基于地鐵制動系統的測試裝置研究與開發

趙 科，周子焱

（大連交通大學 電氣信息工程學院，大連116028）

地鐵具有載運量大、客流量集中等特點，地鐵列車各個關鍵系統的安全性和可靠性是地鐵運營公司重點考慮的問題。在地鐵交通系統中，地鐵列車制動系統是整個列車安全運營的關鍵，它關系到無數人民群眾的生命安全，因此必須保證該系統在列車運行過程中安全可靠地工作[1]。列車制動系統一旦發生故障， 將直接影響運營車輛的安全與穩定，延誤車輛的運營計劃，擾亂正常的公共秩序，影響乘客的行程安排，以致造成較嚴重的社會影響[2]。對制動系統性能進行高效穩定的測試裝置研發，具有廣泛的應用前景和重要意義。提高地鐵列車制動設備國產檢測水平， 實現關鍵核心技術自主可控，打破國外龍頭企業的技術封鎖和產品壟斷，讓中國在國際軌道交通技術上占有一席之地。

通過認真研究地鐵車輛中HRDA 型數字模擬式電空制動系統的工作原理，詳細分析列車制動系統及其制動電子控制裝置工作原理，在此提出對地鐵列車制動電子控制裝置進行測試的設計方案。通過對測試裝置進行硬件設計及上、下位機軟件程序設計，實現對制動電子控制裝置性能的檢測。

1 HRDA 型數字模擬式電空制動系統

HRDA 型數字模擬式電空制動系統由日本Nabtesco 公司研制[3]，北京、天津等城市B 型地鐵車采用了該型電空制動系統。

該系統包括制動控制系統、 防滑控制系統、風源系統、基礎制動裝置、輔助系統供風設備等。系統采用故障導向安全的設計原則， 裝有監控終端設備，具有故障記錄和自診斷等一系列功能，為地鐵列車安全運行提供有力保障[4]。該電空制動系統除了具有常用制動和緊急制動等幾大制動功能外，還具有防滑控制功能；能與ATP 系統配合控制；可以交叉混合使用動車和拖車間的制動力；協調配合電空制動，首選電制動，電制動之外采用反饋來控制空氣制動力。

制動控制系統是HRDA 型電空制動系統的“大腦”，穩定地控制著整個系統有序工作，同時接收外界設備數據。制動控制系統，包括制動電子控制裝置（動車KBCD3A 或拖車KBCD4A）、EPR2A 型電空轉換中繼閥、F 負載閥、UM 空氣過濾器、 壓力傳感器單元、總風欠壓開關（僅Mc 車安裝）、箱體、消音器等。每輛列車配備的制動電子控制裝置對制動缸進行充、排氣來完成啟動或解除常用制動或緊急制動。制動電子控制裝置完成從接收指令到協調計算電空制動力為止的所有功能[5]。制動控制系統結構如圖1所示。

圖1 制動控制系統結構Fig.1 Structure of brake control system

各車制動電子控制裝置接受制動信號傳輸裝置發送的常用制動指令，進行電制動和空氣制動的一系列計算，并合理分配2 種制動力。電空轉換中繼閥將電氣指令轉化為空氣壓力， 由緊急電磁閥、電空轉換閥和雙活塞中繼閥幾部分組成。若再生制動不足，控制電空轉換中繼閥用空氣制動補足。制動電子控制裝置通過閉環反饋的方法使常用控制閥輸出AC 壓力， 輸出的壓力通過中繼閥部的控制室進行流量放大，最后將放大后的壓力空氣傳輸到制動缸產生常用制動力。空重車調整閥根據列車車輛載重量的變化，自動限制車輛的最大制動力。通過輸入2 個空氣彈簧的壓力信號（AS1，AS2），經預設好的轉化關系，把與車重量相匹配的空氣壓力傳輸到電空轉換中繼閥。在緊急制動時，此壓力的空氣以與常用制動相同的方式通過緊急電磁閥，在中繼閥部的控制室進行流量放大，最后把放大流量之后的壓力空氣傳輸到制動缸，產生緊急制動力。

