傳)、8個開關單元模塊(開關單元箱、開關通道地址識別，開關通道通斷控制)、系統連接電纜、移動小車、測試工裝電纜等部分組成，其中每個開關單元模塊有500個測試點，可實現4 000點的測試。系統總體架構如圖1所示。

圖1 動車組自動導通測試系統總體架構

如上圖所示，模塊化自動導通測試系統由上位機筆記本電腦、線纜測試系統硬件以及可移動式測試機柜、測試工裝線纜(車端、車下、車上設備測試轉接工裝線纜)等部分組成；設備軟件平臺由線纜表導入程序、測試執行程序、數據管理程序、開關單元模塊控制程序、串行總線通信程序、LAN/WIFI無線通信程序、測試數據自動導出程序、測試結果自動統計等應用軟件模塊組成。

動車組自動導通測試系統，實現中長距離不同位置的儀器設備的多通道線纜測試；針對動車組生產現場的特點和工作條件，方便不同車位和不同測試場地的使用，設計移動式測試機柜，所有的硬件設備集成安裝在3個移動機柜中，設計性能良好的電纜接口、通訊接口、供電接口以及相應配套的測試工裝線纜，形成方便實用的可組合移動的動車組自動導通測試系統平臺。

在硬件平臺齊套、軟件程序設計完成的情況下進行軟硬件系統聯調，調試內容包括參數測試、對接動車設備測試驗證，優化軟件人機交互界面，加快測試結果的查詢速度和數據分析響應時間、參數測試流程優化、數據庫設計統計優化。

1.4 模塊化自動導通測試系統原理組成

1.4.1 主控器單元

主控器單元硬件組成框圖如圖2所示。

圖2 主控器單元硬件組成框圖

主控器單元提供測試激勵和測量控制功能，接收上位機操作人員或測試程序的指令的處理引擎，根據測試指令來控制、設定激勵和測量參數及開關單元的切換次序，實現高精度自動化測試。

主控器單元采用臺式儀器結構形式，作為測試系統的核心功能單元，其主要由直流高壓激勵模塊、電流激勵模塊，功能采集測量模塊和CPU控制器模塊等單元模塊組成。

1)直流高壓激勵模塊：提供系統絕緣測試所需的直流激勵高壓；

2)電流激勵模塊：提供系統導通測試所需的激勵電流；

2)功能采集測量模塊：完成二線電阻測量、四線電阻測量、絕緣測量、二極管測量電路的功能切換控制、量程轉換、輸入信息采集和模數轉換。

4)CPU控制器模塊：基于嵌入式CPU模塊或PC104總線設計，完成上位機通信命令解析，系統測試程序的運行控制，進行計算機控制、地址、數據命令的接收和發送，執行測試過程和測試結果的回傳顯示。

1.4.2 開關單元

開關單元與動車不同車位(頭車、中間車、尾車)、不同位置(車上、車下)儀器設備的被測線纜，通過轉接測試工裝對接，實現對動車線纜的對接測試。

開關單元與主控箱的級聯通過一束電纜連接，實現對中遠距離不同位置開關單元模塊的開關箱地址識別控制、開關通道地址識別控制、開關通道切換和功能測量。

主控器單元箱和開關單元箱之間采用基于串行總線的組合控制線纜連接，可靠性好。開關單元可放置在遠離主控器單元大于30 m的地方，構建模塊化測試系統。開關單元模塊的硬件組成如圖3所示。

圖3 開關單元硬件組成框圖

開關單元模塊包括：開關單元控制器、串行總線接口控制器、FPGA/CPLD控制電路、開關陣列控制功率驅動電路、繼電器開關矩陣電路。

1.5 模塊化自動導通測試系統軟件方案

模塊化自動導通測試系統軟件分為上位機應用軟件、主控器單元應用軟件、開關單元模塊嵌入式應用軟件。其軟件組成框圖如圖4所示。

圖4 模塊化自動導通測試設備軟件組成框圖

1.5.1 上位機應用軟件

上位機應用軟件主要是用戶界面層，實現用戶層線纜表約定、線纜性能檢測、數據管理、航插元件數據庫建立、測點開關地址配置、線纜表編寫導入、測試程序下載執行、測試數據上傳管理、測試對象和測試功能選擇人及交互等功能。上位機應用軟件功能框圖如圖5所示。

