基于虛擬儀器的機(jī)車信號(hào)設(shè)備抗諧波干擾測(cè)試系統(tǒng)

田建兆，王錫奎，薄宜勇

（南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南京 210031 ）

機(jī)車信號(hào)是保證鐵路行車安全的重要設(shè)備。在電氣化區(qū)段，機(jī)車信號(hào)設(shè)備經(jīng)常受到不平衡牽引電流干擾，導(dǎo)致掉碼[1]。當(dāng)不平衡電流干擾的諧波成分處于信號(hào)帶寬內(nèi)，且達(dá)到一定幅度時(shí)，機(jī)車信號(hào)主機(jī)就解調(diào)不出或者誤解調(diào)當(dāng)前信號(hào)的載頻、低頻，導(dǎo)致故障停車[2-3]。

通用式機(jī)車信號(hào)出廠測(cè)試、日常維護(hù)前必須進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試，其中，電氣化干擾測(cè)試中諧波測(cè)試是必測(cè)內(nèi)容，機(jī)車信號(hào)在諧波干擾下，能夠正確譯解信息[4]。文獻(xiàn)[5]規(guī)定機(jī)車信號(hào)設(shè)備要進(jìn)行抗諧波干擾測(cè)試，但沒有給出測(cè)試的方法；文獻(xiàn)[6]雖然給出了抗諧波干擾的方法和原理，但沒有說明測(cè)試的手段。而在傳統(tǒng)機(jī)車信號(hào)設(shè)備抗諧波干擾測(cè)試中，需要移頻信號(hào)發(fā)生裝置、諧波發(fā)生裝置、數(shù)據(jù)記錄儀、CD96移頻表等設(shè)備組建，人工手動(dòng)測(cè)試。測(cè)試過程中，8種載頻包含18個(gè)低頻信息，分別對(duì)應(yīng)3種不同帶寬的諧波，完整測(cè)試組合為432個(gè)序列，如果每個(gè)序列需要時(shí)間為30 s，不計(jì)中間故障耽誤的時(shí)間，需要時(shí)間約為4 h，每一個(gè)序列測(cè)試需要多人協(xié)作完成，人工發(fā)生信號(hào)，人工判斷測(cè)試結(jié)果，效率低下，測(cè)試精度不高，容易出現(xiàn)誤判、漏判。文獻(xiàn)[7]雖然采用了虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行諧波測(cè)試，但只是開環(huán)測(cè)試，測(cè)試效率和精度不高。

本文采用虛擬儀器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)移頻信號(hào)和諧波干擾的同時(shí)生成，并進(jìn)行閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)，自動(dòng)判斷機(jī)車信號(hào)設(shè)備狀態(tài)，提高測(cè)試效率和精度。

1 機(jī)車信號(hào)設(shè)備抗諧波干擾測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 測(cè)試原理

通用機(jī)車信號(hào)設(shè)備抗電氣化諧波干擾，依據(jù)文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]給出的不平衡牽引電流抗擾度試驗(yàn)的方法，通過耦合裝置把諧波干擾注入到被測(cè)系統(tǒng)中進(jìn)行測(cè)試。

1.2 自動(dòng)測(cè)試結(jié)構(gòu)

為使抗諧波干擾自動(dòng)測(cè)試有更高的可信度，本系統(tǒng)采用半實(shí)物半仿真的環(huán)境。利用鋼軌作為移頻信號(hào)和諧波干擾的傳輸通道，感應(yīng)線圈安裝方式同現(xiàn)場(chǎng)一致；利用虛擬儀器測(cè)試技術(shù)產(chǎn)生移頻信號(hào)和諧波干擾，并采集機(jī)車信號(hào)狀態(tài)[8]。測(cè)試結(jié)構(gòu)原理如圖 1 所示 。

圖1 測(cè)試結(jié)構(gòu)原理

該測(cè)試系統(tǒng)硬件主要包括工控機(jī)、多功能采集卡、接口電路、電流傳感器、輔助測(cè)試裝置；利用多功能采集卡模擬輸出移頻信號(hào)和諧波干擾、模擬輸入采集鋼軌電流和燈位狀態(tài)；輔助測(cè)試裝置包括鋼軌、電流傳感器、功放、模擬鋼軌、耦合裝置等。模擬鋼軌由可調(diào)電阻和電感組成，實(shí)現(xiàn)鋼軌不平衡電流的調(diào)整；耦合裝置為扼流變壓器，通過該裝置把諧波干擾注入被測(cè)系統(tǒng)中。

機(jī)車信號(hào)設(shè)備在進(jìn)行抗諧波電流干擾測(cè)試中，根據(jù)TB/T 3287-2013[5]要求調(diào)整好移頻信號(hào)電流，再將諧波電流通過扼流變壓器注入到鋼軌，此時(shí)，鋼軌中包含移頻信號(hào)和諧波干擾電流。機(jī)車信號(hào)接收線圈感應(yīng)鋼軌中的電流，并譯碼其中的低頻信號(hào)，點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)的燈位。當(dāng)移頻信號(hào)和諧波干擾調(diào)整到位后，開始進(jìn)行信號(hào)燈狀態(tài)的采集，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)測(cè)試。

