車輛制動(dòng)控制系統(tǒng)選型分析

1、車輛制動(dòng)控制系統(tǒng)選型分析廈門軌道交通集團(tuán)運(yùn)營分公司車輛部 覃海春摘要：本文通過對車控和架控制動(dòng)控制系統(tǒng)的介紹、應(yīng)用、特點(diǎn)進(jìn)行分析制動(dòng)控制系統(tǒng)的選型。關(guān)鍵詞：車控；架控；KGPM-P；EP08；EP2002；EP090 引言制動(dòng)系統(tǒng)的主要功用是使行駛中的車輛減速甚至停車，使停止的車輛保持不動(dòng)。車輛制動(dòng)系統(tǒng)的性能將直接影響著城市軌道交通車輛的安全運(yùn)營狀況和舒適性，因此制動(dòng)系統(tǒng)的選型顯得尤為重要。城市軌道交通車輛制動(dòng)系統(tǒng)在控制上分以車輛為單元進(jìn)行制動(dòng)力控制的制動(dòng)系統(tǒng)簡稱車控和基于轉(zhuǎn)向架為單元進(jìn)行制動(dòng)力控制的制動(dòng)系統(tǒng)簡稱架控兩種方式。1 車控制動(dòng)系統(tǒng)采用車控方式時(shí)，每輛車具有1個(gè)制動(dòng)控制單元BCU，以

2、車輛為單位進(jìn)行制動(dòng)力的計(jì)算和分配。每個(gè)BCU直接連接至車輛總線如MVB總線等上，各車直接接收列車的制動(dòng)指令，適用于牽引控制采用車控型式的車輛進(jìn)行制動(dòng)力的混合分配。如圖1所示。圖1 車控制動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖制動(dòng)控制部分主要由電子控制部分和氣動(dòng)控制部分組成。微機(jī)電子控制單元根據(jù)制動(dòng)缸目標(biāo)壓力和壓力傳感器檢測的作用風(fēng)缸壓力，控制E/P轉(zhuǎn)換閥對作用風(fēng)缸充風(fēng)或排風(fēng)，實(shí)現(xiàn)對中繼閥預(yù)控壓力的閉環(huán)控制；中繼閥根據(jù)預(yù)控壓力實(shí)現(xiàn)流量放大，實(shí)現(xiàn)常用制動(dòng)功能。緩解時(shí)，EP制動(dòng)/緩解電磁閥將中繼閥預(yù)控腔的壓力空氣排入大氣。在中繼閥的作用下，制動(dòng)缸的壓力空氣經(jīng)中繼閥排到大氣中，實(shí)現(xiàn)了緩解操作。常用制動(dòng)時(shí)BCU內(nèi)的壓力控制流

3、向如下列圖2所示：圖2 車控系統(tǒng)壓力控制原理常用制動(dòng)的空重車調(diào)整是根據(jù)檢測反映車輛載重的空氣簧壓力信號(hào)，對列車不同載重下的制動(dòng)力進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。在空氣簧破裂或P-E轉(zhuǎn)換電路的輸出小于空車的信號(hào)或大于超員時(shí)的車重信號(hào)時(shí)，則可按車輛的設(shè)計(jì)安全載重進(jìn)行計(jì)算。車控制動(dòng)技術(shù)使用比較廣泛，例如德國 KNORR公司的KBGM-P制動(dòng)控制系統(tǒng)、中國鐵科院EP08制動(dòng)控制系統(tǒng)、法國FAIVELEY公司的EPAC Lite制動(dòng)控制系統(tǒng)、日本NABTESCO公司的HRDA制動(dòng)控制系統(tǒng)等均采用車控制動(dòng)技術(shù)。其中前兩種系統(tǒng)在國內(nèi)應(yīng)用較廣泛。2 架控制動(dòng)系統(tǒng)采用架控方式時(shí)，每輛車具有兩個(gè)架控制動(dòng)單元，以轉(zhuǎn)向架為單位進(jìn)行制動(dòng)

4、力的計(jì)算和控制。其中部分架控制動(dòng)單元具有網(wǎng)關(guān)功能，負(fù)責(zé)接收制動(dòng)指令以及向其它架控單元輸出制動(dòng)信息。其它無網(wǎng)關(guān)功能的架控制動(dòng)單元，通過內(nèi)部CAN總線從具有網(wǎng)關(guān)功能架控制動(dòng)單元獲取制動(dòng)指令。架控制動(dòng)控制主要是針對同時(shí)配有動(dòng)力轉(zhuǎn)向架和非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架的車輛應(yīng)運(yùn)而生的，實(shí)現(xiàn)基于轉(zhuǎn)向架為單元實(shí)現(xiàn)電制動(dòng)與空氣制動(dòng)的混合控制，也比較適合牽引系統(tǒng)采用架控控制車輛或者短編組列車，能夠充分發(fā)揮每個(gè)轉(zhuǎn)向架的電制動(dòng)能力和黏著利用率。如下列圖3所示：圖3車控制動(dòng)系統(tǒng)布局KNORR、鐵科院、FAIVELEY公司和NABTESCO公司已推出架控制動(dòng)產(chǎn)品，但技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同。KNORR公司的EP2002制動(dòng)系統(tǒng)和鐵科院的EP09制動(dòng)

