高速電磁閥在自適應(yīng)單車試驗(yàn)系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要:單車試驗(yàn)系統(tǒng)是模擬火車剎車時(shí)列車底部列管的排風(fēng)減壓過程，進(jìn)而對(duì)火車制動(dòng)機(jī)進(jìn)行檢測(cè)的工具。隨著新型車輛的研制，車輛列管容積不斷發(fā)生變化，原有系統(tǒng)已不能適應(yīng)新型車輛的檢測(cè)要求。自適應(yīng)單車試驗(yàn)系統(tǒng)利用經(jīng)典PID控制理論，通過對(duì)脈寬調(diào)制式高速電磁閥的控制，使各種列管容積的車型試驗(yàn)排風(fēng)曲線都很好地跟蹤標(biāo)準(zhǔn)壓力曲線，達(dá)到了鐵道部對(duì)制動(dòng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)要求。

關(guān)鍵詞:單車試驗(yàn)系統(tǒng);脈寬調(diào)制式高速開關(guān)數(shù)字控制閥;PLC;PID

中圖分類號(hào):TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)03-207-04

Application of High-speed Solenoid Valve in Adaptive Cycling Trial System

XING Jie，QI Xiangdong

(Electronics Information College，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan，030024，China)

Abstract:Cycling trial system is a tool used for testing the braking parts of a vehicle through simulating the exhaust process when a running vehicle braking.With the rapidly developing of the new vehicles，the volume of vehicles′ sealed tube is changing.The original system has not fit the test requirements of the new vehicles.Adaptive cycling trial system，using the principle of PID to control the high speed PWM solenoid valve，make the exhaust volume curve of various sealed tube with different volume in multiform vehicles to track the standard stress curve，which fulfils the testing requirements of the ministry of railways.

Keywords:cycling test;PWM electromagnetic valve;PLC;PID

火車制動(dòng)過程是通過車輛底部列管排氣減壓使制動(dòng)缸充氣增壓帶動(dòng)制動(dòng)機(jī)工作來完成的。單車試驗(yàn)系統(tǒng)是通過模擬火車列管的各種標(biāo)準(zhǔn)排風(fēng)過程，進(jìn)而對(duì)制動(dòng)機(jī)進(jìn)行檢測(cè)的工具。隨著70 t級(jí)貨車車輛的投入運(yùn)行，火車車輛長度從最初的14.5 m增加到最長的26.5 m時(shí)，車輛底部列管容積也相應(yīng)增大，但在利用單車試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)列車制動(dòng)機(jī)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，要求列管減壓排風(fēng)曲線仍與原來標(biāo)準(zhǔn)容積15.5 L的列管排風(fēng)曲線一致，以滿足制動(dòng)機(jī)的使用條件。原來的單車試驗(yàn)系統(tǒng)只能在車輛長度為14.5 m，列管系統(tǒng)容積為15.5 L的45 t級(jí)的車輛檢測(cè)時(shí)模擬標(biāo)準(zhǔn)減壓排風(fēng)過程，因此原有單車試驗(yàn)系統(tǒng)已不能滿足鐵道部對(duì)列車制動(dòng)系統(tǒng)的試驗(yàn)要求。為此，對(duì)原有單車試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了改造升級(jí)，利用脈寬調(diào)制式高速電磁閥(PWM高速電磁閥)自動(dòng)調(diào)節(jié)排風(fēng)孔徑，對(duì)原有的排風(fēng)過程進(jìn)行補(bǔ)償，使不同容積列管的減壓排風(fēng)過程均能滿足工藝要求。自適應(yīng)單車試驗(yàn)系統(tǒng)已成功應(yīng)用于太原車輛廠、洛陽車輛段的生產(chǎn)檢測(cè)中。

1 方案的制定

要求任意容積的列管在試驗(yàn)的排風(fēng)過程中都可以自動(dòng)達(dá)到鐵道部對(duì)制動(dòng)機(jī)試驗(yàn)要求的排風(fēng)減壓過程，這就意味著要改變相應(yīng)的減壓排風(fēng)孔徑，即在原有單車試驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上改變對(duì)應(yīng)排風(fēng)電磁閥的排風(fēng)孔徑。

