高速磁浮列車制動控制器綜合測試平臺研制

江守亮，付善強，楊 勇，朱天亮，劉 寧，王曉慶

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266100；2.高速磁浮運載技術國家重點實驗室，山東 青島 266100)

0 引言

近年來，我國的高速磁浮列車技術發展十分迅猛，列車的速度不斷提升[1-6]，對鐵路安全運輸也提出了更高的要求，但如果只關注提升速度而忽略列車制動技術的提升，那么列車的安全行駛就難以得到有力保障。開展高速列車平安運行的測試研究是確保列車安全的關鍵，既能夠提高設備運行的可靠性和安全性，將故障造成的損失降到最低水平[7-9]，也能夠防止再次發生惡性的鐵路安全事故，具有十分重要的現實意義。

高速列車的制動性能是影響高速鐵路控制系統發展的中樞神經，提高高速磁浮列車安全性和可靠性的有效方法之一就是提高列車的制動性能。列車制動性能的優劣取決于制動控制器的設計，而制動控制器作為列車控制系統的核心，軟硬件結構及其周圍環境的復雜性，一旦發生故障，一般人員很難對其做出準確判斷，往往需要具有豐富工程檢驗的專業技術人員才能定位故障，由于技術人員的經驗水平差異性，對制動控制器的故障診斷準確性也會有較大差別。如果能設計一套檢測測試平臺，自動實現對控制器的故障進行檢測和定位，一般維修人員只要根據檢測維修平臺的指示，更換相應的部件，這將大大降低維護工作量和運營維護成本。目前，時速600公里及以上等級磁浮列車制動控制器的綜合測試平臺還處于空白階段，研制技術尚處于發展中。

針對高速磁浮列車制動控制器研制的需求，以時速600公里及以上等級磁浮列車的制動控制器為研究對象，研究適合、可行、高效率、高可推廣性的綜合測試平臺對保證高速磁浮列車安全、平穩運行，擴充高速磁浮故障診斷相關研究內容具有重要意義。研發一套針對制動控制器的可移動、便攜式、高效率的綜合測試平臺，為制動控制器功能性能驗證提供基礎數據和驗證平臺，通過模擬主回路故障、控制電源故障以及異常工作狀況，驗證制動控制器對故障的處理能力，還可作為制動控制器的出廠檢測與檢修維護的平臺。

1 測試平臺設計原理

制動控制器主要實現對上級車載控制器的指令接收、對電磁鐵各狀態信息的實時采集與閉環控制，確保制動性能正常。

測試平臺的所有儀器資源都通過測試設備適配器接口航插與被測試(制動控制器)進行連接，利用測試平臺軟件控制測試資源信號輸入輸出。測試平臺為被測對象提供供電、指令信號、開關控制信號、模擬信號等測試資源，完成信號交互，同時通過平臺內部的總線通訊實現對測試設備工作方式控制和工作狀態回讀。專用測試設備為被測對象提供測試所需的各類測試信號，其它輔助設備則為測試執行提供必須的信號轉接、開關控制等功能。

制動控制器測試平臺分為測試硬件平臺層和測試軟件平臺層兩個層次。測試平臺組成框圖如圖1。

圖1 制動控制器測試平臺組成框圖

其中硬件部分主要包括如下。

制動控制器主控箱是以標準成熟的PXI模塊為核心，配以自研的間隙、速度、加速度、方向模擬模塊、開關控制與處理單元模塊，為制動控制器提供所需的模擬量信號、激勵、信號控制、數字通訊、信號調理、信號采集與分析、信號對接等功能，實現對制動控制器所有功能點的測試功能。

電源負載箱主要由臺式儀器包括電子負載、示波器、程控電源和信號切換單元、電壓電流傳感器構成，為系統提供高壓直流電源、采集電壓/電流參數、邏輯信號、模擬真實列車左側電磁鐵負載、右側電磁鐵負載以及邏輯控制回路。

對接裝置結構主要實現被測對象與測試平臺的直接物理連接層，實現對象測試信號的轉接和適配。

軟件部分主要包括如下。

自動測試：可以把用戶配置的測試流程(TPS)解釋成一系列的執行動作，根據測試流程規定的配置參數完成信號的輸入和輸出，根據測試流程規定的執行邏輯自動控制流程的走向，按照用戶的配置要求動態改變結果數據的顯示方式，也可以將結果數據保存后供歷史查詢，可以將結果數據以報表的形式打印輸出。

