李　菲

(中國鐵道科學(xué)研究院　機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

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機(jī)車制動系統(tǒng)在線標(biāo)定研究*

李菲

(中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

目前在我國使用的計(jì)算機(jī)控制的機(jī)車制動系統(tǒng)中主要使用了兩種設(shè)備標(biāo)定方式，一種為在線標(biāo)定方式，另一種為線下標(biāo)定方式。其中在線標(biāo)定方式在操作上、設(shè)備維護(hù)上具有靈活、便捷的優(yōu)勢。由我們研制的CAB型機(jī)車制動系統(tǒng)結(jié)合現(xiàn)場使用需求及自身系統(tǒng)特點(diǎn)，對設(shè)備標(biāo)定方式進(jìn)行分析研究，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，最終確定了在線標(biāo)定的設(shè)計(jì)方案。本文介紹了CAB型機(jī)車制動系統(tǒng)在線標(biāo)定的方法及軟件實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)流程。通過本系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)用驗(yàn)證了在線標(biāo)定方式可確保測量設(shè)備工作的準(zhǔn)確性，并且使設(shè)備安裝、維護(hù)工作更加便捷。

機(jī)車制動； 在線標(biāo)定

當(dāng)今機(jī)車制動控制系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)控制、實(shí)時網(wǎng)絡(luò)通訊傳輸和模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為發(fā)展的方向。采用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的制動系統(tǒng)是通過壓力傳感器和電磁閥實(shí)現(xiàn)對制動系統(tǒng)相關(guān)壓力的檢測和控制。計(jì)算機(jī)技術(shù)使機(jī)車制動系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化、智能化和模塊化，使機(jī)車的制動控制功能具備了簡便的人機(jī)交互功能，更重要的是在制動控制的精確度上有了極大的飛躍。選擇具有良好線性度的測量設(shè)備可以保證制動和緩解動作的精準(zhǔn)性，對于具有良好線性度測量設(shè)備如壓力傳感器會受多方面因素影響產(chǎn)生非線性誤差。例如傳感器受自身材質(zhì)、工藝條件的限制，在零點(diǎn)輸出值和線性度會存在差異；而同一個傳感器也會受工作環(huán)境溫度等因素的影響產(chǎn)生零點(diǎn)漂移及靈敏度的變化[1]，因此測量設(shè)備在使用過程中根據(jù)使用情況需要對其性能參數(shù)進(jìn)行軟件標(biāo)定工作。

自我國鐵路裝備現(xiàn)代化以來，在用的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)制動系統(tǒng)主要有克諾爾公司的CCBⅡ機(jī)車制動機(jī)、法威萊公司基于Eurotrol的制動機(jī)，還有幾種國內(nèi)新研制的制動系統(tǒng)。這些制動系統(tǒng)所采用的設(shè)備標(biāo)定方式有兩種，一種為在線標(biāo)定方式，即操作人員可以直接使用制動系統(tǒng)中的制動顯示屏對司機(jī)控制器的定位測量設(shè)備和控制模塊的壓力測量設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定；另一種為線下標(biāo)定方式，即將需要校正的測量設(shè)備所在模塊整體拆除，使用專用設(shè)備對其進(jìn)行線下標(biāo)定。兩種標(biāo)定方式相比較，在線標(biāo)定的方式更加符合機(jī)車制動控制系統(tǒng)在運(yùn)用和維護(hù)的靈活性和便捷性上的要求。近年來根據(jù)機(jī)車制動系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、智能化和模塊化發(fā)展的趨勢以及國內(nèi)市場的需求，中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所開始進(jìn)行基于計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的國產(chǎn)新型機(jī)車制動系統(tǒng)——CAB型機(jī)車制動系統(tǒng)的研制。CAB型機(jī)車制動系統(tǒng)標(biāo)定方式在設(shè)計(jì)方案上，結(jié)合現(xiàn)有國內(nèi)外制動系統(tǒng)的標(biāo)定方式，根據(jù)本系統(tǒng)自身系統(tǒng)特性，最終采用了在線標(biāo)定的方式，下文將詳細(xì)敘述CAB型機(jī)車制動系統(tǒng)在線標(biāo)定的實(shí)現(xiàn)方法。