在經(jīng)歷了手動(dòng)單車試驗(yàn)系統(tǒng)、微控單車試驗(yàn)系統(tǒng)、DCS微控單車集中試驗(yàn)系統(tǒng)后，近幾年也有人在單車試驗(yàn)系統(tǒng)中采用增量式數(shù)字流量閥來適應(yīng)各種不同列管容積的車型，其原理是利用步進(jìn)電機(jī)控制螺紋調(diào)節(jié)桿，使轉(zhuǎn)角位移轉(zhuǎn)換為軸向位移，使閥中調(diào)節(jié)彈簧獲得壓縮量，從而改變排氣電磁閥的排風(fēng)孔徑，使列管的排風(fēng)減壓曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線相同[1，2]。但是在實(shí)際應(yīng)用中這種方法具有成本高，控制目標(biāo)和算法復(fù)雜的缺點(diǎn)，所以這種單車試驗(yàn)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中不能達(dá)到預(yù)期的控制效果，自適應(yīng)單車試驗(yàn)系統(tǒng)采用了PWM高速電磁閥作為流速調(diào)節(jié)的主要手段，對(duì)單車試驗(yàn)時(shí)的排風(fēng)過程進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，使不同列管容積的列車排風(fēng)減壓曲線都能滿足鐵道部的工藝要求。

PWM高速電磁閥是由經(jīng)過調(diào)制的脈沖信號(hào)控制閥口的高速開關(guān)，以改變閥口開啟與關(guān)閉的時(shí)間比(占空比)，從而調(diào)節(jié)閥輸出的平均流量或壓力。其抗干擾能力強(qiáng)，控制精度高，在計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制的氣動(dòng)系統(tǒng)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用 [3]。

采用PWM控制的高速電磁閥作為補(bǔ)償閥的自適應(yīng)單車試驗(yàn)系統(tǒng)，在單車試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)終端狀態(tài)，使單車試驗(yàn)過程中列管的排風(fēng)曲線符合鐵道部制定的標(biāo)準(zhǔn)排風(fēng)曲線。這種控制方法可適應(yīng)不同容積列管的排風(fēng)要求，在短時(shí)間內(nèi)，以最快的響應(yīng)速度，使試驗(yàn)對(duì)象的排風(fēng)曲線跟蹤理想排風(fēng)曲線，進(jìn)而滿足試驗(yàn)的要求。本系統(tǒng)以VB作為上位機(jī)的編程語言，西門子200系列PLC作為下位機(jī)，利用經(jīng)典的PID控制原理對(duì)PWM高速電磁閥的脈沖占空比進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，使試驗(yàn)過程中各項(xiàng)指標(biāo)都滿足了工藝要求。

2 PWM高速電磁閥特性分析

在利用PWM技術(shù)對(duì)氣體進(jìn)行控制的過程中，由于氣體的慢時(shí)變特性高速電磁閥的作用，使其相當(dāng)于一個(gè)積分器，因此可以通過控制閥的流速變化率來達(dá)到控制流量的作用。其工作過程中電磁閥的等效面積SC可表達(dá)為:

SC=1t∫0SPWM(ξ)dξ

(1)

式中:SPWM為高速電磁閥的輸出。當(dāng)PWM信號(hào)的頻率足夠高時(shí)，由于系統(tǒng)回路和系統(tǒng)組成元件本身有低通濾波特性，氣體動(dòng)力信號(hào)表現(xiàn)為載有某些頻率信號(hào)的連續(xù)性慢變信號(hào)，這樣，高速開關(guān)閥在信號(hào)作用下又表現(xiàn)出數(shù)/模轉(zhuǎn)換的功能。這說明，在傳統(tǒng)的開關(guān)電磁閥上引入PWM控制方式，可實(shí)現(xiàn)對(duì)流體動(dòng)力信號(hào)的連續(xù)控制[4]。

當(dāng)給高速電磁閥作用一電壓幅值U，時(shí)間寬度為T的PWM脈沖時(shí)，每個(gè)周期中通過高速開關(guān)閥的氣體的平均流量為Q，則有:

Q=QmaxD

(2)

Qmax=CdAV2ΔPρ

(3)

式中: Qmax為閥口全開時(shí)通過閥的最大流量(單位:L/min);

D為占空比;

Cd為為高速開關(guān)閥流量系數(shù);

AV為閥口流通面積(單位:cm2);

ΔP為閥口壓差(單位:MPa);

ρ為油液密度(單位:kg/cm2)。

式(2)為理想式，由于閥芯位移波形存在失真，實(shí)際占空比有所改變，故應(yīng)對(duì)式(2)進(jìn)行修正。這一修正量隨上述6個(gè)參數(shù)的差異增大而增大。實(shí)際平均流量式應(yīng)為:

Q=QmaxkD

(4)

式中:k為修正系數(shù)。從式(4)可以看出，通過調(diào)節(jié)占空比D，就可以連續(xù)地控制通過開關(guān)閥的平均流量，實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的準(zhǔn)確連續(xù)控制，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出口壓力的控制[5，6]。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)氣路結(jié)構(gòu)圖