平臺自檢：運行維護自檢測試程序，定期對平臺進行維護自檢，查看系統的狀態，以保證系統的正常運行。

儀器配置：在面向信號的測試過程中，儀器資源調度功能實現測試信號到它所支持的具體儀器接口的轉換，實現測試信號到儀器動作的動態綁定。

數據管理：測試數據管理主要用于完成對測試結果數據的管理，能夠根據用戶的不同權限提供瀏覽、檢索、回放、導出、顯示和打印等功能，實現復雜數據的處理、統計和趨勢分析。

用戶管理：管理員對系統進行相關的設置和配置，同時對用戶進行管理，設置訪問權限的控制。

系統配置：配置系統的系統資源、部署時間、是否仿真、是否編譯優化優化。

2 硬件設計

針對制動控制器測試與診斷需求，基于通用化、模塊化、標準化設計思想，采用PXI總線以及自動測試程序集技術等成熟的測試技術與測試框架，構建制動控制器綜合測試平臺[4]。測試平臺主要包含以下測試功能需求。

1)接口測試：實現控制器物理接口的功能測試，輸入相應指令，測試控制器輸出響應是否滿足設計要求；

2)維持工作區域能力：極限或邊界條件下的功能測試；注入故障，測試故障狀態下控制器輸出，驗證其安全功能的執行是否滿足設計要求；

3)信號時序邏輯測試：通過半實物仿真，研究控制器信號時序邏輯是否滿足設計要求。

4)綜合測試平臺需要對制動控制器進行34個測試TP進行測試，對控制器進行全方面的模擬測試，能夠全面模擬實車狀態下全功能測試。

對制動控制器測試需求進行分析梳理后，制動控制器測試項點匯總如表1所示。

表1 制動控制器測試項點分析表

表2 制動控制器電氣功能設計

2.1 電氣功能測試設計

測試平臺的所有儀器資源都通過測試平臺對接裝置向外部提供，利用內部測試平臺控制測試資源完成測試；測試平臺系統為被測對象提供供電、指令信號、開關控制等測試資源，完成信號交互，同時通過平臺內部的總線通訊實現對測試設備工作方式控制和工作狀態回讀。專用測試設備為被測對象提供測試所需的各類測試信號，其它輔助設備則為測試執行提供必須的信號轉接、開關控制等功能。原理框圖如圖2。

圖2 制動控制器原理框圖

電氣功能測試系統主要包括被測對象的供電單元模塊、信號資源分配單元模塊和安全供配電單元模塊。信號資源分配單元模塊是本測試系統的主要難點，主要包括電源、程控電子負載、CAN通信、485通信、函數發生器、信號模擬單元、數字量I/O模塊、數字萬用表和多路復用開關等儀器板卡資源的互聯及資源分配設計。

2.2 PXI測試系統

本測試系統采用成熟的PXI總線形式，根據測試需求選擇測試資源板卡，通過板卡模塊完成流程控制、儀器控制及通信對接。并根據測試環境的要求進行相應的硬件結構設計，實現可移動、可出外場的PXI測試機箱。本系統選用的PXI儀器組合如表3所示。

表3 PXI板卡模塊及自研板卡列表

2.3 電源負載箱設計

電源負載箱實現的功能包括：+24 V、±15 V、+5 V系統供配電、440 V直流被測件供電、模擬實車用電負載、電壓電流傳感器數據采集和信號控制等功能。組成示意圖如圖3所示。

圖3 電源負載箱組成示意圖

電源負載箱主要實現測試系統的強電工作，既滿足被測對象的440 V高壓直流電供電需求，同時實現被測對象600 V輸出負載的需求。采用自動控制器的控制形式，該控制方法具有過壓、過流保護功能。在測試過程中，測試設備出現異常情況急需斷電保護時，可直接拍下急停按鈕，能夠快速斷開測試設備的供電，切斷被測設備的強電輸入，有效保護被測設備的電氣安全。

