齊政亮， 錢　卿， 周　軍， 曹宏發(fā)， 姜巖峰， 華　皛

(1　北京縱橫機電技術(shù)開發(fā)公司， 北京 100094；2　中國鐵道科學研究院　機車車輛研究所， 北京 100081；3　中國鐵路廣州局集團有限公司， 廣州 510088)

制動系統(tǒng)是車輛運營安全的重要保障。根據(jù)制動系統(tǒng)作用范圍，分為集中式制動系統(tǒng)(俗稱車控式)和分散式制動系統(tǒng)(俗稱架控式)。前者以每輛車為單元設(shè)置單個制動系統(tǒng)，后者以每個轉(zhuǎn)向架為單元設(shè)置單個制動系統(tǒng)[1]。目前我國軌道車輛主要采用的制動系統(tǒng)有德國KNORR、日本NABCO、法維萊SABWABCO[2]；國內(nèi)的有北京縱橫機電技術(shù)開發(fā)公司的EP08、EP09、DK13、DK15等，其中以KNORR公司的EP2002架控式制動系統(tǒng)在城軌市場份額最高。以上均是模擬式直通電空制動系統(tǒng)，具有操作靈活、反應(yīng)快速，以及與牽引、網(wǎng)絡(luò)和ATP等系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合等特點[2]。

緊急制動是保障車輛制動安全的最后防線，其實現(xiàn)方式將直接關(guān)乎到車輛制動安全等級。車輪防滑保護WSP(Wheel Slide Protection)是制動系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是其核心技術(shù)。當輪軌黏著較低時，WSP控制系統(tǒng)能有效抑制車輪滑行，不但能防止車輪抱死，而且能最佳利用有效黏著，以保證最短的制動距離。由于架控制動系統(tǒng)采用了集約化、智能化設(shè)計，將制動閥和防滑閥合二為一，因此如何在保證緊急制動滿足安全等級要求的情況下亦能有效發(fā)揮防滑保護功能，將直接影響到架控制動系統(tǒng)的安全運用。

針對上述問題，文中在深入分析DK15架控制動系統(tǒng)的緊急制動控制和防滑控制原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合前期動車組制動系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)經(jīng)驗，提出了一種架控防滑控制監(jiān)控策略。通過硬件電路冗余設(shè)計和軟件層級控制，滿足了架控制動系統(tǒng)緊急制動安全等級要求并達到防滑控制目的，仿真測試和現(xiàn)車試驗的結(jié)果也驗證了該控制策略的有效性和可靠性。

1　架控功能結(jié)構(gòu)分析

DK15電空制動系統(tǒng)是一種基于架控的直通電空制動系統(tǒng)，是由網(wǎng)關(guān)制動控制單元(簡稱網(wǎng)關(guān)閥GV)和智能制動控制單元(簡稱智能閥SV)組成的分布式制動控制網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)關(guān)閥主要用于制動網(wǎng)絡(luò)控制和本車制動控制，智能閥用于本車制動控制。雖然兩種閥的電氣功能存在差別，但其氣動部分都是相同的，稱為氣動閥單元PBCU。

1.1　氣動閥單元PBCU

氣動閥單元PBCU包括多個功能部，如圖1所示。

(1)空重車調(diào)整部分：C1、C2、A5、A6和P8，其作用是根據(jù)本架載荷信息控制輸出緊急制動工況對應(yīng)的制動缸壓力。

(2)制動控制部分：由兩組結(jié)構(gòu)完全相同的EP閥A8A2B6B3和A9A3B7B4組成，用于將空重車調(diào)整部分的輸出壓力調(diào)節(jié)到要求的制動缸壓力，還用于在防滑激活時對制動缸壓力進行控制。對于每根軸，它由兩個電磁閥和兩個活塞閥組成。

(3)連通部分：由電磁閥A4和閥B5構(gòu)成，用于在氣路上連通或隔斷制動缸的壓力輸出。

(4)遠程緩解部分：由電磁閥A1和閥B1、B8構(gòu)成，用于強制緩解制動缸壓力。

(5)壓力傳感器BSR、PB/MR、AS1、AS2、BC1、BC2，用來進行壓力內(nèi)部調(diào)節(jié)和外部指示(制動風缸、載荷、制動缸壓力、停放制動)。