在采用PWM控制高速電磁閥之前，要根據(jù)不同容積的列管在工作腔排風(fēng)口加入相應(yīng)孔徑的排風(fēng)電磁閥。隨著鐵路大提速和列車載重量的不斷增加，列車底部列管的容積不斷發(fā)生變化，所以相應(yīng)電磁閥的數(shù)量也要不斷增加。然而，由圖1可知，在采用了PWM高速電磁閥作為補(bǔ)償閥的自適應(yīng)單車試驗(yàn)系統(tǒng)中，原來與工作腔連接的各種排風(fēng)孔徑的電磁閥被一個(gè)固定孔徑的電磁閥和一個(gè)高速電磁閥所代替，連接點(diǎn)大大減小。這樣在提高了試驗(yàn)系統(tǒng)適用范圍的同時(shí)，還使得終端配件數(shù)減小，降低了生產(chǎn)與維護(hù)難度。

圖1 自適應(yīng)單車試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 系統(tǒng)控制部分的設(shè)計(jì)

自適應(yīng)單車試驗(yàn)系統(tǒng)的上位機(jī)程序用VB編寫完成。整個(gè)上位機(jī)程序分成通訊部分、數(shù)據(jù)記錄管理部分和控制顯示三個(gè)部分。通訊部分利用VB的MSComm控件，完成與下位機(jī)PLC的雙向自由口通信，實(shí)時(shí)地把上位機(jī)的操作指令發(fā)送到下位機(jī)，通過改變PLC中相應(yīng)的寄存器內(nèi)容來控制PLC輸出結(jié)果。同時(shí)，將下位機(jī)讀取到的壓力數(shù)據(jù)傳輸?shù)絍B中，由MSComm控件接受供進(jìn)一步處理。由于系統(tǒng)試驗(yàn)所記錄的大量數(shù)據(jù)都要在數(shù)據(jù)庫中保存，所以數(shù)據(jù)記錄管理部分利用ADO技術(shù)建立與Access數(shù)據(jù)庫的連接，完成數(shù)據(jù)的存取。Access數(shù)據(jù)庫文件與VB程序互相獨(dú)立存在，這樣便保證了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以長期存儲(chǔ)。作為系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，控制顯示部分將操作員操作指令轉(zhuǎn)化為控制信號(hào)提供給通訊模塊發(fā)送到下位機(jī)，并將通訊模塊接收到的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換為直觀的壓力隨時(shí)間變化的曲線進(jìn)行記錄[7]。

由于要利用高頻脈沖輸出功能，所以采用了西門子S7-200系列PLC中DC/DC226PLC作為系統(tǒng)的下位機(jī)。PLC程序采用結(jié)構(gòu)化方法，由初始化程序、數(shù)據(jù)采集程序和排風(fēng)試驗(yàn)程序三個(gè)部分組成，如圖2所示。

初始化程序主要包括三方面的內(nèi)容:PWM功能的初始化、自由口通信的初始化和PID功能的初始化。數(shù)據(jù)采集程序在對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的155 L容積列管進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)利用20 ms計(jì)時(shí)中斷實(shí)時(shí)地采集壓力值，并且存入指定的寄存器之中，等實(shí)驗(yàn)結(jié)束后通過通信程序上傳給上位機(jī)作為標(biāo)準(zhǔn)值存儲(chǔ)記錄[8]。

圖2 主程序流程圖

排風(fēng)試驗(yàn)程序是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。其中，包含了數(shù)據(jù)下載，PID的閉環(huán)控制和PWM信號(hào)輸出三部分。排風(fēng)之前將采集到的離散化標(biāo)準(zhǔn)曲線從上位機(jī)下載到PLC指定的寄存器之中，用一個(gè)指針變量指向第一數(shù)據(jù)。當(dāng)排風(fēng)開始時(shí)，將第一個(gè)數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)量傳給PID模塊，PID模塊根據(jù)模擬量輸入模塊231采集到的當(dāng)前壓力值和這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)量計(jì)算輸出相應(yīng)結(jié)果，這一結(jié)果轉(zhuǎn)換成占空比后再由PLC的Q0.0輸出調(diào)制脈沖。由于PLC的輸出不能直接驅(qū)動(dòng)PWM高速電磁閥，所以在PLC與電磁閥之間要加入固態(tài)繼電器，對(duì)PLC輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行放大，PLC的輸出脈沖才能最終控制PWM高速電磁閥開啟與關(guān)閉。排風(fēng)過程中每隔20 ms指針變量便移向下一個(gè)數(shù)據(jù)，并把它傳給PID模塊;PID模塊在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中根據(jù)不斷改變的標(biāo)準(zhǔn)量和當(dāng)時(shí)的壓力值，調(diào)整PWM信號(hào)的占空比，從而使不同容積列管的排風(fēng)壓力曲線與標(biāo)準(zhǔn)15.5 L排風(fēng)壓力曲線吻合[9]。

