趙 科，周子焱

（大連交通大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，大連116028）

地鐵具有載運(yùn)量大、客流量集中等特點(diǎn)，地鐵列車(chē)各個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng)的安全性和可靠性是地鐵運(yùn)營(yíng)公司重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。在地鐵交通系統(tǒng)中，地鐵列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)是整個(gè)列車(chē)安全運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵，它關(guān)系到無(wú)數(shù)人民群眾的生命安全，因此必須保證該系統(tǒng)在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中安全可靠地工作[1]。列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)一旦發(fā)生故障， 將直接影響運(yùn)營(yíng)車(chē)輛的安全與穩(wěn)定，延誤車(chē)輛的運(yùn)營(yíng)計(jì)劃，擾亂正常的公共秩序，影響乘客的行程安排，以致造成較嚴(yán)重的社會(huì)影響[2]。對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)性能進(jìn)行高效穩(wěn)定的測(cè)試裝置研發(fā)，具有廣泛的應(yīng)用前景和重要意義。提高地鐵列車(chē)制動(dòng)設(shè)備國(guó)產(chǎn)檢測(cè)水平， 實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵核心技術(shù)自主可控，打破國(guó)外龍頭企業(yè)的技術(shù)封鎖和產(chǎn)品壟斷，讓中國(guó)在國(guó)際軌道交通技術(shù)上占有一席之地。

通過(guò)認(rèn)真研究地鐵車(chē)輛中HRDA 型數(shù)字模擬式電空制動(dòng)系統(tǒng)的工作原理，詳細(xì)分析列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)及其制動(dòng)電子控制裝置工作原理，在此提出對(duì)地鐵列車(chē)制動(dòng)電子控制裝置進(jìn)行測(cè)試的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)對(duì)測(cè)試裝置進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)及上、下位機(jī)軟件程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)電子控制裝置性能的檢測(cè)。

1 HRDA 型數(shù)字模擬式電空制動(dòng)系統(tǒng)

HRDA 型數(shù)字模擬式電空制動(dòng)系統(tǒng)由日本Nabtesco 公司研制[3]，北京、天津等城市B 型地鐵車(chē)采用了該型電空制動(dòng)系統(tǒng)。

該系統(tǒng)包括制動(dòng)控制系統(tǒng)、 防滑控制系統(tǒng)、風(fēng)源系統(tǒng)、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置、輔助系統(tǒng)供風(fēng)設(shè)備等。系統(tǒng)采用故障導(dǎo)向安全的設(shè)計(jì)原則， 裝有監(jiān)控終端設(shè)備，具有故障記錄和自診斷等一系列功能，為地鐵列車(chē)安全運(yùn)行提供有力保障[4]。該電空制動(dòng)系統(tǒng)除了具有常用制動(dòng)和緊急制動(dòng)等幾大制動(dòng)功能外，還具有防滑控制功能；能與ATP 系統(tǒng)配合控制；可以交叉混合使用動(dòng)車(chē)和拖車(chē)間的制動(dòng)力；協(xié)調(diào)配合電空制動(dòng)，首選電制動(dòng)，電制動(dòng)之外采用反饋來(lái)控制空氣制動(dòng)力。

制動(dòng)控制系統(tǒng)是HRDA 型電空制動(dòng)系統(tǒng)的“大腦”，穩(wěn)定地控制著整個(gè)系統(tǒng)有序工作，同時(shí)接收外界設(shè)備數(shù)據(jù)。制動(dòng)控制系統(tǒng)，包括制動(dòng)電子控制裝置（動(dòng)車(chē)KBCD3A 或拖車(chē)KBCD4A）、EPR2A 型電空轉(zhuǎn)換中繼閥、F 負(fù)載閥、UM 空氣過(guò)濾器、 壓力傳感器單元、總風(fēng)欠壓開(kāi)關(guān)（僅Mc 車(chē)安裝）、箱體、消音器等。每輛列車(chē)配備的制動(dòng)電子控制裝置對(duì)制動(dòng)缸進(jìn)行充、排氣來(lái)完成啟動(dòng)或解除常用制動(dòng)或緊急制動(dòng)。制動(dòng)電子控制裝置完成從接收指令到協(xié)調(diào)計(jì)算電空制動(dòng)力為止的所有功能[5]。制動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 制動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of brake control system