1　CAB型機(jī)車制動控制系統(tǒng)組成及主要模塊結(jié)構(gòu)

CAB型機(jī)車制動系統(tǒng)是基于網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，具有智能模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的國產(chǎn)新型制動系統(tǒng)。其在模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面獲得了突破，本系統(tǒng)按功能劃分模塊，主要由制動控制器、制動顯示器和制動柜3大部分組成。制動柜主要由4部分組成，包括電空制動單元、系統(tǒng)輸入輸出模塊、接口箱模塊以及輔助控制單元，其中電空制動單元又劃分為3個功能模塊，分別為列車管控制模塊、制動缸控制模塊和單獨(dú)控制模塊。CAB型機(jī)車制動系統(tǒng)模塊構(gòu)成見圖1。該系統(tǒng)可配置為具有雙端操縱功能的機(jī)車制動系統(tǒng)，在機(jī)車兩端的司機(jī)室分別配置制動控制器和制動顯示器，通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與電空制動單元、系統(tǒng)輸入輸出模塊等控制模塊相連接，圖2為雙端操縱的機(jī)車制動系統(tǒng)配置圖[2]。

系統(tǒng)中需要進(jìn)行設(shè)備標(biāo)定的智能模塊有制動控制器、列車管控制模塊、制動缸控制模塊和單獨(dú)控制模塊。制動控制器是機(jī)車乘務(wù)員對列車或機(jī)車進(jìn)行制動、緩解操作的主要人機(jī)操作接口，其內(nèi)部安裝有角位移測量設(shè)備，該設(shè)備可將制動控制器的機(jī)械旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)換為制動緩解指令。電空制動單元3個控制模塊內(nèi)均安裝有電磁閥及壓力傳感器。為保證機(jī)車制動系統(tǒng)的正常運(yùn)行，在日常維護(hù)工作中都需要對制動控制器內(nèi)的角位移測量設(shè)備和控制模塊內(nèi)的壓力傳感器進(jìn)行檢查和標(biāo)定。

圖1　制動系統(tǒng)模塊構(gòu)成

圖2　雙端操縱機(jī)車制動系統(tǒng)配置圖

2　制動控制器標(biāo)定設(shè)計(jì)

制動控制器由自動制動手柄和單獨(dú)制動手柄組成。按照操作簡統(tǒng)化的要求，CAB制動控制器的自動制動手柄設(shè)置有運(yùn)轉(zhuǎn)位、初制動位、常用制動區(qū)、全制動位、抑制位、重聯(lián)位和緊急制動位；單獨(dú)制動手柄設(shè)置有運(yùn)轉(zhuǎn)位、制動區(qū)和全制動位，符合鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3427-2015《機(jī)車用制動控制器》的規(guī)定。自動制動手柄和單獨(dú)制動手柄的操作位置及位置間角度關(guān)系見圖3。工作原理都是通過推動手柄，使其圍繞各自的旋轉(zhuǎn)軸發(fā)生角度的位移，到達(dá)相應(yīng)的位置，從而實(shí)現(xiàn)對列車和單機(jī)的制動緩解操作。因此制動控制器需要對自動制動手柄和單獨(dú)制動手柄中的角位移測量設(shè)備(如電位器、旋轉(zhuǎn)編碼器等)進(jìn)行標(biāo)定。