4 自適應(yīng)單車試驗(yàn)的試運(yùn)行

按照中華人民共和國鐵道部2008年發(fā)布的《鐵路貨車制動(dòng)裝置檢修規(guī)則》的要求，對(duì)采用PWM高速電磁閥的自適應(yīng)單車試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)能檢查(指單車試驗(yàn)器本身是否合格的檢查，為鐵路專用名詞)，將單車試驗(yàn)器與容積15.5 L的列車管容積校驗(yàn)風(fēng)缸相連，各位置排氣時(shí)間都符合檢修規(guī)定[10]。

機(jī)能檢測(cè)合格后對(duì)采用了PWM高速電磁閥的自適應(yīng)單車試驗(yàn)器系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步測(cè)試，在70 t級(jí)列管容積為17.5 L的貨車條件下模擬各種制動(dòng)過程。首先，使試驗(yàn)器模擬安定試驗(yàn)位(120閥、120-1閥用)的排風(fēng)壓力過程。安定試驗(yàn)位試驗(yàn)要求記錄列管壓力從500 kPa下降到300 kPa的變化過程。對(duì)容積為155 L的標(biāo)準(zhǔn)列管和容積為175 L的列管分別進(jìn)行試驗(yàn)，其中對(duì)容積為17.5 L的列管的試驗(yàn)又分為開啟PWM高速電磁閥和不開啟兩種情況。對(duì)上述試驗(yàn)過程中壓力隨時(shí)間的變化進(jìn)行記錄并繪制出了曲線圖，如圖3所示。圖中深色曲線為17.5 L的壓力變化曲線，淺色為15.5 L的壓力變化曲線，跟蹤淺色曲線的深色曲線抖動(dòng)是因?yàn)闇y(cè)壓點(diǎn)離高速電磁閥太近，造成的不影響制動(dòng)機(jī)的工作。由圖3可知，17.5 L的列管不開啟PWM高速電磁閥試驗(yàn)時(shí)，壓力變化曲線明顯偏離了15.5 L時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)變化曲線;開啟PWM高速電磁閥進(jìn)行試驗(yàn)后所測(cè)得的變化曲線緊緊跟隨標(biāo)準(zhǔn)曲線變化。這一結(jié)果表明，當(dāng)被測(cè)對(duì)象容積發(fā)生明顯改變后，利用PID控制PWM高速電磁閥進(jìn)行排風(fēng)孔徑的調(diào)節(jié)，可以保證壓力隨時(shí)間變化的曲線仍然與標(biāo)準(zhǔn)15.5 L壓力變化曲線基本重合，達(dá)到預(yù)想的要求。

圖3 安定試驗(yàn)位排風(fēng)壓力曲線

此外，又對(duì)5位安定試驗(yàn)位(在6.5～9 s時(shí)間內(nèi)列管壓力從500 kPa降至300 kPa)、緊急制動(dòng)位(在3.5～5 s時(shí)間內(nèi)列管壓力從500 kPa降至200 kPa)和120閥、120-1閥用緊急制動(dòng)位(在1.5～2.5 s時(shí)間內(nèi)列管壓力從500 kPa降至200 kPa)分別做了15.5 L標(biāo)準(zhǔn)情況下和17.5 L開啟PWM高速電磁閥情況下的試驗(yàn)。在17.5 L開啟PWM高速電磁閥情況下排風(fēng)同時(shí)進(jìn)行緩慢的充風(fēng)，以模擬干擾的情況。以上試驗(yàn)分別記錄壓力數(shù)據(jù)并繪制曲線，如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4中175 L開啟PWM高速電磁閥情況下記錄的深色曲線都很好地跟隨了標(biāo)準(zhǔn)曲線變化。這些試驗(yàn)更進(jìn)一步表明，自適應(yīng)單車試驗(yàn)系統(tǒng)完全達(dá)到預(yù)想的目的，符合實(shí)驗(yàn)要求。

5 結(jié) 語

經(jīng)過實(shí)踐證明，自適應(yīng)單車試驗(yàn)系統(tǒng)研制成功后，很好地解決了70 t級(jí)貨車車輛的單車試驗(yàn)問題，并且降低了管路部分的復(fù)雜程度，減少了管路連接，更有利于保證設(shè)備的密封性，減少了設(shè)備制造和維護(hù)的難度。同時(shí)系統(tǒng)也能方便地對(duì)其他專用車輛進(jìn)行測(cè)試，系統(tǒng)的適用范圍也得到了擴(kuò)展。

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作者簡介 邢 杰 男，1983年出生，山西太原人，碩士。主要從事自動(dòng)控制的研究。

齊向東 男，1967年出生，山西太原人，教授，碩士。主要從事電力電子與電力傳動(dòng)的研究。