任向杰,侯化安,王帥帥

(中車(chē)青島四方車(chē)輛研究所有限公司,山東 青島 266031)

軌道車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)一般通過(guò)壓縮空氣實(shí)現(xiàn)制動(dòng)與緩解,電空轉(zhuǎn)換模塊則是實(shí)現(xiàn)該功能的核心部件。本文介紹了一種軌道車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)用電空轉(zhuǎn)換模塊,如圖1所示。該模塊采用嵌入式電子技術(shù),可通過(guò)CAN通信網(wǎng)絡(luò)接收制動(dòng)控制系統(tǒng)下發(fā)的充氣斜率、排氣斜率、目標(biāo)壓力值等指令信息,采集目標(biāo)腔室壓力傳感器輸出信息并控制高頻電磁閥進(jìn)行充氣、排氣、保壓狀態(tài)的切換,實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)腔室空氣壓力的控制。同時(shí),該模塊實(shí)時(shí)監(jiān)控內(nèi)部關(guān)鍵零部件壽命和健康狀態(tài),當(dāng)部件到達(dá)工作壽命要求或出現(xiàn)故障時(shí)可記錄事件并發(fā)出維護(hù)信息。該模塊常被用作地鐵車(chē)輛、機(jī)車(chē)等軌道車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)的電空轉(zhuǎn)換單元。

圖1 軌道車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)用電空轉(zhuǎn)換模塊

1 模塊簡(jiǎn)介

1.1 模塊組成

軌道車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)用電空轉(zhuǎn)換模塊主要由氣路控制部分和電子控制部分組成,如圖2所示。

1—壓力傳感器;2—電磁閥驅(qū)動(dòng)及傳感器采集板;3—主控及監(jiān)控CPU板;4—電源轉(zhuǎn)換板;5—電氣接口處理板;6—金屬外殼;7—六角螺栓;8—板間連接器;9—高速電磁閥;10—減壓閥;11—?dú)饴返匕褰M成。

其中,軌道車(chē)輛用微機(jī)控制電空轉(zhuǎn)換模塊各組成部分主要功能為:壓力采集傳感器用于采集目標(biāo)腔室實(shí)時(shí)壓力,用于控制反饋;高速電磁閥驅(qū)動(dòng)和壓力傳感器信號(hào)采集板卡用于控制高速電磁閥充排氣以及采集傳感器值;主控CPU和監(jiān)控CPU板卡是該模塊的核心控制單元,其中主控CPU用于所有控制邏輯算法處理、監(jiān)控CPU用于監(jiān)控主控CPU當(dāng)前工作狀態(tài);電源處理板將外部110 V電源轉(zhuǎn)換為內(nèi)部24 V、5 V和3.3 V電源,供系統(tǒng)內(nèi)部芯片處理;接口板對(duì)電氣輸入信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾處理;金屬外殼用于模塊防護(hù);六角螺栓以及板間連接器用于電路板之間固定連接;高速電磁閥分為充氣電磁閥和排氣電磁閥,實(shí)際驅(qū)動(dòng)充排氣;減壓閥限制最高輸入壓力為650 kPa。

1.2 主要接口

該模塊具備CAN網(wǎng)絡(luò)接口,可通過(guò)CAN2.0與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。一方面,接收制動(dòng)控制系統(tǒng)指令信息,包括目標(biāo)壓力、控制斜率等參數(shù);另一方面,發(fā)送本模塊狀態(tài)信息,包括當(dāng)前實(shí)際壓力、關(guān)鍵部件工作壽命及故障狀態(tài)信息等[1]。

數(shù)字量采集接口,可采集DC 110 V數(shù)字量信息,當(dāng)此接口接收到DC 110 V信號(hào)時(shí),模塊投入正常工作;模擬量采集接口,可采集制動(dòng)控制器等輸出的直流4～20 mA電流信息,對(duì)應(yīng)0～600 kPa目標(biāo)壓力,作為目標(biāo)壓力指令信息輸入源;空氣壓力采集功能,可采集控制腔室空氣壓力當(dāng)前狀態(tài),作為閉環(huán)反饋;電磁閥充排氣控制功能,可根據(jù)目標(biāo)壓力指令信息和當(dāng)前壓力狀態(tài)信息,進(jìn)行充排氣動(dòng)作,閉環(huán)控制至目標(biāo)壓力。

2 工作原理

2.1 氣路原理

軌道車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)用電空轉(zhuǎn)換模塊氣路原理如圖3所示,氣源從輸入口輸入,通過(guò)減壓閥減壓控制,將輸入壓力穩(wěn)定在650 kPa;充氣閥得電充氣,排氣閥得電排氣,傳感器采集輸出口壓力作為閉環(huán)控制反饋壓力,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)腔室的壓力控制。

圖3 軌道車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)用電空轉(zhuǎn)換模塊氣路原理圖

2.2 電氣控制原理

軌道車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)用電空轉(zhuǎn)換模塊電氣原理如圖4所示,主要包括電源處理、生命信號(hào)、RS232通信、模擬量輸入、CAN通信、BI輸入、模擬量采集、高速電磁閥驅(qū)動(dòng)1、高速電磁閥驅(qū)動(dòng)2和存儲(chǔ)等模塊。

