苗 欣，閆德順，元臣，李廣振，賈召會(huì)

(1.中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司，山東 青島 266100;2.北京航天測(cè)控技術(shù)有限公司，北京 100041)

0 引言

高速磁浮列車(chē)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(diǎn)[1]，包括我國(guó)在內(nèi)的眾多國(guó)家都在研究其關(guān)鍵技術(shù)，而列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)在整個(gè)高速磁浮系統(tǒng)中起著列車(chē)進(jìn)行自動(dòng)控制及安全防護(hù)的核心作用，是保證列車(chē)運(yùn)行安全的核心裝備[2]。其中車(chē)載控制器作為列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)的核心設(shè)備，起著控制指令驅(qū)動(dòng)放大、邏輯運(yùn)算并收集列車(chē)狀態(tài)信息的關(guān)鍵作用[3]，所以研制一套車(chē)載控制器綜合試驗(yàn)臺(tái)顯得尤為重要。

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

傳統(tǒng)車(chē)載控制器的測(cè)試為手動(dòng)方式，測(cè)試效率低、測(cè)試準(zhǔn)確率低、可重復(fù)性差、測(cè)試數(shù)據(jù)不方便管理。本文針對(duì)車(chē)載控制器的功能特點(diǎn)，基于自動(dòng)測(cè)試關(guān)鍵技術(shù)，研制開(kāi)放式可裁剪、可靈活應(yīng)用的車(chē)載控制器綜合試驗(yàn)臺(tái)[4]。

1 測(cè)試需求分析

車(chē)載控制器由8個(gè)驅(qū)動(dòng)器和10個(gè)與邏輯運(yùn)算單元組成。在整個(gè)運(yùn)行控制系統(tǒng)中位于車(chē)載計(jì)算機(jī)和懸浮/導(dǎo)向/制動(dòng)控制器之間，起到控制指令驅(qū)動(dòng)放大及列車(chē)狀態(tài)收集的作用。針對(duì)車(chē)載控制器的測(cè)試需求，構(gòu)建車(chē)載控制器功能與性能驗(yàn)證平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器正常、異常工作狀況的模擬，驗(yàn)證控制器功能、性能指標(biāo)以及故障處理能力，滿(mǎn)足車(chē)載控制器研制、出廠(chǎng)測(cè)試和檢修維護(hù)測(cè)試需求，詳細(xì)測(cè)試需求如下：

1)電氣接口測(cè)試，主要是車(chē)載控制器的接口。通過(guò)對(duì)車(chē)載控制器上施加不同的輸入指令，測(cè)量其輸出端口的電壓值，以測(cè)試車(chē)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(cè)試以及故障工況下的測(cè)試。通過(guò)對(duì)車(chē)載控制器上施加設(shè)計(jì)的最大、最小電壓以及故障工況(短路、斷路等)下的電壓測(cè)量其輸出端口的電壓值，以測(cè)試車(chē)載控制器的輸出是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；

3)具備與懸浮/導(dǎo)向/制動(dòng)控制器、電磁鐵互聯(lián)開(kāi)展懸浮導(dǎo)向控制系統(tǒng)的系統(tǒng)級(jí)測(cè)試；

4)綜合試驗(yàn)臺(tái)需對(duì)車(chē)載控制的18個(gè)BLOCK的所有排列組合進(jìn)行測(cè)試，據(jù)統(tǒng)計(jì)，測(cè)試項(xiàng)點(diǎn)多達(dá)2萬(wàn)多，傳統(tǒng)測(cè)試需一周左右，測(cè)試不夠充分，不能完全暴露問(wèn)題，所以要求綜合試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試速度要在一天內(nèi)完成測(cè)試。

對(duì)車(chē)載控制器測(cè)試需求進(jìn)行分析梳理后，車(chē)載控制器測(cè)試項(xiàng)匯總?cè)绫?所示。

表1 車(chē)載控制器測(cè)試項(xiàng)分析表

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

針對(duì)車(chē)載控制器測(cè)試與診斷需求，基于通用化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)思想，采用PXI、LXI混合總線(xiàn)以及自動(dòng)測(cè)試程序集技術(shù)等成熟的測(cè)試技術(shù)與測(cè)試框架，構(gòu)建車(chē)載控制器綜合試驗(yàn)臺(tái)。該試驗(yàn)臺(tái)具有良好的擴(kuò)展性與操作性，能夠完成對(duì)車(chē)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(cè)試與驗(yàn)證，確保滿(mǎn)足實(shí)際使用要求。整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)由車(chē)載控制器試驗(yàn)臺(tái)控制柜和安裝臺(tái)組成。