各車(chē)制動(dòng)電子控制裝置接受制動(dòng)信號(hào)傳輸裝置發(fā)送的常用制動(dòng)指令，進(jìn)行電制動(dòng)和空氣制動(dòng)的一系列計(jì)算，并合理分配2 種制動(dòng)力。電空轉(zhuǎn)換中繼閥將電氣指令轉(zhuǎn)化為空氣壓力， 由緊急電磁閥、電空轉(zhuǎn)換閥和雙活塞中繼閥幾部分組成。若再生制動(dòng)不足，控制電空轉(zhuǎn)換中繼閥用空氣制動(dòng)補(bǔ)足。制動(dòng)電子控制裝置通過(guò)閉環(huán)反饋的方法使常用控制閥輸出AC 壓力， 輸出的壓力通過(guò)中繼閥部的控制室進(jìn)行流量放大，最后將放大后的壓力空氣傳輸?shù)街苿?dòng)缸產(chǎn)生常用制動(dòng)力?？罩剀?chē)調(diào)整閥根據(jù)列車(chē)車(chē)輛載重量的變化，自動(dòng)限制車(chē)輛的最大制動(dòng)力。通過(guò)輸入2 個(gè)空氣彈簧的壓力信號(hào)（AS1，AS2），經(jīng)預(yù)設(shè)好的轉(zhuǎn)化關(guān)系，把與車(chē)重量相匹配的空氣壓力傳輸?shù)诫娍辙D(zhuǎn)換中繼閥。在緊急制動(dòng)時(shí)，此壓力的空氣以與常用制動(dòng)相同的方式通過(guò)緊急電磁閥，在中繼閥部的控制室進(jìn)行流量放大，最后把放大流量之后的壓力空氣傳輸?shù)街苿?dòng)缸，產(chǎn)生緊急制動(dòng)力。

電空制動(dòng)系統(tǒng)常用制動(dòng)是在不影響列車(chē)原有制動(dòng)系統(tǒng)功能的前提下，直接控制列車(chē)主管壓力使列車(chē)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)與緩解的一種制動(dòng)方式。常用制動(dòng)劃分為7 個(gè)級(jí)別， 接收到ATO，ATP 發(fā)出常用制動(dòng)指令之后，經(jīng)由3 條常用制動(dòng)指令線發(fā)送制動(dòng)電子控制裝置進(jìn)行常用制動(dòng)， 并通過(guò)檢測(cè)到的一動(dòng)一拖2個(gè)車(chē)的空氣彈簧壓力信號(hào)，通過(guò)計(jì)算分配好動(dòng)車(chē)和拖車(chē)的制動(dòng)力[6]。該制動(dòng)過(guò)程首選節(jié)能減排的電制動(dòng)，當(dāng)電制動(dòng)不能滿足當(dāng)前制動(dòng)要求時(shí)，再采取電制動(dòng)和空氣制動(dòng)2 種制動(dòng)方式相互協(xié)調(diào)配合進(jìn)行常用制動(dòng)。列車(chē)在行駛過(guò)程中遇到緊急狀況時(shí)，司機(jī)通過(guò)司控臺(tái)上的緊急制動(dòng)按鈕對(duì)列車(chē)進(jìn)行緊急制動(dòng)，列車(chē)速度一直下降，直至列車(chē)停止，此過(guò)程不可中斷。緊急制動(dòng)不僅可以通過(guò)司控臺(tái)的緊急制動(dòng)按鈕實(shí)現(xiàn)，一旦列車(chē)出現(xiàn)類似風(fēng)源壓力過(guò)低，無(wú)法提供常用制動(dòng)或者列車(chē)分離故障這些情況時(shí)，制動(dòng)電子控制裝置會(huì)接收到采取緊急制動(dòng)的指令，使緊急電磁閥得電動(dòng)作進(jìn)行制動(dòng)[7]。

列車(chē)制動(dòng)時(shí)需要具有根據(jù)列車(chē)總重量自動(dòng)調(diào)整制動(dòng)力大小的功能。電空轉(zhuǎn)換電路將檢測(cè)到的2個(gè)空簧的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)， 車(chē)重是2個(gè)載荷信號(hào)的平均值。經(jīng)由相關(guān)的載荷計(jì)算，進(jìn)而控制列車(chē)制動(dòng)時(shí)輸出制動(dòng)力的大小。此功能設(shè)置了空車(chē)最低保證壓力和重車(chē)最高限制壓力。制動(dòng)電子控制裝置首先接收裝在車(chē)軸速度傳感器和脈沖發(fā)生器傳輸?shù)乃俣让}沖信號(hào)，其中M 車(chē)（指具有動(dòng)力的車(chē)輛）與牽引共用由VVVF 發(fā)出的速度脈沖信號(hào)，然后檢測(cè)各車(chē)軸的速度，最后進(jìn)行防滑控制。制動(dòng)電子控制裝置有減速度檢測(cè)和速度差檢測(cè)2 種滑行檢測(cè)的方法，當(dāng)有一種方法檢測(cè)到滑行，防滑控制裝置控制防滑電磁閥產(chǎn)生防滑作用。

