基于LabVIEW 的城軌車輛牽引設備低壓測試臺設計*

楊 吉，李國銀，谷翠軍

（重慶中車四方所科技有限公司，重慶401133）

社會發展過程中人口數量劇增導致城市越來越擁堵，發展城市軌道交通系統是解決擁堵問題最有效的途徑之一［1］。牽引系統作為軌道列車動力的心臟，在出廠過程中需要層層測試以滿足試驗大綱要求。在高壓測試之前，首先需對系統中各接觸器、繼電器、電壓電流、溫度速度傳感器等按照配線表進行校線，確保低壓下各器件接線正確以及功能正常。此項工作目前由人工手動完成，存在校線準確率不高、功能測試效率低下、耗時較長等問題，難以滿足日益增長的產品交付數量需求。文中基于LabVIEW 程序語言，采用研華PCI-1756 和PCI-1780 板卡采集數據對牽引系統自動校線、低壓測試等功能進行設計，裝車試驗結果證明該測試臺運行可靠，可大大提高測試準確率和生產測試效率。

1 測試方案分析

1.1 需求分析

牽引傳動系統主要設備有熔斷器及隔離開關箱、高壓電器箱、牽引逆變器箱、濾波電抗器箱、過壓吸收電阻箱和牽引電機等［2］。高壓電器箱中包含高速斷路器、主接觸器、預充電接觸器以及控制它們的繼電器等部件，主要為數字量信號。牽引逆變器箱中包含IGBT 逆變功率模塊，牽引控制單元（DCU，Drive Control Unit），以及電壓電流傳感器等部件，主要有數字量信號、模擬量信號以及速度脈沖信號。文中對重慶B 型車和As 型車牽引設備接口進行綜合需求分析，2 種車型2 個箱體中的信號數量，見表1、表2。

表1 B 型車信號數量

表2 As 型車信號數量

低壓測試臺需實現以下功能：

（1）簡單更改測試軟件實現不同項目不同牽引設備的低壓測試功能。

（2）試驗臺測試接口滿足城軌軸控、架控、車控等控制方式要求。

（3）測試準確率高，操作簡單，測試時間短。

（4）具備測試數據記錄，測試結果打印等功能。

1.2 測試方案

線纜導通測試和部件低壓測試，可在發送端施加電壓信號，在接收端進行信號檢測，信號檢測可分為硬線信號檢測與通訊信號檢測。若在接收端接收到此信號，則電壓信號經過的路徑為通路［3］，如圖1 所示。若在此路徑上，還有其他通路，則另一接收端同樣可以檢測到信號，否則，另一路徑則存在斷路。

圖1 數字量測試示意圖

高壓電器箱和牽引逆變器箱測試方案原理框圖如圖2 所示。

對于設備中的數字量信號，發送端作為DO（Digital Output），接收端作為DI（Digital Input），采用研華PCI-1756 板卡進行數字量輸出和采集。對于溫度等模擬量信號，其測量方式為熱電阻方式，在接收端外接入固定電阻，可在監控中讀取到一定溫度的數值；對于速度等脈沖信號，采用PCI-1780 模擬速度脈沖信號，同樣可在監控中讀取相應速度值。若控制相應信號，同時在測試臺上收到對應反饋信號，那么此條路徑被認為接線正確，此路徑上的部件被認為是正常工作。

2 測試臺系統設計

2.1 硬件設計

牽引測試臺系統原理示意圖如圖3 所示，測試臺由AC220 V 供電，系統主要由工控機、數據采集卡、繼電器、110 V 電源、24 V 電源等硬件組成。工控機主要用于發出指令，存儲數據和顯示。

數字量輸入輸出板卡PCI-1756 提供32 位隔離數字量輸入通道和32 位隔離數字量輸出通道，遠遠滿足測試設備IO 數量要求。由于板卡驅動功率有限，未達到設備控制信號的110 V，本方案采用110 V 和24 V 中間繼電器進行電壓信號轉換的策略。板卡DO 控制24 V 繼電器，24 V 繼電器輔助觸點進行110 V 輸出，對于輸入的110 V 信號，接入110 V 繼電器線圈，24 V 電源通過110 V 繼電器輔助觸點輸入板卡DI。

PCI-1780 是一款PCI 總線的多通道記數定時器卡，板卡具備8 個16 位計數通道，可編程時鐘源，可提供多達12 種可編程計數器模式，從而可以提供單穩輸出、PWM 輸出、周期性中斷輸出、延時輸出，并且可以測量頻率和脈沖寬度。此板卡可模擬牽引電機速度信號進行輸出。

