关键词：地铁列车；制动系统；诊断装置

1  概述

制动系统是用来控制机车、车辆、列车的速度或使之停止的所有装置和部件的总和，也是列车控制机构的核心，其可靠性及安全性对行车安全有着巨大的影响。作为车辆制动的控制核心，因此很有必须要设计一套有稳定性和准确性高的诊断系统来对制动系统进行检测和试验。

根据制动诊断系统具有测试环境复杂、测试数据精度要求高、测试响应速度快等特点，以工机、PLC模块、高精度的采集板卡、开关电源等作为硬件平台，以Qt作为软件平台，来设计地铁车辆制动诊断系统。该系统不仅可以进行气密性测试、压力传感器零点测试、载荷输出测试、风源压力测试、制动缸压力测试、电源供电测试、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。

2  列车制动系统

DKZ4型地铁列车为6辆编组方式如图1所示，根据城市轨道车辆运行站间距离短、启动快、制动距离短、停车精度高，而每节动车装备有4台交流电机等特点，同时又考虑到电制动本身低速时电制动发挥不出来的缺点以及安全要求，因此DKZ4型地铁列车制动方式采用电-空混合结合的方法，列车制动系统采用了日本Nabtesco车控装置，其中各电子控制模块集成在一个箱体内用于常用制动、紧急制动和车轮防滑保护等。其主要功能包括：常用制动、紧急制动、保持制动、载荷补偿、制动混合等。

图1  DKZ4型列车编组方式

2.1  制动系统组成

DKZ4型列车制动系统结构如图2所示，一般城市轨道交通车辆的制动系统的组成有三种：

（1）动力制动（电气制动）系统。它通常与牵引系统连接在一起构成主电路，包括再生反馈电路和制动电阻器，将动能制动产生的电能反馈给牵引网或消耗在制动电阻器上。

（2）空气制动系统。它由供气部分、控制部分等组成。供气部分由空气压缩机组和风缸等构成；控制部分包括：电空（EP）比例阀、紧急阀和中继阀。

（3）指令及通信网络系统（制动控制系统）。它不但是司机指令的传输通道，同时也是制动控制系统内部数据交换及制动控制系统与列车控制系统进行数据通信的总线。

图2  DKZ4制动系统结构

2.2  制动系统的控制原理简述

列车司机室内的控制器可以根据列车具体运行过程，依据司机控制器把手所在位置的不同，可以产生制动等多种不同指令信号如：紧急制动、缓解等信号。指令通过列车控制系统的输入模块采集，然后通过MVB总线传送到每一个的制动控制装置实现列车的制动。

3  诊断系统设计方案

制动诊断系统以工控机为核心，通过数据模拟数字采集卡、PLC(可编程逻辑控制器)、继电器等外围器件，对制动系统进行检测及试验。由于DKZ4型列车制动系统中包含有各种形式的信号，如压力、载荷、制动级位等，所以要求本诊断具有较高的集成度、兼容性及准确性。

3.1  诊断系统硬件

整个诊断系统硬件由带滚轮的机柜、工控机、电气单元和气路单元等组成。诊断系统硬件主要实现控制功能、检测功能和信息输出功能。其控制功能由工控机、PLC、执行器件等实现。检测功能由工控机、数据采集卡、温度传感器、压力传感器等部分组成。信息输出功能主要有打印机实现。具体硬件构成及连接示意图如图2所示，整个诊断系统根据测试对象的不同，通过制动测试控制单元连接被测对象，输出不同的控制信号以及接收相应的采集信号。

                                              图2  诊断系统构成

与被测对象各板卡之间通过背板的CAN网络进行通信，且电源板通过背板向其余板卡提供110V或24V电。如图3所示，可根据诊断系统实际需求灵活扩展数据采集板卡的数量。

图3  CAN总线挂载的板卡

3.2  诊断系统软件

如图2所示，制动诊断系统主要含两部分软件，主要通过ETH进行数据交换。

（1）运行在工控机上的上位机软件，主要负责人机交互；根据试验规程要求，控制制动测试控制单元自动对单车制动装置及制动电子控制单元进行系列试验或单项试验，通过ETH发送至制动测试控制单元，最后根据相关标准对试验结果做出判断后保存到数据库中。该部分软件总体架构如图4所示。

图4  上位机软件总体架构

（2）运行在制动测试控制单元的下位机软件，主要负责控制制动测试控制单元中的IO板卡。包括接收数字/模拟采集板卡所采集的数据，通过ETH发送到工控机中；并且接受工控机通过ETH发送的控制指令后发送到数字/模拟输出板卡。制动测试控制单元中各板卡通过设计在背板上的CAN总线进行数据交换。

3.3  诊断系统具备的功能

根据上述软硬件设计诊断系统具备如表1所示功能：

根据DKZ4车型制动系统结构，可以实现完成单车制动试验及电子制动控制单元试验，在诊断系统上位机软件控制下，可完成的试验项点如下： 

（1）单车试验

单车试验可完成的试验项目如表2所示，实验基本方法为被试车辆制动系统气路切断与车辆供风系统及其它非制动系统的气路联系，由实验台自备风源供风；被试车辆制动机切断车辆的供电电源，由实验台自备的供电电源供电。

在实验过程中，制动机EBCU工作所需的司机控制器和制动手柄控制指令以及各类状态信号（电气信号或气动信号）可由实车系统产生，也可由本实验台按照实验规程产生，输入到制动机的相应通道。

可对制动系统制动缸压力、总风压力等被测气动参数、电气参数以及主要参数的变化过程进行采集，并按规程对制动系统（主要是制动机）的工作状态进行评判。

（2）电子控制单元试验

电子控制单元试验可的试验项目如表3由于在进行电子制动控制单元试验时，被测系统所有输入技术处信号均为电信号，这些信号均可由本系统输出或采集，在实验过程中在上位机软件控制下，实验系统按造作输出各类实验所需的司控器、制动手柄、空气弹簧压力、电制动力、各轴转速等电信号给制动控制单元，并对EBCU输出的BCU中各类电磁阀、EP阀控制指令及系统状态指示信号及其变化过程进行采集，并按标准对制动机EBCU的工作状态进行评判。

4  结束语

制动诊断系统在设计完成后，通过现场试验的方式对单车和制动控制单元进行测试验证。

经过现场试验，整个诊断系统测试的稳定性受空压机供给系统的影响较大，由于现场空压机存在漏气问题，会导致泄露等有关压力的试验失败，在滑行试验时由于现场环境复杂，导致通信数据延时偶尔使得列车测试滑行试验失败，因此需要进一步从加强系统自身抗干扰能力出发来提高诊断装置的稳定新性。系统的软件架构合理、界面简洁明了、便于操作。系统的硬件集成度高、可灵活扩展。