基于EP2002制動系統的地鐵列車制動仿真控制系統

章文川 郎誠廉

(同濟大學電子與信息工程學院, 201804, 上海)

列車操作培訓,尤其涉及故障的培訓,大多通過仿真系統實現。制動系統的仿真系統,不僅能夠模擬列車常規情況下的各種功能操作,不受行車現場地點和時間的限制,而且還能模擬電氣和氣路等故障,復現其發生現象。于制動系統而言,仿真系統對降低其復雜性、提高其可靠性等改進性能的研究也有一定的意義。在實際軌道交通車輛中,由于EP2002制動系統具有集成度高、響應快、控制精度高等優點,被廣泛應用。但同時也存在著維修困難、無法注入內部故障等問題,對此,本文以EP2002制動系統為基礎,建立地鐵車輛制動仿真控制系統(以下簡稱“EP2002制動仿真系統”)。

1 EP2002制動系統

EP2002制動系統是德國KNORR-BREMSE公司推出的一款架控式制動系統,由供風系統、制動控制系統、制動執行機構及空氣懸掛等部分構成。EP2002制動系統由供風系統供應壓縮空氣,接收來自空氣懸掛的負荷信號,通過制動控制系統將輸出到制動執行機構的氣壓控制在對應當前負荷工況的目標氣壓,進而向列車施加目標制動力。其中EP2002閥是整個制動系統的控制核心。

EP2002閥包括智能閥、網關閥與RIO(遠程輸入/輸出)閥。三者都具有RBX(本地制動控制單元)與PVU(氣動閥單元),能夠實現對本地轉向架的制動缸壓力控制;網關閥還另裝有BCU(制動控制單元),能夠進行制動力計算與分配;另外網關閥與RIO閥還具有模擬輸入、可編程數字輸入、可編程繼電器輸出等接口[1-2]。

EP2002制動系統將全車分為多個CAN(控制器局域網)總線段進行控制,每個CAN總線段中裝有一個或多個網關閥、若干個智能閥與若干個RIO閥。圖1為典型的EP2002制動系統組網結構[3]。

注:BSR—制動儲風缸。

所有EP2002閥的PVU氣路都是一致的,主要由主調節器、副調節器、先導閥與主閥等元件構成。EP2002閥PVU氣路結構如圖2所示。

圖2 EP2002閥PVU氣路結構

副調節器將來自制動儲風缸的壓力調制在最大負荷下緊急制動所需的制動缸壓力值;負荷調節單元將此壓力進一步調制到當前負荷工況下緊急制動所需制動缸壓力,并以此壓力作為主調節器的參考輸入進行流量放大;先導閥(PV1—PV7)在RBX給出的電信號控制下動作,控制后端氣路(CP1—CP7)的氣壓,進而控制主閥(V1—V8)的動作,從而控制BCP(輸送到制動缸的氣壓)大小。

2 EP2002制動仿真控制系統的總體方案

在EP2002制動系統中,各轉向架上的EP2002閥通過CAN總線及車輛總線進行組網,實現對整列車的制動控制。EP2002制動仿真控制系統要以EP2002閥等效單元為核心,對應原系統中的EP2002閥。

EP2002閥等效單元由氣路單元與控制單元兩部分構成。氣路單元對應原EP2002閥的PVU部分,使用基本氣路元件構建起與原系統相同的氣路結構,以還原實際系統的氣路特性,并解決原系統高度集成無法注入故障的問題。控制單元采用基于STM32F107單片機的嵌入式控制系統。

對于氣路中如先導閥與負荷調節單元這樣復雜或難以實現部分,基于其數學模型在控制單元中以軟件模擬的形式等效實現。因此EP2002制動仿真控制系統采用實際氣路與虛擬計算聯合仿真的方式來模擬原系統的作用機制,其中虛擬計算部分在STM32F107單片機中實現。

2.1 控制單元設計方案

控制單元的功能在于采集氣路單元中氣壓傳感器輸出的信號,并對氣路單元中的閥體進行控制,以實現原EP2002閥中RBX的功能。控制單元要能實現CAN總線及車輛總線通信,以及原系統BCU的制動計算與分配功能。此外,還要保持EP2002閥等效單元的外部接口與原EP2002閥一致,使得多個EP2002閥等效單元能夠像原系統一樣組網,實現對整個車輛制動系統的仿真。EP2002制動仿真控制系統組網結構如圖3所示。

