制動柜試驗的快速換型優化

摘要：各個車型的制動柜電氣接口不同，試驗時試驗臺接口需頻繁切換，切換方式效率低將影響產品生產周期，增加生產成本。鑒于此，通過梳理制動柜接口的差異，以快速換模理論和信息化手段優化試驗臺電氣接口切換方式，從而提升試驗換型效率，避免不必要的浪費。

關鍵詞：制動柜;試驗;換型

中圖分類號：U270.6" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2023）15-0069-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.15.017

0" " 引言

隨著公司的業務范圍擴大，制動機在不同電力機車、動車組、內燃機車項目的裝車型號增多。同時，老項目制動機逐漸進入高級修，制動柜試驗長期處于小批量、多批次的生產狀態，制動柜試驗臺的接口換型日漸頻繁。現有的試驗臺是根據老項目產品定制，在車型切換時需要對PLC控制程序以及內部控制線路進行調整，每次切換耗時久，是制動柜試驗準備工序的一個瓶頸，嚴重影響制動柜生產周期。

1" " 試驗臺電氣接口切換分析

試驗臺的電氣接口信號包括給制動柜的輸入數字量信號（含電源），制動柜輸出的數字量信號，制動控制器、制動顯示屏與制動柜的通信信號等專用信號。試驗臺各信號控制方式如表1所示，試驗臺車型切換是通過修改PLC控制程序以及調整端子排至對外插座的接線布線，滿足新制動柜試驗接口要求。

原試驗臺PLC控制輸入、輸出的方式切換試驗接口存在的問題有以下幾個方面：

（1）每次換型需要2個人作業12 h以上，而這段時間設備需要暫停，并且試驗臺一次改造只適用一種車型，多個制動柜試驗臺不能通用，降低了設備可利用率，嚴重影響了制動柜的生產周期。

（2）試驗臺是委外制作的設備，PLC控制程序修改需設備廠家的技術人員進行，每次程序修改需要不小的委外切換成本。

（3）制動柜電氣接口有多個連接器，不同連接器內的接線調整，導致線纜交叉雜亂，不時需要消耗導線以及插芯等物料進行換線，增加了切換物料成本。

2" " 優化方案以及實施過程

切換也是一種換模，在精益生產中將換模時間定義為[1]：從前一品種最后一個合格產品到下一品種第一個合格產品之間的時間間隔。從成本的角度講，這部分時間是沒有產出價值的時間，所以需要盡可能地縮短，以減少浪費。而換模作業，按其時間特性可以分為“內作業”和“外作業”。內作業，指那些必須將生產活動中斷才可以完成的活動，生產只有在活動完成后才能繼續，如制動柜試驗車型切換中試驗臺內接線調整作業。外作業，指那些不用使生產活動停止便可完成的活動，不影響正常的產出，如制動柜試驗車型切換中切換需要的線纜準備等工作內容。原切換模式作業內容是試驗臺停機直接在試驗臺內改造，作業內容幾乎都屬于“內作業”。

制動柜試驗車型切換時間主要由三部分組成：準備時間→試驗臺接口切換時間→驗證時間。通過對快速換模策略與制動柜試驗車型切換的工藝分析，可通過車型切換的內外部作業分離，縮短試驗臺接口切換的“內作業”時間、“外作業”時間。故快速換模就需要將切換的內外作業分離，并將切換作業時間盡可能縮短。

2.1" " 第一階段：線束更換實現接口切換

第1步，梳理各個車型制動柜接口需求，統計試驗臺指示燈、控制按鈕、電源、制動控制器、制動顯示屏信號數量，簡統化連接器規格型號，區分不同信號位置。

第2步，試驗臺改造。根據試驗臺的外部接口定義對多個試驗臺進行改造，整理試驗臺控制按鈕/指示燈→PLC→繼電器→端子排→試驗臺對外插座的線路，確保每一路線路正常。

第3步，按照各個車型接口要求制作試驗臺與制動柜的連接器線束，通過此連接器線束滿足相應車型制動柜試驗所需的電源、輸入/輸出控制信號、制動顯示屏通信等信號要求。

第4步，制動柜試驗車型切換時更換試驗臺與制動柜的連接器線束后，更換試驗臺控制面板指示燈與按鈕的標識。

通過梳理各個型號制動柜產品的接口差異，對試驗臺電氣接口進行了通用化改造，固化試驗臺PLC程序以及接口定義。不同車型制動柜制作產品連接試驗臺的線束，試驗臺接口切換變為連接器線束更換，試驗臺與制動柜之間的連接器線束如圖1所示。

優化后雖然一次制作連接器平均需要4.5 h（外作業時間），但是多個制動柜試驗臺實現了通用化，1 h內可完成制動柜試驗接口換型（內作業時間），切換效率提升90%以上，試驗臺的接線線束變得整齊，設備停機時間大大縮短。

