余 博, 扈海軍

(1 中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 機車車輛研究所， 北京 100081;2 北京縱橫機電科技有限公司， 北京 100094)

電氣控制系統(tǒng)是動車組輔助系統(tǒng)的關(guān)鍵子系統(tǒng)，它主要通過電氣元件執(zhí)行列車各控制系統(tǒng)發(fā)送的指令，與列車上各控制系統(tǒng)相互配合，共同完成對車輛各系統(tǒng)功能的配電及控制。電氣柜作為動車組電氣控制系統(tǒng)的主要載體，它安裝在車廂內(nèi)部，是具有車輛電源分配、電氣控制等功能的執(zhí)行機構(gòu)。導(dǎo)通測試環(huán)節(jié)是動車組電氣柜系列產(chǎn)品質(zhì)量檢驗的主要環(huán)節(jié)，手動或半自動測試效率低且易出錯。文中介紹的電氣柜自動測試系統(tǒng)，是手動測試方式的一種加強和改進。

1 系統(tǒng)有效性

動車組電氣柜例行試驗中的電氣性能試驗的測試項點包括：(1)絕緣和介電強度測試；(2)導(dǎo)通測試；(3)功能性電氣元件測試。功能性電氣元件主要指的是在工作與非工作狀態(tài)下可發(fā)生物理狀態(tài)改變的電氣元件。對于動車組電氣柜而言，功能性電氣元件主要有空開，繼電器和接觸器。當(dāng)列車各系統(tǒng)工作狀態(tài)發(fā)生變化的同時，電氣柜工作電路的內(nèi)部電氣連接關(guān)系隨之發(fā)生變化。目前常用的測試方法主要采用手工導(dǎo)通測試驗證電氣柜內(nèi)線路接線正確，自動測試系統(tǒng)可通過激勵電源，模擬列車各系統(tǒng)工作狀態(tài)發(fā)生改變的同時，對電氣柜內(nèi)部線路連接的正確性進行驗證。

電氣柜內(nèi)部接線方式主要有螺釘連接和彈片壓接，測試系統(tǒng)不能在破壞產(chǎn)品完整性的條件下進行測試，因此僅能選取螺釘連接以外的元件作為測試系統(tǒng)的直接測試點位，這些元器件均位于電氣柜外部接口之上。為了證明自動測試系統(tǒng)的測試過程及結(jié)果有效，需先證明如下推理。

推理：對于一個無向連通圖，通過所有度為1的邊的路徑的集合包含圖中所有的邊。

證明：對于僅有一條邊，兩個頂點的連通圖，顯然成立。

對于一個具有n條邊的無向連通圖，假設(shè)定理成立。

對于n+1條邊的無向連通圖，有兩種情況：

(1)若新增邊連接到度為1的邊，則被連接的邊的度數(shù)為2，此時，假設(shè)推理不成立，則此圖存在一個子圖，且此子圖必然包含接入的邊，與假設(shè)矛盾，因此推理成立；

(2)若新增邊連接到度不為1的邊，同上顯然可證。

綜上可知，推理成立。

在實際測試過程中，存在如下兩種特殊情況：①錯接或多接了導(dǎo)線，但錯誤的接線并未改變電路的連通性；②對于特殊的電路設(shè)計，如雙線冗余電路，測試結(jié)果并不能代表接線無誤。因此在測試前期，需要對特殊情況進行識別，并在測試環(huán)節(jié)通過手動測試的方式進行驗證。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

動車組電氣柜內(nèi)接線復(fù)雜，柜內(nèi)元器件種類和數(shù)量繁多，其工作狀態(tài)的改變均由車體引出線或由安裝于電氣柜上的系統(tǒng)設(shè)備進行控制。考慮到電氣柜上的每一個連接器都有可能參與電氣柜的控制，且每一個型號的電氣柜，其接線關(guān)系都有較大區(qū)別，在梳理測試設(shè)備與被測設(shè)備連接關(guān)系時，難以將測試點與電源激勵點分別進行定義，因此測試系統(tǒng)需要滿足測試點與電源激勵點能夠相互切換。最終，我們選擇WEETECH W454線束分析儀作為主要測試設(shè)備，它的測試性能滿足需求，且支持多種測點模塊，基于W454我們搭建了整套測試系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)原理

