余 博, 扈海軍

(1 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081;2 北京縱橫機(jī)電科技有限公司， 北京 100094)

電氣控制系統(tǒng)是動(dòng)車組輔助系統(tǒng)的關(guān)鍵子系統(tǒng)，它主要通過(guò)電氣元件執(zhí)行列車各控制系統(tǒng)發(fā)送的指令，與列車上各控制系統(tǒng)相互配合，共同完成對(duì)車輛各系統(tǒng)功能的配電及控制。電氣柜作為動(dòng)車組電氣控制系統(tǒng)的主要載體，它安裝在車廂內(nèi)部，是具有車輛電源分配、電氣控制等功能的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。導(dǎo)通測(cè)試環(huán)節(jié)是動(dòng)車組電氣柜系列產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)的主要環(huán)節(jié)，手動(dòng)或半自動(dòng)測(cè)試效率低且易出錯(cuò)。文中介紹的電氣柜自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，是手動(dòng)測(cè)試方式的一種加強(qiáng)和改進(jìn)。

1 系統(tǒng)有效性

動(dòng)車組電氣柜例行試驗(yàn)中的電氣性能試驗(yàn)的測(cè)試項(xiàng)點(diǎn)包括：(1)絕緣和介電強(qiáng)度測(cè)試；(2)導(dǎo)通測(cè)試；(3)功能性電氣元件測(cè)試。功能性電氣元件主要指的是在工作與非工作狀態(tài)下可發(fā)生物理狀態(tài)改變的電氣元件。對(duì)于動(dòng)車組電氣柜而言，功能性電氣元件主要有空開(kāi)，繼電器和接觸器。當(dāng)列車各系統(tǒng)工作狀態(tài)發(fā)生變化的同時(shí)，電氣柜工作電路的內(nèi)部電氣連接關(guān)系隨之發(fā)生變化。目前常用的測(cè)試方法主要采用手工導(dǎo)通測(cè)試驗(yàn)證電氣柜內(nèi)線路接線正確，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)可通過(guò)激勵(lì)電源，模擬列車各系統(tǒng)工作狀態(tài)發(fā)生改變的同時(shí)，對(duì)電氣柜內(nèi)部線路連接的正確性進(jìn)行驗(yàn)證。

電氣柜內(nèi)部接線方式主要有螺釘連接和彈片壓接，測(cè)試系統(tǒng)不能在破壞產(chǎn)品完整性的條件下進(jìn)行測(cè)試，因此僅能選取螺釘連接以外的元件作為測(cè)試系統(tǒng)的直接測(cè)試點(diǎn)位，這些元器件均位于電氣柜外部接口之上。為了證明自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試過(guò)程及結(jié)果有效，需先證明如下推理。

推理：對(duì)于一個(gè)無(wú)向連通圖，通過(guò)所有度為1的邊的路徑的集合包含圖中所有的邊。

證明：對(duì)于僅有一條邊，兩個(gè)頂點(diǎn)的連通圖，顯然成立。

對(duì)于一個(gè)具有n條邊的無(wú)向連通圖，假設(shè)定理成立。

對(duì)于n+1條邊的無(wú)向連通圖，有兩種情況：

(1)若新增邊連接到度為1的邊，則被連接的邊的度數(shù)為2，此時(shí)，假設(shè)推理不成立，則此圖存在一個(gè)子圖，且此子圖必然包含接入的邊，與假設(shè)矛盾，因此推理成立；

(2)若新增邊連接到度不為1的邊，同上顯然可證。

綜上可知，推理成立。

在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，存在如下兩種特殊情況：①錯(cuò)接或多接了導(dǎo)線，但錯(cuò)誤的接線并未改變電路的連通性；②對(duì)于特殊的電路設(shè)計(jì)，如雙線冗余電路，測(cè)試結(jié)果并不能代表接線無(wú)誤。因此在測(cè)試前期，需要對(duì)特殊情況進(jìn)行識(shí)別，并在測(cè)試環(huán)節(jié)通過(guò)手動(dòng)測(cè)試的方式進(jìn)行驗(yàn)證。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

動(dòng)車組電氣柜內(nèi)接線復(fù)雜，柜內(nèi)元器件種類和數(shù)量繁多，其工作狀態(tài)的改變均由車體引出線或由安裝于電氣柜上的系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行控制。考慮到電氣柜上的每一個(gè)連接器都有可能參與電氣柜的控制，且每一個(gè)型號(hào)的電氣柜，其接線關(guān)系都有較大區(qū)別，在梳理測(cè)試設(shè)備與被測(cè)設(shè)備連接關(guān)系時(shí)，難以將測(cè)試點(diǎn)與電源激勵(lì)點(diǎn)分別進(jìn)行定義，因此測(cè)試系統(tǒng)需要滿足測(cè)試點(diǎn)與電源激勵(lì)點(diǎn)能夠相互切換。最終，我們選擇WEETECH W454線束分析儀作為主要測(cè)試設(shè)備，它的測(cè)試性能滿足需求，且支持多種測(cè)點(diǎn)模塊，基于W454我們搭建了整套測(cè)試系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)原理