圖3　自動制動手柄和單獨(dú)制動手柄的操作位置

2.1制動控制器硬件組成

自動制動手柄和單獨(dú)制動手柄的旋轉(zhuǎn)軸都安裝有角位移測量設(shè)備，常用的角位移測量設(shè)備有電位器和旋轉(zhuǎn)編碼器等，該設(shè)備可將手柄的旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)換為電壓等模擬量或編碼數(shù)據(jù)發(fā)送給控制板卡，以電位器為例，控制板卡采集電位器輸出電壓，通過ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字采樣值，根據(jù)數(shù)字采樣值計(jì)算得出制動緩解指令，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給指令執(zhí)行單元。在自動制動手柄的極值位置運(yùn)轉(zhuǎn)位和緊急制動位，單獨(dú)制動手柄的極值位置運(yùn)轉(zhuǎn)位和全制動位都分別安裝有微動開關(guān)，控制板卡可根據(jù)微動開關(guān)給出的開關(guān)量信號自動判斷出手柄所處的極值位。自動制動手柄的初制動位、全制動位、抑制位和重聯(lián)位上未安裝微動開關(guān)，其位置是通過機(jī)械定位確定的，控制板卡對電位器的A/D采樣值可判斷出手柄所處位置。

2.2制動控制器標(biāo)定軟件實(shí)現(xiàn)

制動控制器標(biāo)定的目的是能將手柄的各特殊角度位置進(jìn)行軟件定位，并且在制動區(qū)內(nèi)通過軟件計(jì)算得到的壓力目標(biāo)值應(yīng)隨角度變化而呈線性變化。自動制動手柄在緊急制動位和運(yùn)轉(zhuǎn)位都安裝有定位用微動開關(guān)，可以通過判斷開關(guān)的閉合狀態(tài)準(zhǔn)確定位，因此將這兩個位置的A/D采樣值分別作為標(biāo)定點(diǎn)，其他未設(shè)置定位開關(guān)的位置根據(jù)與這兩個位置的角度關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定。單獨(dú)制動手柄標(biāo)定也采樣相同方法。

在機(jī)車處于停車狀態(tài)下，司機(jī)可由主界面進(jìn)入維護(hù)菜單，選擇制動控制器標(biāo)定選項(xiàng)進(jìn)入標(biāo)定操作界面，見圖4。手柄進(jìn)入標(biāo)定模式后將不再發(fā)送制動緩解控制指令，以防止標(biāo)定過程中引起的制動控制模塊非正常工作狀態(tài)。

以自動制動手柄為例詳細(xì)介紹標(biāo)定流程：

(1) 首先標(biāo)定自動制動手柄的緊急位，按“開始標(biāo)定”鍵，向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送開始標(biāo)定命令，通知相關(guān)控制模塊退出工作模式，進(jìn)入手柄標(biāo)定模式，屏幕提示“已進(jìn)入標(biāo)定狀態(tài)，請將手柄置于緊急位后按確定鍵”。

圖4　制動控制器標(biāo)定操作界面

(2) 將自動制動手柄置于緊急位，使緊急位開關(guān)閉合，并按“確定”鍵，屏幕提示“標(biāo)定已完成，是否保存”。若手柄未置于緊急位，按“確定”鍵后會出現(xiàn)錯誤提示。

(3) 按“保存”鍵通知手柄，手柄保存標(biāo)定值后發(fā)回反饋信息，屏幕顯示“標(biāo)定結(jié)果已保存”。

(4) 按“下一個”鍵，將星號移動到自動手柄運(yùn)轉(zhuǎn)位的方括號內(nèi)。

(5) 按“開始標(biāo)定”鍵，屏幕提示“已進(jìn)入標(biāo)定狀態(tài)，請將手柄置于運(yùn)轉(zhuǎn)位后按確定鍵”。

(6) 將自動制動手柄置于運(yùn)轉(zhuǎn)位，按“確定”鍵。

(7) 按“保存”鍵保存運(yùn)轉(zhuǎn)位的標(biāo)定值。

制動控制器軟件將緊急位和運(yùn)轉(zhuǎn)位的A/D采樣值分別作為標(biāo)定的最大值和最小值。自動制動手柄的工作總角度為68°，初制動位與運(yùn)轉(zhuǎn)位間的夾角為6°，因此計(jì)算初制動位對應(yīng)的電位器A/D采樣理論計(jì)算值公式為：

