轨道车辆制动系统用电空转换模块

任向杰,侯化安,王帅帅

(中车青岛四方车辆研究所有限公司,山东 青岛 266031)

轨道车辆制动系统一般通过压缩空气实现制动与缓解,电空转换模块则是实现该功能的核心部件。本文介绍了一种轨道车辆制动系统用电空转换模块,如图1所示。该模块采用嵌入式电子技术,可通过CAN通信网络接收制动控制系统下发的充气斜率、排气斜率、目标压力值等指令信息,采集目标腔室压力传感器输出信息并控制高频电磁阀进行充气、排气、保压状态的切换,实现对目标腔室空气压力的控制。同时,该模块实时监控内部关键零部件寿命和健康状态,当部件到达工作寿命要求或出现故障时可记录事件并发出维护信息。该模块常被用作地铁车辆、机车等轨道车辆制动系统的电空转换单元。

图1 轨道车辆制动系统用电空转换模块

1 模块简介

1.1 模块组成

轨道车辆制动系统用电空转换模块主要由气路控制部分和电子控制部分组成,如图2所示。

1—压力传感器;2—电磁阀驱动及传感器采集板;3—主控及监控CPU板;4—电源转换板;5—电气接口处理板;6—金属外壳;7—六角螺栓;8—板间连接器;9—高速电磁阀;10—减压阀;11—气路地板组成。

其中,轨道车辆用微机控制电空转换模块各组成部分主要功能为:压力采集传感器用于采集目标腔室实时压力,用于控制反馈;高速电磁阀驱动和压力传感器信号采集板卡用于控制高速电磁阀充排气以及采集传感器值;主控CPU和监控CPU板卡是该模块的核心控制单元,其中主控CPU用于所有控制逻辑算法处理、监控CPU用于监控主控CPU当前工作状态;电源处理板将外部110 V电源转换为内部24 V、5 V和3.3 V电源,供系统内部芯片处理;接口板对电气输入信号进行过滤处理;金属外壳用于模块防护;六角螺栓以及板间连接器用于电路板之间固定连接;高速电磁阀分为充气电磁阀和排气电磁阀,实际驱动充排气;减压阀限制最高输入压力为650 kPa。

1.2 主要接口

该模块具备CAN网络接口,可通过CAN2.0与外部进行数据交互。一方面,接收制动控制系统指令信息,包括目标压力、控制斜率等参数;另一方面,发送本模块状态信息,包括当前实际压力、关键部件工作寿命及故障状态信息等[1]。

数字量采集接口,可采集DC 110 V数字量信息,当此接口接收到DC 110 V信号时,模块投入正常工作;模拟量采集接口,可采集制动控制器等输出的直流4～20 mA电流信息,对应0～600 kPa目标压力,作为目标压力指令信息输入源;空气压力采集功能,可采集控制腔室空气压力当前状态,作为闭环反馈;电磁阀充排气控制功能,可根据目标压力指令信息和当前压力状态信息,进行充排气动作,闭环控制至目标压力。

2 工作原理

2.1 气路原理

轨道车辆制动系统用电空转换模块气路原理如图3所示,气源从输入口输入,通过减压阀减压控制,将输入压力稳定在650 kPa;充气阀得电充气,排气阀得电排气,传感器采集输出口压力作为闭环控制反馈压力,最终实现对目标腔室的压力控制。

图3 轨道车辆制动系统用电空转换模块气路原理图

2.2 电气控制原理

轨道车辆制动系统用电空转换模块电气原理如图4所示,主要包括电源处理、生命信号、RS232通信、模拟量输入、CAN通信、BI输入、模拟量采集、高速电磁阀驱动1、高速电磁阀驱动2和存储等模块。

图4 轨道车辆制动系统用电空转换模块电气原理图

其中,电源处理模块实现对输入电源的转换工作,将110 V电源转换为内部使用的24 V、5 V和3.3 V电源;生命信号模块输出2.5 Hz的周期信号,用于提示监控设备电空制动单元工作正常;模拟量输入模块用于接收制动控制系统发来的4～20 mA电流指令信号、CAN通信模块用于接收系统发来的CAN指令信号,这两个指令信号可分别作为系统压力输出的指令信号;BI输入模块作为电空制动单元的工作的使能信号,当为高电平输入时模块开始工作,低电平时停止工作;模拟量采集模块用于采集输出压力值、高速电磁阀驱动1和高速电磁阀驱动2作为电空制动单元充排气阀的控制部件,同时受控于主控CPU。所有信号的处理、输入和输出均由主控CPU完成:主控CPU接收到指令信号后,采用闭环PID控制算法[2],通过高速电磁阀1、高速电磁阀2以及模拟量采集模块的反馈实现对目标压力的控制功能。

监控CPU用于监控主控CPU的工作状态,当主控CPU工作异常时,可令电空制动单元导向安全制动;存储模块实时存储电磁阀、传感器和主控CPU等模块的工作状态并记录部件工作寿命及故障状态信息。

3 应用场景

3.1 动力集中电动车组控制车制动系统

轨道车辆制动系统用电空转换模块可用于动力集中电动车组控制车制动系统中,作为控制车制动系统电空控制的核心模块,既可实现对控制车本身的制动或者缓解控制,又可通过控制列车管的制动或者缓解实现对附挂车辆的制动缓解控制。图5为电空转换模块在动力集中电动车组控制车制动系统的应用说明。

图5 电空转换模块在动力集中电动车组控制车制动系统的应用说明

如图5所示,轨道车辆用微机控制电空转换模块通过外CAN网络与外界指令信息进行数据交互,通过内CAN网络实现多个智能模块间的数据信息传递[3]。动力集中电动车组控制车制动系统各部分的智能模块根据指令信息(如自动制动司控器指令、单独制动司控器指令等)进行目标压力的计算,并控制制动系统各部分的压力输出,从而实现对动力集中电动车组车辆的制动控制[4]。

3.2 城轨车辆制动系统

城轨车辆是当前轨道交通领域的发展热点,其制动系统一般采用直通式制动控制系统[5],轨道车辆制动系统用电空转换模块可以完美地契合其使用需求。在城轨车辆制动系统中,轨道车辆制动系统用电空转换模块可用于制动缸预控压力的输出控制,其系统结构说明如图6所示。

图6 电空转换模块在城轨车辆制动系统的应用说明

如图6所示,轨道车辆制动系统用电空转换模块与制动控制器、电子制动控制单元EBCU、风源、减压阀、中继阀和制动缸构成了基本的城轨车辆制动系统[6]。在城轨车辆制动系统中,电空转换模块通过CAN网络接收制动控制单元发出的制动目标压力值和压力变化速率等指令,经过解析运算后直接控制充排气电磁阀输出目标压力值至制动缸中继阀的预控端,进而控制制动缸到达目标压力,实现城轨车辆的制动与缓解。

4 结语

本文介绍了一种轨道车辆制动系统用电空转换模块的电气原理、气路原理和结构组成,并进一步介绍了该模块在动力集中电动车组控制车制动系统和城轨车辆制动系统领域的相关应用。该模块功能齐全、体积小、智能化,作为轨道车辆制动系统的核心控制组成,将有助于推动制动系统未来小型化、智能化的发展趋势。