2.4 對接裝置設計

測試系統對接測試裝置主要實現與被測對象的資源對接和信號連接，包括制動控制器電氣對接和機械接口對接。主要由信號轉接箱、對外信號轉接面板和鎖緊裝置組成。信號轉接箱完成對接裝置與被測對象的物理與電氣對接；對外信號轉接面板完成外部各類信號與被測對象間的電氣連接與信號轉接、跨接；鎖緊裝置實現與被測對象的結構對接與鎖緊，保證測試對象連接可靠。

對接裝置整體尺寸為282 mm×200 mm×296 mm(寬×深×高)。由接口面板、結構箱體及助推鎖緊裝置三部分組成。接口面板尺寸為242 mm×200 mm×6 mm(寬×高×厚)。其中助推鎖緊裝置由定位滑軌、助推桿和助推滑軌三部分構成。使用過程中首先把定位滑軌與被測對象的滑軌接觸，并拉動/推動助推桿，從而實現與被測對象的連接與斷開。

經過與被測對象長期的試驗驗證，該結構能夠實現良好的機械連接和電氣連接，滿足測試需求。對接裝置結構示意圖如圖4所示。

圖4 對接裝置示意圖

圖5 軟件平臺框架圖

圖6 軟件功能圖

3 軟件設計

制動控制器測試平臺為保證軟件平臺的易維護性、易修改性，軟件采用功能化、模塊化、組件化的設計思路。

軟件平臺開發環境如下。

1)操作系統：推薦Windows 7；

2)開發環境：Visual Studio 2010；

3)開發語言：C++；

4)數據庫：MS Access 2007；

5)界面庫：BCGControlBar Pro 15；

6)配置管理工具：TortoiseSVN 1.7。

制動控制器測試平臺軟件結構層次共劃分成四個層次結構：標準數據層和儀器驅動層，軟件接口層，邏輯控制層及測試應用層。

3.1 標準數據層和儀器驅動層

標準數據層和儀器驅動層提供了統一的數據庫存儲接口和儀器標準驅動調用接口，屏蔽了操作系統層資源管理器和VISA庫所引起的專用問題，實現了儀器的可互換。

3.2 軟件接口層

軟件的接口層通過設計通用標準調用接口、數據庫標準操作接口和IVI儀器驅動調用接口，使上層的邏輯控制單元只需要面對裝備本身的測試需求屬性、測試動作序列和資源配置參數等。通過這種標準化的接口調用，解決了軟件平臺的兼容性與擴展性問題。

3.3 邏輯控制層

軟件的中間層是邏輯控制層，該層是整個軟件平臺的核心層，該層實現了軟件平臺的資源合理調度、界面消息響應、數據參數傳遞、消息響應映射、邏輯控制管理、內存管理調度以及儀器動作管理等多種操作，保證用戶界面操作的有效性、合理性、完整性，實現用戶的功能操作。

3.4 測試應用層

軟件的最上層是測試應用層，提供用戶圖形化的測試建模與流程開發、診斷動作的描述和快速的測試與診斷執行調用。

通過四層結構的軟件層次化設計，可以實現軟件信息層面的標準化、軟件體系的結構化，使每一層的結構都能實現復用和獨立的升級，進而實現軟件體系結構的通用性和擴展性。

制動控制器測試平臺軟件能夠根據用戶輸入的參數，選擇測試流程實現對測試項的功能及性能測試，主要用于完成測試流程的運行，并驅動儀器硬件完成信號的激勵輸出和測量采集，包括平臺自檢、自動測試、測試儀器配置管理、測試數據管理、用戶管理、系統配置共計6個功能模塊。

其中自動測試用于實現制動控制器測試平臺軟件中最重要的功能，即測試流程的執行與測試狀態監控功能。測試平臺的測試執行根據設定好的測試流程，在流程執行模塊的支持下完成對流程的解析、邏輯的控制、儀器的調用和動作的執行，實現從測試描述到儀器控制的信息傳遞，并將測試結果顯示至界面并保持到數據庫。同時在測試執行過程中，狀態監控功能實時監控測試平臺的各類狀態和信息，實現在測試執行過程中，各測試監控參數的數據接收與顯示，與測試執行功能配合進行。