(1)

式中SMIN為初制動位置電位器A/D采樣理論計(jì)算值；SEMER為緊急制動為A/D實(shí)際采樣值；SRUN為運(yùn)轉(zhuǎn)位A/D實(shí)際采樣值。

全制動位、抑制位和重聯(lián)位的A/D采樣理論值計(jì)算方法與初制動位類似。

2.3制動控制器標(biāo)定的驗(yàn)證

表1為經(jīng)過標(biāo)定后運(yùn)轉(zhuǎn)位、初制動位、全制動位、抑制位、重聯(lián)位和緊急制動位實(shí)際采樣值與計(jì)算所得的理論值的比較結(jié)果。根據(jù)機(jī)車用制動控制器標(biāo)準(zhǔn)，手柄在特殊位置上可以有±2°的誤差[3]，因此根據(jù)標(biāo)定計(jì)算出各個位置的采樣理論值允許有±43的調(diào)整范圍，實(shí)際各位置的采樣值均在理論值允許的范圍內(nèi)。

表1　自動制動手柄各位置理論值范圍與實(shí)際采樣值對比

制動控制器的標(biāo)定效果取決于手柄角度位移的線性度，而手柄角度位移的線性度又受兩方面因素影響：

(1) 手柄機(jī)械定位的加工誤差和安裝工藝。

(2) 選用角位移測量設(shè)備的非線性特性。

對多個手柄進(jìn)行的多次試驗(yàn)驗(yàn)證可以得出，只使用兩個極限位置作為標(biāo)定點(diǎn)的方法完全可以準(zhǔn)確定位出手柄特殊位置。通過顯示屏主界面查看標(biāo)定結(jié)果，操作自動制動手柄分別置于初制動位、全制動位、抑制位和重聯(lián)位，顯示屏主界面的自閥位置框內(nèi)會正確顯示手柄所在位置。自動制動手柄由初制動位推置全制動位，自閥位置框內(nèi)應(yīng)顯示常用制動區(qū)，并且控制均衡風(fēng)缸減壓指令是由50kPa到170 kPa(定壓600 kPa時的全制減壓量)線性遞增。操作單獨(dú)制動手柄從運(yùn)轉(zhuǎn)位推置全制動位，在單閥位置框內(nèi)顯示制動區(qū)，控制制動缸壓力指令由0 kPa到300 kPa線性遞增。標(biāo)定后的制動控制器符合使用要求。

3　電空制動單元控制模塊標(biāo)定設(shè)計(jì)

電空制動單元內(nèi)的列車管控制模塊、制動缸控制模塊和單獨(dú)控制模塊的電控控制部分工作原理相同，即控制板卡根據(jù)制動控制器的制動緩解指令控制相應(yīng)電磁閥的通斷來調(diào)節(jié)風(fēng)缸或列車管壓力，通過讀取對應(yīng)的壓力傳感器判斷制動緩解動作是否到位的閉環(huán)控制方式，從而實(shí)現(xiàn)列車制動系統(tǒng)準(zhǔn)確的制動和緩解作用，因此需要對控制模塊內(nèi)的壓力傳感器進(jìn)行標(biāo)定。

3.1電空制動單元控制模塊硬件組成

以制動缸控制模塊為例，該模塊內(nèi)安裝有多個傳感器分別采集制動缸、列車管、輔助風(fēng)缸和總風(fēng)缸的壓力值，通過控制模塊內(nèi)的數(shù)個電磁閥實(shí)現(xiàn)風(fēng)缸和列車管的充氣或排氣。模塊外側(cè)配置有多個壓力測點(diǎn)，可接入標(biāo)準(zhǔn)壓力表用于在標(biāo)定傳感器時測量實(shí)際壓力值。

3.2傳感器標(biāo)定軟件實(shí)現(xiàn)

