列車制動性能試驗臺測控系統設計

劉 新，安世龍，王俊龍，任玉璽

(中車齊齊哈爾車輛有限公司 技術開發中心，黑龍江 齊齊哈爾 161000)

利用列車制動靜置試驗臺可以對鐵路車輛的列車制動性能進行試驗研究，國內外的列車制動靜置試驗臺對這方面的研究都發揮了重要作用。傳統的列車制動靜置試驗臺均采用1∶1列車實際制動管路和制動閥、風缸、氣室系統制造，可以進行任意編組輛數的試驗，但不能進行多點操控模式試驗。

本文提出了一種列車制動性能試驗臺測控系統設計方案，該測控系統在實現傳統制動靜置試驗臺功能基礎上，增加了雙操控臺聯動控制功能，配備功能強大的數據采集系統，具有多點操控、適應多種制式控制閥、手動/自動2種控制模式、分布式模塊化采集系統等顯著優勢。

1 功能設計

測控系統需能夠進行各型控制閥不同工況下列車制動性能試驗，全面、準確地反映出列車在各種工況下的制動性能，測試或評估各種條件下各類型制動機性能指標，為列車在安全性能、制動性能等方面的改進提供依據。測控系統具體試驗功能設計如下：

(1)漏泄試驗；(2)各級減壓量常用制動試驗；(3)常用制動安定試驗；(4)常用制動感度試驗；(5)常用制動保壓試驗；(6)階段制動試驗；(7)常用轉緊急制動試驗；(8)緩解試驗。

2 整體布局

測控系統整體布局設計如圖1所示，主要包括主操控臺、移動操控臺和數據采集系統3部分。

圖1 測控系統整體布局

(1) 主操控臺固定布置于機械臺體前方，由地溝和機械臺體橋架引入數據線和供電進線；

(2) 移動操控臺放置于兩機械臺架中間通道上，試驗時可根據具體編組需要移動停放，管路接入機械臺架；

(3) 主操控臺和移動操控臺通過地溝風源接口接入風源；

(4) 分布式采集柜根據傳感器位置分布在機械臺架上，通過機械臺架預留地溝引入數據線和供電進線；

(5) 數采系統采用分布式結構布置，采集柜內設置數據采集系統，采集的數據通過網絡上傳到主操控臺。

3 工作原理

列車制動性能試驗臺測控系統工作原理如圖2所示，操控臺通過司機控制器和指令轉換器或工控機和CAN模塊發出信號控制機車制動機，制動機將接收的電信號轉化為空氣信號，控制試驗臺機械系統實現充氣、制動、緩解等動作。

圖2 測控系統工作原理圖

分布式采集柜中的采集系統將傳感器采集的數據通過網絡實時傳輸到操控臺的工控機中，供主操控臺與移動操控臺調用與處理；操控臺可通過PLC模塊控制分布式采集柜中的電磁繼電器，繼而控制機械系統中的模擬排風模塊，實現模擬泄漏試驗。

4 硬件設計

測控系統硬件主要包括控制系統及采集系統兩部分，控制系統完成試驗過程控制，采集系統采集試驗過程中各檢測點的試驗數據。

4.1 控制系統

控制系統主要由主操控臺和移動操控臺兩部分組成，兩操控臺通過有線網絡連接，負責控制信號的輸出和采集信號的存儲與處理，可單獨控制或協同工作。

4.1.1主操控臺

主操控臺內系統組成包括：上位機、CAN通信模塊、PLC模塊、制動機及司控器等，負責采集柜采集信號的處理、PLC控制信號的輸出以及通過CAN總線控制機車制動機，實現對列車管壓力的控制。

圖3為主操控臺示意圖，面板配置測控系統顯示屏、試驗系統顯示屏、司控器、制動顯示屏、上電斷電相應指示燈、急停按鈕和USB接口等。測控系統顯示屏與試驗系統顯示屏尺寸均為63.5 cm，測控系統顯示屏用來顯示監控壓力、制動缸位移量及DI/DO監控等試驗實時數據，試驗系統顯示屏用于對試驗系統的手動操作與界面控制。

圖3 主操控臺示意圖

4.1.2移動操控臺

移動操控臺用于模擬從控機車，與主操控臺配合模擬雙機車控制模式。操控臺包括上位機、CAN通信模塊及簡化版機車制動機等，采用上位機模擬司控器及CAN模塊直接對機車制動機進行控制。

圖4為移動操控臺示意圖，面板配置63.5 cm顯示屏，用于試驗控制與數據顯示，還配有制動顯示屏、上電斷電指示燈、急停按鈕和USB接口等。

圖4 移動操控臺示意圖

移動操控臺可以根據試驗需要連接在制動單元組中任意2個單元之間，將電源線及網線就近接入兩側采集柜后即可與主操控臺進行通信，讀取采集信號和發出控制PLC輸出信號。

4.2 采集系統

由于列車制動性能試驗臺需要使用大量傳感器且傳輸距離較遠，考慮布線及檢修方便，測控系統采用分布式采集方案，分布式采集整體布局美觀、硬件布置靈活、檢修維護容易，更改或新增傳感器布置更容易實現。