制動(dòng)電子控制裝置具有獨(dú)立的計(jì)算機(jī)控制檢測(cè)系統(tǒng)，能利用傳感器監(jiān)測(cè)制動(dòng)缸壓力，在不緩解檢測(cè)線得電的情況下， 如果5 s 后仍出現(xiàn)制動(dòng)缸壓力不低于規(guī)定值的壓力，則判斷為發(fā)生了制動(dòng)不緩解。當(dāng)發(fā)生制動(dòng)力不緩解的情況時(shí)，司機(jī)通過(guò)閉合強(qiáng)迫緩解開(kāi)關(guān)，讓電子制動(dòng)控制單元發(fā)出緩解制動(dòng)的指令，并向監(jiān)控裝置發(fā)送強(qiáng)迫緩解信號(hào)[8]。在ATP常用制動(dòng)或司機(jī)實(shí)施較高級(jí)別常用制動(dòng)且無(wú)電制動(dòng)時(shí)， 制動(dòng)缸壓力經(jīng)過(guò)3.5 s 后仍未超過(guò)規(guī)定值，制動(dòng)電子控制裝置則判斷為發(fā)生了制動(dòng)力不足，使發(fā)生制動(dòng)力不足的車(chē)輛產(chǎn)生緊急制動(dòng)作用，并向監(jiān)控裝置發(fā)出制動(dòng)力不足信息[9]。

2 制動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試裝置設(shè)計(jì)

針對(duì)HRDA 型電空制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試裝置的總體設(shè)計(jì)。該裝置組成主要有UPS、顯示器、工控機(jī)、打印機(jī)、PLC 控制系統(tǒng)、PWM 信號(hào)輸出系統(tǒng)、PWM信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)、速度模擬系統(tǒng)、數(shù)字量輸入處理系統(tǒng)、數(shù)字量輸出處理系統(tǒng)、防滑信號(hào)處理系統(tǒng)、氣源處理系統(tǒng)、氣路控制系統(tǒng)和壓力檢測(cè)系統(tǒng)等。測(cè)試系統(tǒng)包括硬件和軟件2 部分：硬件部分主要實(shí)現(xiàn)控制和檢測(cè)功能；軟件部分主要指運(yùn)行在工控機(jī)內(nèi)的上位機(jī)程序，負(fù)責(zé)人機(jī)交互界面，控制測(cè)試裝置對(duì)制動(dòng)電子控制裝置進(jìn)行試驗(yàn)和監(jiān)視。

測(cè)試裝置硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。測(cè)試裝置與制動(dòng)電子控制裝置雙向傳輸相應(yīng)電氣信號(hào)。數(shù)字量輸入板卡采集緊急制動(dòng)指令、制動(dòng)指令、牽引指令、保持制動(dòng)指令、 坡道啟動(dòng)指令、ATO 模式信號(hào)指令、ATP 常用最大指令、電制動(dòng)有效信號(hào)、電制動(dòng)失效預(yù)警信號(hào)（KBCD3A）、保持制動(dòng)緩解信號(hào)。數(shù)字量輸出有緊急制動(dòng)狀態(tài)、不緩解信號(hào)、30 km/h 速度信號(hào)（KBCD3A）、KBCD 重故障信號(hào)、BC 壓力有無(wú)信號(hào)（KBCD3A）、制動(dòng)力不足信號(hào)、制動(dòng)不緩解信號(hào)。

PWM 模擬信號(hào)分為PWM 模擬輸入信號(hào)和PWM 模擬輸出信號(hào)。其中，PWM 模擬輸出信號(hào)分別為常用制動(dòng)指令、電制動(dòng)反饋、T 車(chē)（指拖車(chē)）載荷信號(hào)和T 車(chē)減算指令；PWM 模擬輸入信號(hào)分別為牽引載荷、電制動(dòng)指令和T 車(chē)減算指令。

2.1 測(cè)試裝置硬件設(shè)計(jì)

