地鐵制動控制裝置測試系統的設計與實現

（華東交通大學 電氣與電子工程學院，南昌 330013）

地鐵制動系統的正常運行保證了地鐵安全、準確地停車或在緊急情況下快速停車。地鐵制動系統的核心組成部分是制動控制裝置。地鐵制動控制裝置至關重要，其性能的好壞，直接影響地鐵的行車安全和正常運行。它通過控制其他部件協調工作，實現充風和排風，進而控制地鐵行駛過程中的制動和緩解。我國不同地區研制的制動控制裝置類型不同，設計裝置性能參數也不盡相同，造成了國內各大城市地鐵的檢測費用昂貴、維護繁瑣、不利于批量生產。因此，設計適應不同類型的制動控制裝置的測試系統十分必要。

根據制動控制裝置測試系統具有測試需求多、數據精度要求高、實驗過程變化復雜等特點，以工控機、PLC模塊、網絡控制卡、開關電源等作為硬件平臺，以Microsoft Visual 2010作為軟件平臺，設計了地鐵車輛制動控制裝置測試系統[1]，該系統能夠對不同類型的制動控制裝置進行裝置類型和測試標準的配置，不僅可以進行氣密性測試、傳感器零點測試、閥響應時間測試、載重輸出測試、總風壓力測試、制動缸壓力測試、電氣接線測試、空氣制動測試、防滑測試，而且具有手動選擇、自動選擇、歷史數據分析等功能。

1 制動控制裝置工作原理分析

我國自主研制的地鐵制動控制裝置由制動電子控制單元（EBCU）和氣制動控制單元（PBCU）兩大主要部分組成。在硬件方面，一臺微機和一些輸入輸出設備即構成了制動電子控制單元，它作為制動控制裝置的核心部件，是聯絡制動控制單元和氣動制動控制單元之間通信的橋梁[2]，通過制動指令線發送的制動指令控制其執行相應動作，實現空氣制動和電制動相互配合的混合制動。氣制動控制單元由電控轉換閥、緊急轉換、空重閥、中繼閥、壓力傳感器等組成[3]，它接收制動電子控制單元的指令信號，并將其轉換為氣動信號輸出到執行部件，完成制動和緩解的動作。

2 測試系統硬件設計

地鐵制動控制裝置測試系統模擬地鐵實際運行工況，通過三線編碼方式發出制動指令，由PLC執行各指令控制完成制動控制裝置的制動過程，并且采集制動控制裝置中的反饋信息，發送至工控機，經過分析處理，最終實現了對制動控制裝置的檢測。該測試系統的輸入輸出信號通過頻率模塊和電壓調理模塊傳入到制動控制裝置，而輸出的模擬信號通過電氣接口與制動電子控制單元對外接口連接實現通信，從而使信號的輸入輸出都由工控機統一協調控制，其電氣線路基本結構如圖1所示。

圖1 電氣線路基本結構Fig.1 Basic structure of the electrical circuit

2.1 硬線編碼

常用制動、緊急制動、快速制動、停放制動、保持制動是地鐵制動常見的幾種制動模式[4]。不同類型的制動控制裝置具有不同類型的制動指令，不同類型的制動控制裝置之間的差異主要體現在接口上，而功能基本保持不變。本系統主要以三線編碼為主，并與MVB網絡等編碼方式配合對制動控制裝置進行控制。

在進行地鐵制動控制裝置的檢測時，網絡處于中斷狀態，制動狀態通過硬線反映，而制動指令則通過高、低電平表示，高電平表示有效，低電平表示無效[5]。三線編碼方式，即110 V硬線輸入的7級編碼指令，由3根硬線組成，多用于應急模式或網絡中斷時的分應急模式，應急模式由1根110 V硬線輸入狀態控制，高電平表示應急模式。表1為110 V硬線編碼，采用格雷碼。