4.2.1采集系統布置

采集系統為分布式結構(圖5)。根據傳感器的位置分設8個采集柜，采集柜之間采用串行總線連接，采集柜內設置數據采集系統，負責采集各風缸的壓力信號和制動缸位移信號，并將采集到的數據通過網絡上傳到主操控臺和移動操控臺。

圖5 分布式結構

采集柜內還設有電磁繼電器，可以接收PLC發送的指令，控制機械臺架上的排風電磁閥，完成模擬泄漏測試。

1）協同處理方案是最徹底的廠內消耗途徑，既實現了滲瀝液零排放，又避免了爐膛溫度的驟降、波動以及對蒸汽量、產電量的影響。同時濃縮液回噴入爐對抑制NOx的生成具有正面作用。

4.2.2采集終端配置

為了滿足試驗測試需求，檢測操控臺制動機工作狀態，采集各車輛相關風缸測試數據，采集終端設置空氣壓力傳感器及位移傳感器，采集兩操控臺內制動機的風源、列車管、均衡風缸以及各車輛列車管、副風缸、制動缸等位置空氣壓力及位移數據。傳感器布置情況如表1所示。

表1 傳感器布置情況

5 軟件平臺

5.1 軟件功能設計

針對相關標準的試驗方法要求，基于LabVIEW平臺編寫上位機軟件，以實現試驗過程控制，試驗數據采集、存儲，試驗記錄查詢，試驗報表打印等功能。試驗臺軟件采用模塊化設計，界面美觀，易于理解。主操控臺與移動操控臺采用相同軟件架構，數據采集系統以及PLC模塊的數據通過通信總線在2套軟件中進行交互。

軟件具有的主要功能有：(1)權限管理；(2)曲線繪制、壓力值顯示；(3)數據分析；(4)自動試驗過程控制；(5)試驗報表生成、打印；(6)試驗結果存儲；(7)歷史數據查詢。圖6為系統功能框圖。

圖6 系統功能框圖

5.2 軟件界面設計

為滿足試驗過程的控制及顯示需求，以實用與美觀為原則，設計了多個軟件人機交互界面，其中主要的界面及功能如下。

5.2.1登錄界面

登錄界面是軟件啟動界面，由此界面輸入用戶名、密碼后登錄控制系統。

5.2.2試驗過程控制界面

登錄成功后，進入試驗過程控制界面。此界面為程序的主控界面，根據顯示內容不同分為多個區域，功能包括試驗臺名稱及公司logo顯示；登錄用戶顯示；數據采集界面顯示切換；打開權限管理和標定功能界面；試驗基本信息設置；試驗項目選擇，試驗開始停止，軟件退出；根據選擇試驗項目子面板顯示；制動機控制模式切換；空氣制動及電空制動基本控制；制動機壓力信息顯示；排風電磁閥控制區域。

5.2.3數據采集界面

由此界面曲線設置部分可以進入傳感器選擇界面，根據選擇的傳感器配置曲線名稱，選擇要顯示的曲線。同時，可以對曲線圖進行圖像鎖定、顏色轉換、截圖等操作。可以設定采集的頻率，設置保存數據文件的名稱，開始和停止數據的采集。

5.2.4傳感器配置界面

傳感器配置界面可以根據試驗需要手動配置使用的傳感器，并將配置方案保存為獨立文件，也可以載入歷史配置文件。

5.2.5傳感器標定界面

傳感器標定界面可以根據傳感器校驗結果對傳感器的零點和系數進行設置。

5.2.6用戶權限管理界面

軟件具有權限管理功能，設計有不同等級的用戶權限，以不同的權限登錄，可使用的功能不同。通過此界面可以添加和刪除用戶。

6 結束語

本文設計了一套列車制動性能試驗臺測控系統，配置穩定的數據采集系統和功能齊全的軟件平臺，與機械系統相結合形成功能完備的列車制動性能試驗臺。

測控系統設計充分借鑒了國內外同行業經驗，技術成熟、性能可靠，操控方式靈活，適應重載貨車、快捷貨車復雜編組試驗需要；預留測試驗證接口，滿足未來制動技術發展需要；測試系統功能完善、傳感器布置合理，滿足常規列車制動試驗、新型控制閥驗證試驗等試驗需要；傳感器接口豐富，測點靈活轉換，適應各種復雜編組工況列車制動性能測試。

列車制動性能試驗臺測控系統研制完成，可以為新型控制閥性能評估和列車制動性能試驗研究提供可靠的試驗裝備，提升制動系統產品研發和試驗研究能力，推動制動技術進步。