架控制動(dòng)系統(tǒng)防滑監(jiān)控策略研究*

齊政亮， 錢　卿， 周　軍， 曹宏發(fā)， 姜巖峰， 華　皛

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

制動(dòng)系統(tǒng)是車輛運(yùn)營安全的重要保障。根據(jù)制動(dòng)系統(tǒng)作用范圍，分為集中式制動(dòng)系統(tǒng)(俗稱車控式)和分散式制動(dòng)系統(tǒng)(俗稱架控式)。前者以每輛車為單元設(shè)置單個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)，后者以每個(gè)轉(zhuǎn)向架為單元設(shè)置單個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)[1]。目前我國軌道車輛主要采用的制動(dòng)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(jī)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(dòng)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(dòng)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(diǎn)[2]。

緊急制動(dòng)是保障車輛制動(dòng)安全的最后防線，其實(shí)現(xiàn)方式將直接關(guān)乎到車輛制動(dòng)安全等級(jí)。車輪防滑保護(hù)WSP(Wheel Slide Protection)是制動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是其核心技術(shù)。當(dāng)輪軌黏著較低時(shí)，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(dòng)距離。由于架控制動(dòng)系統(tǒng)采用了集約化、智能化設(shè)計(jì)，將制動(dòng)閥和防滑閥合二為一，因此如何在保證緊急制動(dòng)滿足安全等級(jí)要求的情況下亦能有效發(fā)揮防滑保護(hù)功能，將直接影響到架控制動(dòng)系統(tǒng)的安全運(yùn)用。

針對(duì)上述問題，文中在深入分析DK15架控制動(dòng)系統(tǒng)的緊急制動(dòng)控制和防滑控制原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合前期動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，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(jì)和軟件層級(jí)控制，滿足了架控制動(dòng)系統(tǒng)緊急制動(dòng)安全等級(jí)要求并達(dá)到防滑控制目的，仿真測試和現(xiàn)車試驗(yàn)的結(jié)果也驗(yàn)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(dòng)系統(tǒng)是一種基于架控的直通電空制動(dòng)系統(tǒng)，是由網(wǎng)關(guān)制動(dòng)控制單元(簡稱網(wǎng)關(guān)閥GV)和智能制動(dòng)控制單元(簡稱智能閥SV)組成的分布式制動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)關(guān)閥主要用于制動(dòng)網(wǎng)絡(luò)控制和本車制動(dòng)控制，智能閥用于本車制動(dòng)控制。雖然兩種閥的電氣功能存在差別，但其氣動(dòng)部分都是相同的，稱為氣動(dòng)閥單元PBCU。

1.1　氣動(dòng)閥單元PBCU

氣動(dòng)閥單元PBCU包括多個(gè)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(dòng)工況對(duì)應(yīng)的制動(dòng)缸壓力。

(2)制動(dòng)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(dòng)缸壓力，還用于在防滑激活時(shí)對(duì)制動(dòng)缸壓力進(jìn)行控制。對(duì)于每根軸，它由兩個(gè)電磁閥和兩個(gè)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(dòng)缸的壓力輸出。

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

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

圖1　DK15閥氣動(dòng)部分氣路圖

1.2　電子部分EBCU

EBCU也稱為制動(dòng)控制器，是面向制動(dòng)系統(tǒng)功能需求的嵌入式電子控制裝置。為了實(shí)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(jì)，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(jìn)行信息交互，各控制板之間通過機(jī)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(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的功能需求進(jìn)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(dòng)控制單元結(jié)構(gòu)

2　架控制動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)的最大特點(diǎn)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(dāng)防滑未激活時(shí)，EBCU根據(jù)綜合得到的制動(dòng)力需求，并轉(zhuǎn)化為目標(biāo)壓力值，結(jié)合制動(dòng)缸壓力傳感器采集的實(shí)際壓力值，控制EP閥B4B7和B3B6進(jìn)行充風(fēng)、保壓、排風(fēng)等動(dòng)作，以使缸壓達(dá)到目標(biāo)壓力值；當(dāng)防滑激活時(shí)，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(jìn)行單軸排風(fēng)、保壓、充風(fēng)等動(dòng)作，滑行恢復(fù)后，將壓力恢復(fù)至滑行前的目標(biāo)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(shí)間排風(fēng)以保證車輛制動(dòng)距離。

2.2　緊急制動(dòng)控制

按照故障導(dǎo)向安全設(shè)計(jì)原則，緊急制動(dòng)實(shí)施“得電緩解，失電施加”的純空氣制動(dòng)。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(dòng)。緊急制動(dòng)一旦施加，必須待緊急環(huán)路再次建立才能緩解緊急制動(dòng)[3，6]。一旦列車出現(xiàn)緊急制動(dòng)指令輸入的情況，制動(dòng)系統(tǒng)將控制EP閥B4B7和B3B6失電而施加純空氣制動(dòng)。緊急制動(dòng)具有防滑保護(hù)功能，但不受沖動(dòng)限制[4-5]。