第一階段實施一段時間后也暴露出以下不足：

（1）平均一個車型投入連接器成本6 000元左右，目前有幾十種不同接口產品，不但成本較高，還需要不小的連接器存放空間，效率提升了，但是所需成本較高，隨著產品種類增加，物料成本將不斷增加。

（2）試驗臺控制面板指示燈與按鈕手動控制，不利于自動化試驗的實施。

結合智能制造工作的開展，基于提升制動柜試驗自動化水平的需求，開展了第二階段優化。

2.2" " 第二階段：程序切換實現數字量信號切換

制動控制器、制動顯示屏與制動柜的專用信號接口在一個連接器內，由于其信號含通信信號，為了避免切換控制干擾其準確性，繼續采用線束更換的切換方式。數字量輸入、輸出信號切換采用信息化方式控制切換。試驗臺電氣接口拓撲圖如圖2所示。

第1步，試驗臺改造。將試驗臺輸入、輸出信號由PLC和繼電器控制的方式改為輸入、輸出IO控制箱控制。IO控制箱主要由電源板、IO板組成，如圖3所示。IO板上搭載CPU板處理通信以及IO邏輯，通過讀取上位機發送的命令配置不同點位狀態，實現信號檢測與控制。IO箱與上位機通過RS485通信，板卡內部之間采用CAN通信。

每塊IO板卡設計為32路通道，每路通道可通過配置軟件設計為三種模式：數字量輸出信號即給制動柜的輸入信號，電源負信號，數字量檢測信號即檢測制動柜的輸出信號。IO模塊采用邏輯門加上繼電器開關電路控制方式，單個引腳電氣接口切換原理如圖4所示。當K1、K2均未吸合時，該通道作為數字量檢測;當K1吸合、K2斷開時，該通道作為電源（數字量）輸出控制;當K1斷開、K2吸合時，該通道作為電源負信號。每一通道信號輸出時均同時發送給CPU進行檢測，確保輸出有效。在軟件和硬件上設計了互鎖控制，確保了K1、K2繼電器不會同時吸合，并且IO模塊電路每一路通道均設計了過流、過壓以及短路保護。

第2步，工藝人員根據車型制動柜的電氣接口需求編譯配置文件定義各個連接器點位，內容包括車型、連接器代號、連接器點位、線號名、線號定義說明、線號類型、初始狀態、IO箱板卡號、板卡點位號引腳信息。其中，初始狀態數字“0”代表懸空即暫不給信號，數字“1”代表110 V輸入，數字“2”代表電源負信號。

按車型配置文件后，通過系統軟件導入/導出功能界面將Excel表格內容自動生成數據庫存入系統中，如圖5所示。

切換定義完成后，軟件保存配置參數并存儲至數據庫，程序切換實現產品接口切換。制動柜試驗過程中制動柜輸出信號檢測區實時顯示輸出信號狀態，需手動控制輸入時，點擊制動柜輸入信號控制區相應按鈕即實現給制動柜的信號輸入，試驗臺制動柜輸入、輸出監控界面如圖6所示。制動柜自動化試驗時，軟件自動控制信號輸入和自動檢測輸出信號。

優化后試驗臺數字量信號的連接器通用，新車型制動柜試驗臺換型的“內作業”就是工藝人員進行配置程序更新，再次進行該產品試驗時“內作業”只需選擇型號，軟件自動調出該型號引腳定義配置參數。內外作業時間基本無變化，但是每個車型僅需要一個制動控制器、制動顯示屏通信的專用連接器線束，輸入、輸出信號連接器線束不需要根據車型制作新連接器，每個車型切換節省成本4 000元以上，也避免了大量連接器線束的存放問題。

同時，經過信息化的改造提升，試驗臺實現了電源及數字量信號的自動控制輸入和輸出檢測，結合制動控制器的模擬控制，時間、壓力參數的自動采集，完成了制動柜試驗信息化的初級階段。

3" " 結束語

采用固化試驗臺接口，更換線束的快速換模方式，有效提升了制動柜試驗臺接口的切換效率，縮短了制動柜的生產周期。再經過對試驗臺增加IO控制箱的信息化提升，程序切換實現了輸入、輸出的數字量信號快速切換，大大降低了試驗臺接口切換的物料成本。

隨著《中國制造2025》戰略計劃的發布，軌道交通制造行業逐漸朝智能化方向轉型，制動柜產品作為軌道交通產品的重要零部件，工藝人員須繼續提升制動柜生產過程的標準化、智能化水平，優化產品制造過程，不斷提高產品質量，推動制動行業蓬勃發展。

[參考文獻]

[1] 李梅，張樂劍，黃宗響.基于精益生產方式的快速換模研究[J].裝備制造技術，2015（9）：211-213.

收稿日期：2023-05-24

作者簡介：崔曉萌（1988—），女，陜西人，工程師，主要從事制動機的組裝試驗工藝工作。