制動(dòng)測(cè)試裝置通過(guò)高標(biāo)準(zhǔn)的航空插頭等連接器與外部被測(cè)試設(shè)備連接。制動(dòng)測(cè)試裝置輸出控制信號(hào)給工控機(jī)，同時(shí)接收信號(hào)處理單元采集到的外部被測(cè)試設(shè)備輸出的脈沖信號(hào)。整機(jī)電源采用AC 220 V 市電供電，工控機(jī)、顯示屏為220 V 交流電直接提供，其它部件需要110 V 和24 V 直流電由隔離型AC-DC 電源模塊轉(zhuǎn)換后提供。制動(dòng)測(cè)試裝置配備多種接口。以太網(wǎng)（ETH）口用于與工控機(jī)通信，同時(shí)配置MVB/CAN 接口在需要時(shí)可與其它標(biāo)準(zhǔn)TCN 設(shè)備通信，通訊要符合IEC61375-1 標(biāo)準(zhǔn)。為了提高測(cè)試裝置的試驗(yàn)?zāi)芰Γ?同時(shí)配備與制動(dòng)機(jī)連接的RS-232 通信接口，通信協(xié)議靈活，可根據(jù)需求自行訂制協(xié)議。

圖2 測(cè)試裝置硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure of test device

2.2 測(cè)試裝置軟件設(shè)計(jì)

地鐵制動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試裝置軟件分析、處理測(cè)試的數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確定位制動(dòng)系統(tǒng)故障位置，為地鐵列車(chē)的日常檢修與維護(hù)提供技術(shù)支持和依據(jù)，為制動(dòng)系統(tǒng)的安全保駕護(hù)航。測(cè)試裝置軟件主要有以下功能：

1）主窗口管理 通過(guò)人機(jī)界面的主窗口，測(cè)試人員可以進(jìn)行測(cè)試類型的選擇，進(jìn)入到相應(yīng)的子界面，完成測(cè)試車(chē)型的選擇和測(cè)試人員信息的記錄并進(jìn)行對(duì)應(yīng)測(cè)試。

2）讀取測(cè)試條件和規(guī)格 根據(jù)測(cè)試人員選擇的試驗(yàn)類別及車(chē)型，從SQL Server 數(shù)據(jù)庫(kù)讀取相應(yīng)的測(cè)試條件和規(guī)格，顯示到所選界面，方便測(cè)試人員觀察記錄測(cè)試數(shù)據(jù)。

3）測(cè)試數(shù)據(jù)的保存與打印 保存測(cè)試數(shù)據(jù)，以Excel 表格的形式打印， 便于方整理并保存測(cè)試數(shù)據(jù)和結(jié)論。

4）測(cè)試數(shù)據(jù)的清空 退出測(cè)試時(shí)，軟件能自動(dòng)清空上位機(jī)界面讀取的數(shù)據(jù)庫(kù)測(cè)試規(guī)格和數(shù)據(jù)。

5）測(cè)試數(shù)據(jù)的復(fù)現(xiàn) 將之前測(cè)試數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取，上位機(jī)界面顯示，便于對(duì)測(cè)試結(jié)果的總結(jié)與查閱。

6）對(duì)話框提示操作 對(duì)測(cè)試人員的一些錯(cuò)誤操作彈出提示對(duì)話框。

通過(guò)對(duì)測(cè)試裝置整體結(jié)構(gòu)的分析，制動(dòng)測(cè)試裝置主要包含上位機(jī)軟件部分和下位機(jī)軟件部分，彼此主要通過(guò)UDP 通信協(xié)議和CAN 總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。測(cè)試裝置各部分軟件拓?fù)淙鐖D3所示。

圖3 測(cè)試裝置軟件拓?fù)銯ig.3 Software topology of test device

2.2.1 上位機(jī)程序總體設(shè)計(jì)

工控機(jī)運(yùn)行上位機(jī)軟件程序，提供友好的人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)工控機(jī)與PLC 之間的數(shù)據(jù)傳輸和收發(fā)。PLC 將測(cè)試過(guò)程需要的各種信號(hào)傳輸?shù)街苿?dòng)控制單元。同時(shí)，將PLC 采集的數(shù)據(jù)傳輸給工控機(jī)，采用信號(hào)轉(zhuǎn)化及圖形設(shè)計(jì)，以適當(dāng)?shù)男问皆谏衔粰C(jī)程序界面顯示。上位機(jī)程序軟件提供多種功能，包括自診斷、自動(dòng)測(cè)試、單項(xiàng)測(cè)試、手動(dòng)測(cè)試、測(cè)試管理、用戶管理、數(shù)據(jù)管理、校正測(cè)試結(jié)果、數(shù)據(jù)保存及打印功能等。具體如下：