根據(jù)第1節(jié)中系統(tǒng)有效性的推論，我們在測試時需要對電氣柜內(nèi)部導(dǎo)通關(guān)系進行驗證。對于一條電流路徑，存在3種導(dǎo)通狀態(tài)：

(1)有條件導(dǎo)通；

(2)常導(dǎo)通；

(3)常開路。

對于常導(dǎo)通和常開圖的導(dǎo)通關(guān)系，我們采用直接測量的方式進行驗證其正確性。對于有條件導(dǎo)通的接線關(guān)系而言，首先需要測量其絕緣特性，然后在對其上非常導(dǎo)通的電氣元件進行激活，最后通過測量其兩端電阻值驗證其導(dǎo)通性。由此可見，搭建的自動測試系統(tǒng)需要滿足絕緣、耐壓、導(dǎo)通、功能測試的需求，為保證系統(tǒng)安全性，所有操作均需要經(jīng)過安全模塊的判斷來進行保護?；谏鲜鲂枨?，我們對測試系統(tǒng)進行細(xì)化選配。

2.2 系統(tǒng)組成與結(jié)構(gòu)

自動測試系統(tǒng)主要由系統(tǒng)主機，低、高壓電源發(fā)生器，測量單元，安全模塊，外部供電單元，測點模塊，工控機及測試工裝構(gòu)成。各個模塊間通過背板總線進行通訊，各個控制單元之間由以太網(wǎng)進行通訊，系統(tǒng)主機對單元和模塊進行統(tǒng)一控制。測量單元設(shè)計了電源接口，低、高壓電源發(fā)生器、外部供電模塊及測點模塊之間通過電源接口進行連接。系統(tǒng)組成和結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)組成與結(jié)構(gòu)圖

其中低壓直流發(fā)生器提供最高500 V的測試電壓，高壓交直流發(fā)生器最高可提供2 250 V直流或1 500 V交流測試電壓。測點模塊選用了具有32個可用于供電或測量的Combi modules，外部供電單元選用了安捷倫Keysight N5750A程控電源。測點模塊通過連接器與工裝相連，工裝引出線路連接至被測件。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

WEETECH公司的CEETIS開發(fā)平臺包括了開發(fā)環(huán)境，設(shè)備配置環(huán)境，部件庫等模塊，支持外部輔助設(shè)備功能調(diào)用及編程。對于簡單的被測件，可基于輸入的數(shù)據(jù)，使用高級測量應(yīng)用模塊自動生成開發(fā)代碼。動車組電氣柜內(nèi)部電路關(guān)系較為復(fù)雜，無法使用自動生成及圖形化操作的方式進行實現(xiàn)，故使用手動編程的方法進行程序設(shè)計。

3.1 系統(tǒng)軟件開發(fā)

對于CEETIS平臺而言，系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)主要依靠詳盡的數(shù)據(jù)支撐。首先，我們將測試通路填入開發(fā)環(huán)境，并進行配置，使得測量單元能夠讀入通路數(shù)據(jù)。然后，對測點模塊進行定義，使得測試點與測試通路具有一一對應(yīng)的關(guān)系，并定義使用外部供電單元的測點。最后，我們編制測試程序，使得CEETIS測試平臺能夠按照測試程序進行執(zhí)行，并輸出規(guī)范的測試報告。測試程序編制流程如圖2所示。