電空制動單元各控制模塊內(nèi)壓力傳感器的測量范圍為0 kPa～1 000 kPa，因此在0 kPa～1 000 kPa的壓力范圍內(nèi)均勻設(shè)置采樣點(diǎn)，通過控制板卡讀取壓力傳感器的采樣值，根據(jù)采樣數(shù)據(jù)繪制曲線可判斷出該壓力傳感器的線性度。表2為控制板卡在不同壓力狀態(tài)下采集到的壓力傳感器的數(shù)值。

表2　壓力傳感器在不同壓力下的采樣值

圖5　壓力傳感器采樣曲線

從以上測量結(jié)果可看出壓力傳感器因自身的特性和工作環(huán)境等因素的影響都會產(chǎn)生一定的非線性誤差，通過軟件對傳感器進(jìn)行非線性修正最常用的曲線擬合法為最小二乘法。但是使用最小二乘法在標(biāo)定過程中需要采集多個標(biāo)定點(diǎn)，這使得標(biāo)定操作流程較為繁瑣。經(jīng)過對本系統(tǒng)所選用的壓力傳感器多次的采樣試驗(yàn)可得出，傳感器的非線性特性造成的誤差對系統(tǒng)正常工作的影響很小，從標(biāo)定操作流程應(yīng)便于操作人員使用的設(shè)計(jì)理念考慮，標(biāo)定方法應(yīng)采用兩點(diǎn)法進(jìn)行標(biāo)定。

為保證安全，在機(jī)車運(yùn)行過程中禁止對控制模塊傳感器標(biāo)定，只有在機(jī)車處于停車狀態(tài)時才可進(jìn)行標(biāo)定操作。標(biāo)定操作設(shè)置有操作權(quán)限，為了防止操作人員誤操作，在進(jìn)入傳感器標(biāo)定界面前需經(jīng)過密碼的驗(yàn)證。以上條件滿足后才可通過顯示屏按鍵進(jìn)入到標(biāo)定界面，制動系統(tǒng)則由正常運(yùn)行模式進(jìn)入到標(biāo)定模式。每個傳感器以壓力0 kPa和約600 kPa時的輸出值為標(biāo)定點(diǎn)，進(jìn)入標(biāo)定模式后，控制模塊將根據(jù)標(biāo)定指令控制電磁閥對風(fēng)缸進(jìn)行充風(fēng)或排風(fēng)操作，傳感器的標(biāo)定界面如圖6。

傳感器標(biāo)定過程分為以下幾個步驟：

(1) 選擇需要標(biāo)定的傳感器下限，按"開始標(biāo)定"鍵命令制動控制模塊進(jìn)入下限標(biāo)定模式。

(2) 進(jìn)入標(biāo)定模式后，顯示屏實(shí)時顯示傳感器測量值，通過“增加”和“減小”鍵將屏幕上“實(shí)際壓力值”框內(nèi)的數(shù)值調(diào)整為風(fēng)缸上連接的標(biāo)準(zhǔn)壓力表所顯示的壓力值大小。

(3) 按“確定”鍵屏幕會出現(xiàn)保存提示，詢問是否保存當(dāng)前標(biāo)定值。

圖6　傳感器標(biāo)定界面

(4) 按“保存”鍵，命令控制模塊將當(dāng)前傳感器采集值保存為標(biāo)定低值。此時傳感器返回值大小應(yīng)與實(shí)際壓力值大小顯示一致。

(5) 選擇標(biāo)定傳感器上限，按“開始標(biāo)定”鍵命令制動控制模塊進(jìn)入上限標(biāo)定模式。

(6) 控制模塊控制風(fēng)缸開始充風(fēng)，操作人員需要等待壓力穩(wěn)定后再將讀到的壓力表值填寫到“實(shí)際壓力值”框內(nèi)。

(7) 按“確定”鍵屏幕會出現(xiàn)保存提示，詢問是否保存當(dāng)前標(biāo)定值。

(8) 按“保存”鍵，命令控制模塊將當(dāng)前傳感器采集值保存為標(biāo)定高值。此時傳感器返回值大小應(yīng)與實(shí)際壓力值大小顯示一致，傳感器兩點(diǎn)標(biāo)定完畢。

