高速懸浮列車車載控制器綜合試驗臺研制

苗 欣，閆德順，元臣，李廣振，賈召會

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266100;2.北京航天測控技術(shù)有限公司，北京 100041)

0 引言

高速磁浮列車作為一種新型尖端軌道交通工具，具有速度高、噪音小、能耗低、清潔環(huán)保等優(yōu)點[1]，包括我國在內(nèi)的眾多國家都在研究其關(guān)鍵技術(shù)，而列車運行控制系統(tǒng)在整個高速磁浮系統(tǒng)中起著列車進行自動控制及安全防護的核心作用，是保證列車運行安全的核心裝備[2]。其中車載控制器作為列車運行控制系統(tǒng)的核心設(shè)備，起著控制指令驅(qū)動放大、邏輯運算并收集列車狀態(tài)信息的關(guān)鍵作用[3]，所以研制一套車載控制器綜合試驗臺顯得尤為重要。

針對新一代高速磁浮列車車載控制器研制、生產(chǎn)、試驗期間的測試以及故障診斷需求的需求，研發(fā)一套綜合試驗平臺，為車載控制器功能性能驗證提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和驗證平臺，通過模擬各種故障以及異常工作狀況，驗證控制系統(tǒng)對故障的處理能力，也可作為車載控制器的出廠檢測與檢修維護的平臺。

傳統(tǒng)車載控制器的測試為手動方式，測試效率低、測試準(zhǔn)確率低、可重復(fù)性差、測試數(shù)據(jù)不方便管理。本文針對車載控制器的功能特點，基于自動測試關(guān)鍵技術(shù)，研制開放式可裁剪、可靈活應(yīng)用的車載控制器綜合試驗臺[4]。

1 測試需求分析

車載控制器由8個驅(qū)動器和10個與邏輯運算單元組成。在整個運行控制系統(tǒng)中位于車載計算機和懸浮/導(dǎo)向/制動控制器之間，起到控制指令驅(qū)動放大及列車狀態(tài)收集的作用。針對車載控制器的測試需求，構(gòu)建車載控制器功能與性能驗證平臺，實現(xiàn)對控制器正常、異常工作狀況的模擬，驗證控制器功能、性能指標(biāo)以及故障處理能力，滿足車載控制器研制、出廠測試和檢修維護測試需求，詳細(xì)測試需求如下：

1)電氣接口測試，主要是車載控制器的接口。通過對車載控制器上施加不同的輸入指令，測量其輸出端口的電壓值，以測試車載控制器的功能；

2)控制器維持工作區(qū)域能力，主要是最大、最小輸入電壓的測試以及故障工況下的測試。通過對車載控制器上施加設(shè)計的最大、最小電壓以及故障工況(短路、斷路等)下的電壓測量其輸出端口的電壓值，以測試車載控制器的輸出是否滿足設(shè)計要求；

3)具備與懸浮/導(dǎo)向/制動控制器、電磁鐵互聯(lián)開展懸浮導(dǎo)向控制系統(tǒng)的系統(tǒng)級測試；

4)綜合試驗臺需對車載控制的18個BLOCK的所有排列組合進行測試，據(jù)統(tǒng)計，測試項點多達2萬多，傳統(tǒng)測試需一周左右，測試不夠充分，不能完全暴露問題，所以要求綜合試驗臺的測試速度要在一天內(nèi)完成測試。

對車載控制器測試需求進行分析梳理后，車載控制器測試項匯總?cè)绫?所示。

表1 車載控制器測試項分析表

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

針對車載控制器測試與診斷需求，基于通用化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計思想，采用PXI、LXI混合總線以及自動測試程序集技術(shù)等成熟的測試技術(shù)與測試框架，構(gòu)建車載控制器綜合試驗臺。該試驗臺具有良好的擴展性與操作性，能夠完成對車載控制器的電氣接口、極限工作能力、設(shè)備功能及性能指標(biāo)的測試與驗證，確保滿足實際使用要求。整個試驗臺由車載控制器試驗臺控制柜和安裝臺組成。

圖1 車載控制器綜合試驗臺組成框圖

其中，車載控制器試驗臺控制柜以PXI模塊化儀器為測試核心，所有獨立的儀器設(shè)備均采用基于以太網(wǎng)的控制方式，通過柜內(nèi)交換機與PXI零槽控制系統(tǒng)互連。其中GPIB模塊、CAN總線通信模塊、數(shù)字萬用表模塊和矩陣開關(guān)模塊選用PXI板卡，程控直流電源、電子負(fù)載等選用標(biāo)準(zhǔn)上架臺式儀器。加電控制組合組合主要實現(xiàn)系統(tǒng)的供配電以及功能邏輯連鎖，資源分配互聯(lián)單元完成資源分配、與車載控制器的機械和電氣連接的功能。整個控制柜主要提供所需的程控電源、信號采集分析、負(fù)載模擬、信號對接等功能，實現(xiàn)對車載控制器的自動測試；試驗安裝臺實現(xiàn)與車載控制器的機械與電氣接口對接。