圖1 車(chē)載控制器綜合試驗(yàn)臺(tái)組成框圖

其中，車(chē)載控制器試驗(yàn)臺(tái)控制柜以PXI模塊化儀器為測(cè)試核心，所有獨(dú)立的儀器設(shè)備均采用基于以太網(wǎng)的控制方式，通過(guò)柜內(nèi)交換機(jī)與PXI零槽控制系統(tǒng)互連。其中GPIB模塊、CAN總線(xiàn)通信模塊、數(shù)字萬(wàn)用表模塊和矩陣開(kāi)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(tái)式儀器。加電控制組合組合主要實(shí)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(chē)載控制器的機(jī)械和電氣連接的功能。整個(gè)控制柜主要提供所需的程控電源、信號(hào)采集分析、負(fù)載模擬、信號(hào)對(duì)接等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)載控制器的自動(dòng)測(cè)試；試驗(yàn)安裝臺(tái)實(shí)現(xiàn)與車(chē)載控制器的機(jī)械與電氣接口對(duì)接。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 電氣功能設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺(tái)控制柜電氣功能設(shè)計(jì)主要包括機(jī)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(jì)。電氣設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)在于資源分配單元的設(shè)計(jì)，其中包含了萬(wàn)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(kāi)關(guān)等儀器資源互聯(lián)及資源分配設(shè)計(jì)。

表2 車(chē)載控制器電氣功能設(shè)計(jì)

3.2 PXI儀器組合

本試驗(yàn)臺(tái)主要采用PXI總線(xiàn)形式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)儀器資源的控制調(diào)度。PXI總線(xiàn)是比較成熟的總線(xiàn)形式，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率比較高，由于PXI總線(xiàn)與以往的GPIB、VXI總線(xiàn)結(jié)構(gòu)相比，傳輸速率更高，價(jià)格較低，更容易滿(mǎn)足測(cè)試儀器小型化，高維護(hù)性的需求，且更加適合于試驗(yàn)、測(cè)量與高速數(shù)據(jù)采集等場(chǎng)合[5]；同時(shí)，多重的PXI模塊選擇，搭配不同機(jī)箱，使得PXI可以符合各種應(yīng)用需求，并且易于維護(hù)，所以本試驗(yàn)臺(tái)采用了PXI總線(xiàn)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(hào)列表

3.3 加電控制組合設(shè)計(jì)

加電控制組合主要實(shí)現(xiàn)功能包括：系統(tǒng)供配電、電氣保護(hù)、電壓電流顯示以及+24 V、+15 V二次電源的轉(zhuǎn)換、車(chē)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(yàn)臺(tái)系統(tǒng)組成框圖

系統(tǒng)加電控制組合主要完成對(duì)整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)的加電、斷電控制、電壓狀態(tài)監(jiān)測(cè)，并能夠?qū)崿F(xiàn)緊急狀態(tài)下的快速斷電?？刂品绞讲捎檬謩?dòng)的方式，具有過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)功能。

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

車(chē)載控制器加電安全聯(lián)鎖電路實(shí)現(xiàn)車(chē)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(yàn)過(guò)程中車(chē)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(jī)工程學(xué)，便于操作，顯示醒目，所選功能滿(mǎn)足系統(tǒng)的使用要求。

外部輸入的220 V交流電源經(jīng)過(guò)配電箱內(nèi)的濾波、整流、穩(wěn)壓、空氣開(kāi)關(guān)、漏電保護(hù)等器件，最終分為多路電源輸送至控制柜內(nèi)的測(cè)量?jī)x器。PXI機(jī)箱的開(kāi)關(guān)可通過(guò)遠(yuǎn)程控制接口引至加電控制組合前面板，實(shí)現(xiàn)PXI控制系統(tǒng)的獨(dú)立上電，方便系統(tǒng)故障時(shí)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(gè)試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)核心，主要思路是系統(tǒng)激勵(lì)和測(cè)量資源分開(kāi)，分別掛接到矩陣開(kāi)關(guān)上，從而在不同負(fù)載工況下，利用試驗(yàn)臺(tái)配置的多通道程控電源模擬控制器的各種輸入組合，實(shí)現(xiàn)控制器多達(dá)兩萬(wàn)項(xiàng)的全面試驗(yàn)及測(cè)試。另外，在兩個(gè)矩陣模塊之間將關(guān)鍵信號(hào)互聯(lián)，還可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自檢設(shè)計(jì)。