2.3　防滑保護(hù)控制

防滑保護(hù)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(dòng)控制部分中的防滑閥(與EP閥是同一套閥)構(gòu)成[3]。制動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)速度傳感器傳遞的每軸頻率脈沖信號(hào)進(jìn)行速度計(jì)算和防滑邏輯判斷；當(dāng)檢測到滑行時(shí)，它將控制該軸對(duì)應(yīng)的防滑閥進(jìn)行排風(fēng)或保壓以恢復(fù)軸速度；當(dāng)滑行恢復(fù)時(shí)，將進(jìn)行充風(fēng)以充分利用黏著。當(dāng)出現(xiàn)滑行時(shí)，制動(dòng)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(dòng)缸壓力，接著根據(jù)防滑邏輯單獨(dú)控制EP閥B4B7和B3B6動(dòng)作以達(dá)到滑行控制的目的。

滑行檢測的兩個(gè)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(shí)間制動(dòng)力丟失，DK15內(nèi)部監(jiān)控電路需對(duì)防滑電磁閥狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，禁止電磁閥出現(xiàn)“持續(xù)長時(shí)間排風(fēng)超時(shí)”現(xiàn)象[7]。

3　架控防滑監(jiān)控設(shè)計(jì)

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

3.1　硬件電路冗余設(shè)計(jì)

監(jiān)控電路增設(shè)可通過背板接收緊急制動(dòng)指令，當(dāng)主CPU判斷出需要施加緊急制動(dòng)或從CPU接收到緊急制動(dòng)指令，它們都可以單獨(dú)控制電磁閥失電從而施加緊急制動(dòng)，進(jìn)而保證緊急制動(dòng)的安全要求。基于上述設(shè)計(jì)理念，開發(fā)了專用于架控制動(dòng)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(jì)

3.2　軟件層級(jí)控制

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

(1)防滑未激活時(shí)，收到緊急制動(dòng)指令，控制施加緊急制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)緊急冗余，以達(dá)到緊急制動(dòng)的安全要求。

(2)防滑激活時(shí)，監(jiān)測防滑閥實(shí)際動(dòng)作邏輯及時(shí)間，超時(shí)后，切除相應(yīng)控制，防止制動(dòng)距離過長。

控制策略流程圖如圖5。

4　測試驗(yàn)證

為了驗(yàn)證文中設(shè)計(jì)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(yàn)臺(tái)和現(xiàn)車上對(duì)其功能進(jìn)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(dòng)的安全要求，而且確保了在任何制動(dòng)工況下防滑控制都能起到保護(hù)作用。

圖5　緊急制動(dòng)與防滑控制分析

4.1　仿真測試試驗(yàn)臺(tái)

在試驗(yàn)室制動(dòng)系統(tǒng)軟件集成測試平臺(tái)進(jìn)行測試仿真驗(yàn)證。該平臺(tái)主要由測試系統(tǒng)、列車制動(dòng)環(huán)境和8個(gè)單車制動(dòng)環(huán)境組成。列車制動(dòng)環(huán)境作為測試平臺(tái)的主控計(jì)算機(jī)，是整個(gè)測試平臺(tái)的控制中心。在測試系統(tǒng)的人機(jī)交互界面中模擬了司控臺(tái)實(shí)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(jìn)行控制操作，通過列車制動(dòng)環(huán)境的MVB總線通信和CAN總線通信向各車廂的制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)送控制指令。單車制動(dòng)環(huán)境用于對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)所接負(fù)載進(jìn)行仿真，共有8套，分別對(duì)應(yīng)8個(gè)列車車廂。負(fù)載仿真測試系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分組成。其中，上位機(jī)運(yùn)行人機(jī)交互軟件，實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)中各信號(hào)的狀態(tài)，便于操作人員進(jìn)行監(jiān)測。下位機(jī)主要運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，可根據(jù)上位機(jī)的指令或運(yùn)行仿真模型控制各硬件資源的信號(hào)輸出。

4.2　仿真驗(yàn)證

通過軟件集成測試試驗(yàn)臺(tái)模擬車輪速度和緊急制動(dòng)指令以測試滑行和緊急制動(dòng)施加的情況，如表1所示。

表1　滑行和緊急測試驗(yàn)證

測試結(jié)果表明，該監(jiān)控策略符合設(shè)計(jì)要求。

4.3　現(xiàn)車試驗(yàn)

文中提出的防滑監(jiān)控策略已在長株潭城際動(dòng)車組項(xiàng)目中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，如圖6所示?，F(xiàn)車的試驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了該控制策略的有效性和可靠性。

圖6　長株潭城際動(dòng)車組和架控制動(dòng)控制系統(tǒng)

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

圖7　長株潭城際動(dòng)車組 160 km/h緊急制動(dòng)防滑試驗(yàn)

5　結(jié)　論

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