3 硬件設(shè)計

3.1 電氣功能設(shè)計

試驗臺控制柜電氣功能設(shè)計主要包括機柜內(nèi)供電單元、安全配電單元、連鎖控制電源和資源分配單元設(shè)計。電氣設(shè)計的重難點在于資源分配單元的設(shè)計，其中包含了萬用表、程控直流電源、程控電子負(fù)載、I/O模塊、CAN通信模塊和矩陣開關(guān)等儀器資源互聯(lián)及資源分配設(shè)計。

表2 車載控制器電氣功能設(shè)計

3.2 PXI儀器組合

本試驗臺主要采用PXI總線形式實現(xiàn)系統(tǒng)儀器資源的控制調(diào)度。PXI總線是比較成熟的總線形式，國內(nèi)市場占有率比較高，由于PXI總線與以往的GPIB、VXI總線結(jié)構(gòu)相比，傳輸速率更高，價格較低，更容易滿足測試儀器小型化，高維護性的需求，且更加適合于試驗、測量與高速數(shù)據(jù)采集等場合[5]；同時，多重的PXI模塊選擇，搭配不同機箱，使得PXI可以符合各種應(yīng)用需求，并且易于維護，所以本試驗臺采用了PXI總線結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)選用的PXI儀器組合如表3所示。

表3 PXI儀器組合型號列表

3.3 加電控制組合設(shè)計

加電控制組合主要實現(xiàn)功能包括：系統(tǒng)供配電、電氣保護、電壓電流顯示以及+24 V、+15 V二次電源的轉(zhuǎn)換、車載控制器加電連鎖等功能。電源供電及分配示意圖如圖2所示。

圖2 試驗臺系統(tǒng)組成框圖

系統(tǒng)加電控制組合主要完成對整個試驗臺系統(tǒng)的加電、斷電控制、電壓狀態(tài)監(jiān)測，并能夠?qū)崿F(xiàn)緊急狀態(tài)下的快速斷電。控制方式采用手動的方式，具有過壓、過流保護功能。

當(dāng)測試過程中出現(xiàn)異常、需要緊急斷電時，拍擊機柜上方前面板上的急停按鈕，可以快速切斷供電電源。

車載控制器加電安全聯(lián)鎖電路實現(xiàn)車載控制器安裝接觸好后，程控直流電源和程控電子負(fù)載才能得電，防止試驗過程中車載控制的帶電插拔，損壞設(shè)備。

系統(tǒng)加電控制組合充分考慮了人-機工程學(xué)，便于操作，顯示醒目，所選功能滿足系統(tǒng)的使用要求。

外部輸入的220 V交流電源經(jīng)過配電箱內(nèi)的濾波、整流、穩(wěn)壓、空氣開關(guān)、漏電保護等器件，最終分為多路電源輸送至控制柜內(nèi)的測量儀器。PXI機箱的開關(guān)可通過遠(yuǎn)程控制接口引至加電控制組合前面板，實現(xiàn)PXI控制系統(tǒng)的獨立上電，方便系統(tǒng)故障時的排查。

3.4 資源分配互聯(lián)單元

資源分配互聯(lián)單元是整個試驗臺設(shè)計核心，主要思路是系統(tǒng)激勵和測量資源分開，分別掛接到矩陣開關(guān)上，從而在不同負(fù)載工況下，利用試驗臺配置的多通道程控電源模擬控制器的各種輸入組合，實現(xiàn)控制器多達兩萬項的全面試驗及測試。另外，在兩個矩陣模塊之間將關(guān)鍵信號互聯(lián)，還可以實現(xiàn)系統(tǒng)的自檢設(shè)計。

資源分配互聯(lián)單元完成資源轉(zhuǎn)接、信號互聯(lián)，實現(xiàn)與車載控制器電氣和機械接口連接。左右兩側(cè)相應(yīng)位置各布置一個接近開關(guān)，一是用來判斷車載控制器是否與試驗臺接觸可靠，二是實現(xiàn)控制器供電功能電氣互鎖，也就是在只有在接觸可靠的情況下才能實現(xiàn)對控制器的供電。

