地铁制动控制装置测试系统的设计与实现

（华东交通大学 电气与电子工程学院，南昌 330013）

地铁制动系统的正常运行保证了地铁安全、准确地停车或在紧急情况下快速停车。地铁制动系统的核心组成部分是制动控制装置。地铁制动控制装置至关重要，其性能的好坏，直接影响地铁的行车安全和正常运行。它通过控制其他部件协调工作，实现充风和排风，进而控制地铁行驶过程中的制动和缓解。我国不同地区研制的制动控制装置类型不同，设计装置性能参数也不尽相同，造成了国内各大城市地铁的检测费用昂贵、维护繁琐、不利于批量生产。因此，设计适应不同类型的制动控制装置的测试系统十分必要。

根据制动控制装置测试系统具有测试需求多、数据精度要求高、实验过程变化复杂等特点，以工控机、PLC模块、网络控制卡、开关电源等作为硬件平台，以Microsoft Visual 2010作为软件平台，设计了地铁车辆制动控制装置测试系统[1]，该系统能够对不同类型的制动控制装置进行装置类型和测试标准的配置，不仅可以进行气密性测试、传感器零点测试、阀响应时间测试、载重输出测试、总风压力测试、制动缸压力测试、电气接线测试、空气制动测试、防滑测试，而且具有手动选择、自动选择、历史数据分析等功能。

1 制动控制装置工作原理分析

我国自主研制的地铁制动控制装置由制动电子控制单元（EBCU）和气制动控制单元（PBCU）两大主要部分组成。在硬件方面，一台微机和一些输入输出设备即构成了制动电子控制单元，它作为制动控制装置的核心部件，是联络制动控制单元和气动制动控制单元之间通信的桥梁[2]，通过制动指令线发送的制动指令控制其执行相应动作，实现空气制动和电制动相互配合的混合制动。气制动控制单元由电控转换阀、紧急转换、空重阀、中继阀、压力传感器等组成[3]，它接收制动电子控制单元的指令信号，并将其转换为气动信号输出到执行部件，完成制动和缓解的动作。

2 测试系统硬件设计

地铁制动控制装置测试系统模拟地铁实际运行工况，通过三线编码方式发出制动指令，由PLC执行各指令控制完成制动控制装置的制动过程，并且采集制动控制装置中的反馈信息，发送至工控机，经过分析处理，最终实现了对制动控制装置的检测。该测试系统的输入输出信号通过频率模块和电压调理模块传入到制动控制装置，而输出的模拟信号通过电气接口与制动电子控制单元对外接口连接实现通信，从而使信号的输入输出都由工控机统一协调控制，其电气线路基本结构如图1所示。

图1 电气线路基本结构Fig.1 Basic structure of the electrical circuit

2.1 硬线编码

常用制动、紧急制动、快速制动、停放制动、保持制动是地铁制动常见的几种制动模式[4]。不同类型的制动控制装置具有不同类型的制动指令，不同类型的制动控制装置之间的差异主要体现在接口上，而功能基本保持不变。本系统主要以三线编码为主，并与MVB网络等编码方式配合对制动控制装置进行控制。

在进行地铁制动控制装置的检测时，网络处于中断状态，制动状态通过硬线反映，而制动指令则通过高、低电平表示，高电平表示有效，低电平表示无效[5]。三线编码方式，即110 V硬线输入的7级编码指令，由3根硬线组成，多用于应急模式或网络中断时的分应急模式，应急模式由1根110 V硬线输入状态控制，高电平表示应急模式。表1为110 V硬线编码，采用格雷码。

