深圳地鐵3號線車輛司機控制器試驗裝置的研制

袁虎林

（深圳市地鐵集團3號線運營分公司，518173，深圳∥工程師）

司機控制器是城市軌道交通車輛的控制設備，是司機用來操縱機車運行的控制電器。司機控制器利用控制電路的低壓電器來間接控制主電路的電氣設備，其動作的性能直接關系到車輛的平穩操縱及各種動作的實現。司機控制器即使發生小故障，都會給列車帶來很大的安全隱患，如電氣設備接受錯誤指令產生誤動作等。保證司機控制器的檢修質量，驗證其動作的可靠性顯得尤其重要。

司機控制器試驗裝置（以下簡為“試驗裝置”）是檢驗司機控制器性能的關鍵性設備，能直接檢驗司機控制器的檢修質量。深圳地鐵3號線車輛試驗裝置將以此為需求進行研制，可實現對司機控制器開關動作邏輯、觸頭電阻、電位器輸出特性等的自動測量和試驗。

試驗裝置采用整體設計，具有可靠性好、集成度高、設備占地面積小、測試精度高等特點；具有自動監控、自動安全保護功能，一旦某些部件發生異常，設備會自動停止運轉以保證不會對設備及人員造成傷害。

1 試驗裝置硬件設計

司機控制器試驗裝置的硬件以工控機為核心（如圖1），利用PCI總線擴展槽和串口采集司機控制器及電阻檢測儀的數據。其中：數據采集卡用以負責采集司機控制器的電位器、觸頭的開關狀態和電壓；電源模塊為司機控制器提供110V可調電壓和24V高精度電壓；司機控制器邏輯點的通斷狀況通過PLC（可編程控制器）的輸入輸出點來監控實現；低電阻測試儀是為檢測觸點接觸電阻而設計。

圖1 司機控制器試驗裝置硬件設計框圖

PLC和工控機通過RS 485通信，低電阻測試儀器通過RS 232通信。工控機基本配置為CPU酷睿雙核E 5300，2G內存。試驗裝置采用西門子S7－200PLC對試驗線路進行自動控制，采用高精度A／D（模擬／數字）模塊對試驗過程中的模擬量進行處理。試驗裝置采用高精度數顯儀表，可實現試驗過程的自動控制與參數的自動采集，并可實時顯示試驗工況，簡化了操作過程；同時配備工業計算機系統可實現數據的自動采集與控制來實現測試數據的管理，并生成相關的測試報表。試驗裝置中同時采用了基于PCI總線的數據采集卡和基于現場總線的PLC。兩者在數據的采集和控制上能起到不同的作用：前者對信號的采集更精確和靈敏，故用以采集電位器和觸點電壓等模擬量；后者則主要起到控制觸頭開合、采集觸頭開合狀態的作用。兩者采集的數據互為參考，保證了準確性，也為試驗裝置的功能擴展創造了可能性。

2 試驗裝置軟件設計

根據司機控制器操作的邏輯關系，考慮到試驗裝置集數據采集技術、通信技術、動態圖形處理技術于一體，本試驗裝置的軟件采用LabView開發，并結合Access數據庫和COM等技術。

試驗裝置的主程序流程圖包括初始化和操作測試兩部分。主程序流程如圖2所示。初始化程序包括測試儀接通電源后，程序自己調用已經設置好的數據庫（datasheet），然后登錄試驗裝置的軟件系統。操作測試程序是自動檢測，程序依次進行換向閉合表測試、級位和電位器測試、警惕按鈕測試；待所有測試完畢，則停止測試，保存試驗數據，并可方便地查看測試結果。

在數據管理方面，通過ADO（高層數據庫訪問）技術和OLE（對象連接和嵌入）接口與數據庫及數據文檔進行數據交換。ADO有兩種途徑可以對數據庫進行訪問：一種是使用數據控件，幾乎不需要編寫代碼，就能方便地實現對數據的常用操作；另一種是使用ADO對象編程，完全通過編寫代碼來對數據進行訪問。利用ADO控件訪問數據庫的方式雖然簡單方便，但不利于對大容量數據庫進行訪問，而且靈活性也不好。通過ADO對象，直接利用編碼的方式實現對數據庫的操作，會使數據庫處理更靈活、功能更強大，并且綜合性更強。本軟件在數據管理方面使用ADO對象將主程序與數據庫連接起來。

圖2 軟件系統的主程序流程結構圖

在數據報表方面，可根據用戶要求定制報表格式。本軟件通過采用OLE技術，使用OLE容器來嵌入EXCEL對象，從而使與EXCEL對象相關聯的全部數據都被復制和納入到OLE容器控件中，切斷了對象與其他應用程序的鏈接，確保試驗數據不被其他的應用程序修改。在OLE容器中嵌入對象可以通過在設計時使用OLE容器的“插入對象”對話框或者在運行時用Create Embed的方法。而在本應用程序中，采用了Create Embed方法在運行時動態嵌入EXCEL對象，提高了程序的運行效率和可靠性。