4 軟件設(shè)計

車載控制器試驗臺基于虛擬儀器思想設(shè)計綜合測試軟件系統(tǒng)。操作系統(tǒng)采用Windows7系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)采用SQLite軟件，開發(fā)環(huán)境采用Visual Studio 2010，由于硬件模塊都帶有符合VISA標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動程序，大大提高了系統(tǒng)開發(fā)效率。軟件采用了模塊化和開放化的設(shè)計思想，便于維護和擴充。

軟件系統(tǒng)主要由系統(tǒng)自檢模塊、系統(tǒng)級測試模塊、車載控制器獨立測試模塊、用戶管理和數(shù)據(jù)管理模塊等組成。其中獨立測試模塊又分為輸出信號檢測、功能測試、診斷信號測試。軟件功能如圖3所示。

圖3 軟件功能框圖

系統(tǒng)軟件實現(xiàn)的主要功能為：

1)對門電路功能、驅(qū)動器功能和診斷功能進行順序檢測；

2)對門電路和驅(qū)動器輸出電壓進行檢測；

3)對診斷信號進行檢測；

4)對每個檢測步驟的所有的設(shè)置值(電壓值，輸出負(fù)載等)、測量值、診斷數(shù)據(jù)、功能故障、診斷故障進行文件記錄；

5)具有在中央控制單元統(tǒng)一控制下，與MRE試驗臺和電磁鐵試驗臺進行系統(tǒng)級測試功能；

6)可設(shè)置不同的權(quán)限，供研究、功能測試、檢修維護等不同模式下的應(yīng)用；

7)具有自檢功能，檢測試驗臺各部件能否正常工作并可診斷出故障部件。

功能檢測包括18個帶有不同的輸入信號和輸出信號的功能塊。所有18個功能塊都用一個標(biāo)準(zhǔn)檢測以及一個最小值/最大值檢測來進行檢測。

標(biāo)準(zhǔn)檢測：對于單個邏輯連接元件的功能，只用2個不同的輸入電壓(3 V，22 V)針對2個不同的負(fù)載電流(用于門電路的0 mA和60 mA； 用于驅(qū)動器的0 mA和120 mA)以及1個25 V的電源電壓進行檢測。對所有可能的組合進行檢測。

最小值/最大值檢測： 對于單個邏輯連接元件的功能，用4個不同的輸入電壓(0 V，6 V，21 V，30 V)針對3個不同的負(fù)載電流(用于門電路的0 mA、40 mA和100 mA；用于驅(qū)動器的0 mA、40 mA和130 mA)以及2個不同的電源電壓進行檢測。對所有可能的組合進行檢測。

表4 車載控制器功能檢測TP測試項數(shù)目表

表4中的每個測試小項的測試流程基本相同，基本測試流程如圖4所示。

5 結(jié)構(gòu)設(shè)計

控制柜采用800 mm×800 mm×2100 mm(深×寬×高)標(biāo)準(zhǔn)控制機柜，內(nèi)置42U標(biāo)準(zhǔn)上架安裝立梁結(jié)構(gòu)，所有設(shè)備均采用上架安裝方式，便于更換和維護。內(nèi)部布局從下往上依次是電子負(fù)載、程控電源、PXI機箱、KVM顯控組合和加電控制組合等組成。在右側(cè)距離地面1 m高的位置放置4U高度的對外接口航插面板，通過連接電纜與信號轉(zhuǎn)接適配器連接，試驗臺實物如圖5所示。

圖5 測試驗證結(jié)果圖

BST安裝臺導(dǎo)軌架采用標(biāo)準(zhǔn)鋁合金材質(zhì)型材搭建。導(dǎo)軌架根據(jù)車載控制器結(jié)構(gòu)尺寸進行定制設(shè)計，并采用與控制器配套的結(jié)構(gòu)鎖緊機構(gòu)，實現(xiàn)控制器的鎖緊對接。

鎖緊裝置主要由閉合裝置、定位夾板解鎖鍵、組合定位夾板組成。實現(xiàn)車載控制器的鎖緊對接。

6 測試驗證

本試驗臺先后對多種型號的數(shù)十臺車載控制器對接測試驗證，測試分為標(biāo)準(zhǔn)模式和最大值/最小值兩種模式，圖5為兩種模式連續(xù)測試的測試結(jié)果，測試過程中試驗臺運行穩(wěn)定，測試精度高，測試效果良好。

7 結(jié)束語

本文在測試需求進行綜合分析的基礎(chǔ)上，對新一代高速磁浮列車車載控制器綜合試驗臺的硬件、軟件和結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了詳細(xì)的論述。對接測試結(jié)果表明，本試驗臺設(shè)計原理正確、運行穩(wěn)定可靠、測試結(jié)果準(zhǔn)確，滿足高速磁浮列車車載控制器自動化測試的需要。