根據(jù)第1節(jié)中系統(tǒng)有效性的推論，我們?cè)跍y(cè)試時(shí)需要對(duì)電氣柜內(nèi)部導(dǎo)通關(guān)系進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)于一條電流路徑，存在3種導(dǎo)通狀態(tài)：

(1)有條件導(dǎo)通；

(2)常導(dǎo)通；

(3)常開(kāi)路。

對(duì)于常導(dǎo)通和常開(kāi)圖的導(dǎo)通關(guān)系，我們采用直接測(cè)量的方式進(jìn)行驗(yàn)證其正確性。對(duì)于有條件導(dǎo)通的接線關(guān)系而言，首先需要測(cè)量其絕緣特性，然后在對(duì)其上非常導(dǎo)通的電氣元件進(jìn)行激活，最后通過(guò)測(cè)量其兩端電阻值驗(yàn)證其導(dǎo)通性。由此可見(jiàn)，搭建的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)需要滿足絕緣、耐壓、導(dǎo)通、功能測(cè)試的需求，為保證系統(tǒng)安全性，所有操作均需要經(jīng)過(guò)安全模塊的判斷來(lái)進(jìn)行保護(hù)?；谏鲜鲂枨?，我們對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)化選配。

2.2 系統(tǒng)組成與結(jié)構(gòu)

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)主要由系統(tǒng)主機(jī)，低、高壓電源發(fā)生器，測(cè)量單元，安全模塊，外部供電單元，測(cè)點(diǎn)模塊，工控機(jī)及測(cè)試工裝構(gòu)成。各個(gè)模塊間通過(guò)背板總線進(jìn)行通訊，各個(gè)控制單元之間由以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，系統(tǒng)主機(jī)對(duì)單元和模塊進(jìn)行統(tǒng)一控制。測(cè)量單元設(shè)計(jì)了電源接口，低、高壓電源發(fā)生器、外部供電模塊及測(cè)點(diǎn)模塊之間通過(guò)電源接口進(jìn)行連接。系統(tǒng)組成和結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)組成與結(jié)構(gòu)圖

其中低壓直流發(fā)生器提供最高500 V的測(cè)試電壓，高壓交直流發(fā)生器最高可提供2 250 V直流或1 500 V交流測(cè)試電壓。測(cè)點(diǎn)模塊選用了具有32個(gè)可用于供電或測(cè)量的Combi modules，外部供電單元選用了安捷倫Keysight N5750A程控電源。測(cè)點(diǎn)模塊通過(guò)連接器與工裝相連，工裝引出線路連接至被測(cè)件。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

WEETECH公司的CEETIS開(kāi)發(fā)平臺(tái)包括了開(kāi)發(fā)環(huán)境，設(shè)備配置環(huán)境，部件庫(kù)等模塊，支持外部輔助設(shè)備功能調(diào)用及編程。對(duì)于簡(jiǎn)單的被測(cè)件，可基于輸入的數(shù)據(jù)，使用高級(jí)測(cè)量應(yīng)用模塊自動(dòng)生成開(kāi)發(fā)代碼。動(dòng)車組電氣柜內(nèi)部電路關(guān)系較為復(fù)雜，無(wú)法使用自動(dòng)生成及圖形化操作的方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，故使用手動(dòng)編程的方法進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。

3.1 系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)

對(duì)于CEETIS平臺(tái)而言，系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)主要依靠詳盡的數(shù)據(jù)支撐。首先，我們將測(cè)試通路填入開(kāi)發(fā)環(huán)境，并進(jìn)行配置，使得測(cè)量單元能夠讀入通路數(shù)據(jù)。然后，對(duì)測(cè)點(diǎn)模塊進(jìn)行定義，使得測(cè)試點(diǎn)與測(cè)試通路具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，并定義使用外部供電單元的測(cè)點(diǎn)。最后，我們編制測(cè)試程序，使得CEETIS測(cè)試平臺(tái)能夠按照測(cè)試程序進(jìn)行執(zhí)行，并輸出規(guī)范的測(cè)試報(bào)告。測(cè)試程序編制流程如圖2所示。

圖2 測(cè)試程序編制流程

在電路數(shù)據(jù)收集階段，我們通過(guò)定義的數(shù)據(jù)字段對(duì)電路及測(cè)試信息進(jìn)行收集，并存入數(shù)據(jù)庫(kù)，主要字段包含線號(hào)，元器件編號(hào)，點(diǎn)位，接入位置，接入點(diǎn)位，中間元器件編號(hào)，線路從端設(shè)備號(hào)及點(diǎn)位，線路到端設(shè)備號(hào)及點(diǎn)位。主要數(shù)據(jù)模型如表1所示。