電空制動系統常用制動是在不影響列車原有制動系統功能的前提下，直接控制列車主管壓力使列車實現制動與緩解的一種制動方式。常用制動劃分為7 個級別， 接收到ATO，ATP 發出常用制動指令之后，經由3 條常用制動指令線發送制動電子控制裝置進行常用制動， 并通過檢測到的一動一拖2個車的空氣彈簧壓力信號，通過計算分配好動車和拖車的制動力[6]。該制動過程首選節能減排的電制動，當電制動不能滿足當前制動要求時，再采取電制動和空氣制動2 種制動方式相互協調配合進行常用制動。列車在行駛過程中遇到緊急狀況時，司機通過司控臺上的緊急制動按鈕對列車進行緊急制動，列車速度一直下降，直至列車停止，此過程不可中斷。緊急制動不僅可以通過司控臺的緊急制動按鈕實現，一旦列車出現類似風源壓力過低，無法提供常用制動或者列車分離故障這些情況時，制動電子控制裝置會接收到采取緊急制動的指令，使緊急電磁閥得電動作進行制動[7]。

列車制動時需要具有根據列車總重量自動調整制動力大小的功能。電空轉換電路將檢測到的2個空簧的壓力信號轉化為相應的電信號， 車重是2個載荷信號的平均值。經由相關的載荷計算，進而控制列車制動時輸出制動力的大小。此功能設置了空車最低保證壓力和重車最高限制壓力。制動電子控制裝置首先接收裝在車軸速度傳感器和脈沖發生器傳輸的速度脈沖信號，其中M 車（指具有動力的車輛）與牽引共用由VVVF 發出的速度脈沖信號，然后檢測各車軸的速度，最后進行防滑控制。制動電子控制裝置有減速度檢測和速度差檢測2 種滑行檢測的方法，當有一種方法檢測到滑行，防滑控制裝置控制防滑電磁閥產生防滑作用。

制動電子控制裝置具有獨立的計算機控制檢測系統，能利用傳感器監測制動缸壓力，在不緩解檢測線得電的情況下， 如果5 s 后仍出現制動缸壓力不低于規定值的壓力，則判斷為發生了制動不緩解。當發生制動力不緩解的情況時，司機通過閉合強迫緩解開關，讓電子制動控制單元發出緩解制動的指令，并向監控裝置發送強迫緩解信號[8]。在ATP常用制動或司機實施較高級別常用制動且無電制動時， 制動缸壓力經過3.5 s 后仍未超過規定值，制動電子控制裝置則判斷為發生了制動力不足，使發生制動力不足的車輛產生緊急制動作用，并向監控裝置發出制動力不足信息[9]。

2 制動系統測試裝置設計

針對HRDA 型電空制動系統進行測試裝置的總體設計。該裝置組成主要有UPS、顯示器、工控機、打印機、PLC 控制系統、PWM 信號輸出系統、PWM信號檢測系統、速度模擬系統、數字量輸入處理系統、數字量輸出處理系統、防滑信號處理系統、氣源處理系統、氣路控制系統和壓力檢測系統等。測試系統包括硬件和軟件2 部分：硬件部分主要實現控制和檢測功能；軟件部分主要指運行在工控機內的上位機程序，負責人機交互界面，控制測試裝置對制動電子控制裝置進行試驗和監視。

測試裝置硬件結構如圖2所示。測試裝置與制動電子控制裝置雙向傳輸相應電氣信號。數字量輸入板卡采集緊急制動指令、制動指令、牽引指令、保持制動指令、 坡道啟動指令、ATO 模式信號指令、ATP 常用最大指令、電制動有效信號、電制動失效預警信號（KBCD3A）、保持制動緩解信號。數字量輸出有緊急制動狀態、不緩解信號、30 km/h 速度信號（KBCD3A）、KBCD 重故障信號、BC 壓力有無信號（KBCD3A）、制動力不足信號、制動不緩解信號。

PWM 模擬信號分為PWM 模擬輸入信號和PWM 模擬輸出信號。其中，PWM 模擬輸出信號分別為常用制動指令、電制動反饋、T 車（指拖車）載荷信號和T 車減算指令；PWM 模擬輸入信號分別為牽引載荷、電制動指令和T 車減算指令。

2.1 測試裝置硬件設計

制動測試裝置通過高標準的航空插頭等連接器與外部被測試設備連接。制動測試裝置輸出控制信號給工控機，同時接收信號處理單元采集到的外部被測試設備輸出的脈沖信號。整機電源采用AC 220 V 市電供電，工控機、顯示屏為220 V 交流電直接提供，其它部件需要110 V 和24 V 直流電由隔離型AC-DC 電源模塊轉換后提供。制動測試裝置配備多種接口。以太網（ETH）口用于與工控機通信，同時配置MVB/CAN 接口在需要時可與其它標準TCN 設備通信，通訊要符合IEC61375-1 標準。為了提高測試裝置的試驗能力， 同時配備與制動機連接的RS-232 通信接口，通信協議靈活，可根據需求自行訂制協議。