表1 110 V硬線編碼表Tab.1 110 V hard-line coding

2.2 PLC選型及工作原理

PLC（programmable logic controller）作為測試系統核心部件，采用S7-300中型PLC，其CPU采用緊湊型314C-2PtP規格，固有精度為12位，5個模擬輸入模塊SM331和2個模擬量輸出模塊SM332[6]，PLC模塊需求如表2所示。PLC通過RS232-RS485總線與工控機相連，與通信接口程序之間信息的傳輸采用自定義協議。PLC協議中將數據位進行定義，使之與PLC及測控模塊輸入/輸出的物理地址映射相對應。PLC的A/D轉換器和D/A轉換器實現數據的采集和發送功能，而邏輯控制功能則通過主測試程序進行軟件配置，減少了頻繁的邏輯功能改變帶來的程序修改，靈活地實現PLC輸入、輸出信號類型及通道的轉換。在對制動控制裝置進行測試時，工控機模擬產生各種制動指令，通過串口通信發送到PLC，然后PLC模塊執行各指令，其模擬量和開關量分別控制比例閥和電磁閥動作[7]，向制動控制裝置輸出電氣指令或信息。同時，制動控制裝置根據模擬輸入的各種電氣指令或信息進行制動控制和邏輯運算，并給出相應的輸出響應。PLC及測控模塊接收來自制動控制裝置的信息，然后傳給上位機進行顯示。

表2 PLC模塊需求表Tab.2 Requirements of PLC module

2.3 CAN與MVB

設計中采用一塊PC104總線CAN卡來進行測試系統與地鐵制動控制裝置之速度信息的發送與接收。在這個CAN卡上有2個通道，通道1用于從制動控制裝置的外部CAN總線獲取數據，通道2用于從測試系統上的脈沖寬度調制（PWM）和速度信號接口板上獲取數據。

MVB（multifunction vehicle bus）用于制動控制裝置測試系統主測試程序與網絡通信程序之間的通信。同時，MVB網絡通信方式作為一種制動級別模式發送方式，可以通過網絡連接對制動控制裝置發送控制指令。

3 可配置測試系統軟件設計

地鐵制動控制裝置測試系統的軟件實現首先通過STEP7軟件編寫PLC編程程序，并將其上載到PLC設備中，實現對PLC的控制。系統開發平臺為Microsoft Visual 2010，使用C#.NET技術[8]。軟件設計流程如圖2所示。

圖2 軟件設計流程Fig.2 Flow chart of software design

由于不同項目使用的制動指令和測試標準不同，需根據不同項目不同裝置類型進行配置，保證檢測信號的可靠性和準確性。軟件可配置功能主要是通過使用.ini文件保存不同裝置類型的制動電氣指令信息及檢測標準信息。通過Microsoft Visual 2010實現對文件的操作，首先在出廠時測試系統自動預置一個空的“.ini”文件，之后通過獲取文件的路徑讀取配置信息。

本測試系統包括測試標準配置和裝置類型配置兩大模塊。用戶可以根據實際情況設置測試標準和裝置類型。其中，在裝置類型配置界面中，系統可以根據項目名稱和裝置類型獲取歷史配置。參數標準配置界面如圖3所示，裝置類型配置界面如圖4所示。

圖3 參數標準配置界面Fig.3 Configuration interface of parameter standard

圖4 裝置類型配置界面Fig.4 Configuration interface of the type of device

4 試驗驗證

地鐵制動控制裝置測試系統在設計完成后，采用現場試驗的方式對制動控制裝置進行試驗。由于所有測試項均在同一個硬件平臺下完成，針對地鐵制動控制裝置測試系統測試需求多、實驗過程復雜等特點，以對制動控制裝置的氣密性進行測試為例，測試結果如表3所示，測試界面如圖5所示。

氣密性測試位置有總風氣路（AR），總風壓力開關氣路（BC），2 個空簧氣路（AS1、AS2）。氣密性測試合格為在緩解、緊急制動、常用100%制動下各被測氣路均滿足在1 min內壓降不大于5 kPa。氣密性測試項經多次試驗后，各試驗數據和結果均在要求范圍內，滿足設計要求。

表3 氣密性測試數據表Tab.3 Test data of air tightness

圖5 氣密性測試界面Fig.5 Test interface of air tightness

5 結語

地鐵制動控制裝置測試系統所包含的所有測試項經過現場實驗，系統的數據算法合理、軟件界面簡潔明了、便于操作，目前已在武漢地鐵4號線、重慶地鐵2號線投入使用。同時，對于不同地區的地鐵制動控制裝置，只需在軟件中改變配置，就可以用于不同類型地鐵制動控制裝置的檢測。隨著現代城市的發展，地鐵現代化建設的步伐不斷加快，地鐵車輛制動系統的需求日益增加，移動式多型號地鐵制動控制裝置測試系統作為地鐵制動控制裝置在生產、運營中的重要配套設備，具有良好的應用前景。

[1]段繼超.地鐵車輛制動控制系統設計[D].成都：西南交通大學，2012.

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