資源分配互聯(lián)單元完成資源轉(zhuǎn)接、信號(hào)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)與車(chē)載控制器電氣和機(jī)械接口連接。左右兩側(cè)相應(yīng)位置各布置一個(gè)接近開(kāi)關(guān)，一是用來(lái)判斷車(chē)載控制器是否與試驗(yàn)臺(tái)接觸可靠，二是實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)控制器的供電。

4 軟件設(shè)計(jì)

車(chē)載控制器試驗(yàn)臺(tái)基于虛擬儀器思想設(shè)計(jì)綜合測(cè)試軟件系統(tǒng)。操作系統(tǒng)采用Windows7系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)采用SQLite軟件，開(kāi)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(dòng)程序，大大提高了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)效率。軟件采用了模塊化和開(kāi)放化的設(shè)計(jì)思想，便于維護(hù)和擴(kuò)充。

軟件系統(tǒng)主要由系統(tǒng)自檢模塊、系統(tǒng)級(jí)測(cè)試模塊、車(chē)載控制器獨(dú)立測(cè)試模塊、用戶(hù)管理和數(shù)據(jù)管理模塊等組成。其中獨(dú)立測(cè)試模塊又分為輸出信號(hào)檢測(cè)、功能測(cè)試、診斷信號(hào)測(cè)試。軟件功能如圖3所示。

圖3 軟件功能框圖

系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)的主要功能為：

1)對(duì)門(mén)電路功能、驅(qū)動(dòng)器功能和診斷功能進(jìn)行順序檢測(cè)；

2)對(duì)門(mén)電路和驅(qū)動(dòng)器輸出電壓進(jìn)行檢測(cè)；

3)對(duì)診斷信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)；

4)對(duì)每個(gè)檢測(cè)步驟的所有的設(shè)置值(電壓值，輸出負(fù)載等)、測(cè)量值、診斷數(shù)據(jù)、功能故障、診斷故障進(jìn)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(yàn)臺(tái)和電磁鐵試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)測(cè)試功能；

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

7)具有自檢功能，檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)各部件能否正常工作并可診斷出故障部件。

功能檢測(cè)包括18個(gè)帶有不同的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的功能塊。所有18個(gè)功能塊都用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)以及一個(gè)最小值/最大值檢測(cè)來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。

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

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

表4 車(chē)載控制器功能檢測(cè)TP測(cè)試項(xiàng)數(shù)目表

表4中的每個(gè)測(cè)試小項(xiàng)的測(cè)試流程基本相同，基本測(cè)試流程如圖4所示。

5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

控制柜采用800 mm×800 mm×2100 mm(深×寬×高)標(biāo)準(zhǔn)控制機(jī)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(hù)。內(nèi)部布局從下往上依次是電子負(fù)載、程控電源、PXI機(jī)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(duì)外接口航插面板，通過(guò)連接電纜與信號(hào)轉(zhuǎn)接適配器連接，試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物如圖5所示。

圖5 測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果圖

BST安裝臺(tái)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(chē)載控制器結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行定制設(shè)計(jì)，并采用與控制器配套的結(jié)構(gòu)鎖緊機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)控制器的鎖緊對(duì)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(shí)現(xiàn)車(chē)載控制器的鎖緊對(duì)接。

6 測(cè)試驗(yàn)證

本試驗(yàn)臺(tái)先后對(duì)多種型號(hào)的數(shù)十臺(tái)車(chē)載控制器對(duì)接測(cè)試驗(yàn)證，測(cè)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(cè)試的測(cè)試結(jié)果，測(cè)試過(guò)程中試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定，測(cè)試精度高，測(cè)試效果良好。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文在測(cè)試需求進(jìn)行綜合分析的基礎(chǔ)上，對(duì)新一代高速磁浮列車(chē)車(chē)載控制器綜合試驗(yàn)臺(tái)的硬件、軟件和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的論述。對(duì)接測(cè)試結(jié)果表明，本試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)原理正確、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，滿(mǎn)足高速磁浮列車(chē)車(chē)載控制器自動(dòng)化測(cè)試的需要。