圖5 上位機應用軟件功能框圖

1.5.2 主控器單元應用軟件

主控器單元應用軟件主要由應用程序層和底層驅動程序層組成，實現對主控器單元激勵/測量模塊、開關單元等硬件模塊的驅動控制，完成自動導通絕緣測試功能。下位機系統應用軟件功能框圖如圖6所示。

圖6 主控器單元應用軟件功能框圖

應用程序層實現儀器配置管理、流程開發、線纜表導入、測試執行、上下位機通信、數據管理、繼電器統計等幾大功能。

應用程序層采用北京航天測控技術有限公司研制的VITE3.0虛擬儀器測試環境開發應用平臺，完成用戶管理、儀器配置管理、TPS測試流程自動導入配置、TPS測試流程執行、上下位機通信、數據管理、繼電器開關統計、系統退出等功能。

底層驅動程序層主要由高壓激勵、電流激勵、電壓/電流采集、開關板控制、IVI儀器配置、線纜表導入、有線/無線通信驅動、系統校準、通道誤差修正、測試數據管理、繼電器開關統計等功能模塊組成。完成對被測儀器、線纜的性能測試。

1.5.3 開關單元嵌入式應用程序

開關單元模塊需要與主控器單元進行有線通信，因此，每個開關單元箱的開關單元控制器、FPGA芯片均包含通信、控制、數據傳輸等嵌入式應用程序。

開關單元模塊嵌入式應用程序組成框圖如圖7所示。

圖7 嵌入式應用程序功能框圖

嵌入式應用程序實現開關板地址識別、串行總線協議解析、通道接點參數配置、開關矩陣的控制切換、激勵源施加、數據控制命令回傳、開關工作統計等功能。

2 測試對接過程與驗證

動車組的電氣設備主要布置于車輛的兩個端部(車鉤電氣連接器)、車輛下部及客室的端部(組合配電柜及二位端配電盤)，不同車型電氣設備存在一些差異性。圖8為動車組某車型車下電氣設備布置圖。

圖8 某車型車下電氣設備布置圖

表1 M3車被測設備地址分配表

可以看出，該車車下電氣設備類型較多，多達二十多種，包括空調裝置、制動控制裝置、高壓機器箱等。設備間連線關系復雜，各設備對外的物理接口形式各異，且部分設備間相距較遠。

為完成上述設備線纜的導通、絕緣測試，需要根據動車組車內電氣設備的分布制作統一、易用的轉接工裝，實現與車上被測電氣設備的快速對接和線纜的高效測試。所有被測試車輛使用同一套轉接工裝電纜，工裝電纜按最大需求點數設計。

為驗證測試設備實現動車電氣設備電纜自動導通絕緣測試的功能，以M3車為被測對象完成M3車的部分線纜測試。具體測試步驟如下：

1)將測試設備按照測試要求分別放在3個機柜內，1號機柜內放4個開關箱、2號機柜內放2個開關箱、三號機柜內放主控箱及兩個開關箱。1號機柜放置在M3車的一位端，二號機柜放置在M3車的中間，3號車放置在M3車的二位端。

2)使用通訊及電源總線連接好測試設備主機主控箱及開關單元單元，同一個機柜內的測試設備用3或5米長的總線級聯，機柜間用30米長的總線連接。

3)將測試機柜內的開關箱的物理地址按照規定設置，撥碼開關依次置為01～08。為被測電氣設備線纜分配地址，地址分配遵照電氣設備位置先后及線纜數量多少原則完成。M3車被測設備地址分配表如表1所示。

4)連接轉接工裝，實現測試設備與被測電氣設備的連通。

5)編寫測試流程，依據轉接工裝表，給車上的每個被測電氣設備線纜分配物理地址，形成車上被測線纜與測試設備物理地址的映射關系表。測試流程基于Excel表格根據該映射關系表轉換生成。測試流程格式如表2所示。