①自診斷功能 對(duì)測(cè)試裝置內(nèi)部的模擬、數(shù)字采集板卡以及PWM 板卡進(jìn)行功能測(cè)試； ②自動(dòng)測(cè)試 用戶發(fā)出命令后， 自動(dòng)開(kāi)始所有項(xiàng)目測(cè)試，用戶可緊急停止當(dāng)前測(cè)試進(jìn)程；③單項(xiàng)試驗(yàn)功能 根據(jù)用戶當(dāng)前選擇，控制測(cè)試裝置完成所選測(cè)試項(xiàng)目；④手動(dòng)試驗(yàn)功能 用戶可以手動(dòng)輸出測(cè)試信號(hào)，如速度信號(hào)和載荷信號(hào)等； ⑤測(cè)試管理功能 能對(duì)用戶提供測(cè)試參數(shù)、 標(biāo)準(zhǔn)及測(cè)試實(shí)施與否的窗口；⑥用戶管理功能 由管理員分配每一用戶的操作權(quán)限；⑦數(shù)據(jù)管理功能 用戶可以對(duì)測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除和復(fù)現(xiàn)等；⑧校正 用戶可以將接收或發(fā)送的模擬信號(hào)通過(guò)校正界面進(jìn)行校正；⑨數(shù)據(jù)保存及打印 用戶可以將自診斷測(cè)試結(jié)果、自動(dòng)測(cè)試結(jié)果以及測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)保存并打印出來(lái)。

2.2.2 下位機(jī)程序總體設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件運(yùn)行在PLC 和制動(dòng)測(cè)試控制單元，主要負(fù)責(zé)控制制動(dòng)測(cè)試控制單元中的輸入輸出板卡， 并且接收數(shù)字/模擬采集板卡所采集的數(shù)據(jù)，通過(guò)UDP 通信協(xié)議發(fā)送到工控機(jī)上位機(jī)程序中。相反， 接收上位機(jī)程序通過(guò)UDP 發(fā)送的控制指令，然后由PLC 程序再發(fā)送到數(shù)字/模擬輸出板卡。制動(dòng)測(cè)試控制單元中各板卡通過(guò)設(shè)計(jì)在背板上的CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。由于篇幅所限，在此不再贅述。

3 測(cè)試裝置現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，使用所設(shè)計(jì)的地鐵制動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試裝置實(shí)現(xiàn)工控機(jī)、PLC、制動(dòng)測(cè)試控制單元和制動(dòng)電子控制裝置四者數(shù)據(jù)的互融互通。通過(guò)測(cè)試分析驗(yàn)證了測(cè)試裝置的正確性和可靠性。

在完成測(cè)試裝置硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)后，在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)采用裝置自診斷和制動(dòng)電子控制裝置試驗(yàn)的方式，驗(yàn)證了測(cè)試裝置的可行性。具體測(cè)試步驟不再贅述，測(cè)試結(jié)果的界面如圖4所示。通過(guò)車(chē)型選擇、試驗(yàn)?zāi)Ｊ郊邦悇e選擇等信息輸入，測(cè)試界面右側(cè)顯示所有測(cè)試過(guò)的試驗(yàn)項(xiàng)目，并綜合判定結(jié)果為合格。

圖4 制動(dòng)電子控制裝置測(cè)試界面Fig.4 Test interface of brake electronic control device

4 結(jié)語(yǔ)

所設(shè)計(jì)的地鐵制動(dòng)系統(tǒng)的測(cè)試裝置，能夠以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方式對(duì)所設(shè)計(jì)的裝置進(jìn)行功能測(cè)試。為避免測(cè)試裝置自身問(wèn)題造成試驗(yàn)失敗，先進(jìn)行裝置自診斷試驗(yàn)，再通過(guò)測(cè)試裝置對(duì)地鐵列車(chē)制動(dòng)電子裝置測(cè)試。測(cè)試結(jié)果合格，驗(yàn)證了裝置測(cè)試功能的準(zhǔn)確性和可靠性，解決了對(duì)地鐵列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)快速故障診斷問(wèn)題，也推動(dòng)了國(guó)產(chǎn)檢測(cè)設(shè)備開(kāi)發(fā)進(jìn)程。