自動測試是測試平臺測試軟件平臺的核心執行模塊，其輸入信息為設定好的測試流程，輸出信息為測試結果或過程狀態監控與提示信息等內容。

自動測試模塊的功能是設定好的測試流程執行邏輯自動控制流程的走向，引用相應的測試資源，根據測試流程的執行邏輯和測試調用關系，驅動測試資源或硬件儀器設備，實現對被測對象的測試驗證，獲得相應的監控狀態，生成相應的測試結果。按照用戶的配置要求動態改變結果數據的顯示方式，也可以將結果數據保存后供歷史查詢。以圖形化方式顯示測試過程、測試結果，接受用戶對測試過程的控制動作。

在執行過程中，測試流程執行模塊在流程的執行控制方面提供了多種方式，有開始執行、暫停執行、繼續執行、停止執行等。

執行過程中的測試結果數據以及狀態監控信息實時在界面進行展示，同時結果信息能夠存入結果庫文件，支持報表的生成，同時預留數據接口，可為試驗中心中央工作站提供監控以及結果的數據源。

在運行平臺主界面點擊“自動測試”按鈕，系統進入測試程序選擇界面，包括TPS開發實例列、測試結果對話框和測試輸出對話框，在上側菜單欄點擊“測試項”，彈出對話框顯示制動控制器測試平臺軟件測試的所有測試項點。

選擇測試項點，用掃碼槍掃描或者手動輸入序列號，點擊確定，進入測試執行界面，包括“開始”、“停止”、“繼續”、“暫停”、“測試項”等操作。

點擊測試執行界面“開始”按鈕，系統軟件運行平臺會根據系統配置測試項點開始執行測試。測試項點開始執行后，執行顯示窗口顯示執行的信息，包括序號、測試項、測試信號、設定值、測試值、CAN回讀、合格判據、測試時間以及通過不通過等信息，測試輸出框顯示執行的時間、內容等測試記錄的信息。在執行過程中，可以進行停止、繼續、暫停等操作，控制測試項點的執行。

測試結束后選擇是否保存數據，測試結束，點擊退出，測試結束。

4 測試驗證

制動控制器測試平臺對新一代控制器、國產化控制器等多型號數十臺被測設備進行對接測試，測試內容為全部34個測試TP，其中包含測試狀態顯示、測試結果顯示和測試輸出顯示。

4.1 測試狀態顯示

測試程序開始之后顯示測試進度、記錄測試執行時間，更新測試使用的時間、測試項目等信息。

4.2 測試結果顯示

測試結果列表中顯示測試項、測試信號、設定值、測試值、CAN回讀、合格判據、是否通過以及測試時間等信息。

該列表可以實時顯示測試過程中重點關注的測試數據，并實時顯示測試平臺測試資源實際采集到的數據，進行判斷，并于被測試設備CAN總線回讀數據進行與邏輯運算。

4.3 測試輸出顯示

測試輸出列表顯示實時測試數據，監控測試軟件底層數據，測試不合格時，可查詢該列表快速查詢錯誤問題，定位問題所對應的信號，能夠準確定位到信號所對應的點，方便快速的解決問題。

測試過程中測試平臺運行平穩、測試點涵蓋面全、測試結果準確度高。

5 結束語

磁浮制動控制器是高速磁浮列車控制系統的核心，為了提高磁浮列車制動控制器的穩定性和可靠性，本文綜合考慮實際工程應用的測試需求和高速磁浮列車制動控制器的工作原理、典型故障、測試方法，對制動控制器測試系統的硬件、結構及軟件部分設計進行了詳細論述。根據制動控制器主要硬件和其實現的主要功能，重點通過電氣接口對懸浮導向制動控制器功能測試，包括通過懸浮導向傳感器接口、組裝位識別接口、相鄰或相對串行接口、CAN總線接口、起浮信號接口、制動電流指令變量與制動狀態反饋等在各種工況下，控制器的輸出以及動作狀態，以及對控制器維持工作區域能力的檢測，包括最小間隙臨界點動作、力極限測試、載荷電流限制、故障斷路、故障后復位等。

經被測件長期測試結果數據表明，該操作系統設計原理正確、測試結果準確可靠，滿足制動控制器測試需求，可作為制動控制器出廠驗證平臺。