表1 110 V硬线编码表Tab.1 110 V hard-line coding

2.2 PLC选型及工作原理

PLC（programmable logic controller）作为测试系统核心部件，采用S7-300中型PLC，其CPU采用紧凑型314C-2PtP规格，固有精度为12位，5个模拟输入模块SM331和2个模拟量输出模块SM332[6]，PLC模块需求如表2所示。PLC通过RS232-RS485总线与工控机相连，与通信接口程序之间信息的传输采用自定义协议。PLC协议中将数据位进行定义，使之与PLC及测控模块输入/输出的物理地址映射相对应。PLC的A/D转换器和D/A转换器实现数据的采集和发送功能，而逻辑控制功能则通过主测试程序进行软件配置，减少了频繁的逻辑功能改变带来的程序修改，灵活地实现PLC输入、输出信号类型及通道的转换。在对制动控制装置进行测试时，工控机模拟产生各种制动指令，通过串口通信发送到PLC，然后PLC模块执行各指令，其模拟量和开关量分别控制比例阀和电磁阀动作[7]，向制动控制装置输出电气指令或信息。同时，制动控制装置根据模拟输入的各种电气指令或信息进行制动控制和逻辑运算，并给出相应的输出响应。PLC及测控模块接收来自制动控制装置的信息，然后传给上位机进行显示。

表2 PLC模块需求表Tab.2 Requirements of PLC module

2.3 CAN与MVB

设计中采用一块PC104总线CAN卡来进行测试系统与地铁制动控制装置之速度信息的发送与接收。在这个CAN卡上有2个通道，通道1用于从制动控制装置的外部CAN总线获取数据，通道2用于从测试系统上的脉冲宽度调制（PWM）和速度信号接口板上获取数据。

MVB（multifunction vehicle bus）用于制动控制装置测试系统主测试程序与网络通信程序之间的通信。同时，MVB网络通信方式作为一种制动级别模式发送方式，可以通过网络连接对制动控制装置发送控制指令。

3 可配置测试系统软件设计

地铁制动控制装置测试系统的软件实现首先通过STEP7软件编写PLC编程程序，并将其上载到PLC设备中，实现对PLC的控制。系统开发平台为Microsoft Visual 2010，使用C#.NET技术[8]。软件设计流程如图2所示。

图2 软件设计流程Fig.2 Flow chart of software design

由于不同项目使用的制动指令和测试标准不同，需根据不同项目不同装置类型进行配置，保证检测信号的可靠性和准确性。软件可配置功能主要是通过使用.ini文件保存不同装置类型的制动电气指令信息及检测标准信息。通过Microsoft Visual 2010实现对文件的操作，首先在出厂时测试系统自动预置一个空的“.ini”文件，之后通过获取文件的路径读取配置信息。

本测试系统包括测试标准配置和装置类型配置两大模块。用户可以根据实际情况设置测试标准和装置类型。其中，在装置类型配置界面中，系统可以根据项目名称和装置类型获取历史配置。参数标准配置界面如图3所示，装置类型配置界面如图4所示。

图3 参数标准配置界面Fig.3 Configuration interface of parameter standard

图4 装置类型配置界面Fig.4 Configuration interface of the type of device

4 试验验证

地铁制动控制装置测试系统在设计完成后，采用现场试验的方式对制动控制装置进行试验。由于所有测试项均在同一个硬件平台下完成，针对地铁制动控制装置测试系统测试需求多、实验过程复杂等特点，以对制动控制装置的气密性进行测试为例，测试结果如表3所示，测试界面如图5所示。

气密性测试位置有总风气路（AR），总风压力开关气路（BC），2 个空簧气路（AS1、AS2）。气密性测试合格为在缓解、紧急制动、常用100%制动下各被测气路均满足在1 min内压降不大于5 kPa。气密性测试项经多次试验后，各试验数据和结果均在要求范围内，满足设计要求。

表3 气密性测试数据表Tab.3 Test data of air tightness

图5 气密性测试界面Fig.5 Test interface of air tightness

5 结语

地铁制动控制装置测试系统所包含的所有测试项经过现场实验，系统的数据算法合理、软件界面简洁明了、便于操作，目前已在武汉地铁4号线、重庆地铁2号线投入使用。同时，对于不同地区的地铁制动控制装置，只需在软件中改变配置，就可以用于不同类型地铁制动控制装置的检测。随着现代城市的发展，地铁现代化建设的步伐不断加快，地铁车辆制动系统的需求日益增加，移动式多型号地铁制动控制装置测试系统作为地铁制动控制装置在生产、运营中的重要配套设备，具有良好的应用前景。

[1]段继超.地铁车辆制动控制系统设计[D].成都：西南交通大学，2012.

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