表1 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型

在電路數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，首先對(duì)收集好的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，然后通過(guò)數(shù)據(jù)分析模塊將數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行分析，對(duì)于每一條通路，收集到所有可用的相關(guān)數(shù)據(jù)。對(duì)于電氣柜電路而言，經(jīng)過(guò)任意元器件上一對(duì)觸點(diǎn)的路徑可能不唯一，所以我們需要通過(guò)人工的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，選擇合適的路徑，從而得到最終的測(cè)試數(shù)據(jù)。基于該數(shù)據(jù)，我們應(yīng)用集成開(kāi)發(fā)環(huán)境定義的語(yǔ)法編寫(xiě)測(cè)試程序。

3.2 測(cè)試程序主要模塊及功能

最終系統(tǒng)執(zhí)行的測(cè)試程序主要在CEETIS IDE上進(jìn)行開(kāi)發(fā)。我們將測(cè)試程序分成多個(gè)模塊分別進(jìn)行編寫(xiě)，方便進(jìn)行修改及擴(kuò)充，并支持移植和使用。具體的測(cè)試模塊及程序執(zhí)行順序如圖3所示。

圖3 測(cè)試程序模塊及程序執(zhí)行順序

在系統(tǒng)參數(shù)配置模塊中，我們主要配置各種系統(tǒng)硬件參數(shù)，如測(cè)試電壓、測(cè)試電流、上升沿，下降沿等。在測(cè)試準(zhǔn)備模塊，我們收集并輸入產(chǎn)品編號(hào)，被測(cè)件型號(hào)，測(cè)試產(chǎn)品名稱等被測(cè)件產(chǎn)品信息。在初始化模塊中，我們對(duì)各種電氣產(chǎn)品進(jìn)行復(fù)位操作。在繼電器激活驗(yàn)證模塊，我們主要驗(yàn)證繼電器線圈的接線準(zhǔn)確性。

配置及初始化工作完成之后，測(cè)試開(kāi)始。首先執(zhí)行導(dǎo)通測(cè)試，隨后驗(yàn)證在空開(kāi)閉合狀態(tài)下的導(dǎo)通測(cè)試，然后驗(yàn)證在繼電器、接觸器工作條件下的接線正確性，最后開(kāi)始驗(yàn)證絕緣及耐壓性能。測(cè)試結(jié)果在測(cè)試結(jié)束模塊被匯總，并通過(guò)測(cè)試報(bào)告生成模塊生成測(cè)試報(bào)告。

4 試驗(yàn)及驗(yàn)證

測(cè)試系統(tǒng)被應(yīng)用于中國(guó)高速動(dòng)車組電氣柜的例行試驗(yàn)，順利完成了電氣柜導(dǎo)通及絕緣耐壓測(cè)試。實(shí)際應(yīng)用標(biāo)明，此系統(tǒng)可以適用絕大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景，滿足測(cè)試性能要求，當(dāng)測(cè)試性能要求發(fā)生改變時(shí)，可通過(guò)改配系統(tǒng)子模塊來(lái)滿足性能要求參數(shù)，對(duì)于接地線等無(wú)法方便使用工裝進(jìn)行測(cè)量的電路，我們?cè)谠囼?yàn)前進(jìn)行分析及統(tǒng)計(jì)，并在自動(dòng)測(cè)試完成后使用手動(dòng)方式進(jìn)行測(cè)量。以電氣控制柜為例，測(cè)試過(guò)程中顯示的程序界面如圖4所示。

圖4 測(cè)試程序界面圖

生成的測(cè)試報(bào)告如圖5所示。人工測(cè)試與自動(dòng)測(cè)試優(yōu)劣對(duì)比如表2所示。特別地，對(duì)于冗余備份電路，含特殊元器件的電路，工裝不易連接的電路等，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)行驗(yàn)證，因此自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)還需要人工輔助測(cè)試方式進(jìn)行補(bǔ)充。

圖5 測(cè)試報(bào)告圖

表2 自動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

相比較于人工測(cè)試，電氣柜自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)可在不對(duì)電氣柜機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆解的條件下進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試性能滿足試驗(yàn)大綱要求，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，降低了測(cè)試工程師勞動(dòng)強(qiáng)度，并節(jié)省80%以上的測(cè)試時(shí)間。經(jīng)過(guò)該測(cè)試系統(tǒng)驗(yàn)證過(guò)的電氣柜系列產(chǎn)品已成功在復(fù)興號(hào)動(dòng)車組上完成裝車，目前運(yùn)行情況良好。