圖2 測試裝置硬件結構Fig.2 Hardware structure of test device

2.2 測試裝置軟件設計

地鐵制動系統測試裝置軟件分析、處理測試的數據，準確定位制動系統故障位置，為地鐵列車的日常檢修與維護提供技術支持和依據，為制動系統的安全保駕護航。測試裝置軟件主要有以下功能：

1）主窗口管理 通過人機界面的主窗口，測試人員可以進行測試類型的選擇，進入到相應的子界面，完成測試車型的選擇和測試人員信息的記錄并進行對應測試。

2）讀取測試條件和規格 根據測試人員選擇的試驗類別及車型，從SQL Server 數據庫讀取相應的測試條件和規格，顯示到所選界面，方便測試人員觀察記錄測試數據。

3）測試數據的保存與打印 保存測試數據，以Excel 表格的形式打印， 便于方整理并保存測試數據和結論。

4）測試數據的清空 退出測試時，軟件能自動清空上位機界面讀取的數據庫測試規格和數據。

5）測試數據的復現 將之前測試數據從數據庫中提取，上位機界面顯示，便于對測試結果的總結與查閱。

6）對話框提示操作 對測試人員的一些錯誤操作彈出提示對話框。

通過對測試裝置整體結構的分析，制動測試裝置主要包含上位機軟件部分和下位機軟件部分，彼此主要通過UDP 通信協議和CAN 總線進行數據交換。測試裝置各部分軟件拓撲如圖3所示。

圖3 測試裝置軟件拓撲Fig.3 Software topology of test device

2.2.1 上位機程序總體設計

工控機運行上位機軟件程序，提供友好的人機交互界面，實現工控機與PLC 之間的數據傳輸和收發。PLC 將測試過程需要的各種信號傳輸到制動控制單元。同時，將PLC 采集的數據傳輸給工控機，采用信號轉化及圖形設計，以適當的形式在上位機程序界面顯示。上位機程序軟件提供多種功能，包括自診斷、自動測試、單項測試、手動測試、測試管理、用戶管理、數據管理、校正測試結果、數據保存及打印功能等。具體如下：

①自診斷功能 對測試裝置內部的模擬、數字采集板卡以及PWM 板卡進行功能測試； ②自動測試 用戶發出命令后， 自動開始所有項目測試，用戶可緊急停止當前測試進程；③單項試驗功能 根據用戶當前選擇，控制測試裝置完成所選測試項目；④手動試驗功能 用戶可以手動輸出測試信號，如速度信號和載荷信號等； ⑤測試管理功能 能對用戶提供測試參數、 標準及測試實施與否的窗口；⑥用戶管理功能 由管理員分配每一用戶的操作權限；⑦數據管理功能 用戶可以對測試結果數據進行刪除和復現等；⑧校正 用戶可以將接收或發送的模擬信號通過校正界面進行校正；⑨數據保存及打印 用戶可以將自診斷測試結果、自動測試結果以及測試標準保存并打印出來。

2.2.2 下位機程序總體設計

下位機軟件運行在PLC 和制動測試控制單元，主要負責控制制動測試控制單元中的輸入輸出板卡， 并且接收數字/模擬采集板卡所采集的數據，通過UDP 通信協議發送到工控機上位機程序中。相反， 接收上位機程序通過UDP 發送的控制指令，然后由PLC 程序再發送到數字/模擬輸出板卡。制動測試控制單元中各板卡通過設計在背板上的CAN總線進行數據交換。由于篇幅所限，在此不再贅述。

3 測試裝置現場測試

通過現場測試，使用所設計的地鐵制動系統測試裝置實現工控機、PLC、制動測試控制單元和制動電子控制裝置四者數據的互融互通。通過測試分析驗證了測試裝置的正確性和可靠性。

在完成測試裝置硬件設計和軟件設計后，在測試現場采用裝置自診斷和制動電子控制裝置試驗的方式，驗證了測試裝置的可行性。具體測試步驟不再贅述，測試結果的界面如圖4所示。通過車型選擇、試驗模式及類別選擇等信息輸入，測試界面右側顯示所有測試過的試驗項目，并綜合判定結果為合格。

圖4 制動電子控制裝置測試界面Fig.4 Test interface of brake electronic control device

4 結語

所設計的地鐵制動系統的測試裝置，能夠以現場試驗的方式對所設計的裝置進行功能測試。為避免測試裝置自身問題造成試驗失敗，先進行裝置自診斷試驗，再通過測試裝置對地鐵列車制動電子裝置測試。測試結果合格，驗證了裝置測試功能的準確性和可靠性，解決了對地鐵列車制動系統快速故障診斷問題，也推動了國產檢測設備開發進程。