圖1　DK15閥氣動部分氣路圖

1.2　電子部分EBCU

EBCU也稱為制動控制器，是面向制動系統(tǒng)功能需求的嵌入式電子控制裝置。為了實現(xiàn)與外部的信息交互，EBCU具有多種類型的外部接口。

EBCU采用模塊化設(shè)計，基于接口配置和功能定位，劃分不同類型的控制板，控制板通過前面板連接器與外部系統(tǒng)進行信息交互，各控制板之間通過機箱背板獲取公共的電源和CAN總線通道?？刂瓢宓念愋秃蛿?shù)量可根據(jù)對制動系統(tǒng)的功能需求進行配置，大大提高了EBCU的靈活性和適應(yīng)性，如圖2所示。

圖2　電子制動控制單元結(jié)構(gòu)

2　架控制動控制和防滑控制功能

2.1　功能概述

從控制角度分析，架控制動系統(tǒng)的最大特點是將EP閥和防滑閥合二為一，更加集約化、集成化，其壓力控制原理如圖3所示。

圖3　DK15壓力控制原理

當防滑未激活時，EBCU根據(jù)綜合得到的制動力需求，并轉(zhuǎn)化為目標壓力值，結(jié)合制動缸壓力傳感器采集的實際壓力值，控制EP閥B4B7和B3B6進行充風、保壓、排風等動作，以使缸壓達到目標壓力值；當防滑激活時，EBCU根據(jù)防滑邏輯，斷開連通閥B5，分別控制防滑閥B4B7和B3B6進行單軸排風、保壓、充風等動作，滑行恢復(fù)后，將壓力恢復(fù)至滑行前的目標壓力值。WSP監(jiān)控的作用是防止滑行控制過程中出現(xiàn)持續(xù)長時間排風以保證車輛制動距離。

2.2　緊急制動控制

按照故障導(dǎo)向安全設(shè)計原則，緊急制動實施“得電緩解，失電施加”的純空氣制動。列車可以通過司控器、警惕按鈕、ATP系統(tǒng)等方式觸發(fā)緊急制動。緊急制動一旦施加，必須待緊急環(huán)路再次建立才能緩解緊急制動[3，6]。一旦列車出現(xiàn)緊急制動指令輸入的情況，制動系統(tǒng)將控制EP閥B4B7和B3B6失電而施加純空氣制動。緊急制動具有防滑保護功能，但不受沖動限制[4-5]。

2.3　防滑保護控制

防滑保護裝置主要由集成在軸端部的測速齒輪、速度傳感器以及制動控制部分中的防滑閥(與EP閥是同一套閥)構(gòu)成[3]。制動控制系統(tǒng)根據(jù)速度傳感器傳遞的每軸頻率脈沖信號進行速度計算和防滑邏輯判斷；當檢測到滑行時，它將控制該軸對應(yīng)的防滑閥進行排風或保壓以恢復(fù)軸速度；當滑行恢復(fù)時，將進行充風以充分利用黏著。當出現(xiàn)滑行時，制動控制系統(tǒng)首先控制電磁閥A4得電，斷開連通閥B5以隔斷兩軸制動缸壓力，接著根據(jù)防滑邏輯單獨控制EP閥B4B7和B3B6動作以達到滑行控制的目的。

滑行檢測的兩個判據(jù)為[5]：

(1)該軸速度和參考速度之間的偏差超過閾值；

(2)該軸減速度超過閾值。

為保證不發(fā)生長時間制動力丟失，DK15內(nèi)部監(jiān)控電路需對防滑電磁閥狀態(tài)進行實時監(jiān)控，禁止電磁閥出現(xiàn)“持續(xù)長時間排風超時”現(xiàn)象[7]。

3　架控防滑監(jiān)控設(shè)計

列車施加緊急制動時有可能發(fā)生輪對滑行，在防滑控制過程中，有可能出現(xiàn)長時間排風，造成制動距離過長而影響運營安全。為此，防滑監(jiān)控設(shè)計是十分必要的。針對架控制動系統(tǒng)將制動閥和防滑閥合二為一的特點，設(shè)計了一種基于硬件電路冗余和軟件層級控制的防滑監(jiān)控策略，在保證緊急制動滿足安全等級要求的情況下亦能有效發(fā)揮防滑保護功能。