同時，測試臺內部裝有4 個120 Ω 固定電阻，用來模擬牽引電機內部的溫度傳感器。打印機作為外部設備，用以打印測試結果，便于存檔記錄。

圖2 測試方案原理框圖

圖3 牽引測試臺系統原理示意圖

2.2 軟件設計

本測試系統軟件主要采用LabVIEW 2013，它是由一種基于圖形的程序設計語言構成的，可用來進行數據采集和控制［4］。文中所述方案主要針對高壓電器箱和牽引逆變器箱進行分別設計。

在高壓電氣箱中主要對高速斷路器、預充電接觸器、主接觸器以及其他數字量等進行測試，判斷整個控制回路是否正確以及器件是否正常，設計流程圖如圖4 所示。

根據流程圖設計的各個子VI 如圖5 所示，每個子VI 為獨立測試單元，對于測試出現的故障，程序并不會立刻終止，而測試完成后一次性列出所有的故障提示信息，從而進行相應檢查，然后程序重新開始運行，直到無故障出現。

圖4 高壓電器箱測試軟件設計流程圖

圖5 高壓電器箱測試子VI 順序圖

圖6 KM1 充電回路測試軟件設計圖

以充電回路中主接觸器KM1 測試為例進行闡述。KM1 主接觸器的測試后面板示意如圖6 所示。

控制KM1 閉合的命令硬線信號接于第3 個字節的第4 位，接收KM1 反饋狀態量信號接于第2 個字節的第3 位。1756DO 通過相對應的DO 口發出KM1 閉合命令，KM1 接觸器閉合，并通過輔助觸點將其狀態量反饋給1756DI 的第2 個字節的第2 位采集。若存在反饋信號，則KM1 線圈回路以及反饋回路正常，若無反饋，則需給出故障提示，并保存在測試表格中，最后對1756DO 進行清零處理。

對于牽引逆變器箱測試軟件設計，分為DI 量測試，主要為硬線信號，例如方向向前，緊急牽引、牽引級位等；DO 量測試，主要有主斷允許、預充電接觸器、主接觸器控制、合主斷命令；傳感器零漂測試以及模擬牽引電機溫度速度測試等，軟件設計流程圖如圖7 所示。

牽引逆變器DI 測試軟件設計如圖8 所示，首先控制臺通過以太網與牽引逆變器控制器建立通訊，通過硬件電路，控制1756DO 依次輸出DO 信號，由以太網讀取控制器內部收到的信號，并點亮前面板對應的指示燈，此線路測試完畢。

牽引逆變器DO 測試軟件設計如圖9 所示，通過改寫軟件程序，強制控制器輸出合主斷命令，主斷 允 許，KM1 和KM2 控 制 輸 出，1756DI 采 集 信 號進行判斷，點亮前面板對應信號燈，軟件實現。

對于傳感器零漂，在未上高壓情況下，采集的電壓電流讀數理論上應該為0，測試傳感器以及控制器對應通道是否正常。溫度速度測試同樣測試的是所在線路以及控制器采樣通道是否正常，軟件設計同DI 量測試基本一致，在此不再贅述。

圖7 牽引逆變器箱測試軟件設計流程圖

圖8 牽引逆變器DI 測試軟件設計圖

圖9 牽引逆變器DO 測試軟件設計圖

3 試驗測試

牽引逆變器DI 量測試面板、傳感器零漂測試面板、電機速度與溫度測試面板、DO 量測試面板如圖10～圖13 所示，牽引逆變器箱不同于測試項點前面板界面，界面簡單、操作方便，可對測試人員、設備等信息進行記錄，將測試結果進行保存和打印。

試驗測試以重慶1 號線增購車11 列車牽引系統產品為例進行測試驗證。測試設備包含44 臺高壓電器箱和44 臺牽引逆變器箱，相比人工校線，平均每臺設備測試時間由原來的30 分鐘，縮短為5分鐘左右，效率提高了約83%，測試準確率由原來的90%提高到98.8%。

圖10 DI 量測試面板

圖11 傳感器零漂測試面板

圖12 電機速度與溫度測試面板

圖13 DO 量測試面板

4 結 論

城軌牽引系統設備低壓測試臺的軟件設計以高效的圖形化開發平臺LabVIEW 為工具，充分利用虛擬儀器的設計思想。硬件設計結合項目測試實際測試需求，以研華的PCI-1756 和PCI-1780數據板卡為硬件工具。在通用的環境下開發出具有DI/DO 測試、相關模擬量測試和打印等較完備的功能。試驗驗證了測試臺的可靠性，測試結果表明大大提高了生產測試的效率。