工控機操作界面的設計既要考慮試驗項目的需要，又要方便操作，同時應美觀、實用。為此，設計了多級操作界面。為保證試驗的科學性和嚴肅性，所有控制參數和與試驗項目有關的數據都不允許修改。在主界面上不僅有司機控制器型號的選擇，還可根據現場試驗的實際情況，設置了“查詢未完成試驗”、“繼續上次試驗”和“查詢試驗結果”等功能，使界面的設計更加人性化。

在試驗裝置工作過程中，所有試驗數據都實時顯示在液晶顯示器上，直觀、清晰，方便操作人員觀測試驗進展情況。同時，在界面的右方提示本項試驗的標準，方便試驗操作人員和工程技術人員清楚地了解試驗的目的和結論。在操作界面左下角標注“提示信息”。這個信息包含了試驗電源的工作狀態信息和故障狀態信息。通過觀察這些信息，操作人員可以實時掌控試驗裝置的工作狀態，出現故障時也可以通過故障信息迅速地對試驗裝置進行維修和調試。

3 主要試驗項目及方法

3.1 司機控制器的開關動作邏輯試驗

檢測觸點閉合、斷開的方法（如圖3）是：控制觸頭Kn一端接地，另用選定的數據采集卡檢測輸入量Dn是否為1或0（1表示閉合，0表示斷開）。圖3中Kn為被檢測的觸頭；Kx為接地控制開關，由數據采集卡控制；Dn為采集卡數字輸入變量號（即檢測點）。

圖3 開關動作邏輯試驗原理圖

按司機控制器邏輯閉合表的要求進行司機控制器的觸頭閉合、斷開狀態的邏輯測試，并在計算機顯示屏上直觀地實時顯示。

3.2 司機控制器的觸頭電阻測定

檢測觸頭接觸電阻的基本原理（如圖4）是：當檢測某一觸頭Kn處于閉合狀態時，如果要測量其接觸電阻RKn，就控制閉合觸頭兩側開關Ky和Kx給該觸頭通以電流，然后檢測出的觸頭兩端的電壓Un2、Un1，計算出觸頭接觸電阻RKn。

其中，I為施加的測試電流值。

圖4 觸頭電阻測定試驗原理圖

當被測電阻阻值小于幾Ω，測試引線的電阻、探針同測試點的接觸電阻與被測電阻相比已不能忽略不計時，若仍采用兩線測試方法必將導致測試誤差增大。此時，可采用開爾文連接方式來進行測試，如圖5所示。

圖5 開爾文電橋原理圖

圖5中R1、R2、R3、R4均為可調電阻，Rx為被測觸頭電阻，RN為低值標準電阻。根據開爾文電橋簡化圖（如圖6），調節R1、R2、R3、R4使電橋平衡。此時，Ig＝0，I1＝I3，I2＝I4，I5＝I6，且有

其中，RA為滑線電阻值。

三式聯立求解可得

將RN和Rx的接線電阻和接觸電阻巧妙地轉移到電源內阻和阻值很大的橋臂電阻中（如圖6），又通過R1R4＝R2R3和RA≈0的設定，消除了附加電阻的影響，從而保證了測量低電阻時的準確度。

圖6 開爾文電橋簡化圖

3.3 試驗裝置電位器輸出特性試驗

檢測電位器的輸出電壓，可以采用生成報表的形式直接觀測數據（如表1所示）。

4 試驗操作步驟

實驗員在開始試驗之前必須確認電源已正常開啟，并觀察試驗裝置上“電源電壓”表讀數，確認供電正常。開啟計算機后，將司機控制器放入安裝位置，并接好司機控制器與試驗裝置之間的連線。雙擊計算機桌面上“司機控制器試驗臺測試軟件”圖標，進入試驗軟件用戶登錄界面，填寫用戶名和密碼，點擊登錄（如圖7）。

表1 試驗報表

圖7 軟件登錄界面

登錄成功后，即可進入到試驗程序界面（如圖8）。點擊“新建”，即新建試驗數據庫對話框。選擇“開始測量”，即開始觸點邏輯試驗，計算機提示確定時，請點擊“確定”按鈕。

圖8 試驗界面1

試驗完畢，波形穩定不變后，點擊“報表”，查看試驗結果，并可選擇是否保存和打印（如圖9），點擊界面上所示的“生成”，即可生成EXCEL文檔格式的試驗報表。

圖9 試驗界面2

5 結語

本次開發設計的地鐵車輛司機控制器試驗裝置已用于深圳地鐵3號線地鐵車輛中進行司機控制器性能參數的試驗和測定。該裝置能夠進行開關動作邏輯、觸頭電阻和電位器輸出特性的自動測量和試驗。通過對地鐵運營公司車輛維修過程中的司機控制器進行測試，驗證了本裝置硬件、軟件設計合理，功能完善，能滿足地鐵車輛司機控制器性能檢測的要求。

測試過程由計算機自動完成，不需要人工干預。測試結果由試驗裝置利用數據庫技術保存以備打印。

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