圖2 測試程序編制流程

在電路數(shù)據(jù)收集階段，我們通過定義的數(shù)據(jù)字段對電路及測試信息進行收集，并存入數(shù)據(jù)庫，主要字段包含線號，元器件編號，點位，接入位置，接入點位，中間元器件編號，線路從端設(shè)備號及點位，線路到端設(shè)備號及點位。主要數(shù)據(jù)模型如表1所示。

表1 自動測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型

在電路數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，首先對收集好的數(shù)據(jù)進行建模，然后通過數(shù)據(jù)分析模塊將數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系進行分析，對于每一條通路，收集到所有可用的相關(guān)數(shù)據(jù)。對于電氣柜電路而言，經(jīng)過任意元器件上一對觸點的路徑可能不唯一，所以我們需要通過人工的方式對數(shù)據(jù)進行篩選，選擇合適的路徑，從而得到最終的測試數(shù)據(jù)。基于該數(shù)據(jù)，我們應(yīng)用集成開發(fā)環(huán)境定義的語法編寫測試程序。

3.2 測試程序主要模塊及功能

最終系統(tǒng)執(zhí)行的測試程序主要在CEETIS IDE上進行開發(fā)。我們將測試程序分成多個模塊分別進行編寫，方便進行修改及擴充，并支持移植和使用。具體的測試模塊及程序執(zhí)行順序如圖3所示。

圖3 測試程序模塊及程序執(zhí)行順序

在系統(tǒng)參數(shù)配置模塊中，我們主要配置各種系統(tǒng)硬件參數(shù)，如測試電壓、測試電流、上升沿，下降沿等。在測試準(zhǔn)備模塊，我們收集并輸入產(chǎn)品編號，被測件型號，測試產(chǎn)品名稱等被測件產(chǎn)品信息。在初始化模塊中，我們對各種電氣產(chǎn)品進行復(fù)位操作。在繼電器激活驗證模塊，我們主要驗證繼電器線圈的接線準(zhǔn)確性。

配置及初始化工作完成之后，測試開始。首先執(zhí)行導(dǎo)通測試，隨后驗證在空開閉合狀態(tài)下的導(dǎo)通測試，然后驗證在繼電器、接觸器工作條件下的接線正確性，最后開始驗證絕緣及耐壓性能。測試結(jié)果在測試結(jié)束模塊被匯總，并通過測試報告生成模塊生成測試報告。

4 試驗及驗證

測試系統(tǒng)被應(yīng)用于中國高速動車組電氣柜的例行試驗，順利完成了電氣柜導(dǎo)通及絕緣耐壓測試。實際應(yīng)用標(biāo)明，此系統(tǒng)可以適用絕大多數(shù)應(yīng)用場景，滿足測試性能要求，當(dāng)測試性能要求發(fā)生改變時，可通過改配系統(tǒng)子模塊來滿足性能要求參數(shù)，對于接地線等無法方便使用工裝進行測量的電路，我們在試驗前進行分析及統(tǒng)計，并在自動測試完成后使用手動方式進行測量。以電氣控制柜為例，測試過程中顯示的程序界面如圖4所示。

圖4 測試程序界面圖

生成的測試報告如圖5所示。人工測試與自動測試優(yōu)劣對比如表2所示。特別地，對于冗余備份電路，含特殊元器件的電路，工裝不易連接的電路等，自動測試系統(tǒng)無法進行驗證，因此自動測試系統(tǒng)還需要人工輔助測試方式進行補充。

圖5 測試報告圖

表2 自動測試數(shù)據(jù)對比

5 結(jié)束語

相比較于人工測試，電氣柜自動測試系統(tǒng)可在不對電氣柜機械結(jié)構(gòu)進行拆解的條件下進行測試，測試性能滿足試驗大綱要求，測試結(jié)果準(zhǔn)確，降低了測試工程師勞動強度，并節(jié)省80%以上的測試時間。經(jīng)過該測試系統(tǒng)驗證過的電氣柜系列產(chǎn)品已成功在復(fù)興號動車組上完成裝車，目前運行情況良好。