基于虛擬儀器的機車信號設備抗諧波干擾測試系統

田建兆，王錫奎，薄宜勇

（南京鐵道職業技術學院，南京 210031 ）

機車信號是保證鐵路行車安全的重要設備。在電氣化區段，機車信號設備經常受到不平衡牽引電流干擾，導致掉碼[1]。當不平衡電流干擾的諧波成分處于信號帶寬內，且達到一定幅度時，機車信號主機就解調不出或者誤解調當前信號的載頻、低頻，導致故障停車[2-3]。

通用式機車信號出廠測試、日常維護前必須進行相應的測試，其中，電氣化干擾測試中諧波測試是必測內容，機車信號在諧波干擾下，能夠正確譯解信息[4]。文獻[5]規定機車信號設備要進行抗諧波干擾測試，但沒有給出測試的方法；文獻[6]雖然給出了抗諧波干擾的方法和原理，但沒有說明測試的手段。而在傳統機車信號設備抗諧波干擾測試中，需要移頻信號發生裝置、諧波發生裝置、數據記錄儀、CD96移頻表等設備組建，人工手動測試。測試過程中，8種載頻包含18個低頻信息，分別對應3種不同帶寬的諧波，完整測試組合為432個序列，如果每個序列需要時間為30 s，不計中間故障耽誤的時間，需要時間約為4 h，每一個序列測試需要多人協作完成，人工發生信號，人工判斷測試結果，效率低下，測試精度不高，容易出現誤判、漏判。文獻[7]雖然采用了虛擬儀器技術進行諧波測試，但只是開環測試，測試效率和精度不高。

本文采用虛擬儀器技術，實現移頻信號和諧波干擾的同時生成，并進行閉環自動調節，自動判斷機車信號設備狀態，提高測試效率和精度。

1 機車信號設備抗諧波干擾測試系統設計

1.1 測試原理

通用機車信號設備抗電氣化諧波干擾，依據文獻[5]和文獻[6]給出的不平衡牽引電流抗擾度試驗的方法，通過耦合裝置把諧波干擾注入到被測系統中進行測試。

1.2 自動測試結構

為使抗諧波干擾自動測試有更高的可信度，本系統采用半實物半仿真的環境。利用鋼軌作為移頻信號和諧波干擾的傳輸通道，感應線圈安裝方式同現場一致；利用虛擬儀器測試技術產生移頻信號和諧波干擾，并采集機車信號狀態[8]。測試結構原理如圖 1 所示 。

圖1 測試結構原理

該測試系統硬件主要包括工控機、多功能采集卡、接口電路、電流傳感器、輔助測試裝置；利用多功能采集卡模擬輸出移頻信號和諧波干擾、模擬輸入采集鋼軌電流和燈位狀態；輔助測試裝置包括鋼軌、電流傳感器、功放、模擬鋼軌、耦合裝置等。模擬鋼軌由可調電阻和電感組成，實現鋼軌不平衡電流的調整；耦合裝置為扼流變壓器，通過該裝置把諧波干擾注入被測系統中。

機車信號設備在進行抗諧波電流干擾測試中，根據TB/T 3287-2013[5]要求調整好移頻信號電流，再將諧波電流通過扼流變壓器注入到鋼軌，此時，鋼軌中包含移頻信號和諧波干擾電流。機車信號接收線圈感應鋼軌中的電流，并譯碼其中的低頻信號，點亮對應的燈位。當移頻信號和諧波干擾調整到位后，開始進行信號燈狀態的采集，從而實現閉環自動測試。

1.3 多功能采集卡

PXIe6361多功能采集卡，可實現模擬信號、數字信號的采集和模擬信號的輸出。主要指標，包含8個差分或16個單端模擬輸入，采樣率為多通道1 MS/s；2個模擬輸出，數模轉換器（DAC）分辨率16 bit，最大更新率為1個通道 2.86 MS/s，2個通道2 MS/s。該采集卡性能指標完全滿足測試要求。

1.4 閉環測試原理

實現機車信號抗諧波干擾的自動測試，關鍵技術在于移頻信號、諧波干擾的自動調整，從而實現432種測試序列的自動測試。本測試裝置可以同時生成諧波干擾和移頻信號，并對其進行閉環調整。諧波閉環調節原理如圖2所示：（1）工控機運行的LabVIEW生成諧波干擾并利用PXIe多功能采集卡AO端口進行輸出，通過功率放大后經扼流變壓器注入到鋼軌中；（2）利用電流傳感器采集鋼軌中的諧波電流，通過PID算法進行調節，直到諧波電流值即（兩軌電流之差）滿足設定值時，此時諧波調整完畢。同理，調整移頻信號，當移頻信號和諧波都調整完成，開始測試，采集信號燈的狀態，判斷結果[9-11]。

圖2 諧波閉環調節

2 軟件設計與實現

2.1 軟件設計

諧波電流測試中，8種載頻分別發送18個低頻信號，每一種載頻分別對應3種帶寬的諧波。不同頻率的諧波電流值按照文獻[6]所給的諧波與基波電流的比例關系計算得出。諧波測試流程如圖3所示。

2.2 編程實現

圖3 機車信號抗不平衡諧波干擾測試流程

本測試系統采用LabVIEW編程語言進行開發，為提高程序模塊化程度，提高開發效率，采用常用的動態加載方式。子程序（子VI）主要包括，鋼軌電流采集、數據存儲及回放、信號燈位采集及狀態判斷、信號生成、比例-積分-微分（PID）控制等模塊，其中，PID控制函數通過LabVIEW平臺PID工具包中的PID.VI模塊實現[12]，如圖4所示。測試界面如圖5所示，數據采集界面如圖6所示。

圖4 PID 函數集

3 測試結果

兩條鋼軌上的諧波電流差值即不平衡諧波電流，為測試過程所需要的諧波電流值。其負荷變化不大，控制通道滯后較小，因此要求余差很小，PI控制器即可滿足要求；P、I參數根據經驗及反復調整得出。80 mA諧波電流調整過程如圖7所示，調整完成需要2 s左右，遠小于人工調整時間。

圖5 測試界面

圖6 數據采集界面

圖7 PID調整過程

測試過程中，利用LabVIEW的技術數據管理流（TDMS）存儲模塊進行存儲，方便測試過程中的數據分析，移頻疊加諧波的頻譜分析，如圖8所示。

圖8 數據回放

4 結束語

本文設計了一套基于虛擬儀器的機車信號設備抗諧波干擾測試系統，該系統利用虛擬儀器測試技術和經典PID算法調節，通過搭建半實物半仿真測試環境，使得諧波干擾幅度快速地收斂于干擾設定值，并實現了自動測試。經過實驗驗證，該系統可以省去人工調節，令測試效率明顯提高，誤差明顯降低。本文只是采用經典PID算法，自動調節時間依然相對偏長，可考慮PID與模糊算法相融合進行諧波幅值調整，實現閉環調整時間大幅降低。