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。
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。
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。
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。
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)
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。
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
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
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。