6)測試設備上電：先打開測試筆記本電腦，再打開測試設備主控箱電源開關，測試設備啟動。

7)檢查測試筆記本電腦與測試主機無線連接是否正常，在正常連接的情況下，打開測試軟件，進入TP開發界面，導入編寫好的Excel測試流程文件，軟件解析生成測試軟件可執行的測試程序(.TP)。

8)測試設備自檢：進入測試軟件主界面，點擊系統自檢按鈕，測試界面顯示在線開關箱箱號。接下來，完成每個開關箱500路通道自檢，用來確定測試設備開關箱繼電器工作狀態正常。

表2 導通測試約定表格式

9)執行測試：選擇測試Tp(M3車測試對接測試.Tp)，進入測試主界面，點擊運行按鈕，測試系統自動完成每一條測試指令，并將測試結果打印在界面上。點擊運行測試按鈕，在彈出的里表中選擇P8W662.RO測試程序，點擊“OK”自動運行，完成測試自動將測試結果存儲在指定路徑。如圖9所示。為驗證測試程序的穩定性，可進行5次重復性試驗，觀察測試結果，保證測試程序的穩定可靠。

圖9 自動導通測試軟件測試主界面

10)測試完成，可將測試結果導出為Excel、Word和PDF三種格式，導出方式分為全部測試數據導出和不合格測試數據導出兩種。供現場操作人員分析測試，快速查找錯誤線纜。

通過對M3車部分線纜(包括一位端車車鉤、二位端車鉤、監控終端、控制繼電器盤等)進行5次以上重復對接測試，每次測試結果完全相同，導通測試合格率在95%以上。測試系統完成500條線纜測試花費時間在2分30秒左右，平均每秒執行3條測試。從測試設備進入整車現場到設備連接，再到轉接工裝連接，最后到完成全部測試，時間小于1小時30分鐘。相對于人工導通測試，動車組自動導通測試系統大大縮減了動車組整車線纜導通測試的時間，提高了導通絕緣測試效率。

3 結論

經實車功能試驗驗證及對比試驗，自動導通測試設備、轉接工裝電纜及測試程序完成了單車車輛線路的自動導通試驗。被測試車輛為中車青島四方機車車輛股份有限公司廠內正在生產出廠的車輛，該車輛接線正確，功能完整，運行正常。實車測試線路導通關系結果正確，驗證了測試程序的正確性。我們對同一車輛使用同一程序進行多次測試，測試結果相同，說明測試系統功能穩定。

該型號線纜自動導通絕緣測試儀依靠自動化測試設備及轉接工裝，編程實現對車輛配線的線路導通測試、短路測試、絕緣測試測試等功能，減少人工導通試驗的隨意性，保證導通絕緣測試質量，提高導通絕緣測試效率，實現線纜故障的快速定位，保證維護維修的時效性。

本文能為我國相關研究人員在推動國產化電纜測試儀研制的道路上提供一定的經驗參考和啟示。同時為高鐵制造行業在車輛生產、測試、出廠、定期檢修維護、運行技術保障過程中對整車設備線纜的導通和絕緣性能測試中提供解決方案。

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DesignofAutomaticTestSystemforEMU

Huang Zhaoming, Zhang Hongyue, Wei Wei, Qiu Yue, Chi Jingang

(CRRC Qingdao SiFang Locomotive & Rolling Stock Co.，Ltd.，The Engineering Department，Qingdao 266000,China)

The EMU's automatic conduction test system mainly completes the conduction test of the whole vehicle cable. Firstly, the background of automatic test system, the function and performance index of the system, the overall frame and composition of the system, and the principle and function of each function module are introduced. Then, the specific process of automatic test system and EMU test is introduced. The test results show that the system can realize the automatic conduction and insulation test of the EMU cables.The test speed is fast and the testing accuracy is high, which greatly improves the test efficiency of the whole vehicle cable in the process of the EMU production.

conduction test; insulation test; diode test; cable automatic import

2017-09-27；

2017-10-11。

黃召明(1978-)，男，山東平陰人，高級工程師，主要從事軌道車輛電氣工程方向的研究。

1671-4598(2017)11-0004-05

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.11.002

TP311.52

A