圖3 EP2002制動仿真控制系統組網結構

2.2 氣路單元設計方案

2.2.1 先導閥的等效

實際EP2002閥采用兩位三通電磁閥作為先導閥間接控制主閥動作的控制方法,需要高度集成化的加工工藝。對此,EP2002制動仿真控制系統先導閥需要簡化氣路以減小仿真平臺的體積,此外,由于無法購得兩端受壓面積不相等的雙氣控型氣控閥,需要對氣路進行等效。先導閥等效示意圖如圖4所示。

注:CPU—中央處理器。

實際上,先導閥動作所造成的后端氣路充放氣過程可以視為定容開口系的充放氣問題。假設工質氣體為理想氣體,充放氣過程為絕熱過程,不考慮氣體重力,并假設容腔內氣壓、溫度均勻分布,則可以結合閥口流量方程、熱力學第一定律和熱力學狀態方程,將先導閥與控制氣路部分放在控制單元的程序中進行模擬[4-5]。首先,根據先導閥的通斷狀態實時計算其后端氣路中的氣壓;然后,由該氣路中的氣壓計算出主閥閥芯所受合力方向,以判斷主閥如何動作;最后,直接由控制單元發出電信號控制作為主閥的先導式電磁閥動作。

由于先導閥只是主氣路動作的中間環節,采用先導閥等效氣路對制動性能幾乎沒有影響。這樣在制動性能不受影響的情況下,既簡化了氣路,又保證了作用機制的完整性。

2.2.2 負荷調節單元的等效

實際EP2002閥的PVU氣路通過使用主副調節器與負荷調節單元,將輸送至BCP調節部分的氣壓控制在對應當前負荷工況的緊急制動氣壓。

由于中繼閥較為特殊,且實際的負荷稱重環節較為復雜,故EP2002制動仿真控制系統使用原理相近的比例閥來實現負荷稱重環節對氣壓調制。

比例閥受電信號控制,直接輸出與電信號成比例的氣壓信號;高速開關閥型比例閥同樣由兩個高速開關的電磁閥控制先導腔壓力,進而推動閥芯動作,與原系統作用機制相近,且具有良好的流量特性與控制精度,能夠滿足EP2002制動仿真控制系統的需求[6-7]。

使用同原系統流量特性和響應速度相近的先導式電磁閥與比例閥進行等效,得到EP2002閥等效單元等效氣路,如圖5所示。

圖5 EP2002閥等效單元等效氣路結構圖

EP2002閥等效單元等效氣路與實際EP2002閥PVU氣路保持著相同的氣路結構與作用機制。所以,只要二者的制動外特性一致,EP2002制動仿真控制系統就能完全反映EP2002制動系統的實際功能和特性。

3 制動仿真控制系統特性的仿真驗證

3.1 EP2002閥氣路的AMESim模型

利用AMESim軟件構建EP2002閥氣路的AMESim模型:首先,使用分立部件構造中繼閥[8]、氣控閥等部件模型;然后,根據EP2002閥PVU氣路構建起完整氣路模型[9]。氣路中設置了壓力傳感器,根據BCP值向先導閥發送控制指令;先導閥的通斷改變后端氣路的氣壓值,進而控制主閥的通斷。按照實際情況,設置BSRP(制動儲風缸壓力)為0.9 MPa,副調節器輸出氣壓為0.54 MPa,主調節器輸出氣壓為0.5 MPa。設置進氣節流口面積為15 mm2,排氣節流口面積為15 mm2。

3.2 EP2002閥等效單元的AMESim模型

類似地,先使用分立部件構造比例閥、先導式電磁閥等部件模型,再根據EP2002閥等效單元氣路的結構,用比例閥取代負荷調節單元和中繼閥,使用先導式電磁閥代替氣控閥,省略了先導閥,直接使用電信號控制先導式電磁閥的通斷。EP2002閥等效單元的AMESim模型如圖6所示。

圖6 EP2002閥等效單元的AMESim模型

EP2002閥等效單元AMESim模型與實際EP2002閥氣路AMESim模型的BSRP、副調節器輸出氣壓、主調節器輸出氣壓、設置進氣節流口面積與排氣節流口面積保持一致。