圖4 軌道車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)用電空轉(zhuǎn)換模塊電氣原理圖

其中,電源處理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電源的轉(zhuǎn)換工作,將110 V電源轉(zhuǎn)換為內(nèi)部使用的24 V、5 V和3.3 V電源;生命信號(hào)模塊輸出2.5 Hz的周期信號(hào),用于提示監(jiān)控設(shè)備電空制動(dòng)單元工作正常;模擬量輸入模塊用于接收制動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)來(lái)的4～20 mA電流指令信號(hào)、CAN通信模塊用于接收系統(tǒng)發(fā)來(lái)的CAN指令信號(hào),這兩個(gè)指令信號(hào)可分別作為系統(tǒng)壓力輸出的指令信號(hào);BI輸入模塊作為電空制動(dòng)單元的工作的使能信號(hào),當(dāng)為高電平輸入時(shí)模塊開(kāi)始工作,低電平時(shí)停止工作;模擬量采集模塊用于采集輸出壓力值、高速電磁閥驅(qū)動(dòng)1和高速電磁閥驅(qū)動(dòng)2作為電空制動(dòng)單元充排氣閥的控制部件,同時(shí)受控于主控CPU。所有信號(hào)的處理、輸入和輸出均由主控CPU完成:主控CPU接收到指令信號(hào)后,采用閉環(huán)PID控制算法[2],通過(guò)高速電磁閥1、高速電磁閥2以及模擬量采集模塊的反饋實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)壓力的控制功能。

監(jiān)控CPU用于監(jiān)控主控CPU的工作狀態(tài),當(dāng)主控CPU工作異常時(shí),可令電空制動(dòng)單元導(dǎo)向安全制動(dòng);存儲(chǔ)模塊實(shí)時(shí)存儲(chǔ)電磁閥、傳感器和主控CPU等模塊的工作狀態(tài)并記錄部件工作壽命及故障狀態(tài)信息。

3 應(yīng)用場(chǎng)景

3.1 動(dòng)力集中電動(dòng)車(chē)組控制車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)

軌道車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)用電空轉(zhuǎn)換模塊可用于動(dòng)力集中電動(dòng)車(chē)組控制車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)中,作為控制車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)電空控制的核心模塊,既可實(shí)現(xiàn)對(duì)控制車(chē)本身的制動(dòng)或者緩解控制,又可通過(guò)控制列車(chē)管的制動(dòng)或者緩解實(shí)現(xiàn)對(duì)附掛車(chē)輛的制動(dòng)緩解控制。圖5為電空轉(zhuǎn)換模塊在動(dòng)力集中電動(dòng)車(chē)組控制車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用說(shuō)明。

圖5 電空轉(zhuǎn)換模塊在動(dòng)力集中電動(dòng)車(chē)組控制車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用說(shuō)明

如圖5所示,軌道車(chē)輛用微機(jī)控制電空轉(zhuǎn)換模塊通過(guò)外CAN網(wǎng)絡(luò)與外界指令信息進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,通過(guò)內(nèi)CAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)多個(gè)智能模塊間的數(shù)據(jù)信息傳遞[3]。動(dòng)力集中電動(dòng)車(chē)組控制車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)各部分的智能模塊根據(jù)指令信息(如自動(dòng)制動(dòng)司控器指令、單獨(dú)制動(dòng)司控器指令等)進(jìn)行目標(biāo)壓力的計(jì)算,并控制制動(dòng)系統(tǒng)各部分的壓力輸出,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力集中電動(dòng)車(chē)組車(chē)輛的制動(dòng)控制[4]。

3.2 城軌車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)

城軌車(chē)輛是當(dāng)前軌道交通領(lǐng)域的發(fā)展熱點(diǎn),其制動(dòng)系統(tǒng)一般采用直通式制動(dòng)控制系統(tǒng)[5],軌道車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)用電空轉(zhuǎn)換模塊可以完美地契合其使用需求。在城軌車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)中,軌道車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)用電空轉(zhuǎn)換模塊可用于制動(dòng)缸預(yù)控壓力的輸出控制,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)說(shuō)明如圖6所示。

圖6 電空轉(zhuǎn)換模塊在城軌車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用說(shuō)明

如圖6所示,軌道車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)用電空轉(zhuǎn)換模塊與制動(dòng)控制器、電子制動(dòng)控制單元EBCU、風(fēng)源、減壓閥、中繼閥和制動(dòng)缸構(gòu)成了基本的城軌車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)[6]。在城軌車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)中,電空轉(zhuǎn)換模塊通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)接收制動(dòng)控制單元發(fā)出的制動(dòng)目標(biāo)壓力值和壓力變化速率等指令,經(jīng)過(guò)解析運(yùn)算后直接控制充排氣電磁閥輸出目標(biāo)壓力值至制動(dòng)缸中繼閥的預(yù)控端,進(jìn)而控制制動(dòng)缸到達(dá)目標(biāo)壓力,實(shí)現(xiàn)城軌車(chē)輛的制動(dòng)與緩解。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種軌道車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)用電空轉(zhuǎn)換模塊的電氣原理、氣路原理和結(jié)構(gòu)組成,并進(jìn)一步介紹了該模塊在動(dòng)力集中電動(dòng)車(chē)組控制車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)和城軌車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用。該模塊功能齊全、體積小、智能化,作為軌道車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)的核心控制組成,將有助于推動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)未來(lái)小型化、智能化的發(fā)展趨勢(shì)。