3.1　硬件電路冗余設(shè)計

監(jiān)控電路增設(shè)可通過背板接收緊急制動指令，當主CPU判斷出需要施加緊急制動或從CPU接收到緊急制動指令，它們都可以單獨控制電磁閥失電從而施加緊急制動，進而保證緊急制動的安全要求?；谏鲜鲈O(shè)計理念，開發(fā)了專用于架控制動系統(tǒng)的MC01B控制板卡，如圖4所示。

圖4　硬件電路冗余設(shè)計

3.2　軟件層級控制

在“防滑保護優(yōu)先于緊急制動”的原則下，結(jié)合硬件電路冗余設(shè)計，軟件主要實現(xiàn)以下功能：

(1)防滑未激活時，收到緊急制動指令，控制施加緊急制動，實現(xiàn)緊急冗余，以達到緊急制動的安全要求。

(2)防滑激活時，監(jiān)測防滑閥實際動作邏輯及時間，超時后，切除相應(yīng)控制，防止制動距離過長。

控制策略流程圖如圖5。

4　測試驗證

為了驗證文中設(shè)計的架控防滑控制監(jiān)控策略的有效性和可靠性，在仿真測試試驗臺和現(xiàn)車上對其功能進行了全面測試。測試結(jié)果表明，該策略不僅能夠滿足緊急制動的安全要求，而且確保了在任何制動工況下防滑控制都能起到保護作用。

圖5　緊急制動與防滑控制分析

4.1　仿真測試試驗臺

在試驗室制動系統(tǒng)軟件集成測試平臺進行測試仿真驗證。該平臺主要由測試系統(tǒng)、列車制動環(huán)境和8個單車制動環(huán)境組成。列車制動環(huán)境作為測試平臺的主控計算機，是整個測試平臺的控制中心。在測試系統(tǒng)的人機交互界面中模擬了司控臺實物上的所有輸入設(shè)備和指示設(shè)備，操作人員通過輸入設(shè)備進行控制操作，通過列車制動環(huán)境的MVB總線通信和CAN總線通信向各車廂的制動系統(tǒng)發(fā)送控制指令。單車制動環(huán)境用于對制動系統(tǒng)所接負載進行仿真，共有8套，分別對應(yīng)8個列車車廂。負載仿真測試系統(tǒng)由上位機和下位機兩部分組成。其中，上位機運行人機交互軟件，實時顯示系統(tǒng)中各信號的狀態(tài)，便于操作人員進行監(jiān)測。下位機主要運行實時操作系統(tǒng)，可根據(jù)上位機的指令或運行仿真模型控制各硬件資源的信號輸出。

4.2　仿真驗證

通過軟件集成測試試驗臺模擬車輪速度和緊急制動指令以測試滑行和緊急制動施加的情況，如表1所示。

表1　滑行和緊急測試驗證

測試結(jié)果表明，該監(jiān)控策略符合設(shè)計要求。

4.3　現(xiàn)車試驗

文中提出的防滑監(jiān)控策略已在長株潭城際動車組項目中進行了實際應(yīng)用，如圖6所示。現(xiàn)車的試驗結(jié)果也驗證了該控制策略的有效性和可靠性。

圖6　長株潭城際動車組和架控制動控制系統(tǒng)

在東郊環(huán)鐵防滑型式試驗過程中，當防滑未激活且全列緊急制動指令有效時，主從CPU同時控制電磁閥施加緊急制動。當防滑激活時，無論緊急制動指令是否有效，主CPU進行滑行控制，從CPU只起監(jiān)控作用而不施加緊急制動。圖7為車輛160 km/h緊急制動防滑試驗，很好地達到了緊急制動情況下滑行控制的目的。

圖7　長株潭城際動車組 160 km/h緊急制動防滑試驗

5　結(jié)　論

在深入分析DK15架控制動系統(tǒng)的緊急制動控制和防滑控制原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合前期動車組制動系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)經(jīng)驗，設(shè)計了一種基于硬件電路冗余設(shè)計和軟件層級控制的架控防滑監(jiān)控策略。在試驗臺和現(xiàn)車上的試驗驗證表明，該策略滿足緊急制動安全要求并達到了防滑控制目的，為國產(chǎn)化架控制動系統(tǒng)的推廣應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。