3.3傳感器標(biāo)定的驗(yàn)證

當(dāng)前壓力值可根據(jù)傳感器標(biāo)定上限和下限值計(jì)算得出。

(2)

式中PCOUNT為計(jì)算得出的壓力值；PH為標(biāo)定上限時的實(shí)際壓力值；SCUR為當(dāng)前傳感器A/D采樣值；SH為傳感器標(biāo)定上限時的A/D采樣值；SL為傳感器標(biāo)定下限時的A/D采樣值。

將列車管壓力調(diào)至不同壓力值，待壓力穩(wěn)定后查看制動顯示屏列車管壓力數(shù)值，對比外測點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)壓力表測量值，見表3，經(jīng)過在線標(biāo)定計(jì)算并在制動顯示屏顯示的壓力值與標(biāo)準(zhǔn)壓力表測量的壓力值誤差不超過3 kPa。

表3　列車管實(shí)際壓力值與通過標(biāo)定計(jì)算的壓力值對比　kPa

4　結(jié)　論

司機(jī)控制器和壓力傳感器使用在線標(biāo)定方式可以保證手柄位置輸出及壓力值采集的精準(zhǔn)性，從而使機(jī)車制動系統(tǒng)控制更加的準(zhǔn)確。與制動顯示屏配合可以實(shí)現(xiàn)在線標(biāo)定，相比將設(shè)備拆卸下機(jī)車再使用其他維護(hù)設(shè)備標(biāo)定的方式，極大縮短了檢修維護(hù)的時間，使設(shè)備維護(hù)工作更加便捷。2015年底CAB型機(jī)車制動控制系統(tǒng)在濟(jì)南局進(jìn)行了裝車，并且已在濟(jì)南西機(jī)務(wù)段臨沂段區(qū)配屬的HXD3CA型8001機(jī)車上完成了靜態(tài)試驗(yàn)，目前正在實(shí)施裝車運(yùn)用考核。在安裝和調(diào)試過程中，在線標(biāo)定方式可以有效的對設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定，保證了設(shè)備的正常工作狀態(tài)，在線標(biāo)定方式為今后的維護(hù)工作提供了更加靈活便捷的手段。

[1]吳興惠、王彩君.傳感器與信號處理[M].北京：電子工業(yè)出版社，1998.

[2]林暉.基于網(wǎng)絡(luò)通訊及智能模塊化設(shè)計(jì)的機(jī)車制動系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范TY字第4412號[R].北京：中國鐵道科學(xué)院研究院機(jī)車車輛研究所，2015.

[3]TB/T 3427-2015 機(jī)車用制動控制器 [S].

Locomotive Braking System on Line Calibration Research

LIFei

(Locomotive&Car Research Institute,China Academy of Railway Sciences,Beijing 100081,China)

At present the use of computer control of locomotive braking system mainly uses two kinds of equipment calibration methods in our country, one is the on-line calibration methods, and the other is the off-line calibration method, The on-line calibration method is flexible and convenient in operation and maintenance. The CAB locomotive braking system developed by us combined with the requirements of the field and its own system characteristics, the equipment calibration methods were analyzed and studied, and the design scheme of the on-line calibration was finally determined. In this paper, the method of on-line calibration of CAB locomotive braking system and the design flow of software realization are introduced. Through the practical application of the system, it is verified that the on-line calibration method can ensure the accuracy of the measurement equipment, and make the equipment installation and maintenance work more convenient.

locomotive brake; on-line calibration

1008-7842 (2016) 03-0024-04

女，助理研究員(

2016-01-18)

U260

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.03.05

*鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2014J003-E)