1.3 多功能采集卡

PXIe6361多功能采集卡，可實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)的采集和模擬信號(hào)的輸出。主要指標(biāo)，包含8個(gè)差分或16個(gè)單端模擬輸入，采樣率為多通道1 MS/s；2個(gè)模擬輸出，數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）分辨率16 bit，最大更新率為1個(gè)通道 2.86 MS/s，2個(gè)通道2 MS/s。該采集卡性能指標(biāo)完全滿足測(cè)試要求。

1.4 閉環(huán)測(cè)試原理

實(shí)現(xiàn)機(jī)車信號(hào)抗諧波干擾的自動(dòng)測(cè)試，關(guān)鍵技術(shù)在于移頻信號(hào)、諧波干擾的自動(dòng)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)432種測(cè)試序列的自動(dòng)測(cè)試。本測(cè)試裝置可以同時(shí)生成諧波干擾和移頻信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行閉環(huán)調(diào)整。諧波閉環(huán)調(diào)節(jié)原理如圖2所示：（1）工控機(jī)運(yùn)行的LabVIEW生成諧波干擾并利用PXIe多功能采集卡AO端口進(jìn)行輸出，通過功率放大后經(jīng)扼流變壓器注入到鋼軌中；（2）利用電流傳感器采集鋼軌中的諧波電流，通過PID算法進(jìn)行調(diào)節(jié)，直到諧波電流值即（兩軌電流之差）滿足設(shè)定值時(shí)，此時(shí)諧波調(diào)整完畢。同理，調(diào)整移頻信號(hào)，當(dāng)移頻信號(hào)和諧波都調(diào)整完成，開始測(cè)試，采集信號(hào)燈的狀態(tài)，判斷結(jié)果[9-11]。

圖2 諧波閉環(huán)調(diào)節(jié)

2 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 軟件設(shè)計(jì)

諧波電流測(cè)試中，8種載頻分別發(fā)送18個(gè)低頻信號(hào)，每一種載頻分別對(duì)應(yīng)3種帶寬的諧波。不同頻率的諧波電流值按照文獻(xiàn)[6]所給的諧波與基波電流的比例關(guān)系計(jì)算得出。諧波測(cè)試流程如圖3所示。

2.2 編程實(shí)現(xiàn)

圖3 機(jī)車信號(hào)抗不平衡諧波干擾測(cè)試流程

本測(cè)試系統(tǒng)采用LabVIEW編程語言進(jìn)行開發(fā)，為提高程序模塊化程度，提高開發(fā)效率，采用常用的動(dòng)態(tài)加載方式。子程序（子VI）主要包括，鋼軌電流采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及回放、信號(hào)燈位采集及狀態(tài)判斷、信號(hào)生成、比例-積分-微分（PID）控制等模塊，其中，PID控制函數(shù)通過LabVIEW平臺(tái)PID工具包中的PID.VI模塊實(shí)現(xiàn)[12]，如圖4所示。測(cè)試界面如圖5所示，數(shù)據(jù)采集界面如圖6所示。

圖4 PID 函數(shù)集

3 測(cè)試結(jié)果

兩條鋼軌上的諧波電流差值即不平衡諧波電流，為測(cè)試過程所需要的諧波電流值。其負(fù)荷變化不大，控制通道滯后較小，因此要求余差很小，PI控制器即可滿足要求；P、I參數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及反復(fù)調(diào)整得出。80 mA諧波電流調(diào)整過程如圖7所示，調(diào)整完成需要2 s左右，遠(yuǎn)小于人工調(diào)整時(shí)間。

圖5 測(cè)試界面

圖6 數(shù)據(jù)采集界面

圖7 PID調(diào)整過程

測(cè)試過程中，利用LabVIEW的技術(shù)數(shù)據(jù)管理流（TDMS）存儲(chǔ)模塊進(jìn)行存儲(chǔ)，方便測(cè)試過程中的數(shù)據(jù)分析，移頻疊加諧波的頻譜分析，如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)回放

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一套基于虛擬儀器的機(jī)車信號(hào)設(shè)備抗諧波干擾測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用虛擬儀器測(cè)試技術(shù)和經(jīng)典PID算法調(diào)節(jié)，通過搭建半實(shí)物半仿真測(cè)試環(huán)境，使得諧波干擾幅度快速地收斂于干擾設(shè)定值，并實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)測(cè)試。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)可以省去人工調(diào)節(jié)，令測(cè)試效率明顯提高，誤差明顯降低。本文只是采用經(jīng)典PID算法，自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)間依然相對(duì)偏長，可考慮PID與模糊算法相融合進(jìn)行諧波幅值調(diào)整，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)整時(shí)間大幅降低。