基于AMESim模型,對EP2002閥氣路和EP2002閥等效單元分別進行常用制動與緊急制動仿真試驗,觀察對比兩者輸出的BCP曲線。

3.3 EP2002閥與等效單元的仿真外特性比較分析

3.3.1 常用制動仿真特性比較

在常用制動仿真試驗中:制動施加前,軸1與軸2的進排氣閥均關斷,處于保壓狀態,目標壓力為0.42 MPa;1 s時開始施加制動,軸2處于保壓狀態,軸1的進排氣閥根據BCP與目標壓力的大小關系進行調整——當BCP高時排氣,反之進氣,當BCP與目標氣壓接近時進入保壓狀態;4 s時制動緩解,遠程緩解保持閥關閉,截止對后端氣路的供氣,同時遠程緩解排氣閥打開,將制動缸中的氣體排出。常用制動下軸1的氣壓仿真曲線如圖7所示。

圖7 常用制動下軸1的氣壓仿真曲線

由圖7可見,在常用制動施加過程中:EP2002閥的BCP經過1.69 s上升至0.419 MPa并達到穩定;EP2002閥等效單元的BCP經過1.72 s上升至0.419 MPa并達到穩定。同理得到常用制動下軸2的氣壓仿真曲線,變化規律類似。由此可看出,等效前后的常用制動外特性基本一致。

3.3.2 緊急制動仿真特性比較

在緊急制動仿真試驗中:制動施加前,軸1與軸2處于保壓狀態;1 s時開始施加制動,軸1、軸2都將進氣閥打開,排氣閥關閉,工作在進氣狀態,直接將由主調節器調制后的氣壓輸送到制動缸中;4 s時制動緩解。常用制動下軸1的氣壓仿真曲線如圖8所示。

圖8 緊急制動下軸1的氣壓仿真曲線

由圖8可見,在緊急制動施加過程中:EP2002閥的BCP經過1.31 s上升至目標氣壓的90%,并最終穩定在0.499 6 MPa;EP2002閥等效單元的BCP經過1.30 s上升至目標氣壓的90%,并最終穩定在0.500 3 MPa。同理得到緊急制動下軸2的氣壓仿真曲線,變化規律類似。由此可看出,等效前后的緊急制動外特性基本一致。

4 EP2002閥等效單元的實現

4.1 EP2002閥等效單元的硬件實現

圖9為EP2002閥等效單元的硬件示意圖。

注:ADC—模擬/數字轉換;DAC—數字/模擬轉換。

EP2002閥等效單元的氣路單元由先導式電磁閥、比例閥與氣路管道等按原EP2002閥PVU的氣路結構組建而成。在氣路中關鍵節點接入氣壓傳感器,以監視BCP與其他關鍵節點的氣壓。

EP2002閥等效單元的控制單元由基于STM32F107單片機的嵌入式控制系統實現,單片機通過ADC讀取氣路中氣壓傳感器傳回的信號,并按照一定的控制邏輯,通過DAC控制比例閥的輸出氣壓,并通過GPIO輸出開關信號控制電磁閥的通斷,將BCP調制在目標值。

LCD顯示屏與上位機能夠實現對氣路狀態的實時顯示以及氣路故障的注入。STM32F107支持CAN總線與以太網通信,以此實現原EP2002閥的CAN總線與車輛總線通信功能,便使得多個EP2002閥等效單元能夠組網以實現對整列車制動系統的仿真。

4.2 EP2002閥等效單元軟件控制流程

EP2002閥等效單元制動的軟件控制流程如圖10所示,分為主控制流程與先導閥模擬兩部分。

a) 主控制流程

先導閥模擬部分子程序以0.1 ms為時間間隔被調用,根據先導閥后端氣路的熱力學模型,對其內部氣壓進行實時仿真計算。

主流程部分根據氣路單元中氣壓傳感器傳回的信號以及先導閥模擬部分的計算結果,對氣路中閥體進行控制,以達到控制BCP的目的。

5 結語

對比EP2002閥氣路與等效后EP2002閥等效單元氣路的AMESim仿真結果可以看出,不管是常用制動還是緊急制動,控制閥均能夠以相同的規律動作,BCP變化曲線也十分接近。可見,EP2002制動仿真控制系統能夠較為準確地還原出EP2002制動系統的特性。

EP2002制動仿真控制系統以較為低廉的成本,在保留完整作用機制且不失精確性的前提下,用基本氣路元件實現對原系統外部特性的正確反映。