5、系統(tǒng)，都取消了與原來制動(dòng)控制獨(dú)立的空氣防滑閥控制，通過氣動(dòng)閥實(shí)現(xiàn)制動(dòng)壓力和空氣防滑一體化控制。前者采用多功能集成閥結(jié)構(gòu)，是將電子和氣動(dòng)集成一體的整體閥的概念。后者采用多個(gè)獨(dú)立氣動(dòng)閥基于氣路板集成，電子控制和氣動(dòng)控制為模塊化結(jié)構(gòu)，便于檢測及維護(hù)。而FAIVELEY公司和NABTESCO公司的架控控制技術(shù)理念是每個(gè)軸上仍保留獨(dú)立的防滑閥控制方式，制動(dòng)控制部分是在車控基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)小型化的結(jié)果。3 主要車控制動(dòng)系統(tǒng)的介紹3.1 KNORR公司KGPM-P制動(dòng)系統(tǒng)KNORR公司KGPM-P制動(dòng)系統(tǒng)，制動(dòng)電子控制單元一般單獨(dú)設(shè)置在車廂內(nèi)，氣動(dòng)集成板固定在車輛底架下。3.1.1 制動(dòng)電子控制單元制動(dòng)電子控制單

6、元簡稱為BECU。整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)的控制采用二級控制，簡述為“電控制氣，氣再控制氣”。即為BECU控制氣路控制單元，控制氣(CV壓力)再控制執(zhí)行氣。BECU可對列車的常用制動(dòng)和快速制動(dòng)的制動(dòng)力進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，通過均衡閥將流量放大后最終輸入到基礎(chǔ)制動(dòng)裝置。BECU采用19英寸標(biāo)準(zhǔn)電子柜 ，按功能分類設(shè)計(jì)的印刷電路板插件排列在電子控制柜中。如4所示圖4 BECU外觀結(jié)構(gòu)3.1.2 氣制動(dòng)控制單元?dú)庵苿?dòng)控制單元簡稱為BCU。它是氣制動(dòng)的核心，它接受制動(dòng)系統(tǒng)電腦BECU的指令，然后再指示制動(dòng)執(zhí)行部件動(dòng)作。如Error! Reference source not found.5所示，包括的部件有均衡閥(D)、

7、模擬轉(zhuǎn)換閥 (A)、緊急電磁閥(E)、壓力開關(guān)(H)、稱重閥(C)、壓力傳感器(F)和測試接頭(K、M、N、J、L)。圖5 BCU外觀結(jié)構(gòu)這些部件都安裝在一塊鋁合金的氣路板上，猶如電子分立元件安裝在印刷線路板上一樣，實(shí)現(xiàn)了集成化，其氣路內(nèi)部連接圖可用Error! Reference source not found.6來表示。這樣可防止用管道連接而造成容易泄漏和所占空間大等敝病。而且在氣路板上還裝置了一些測試接口，要測量各個(gè)控制壓力和閘缸壓力。圖6 BCU內(nèi)部氣路連接3.2 鐵科院EP08制動(dòng)控制系統(tǒng)EP08制動(dòng)控制系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計(jì)，將微機(jī)制動(dòng)控制單元與氣制動(dòng)控制單元集成在一起。主要由電子

8、制動(dòng)控制單元EBCU和氣動(dòng)制動(dòng)控制單元(PBCU)等組成，并將電子制動(dòng)控制單元與氣制動(dòng)控制單元集成在一起。系統(tǒng)構(gòu)成如Error! Reference source not found.7所示：I：氣動(dòng)制動(dòng)控制單元II：電子制動(dòng)控制單元圖7 EP08制動(dòng)控制裝置布局圖3.2.1 電子制動(dòng)控制單元EBCU是BCU中電子控制的核心部件，它接收常用制動(dòng)電氣指令，根據(jù)制動(dòng)指令和載重信號(hào)計(jì)算本車所需的制動(dòng)力，輸出制動(dòng)電磁閥和緩解電磁閥的控制信號(hào)。EBCU還接收所在車輛4根軸的速度信號(hào)，按照速度差或減速度等滑行判據(jù)判定車軸的滑行狀態(tài)。當(dāng)符合滑行的條件時(shí)，EBCU輸出防滑閥控制信號(hào)。EBCU主要由電源插件、制

9、動(dòng)控制插件、防滑控制插件、開關(guān)量輸入輸出插件和通信顯示插件等組成，布局如圖8所示：1：電源插件2：制動(dòng)控制插件3：防滑控制插件4：開關(guān)量輸入輸出插件5：通信顯示插件圖8 EBCU布局圖3.2.2 氣動(dòng)制動(dòng)控制單元PBCU是BCU中氣動(dòng)控制的核心部件，它接收EBCU發(fā)出的常用制動(dòng)電氣執(zhí)行信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)級別的空氣信號(hào)后輸出常用制動(dòng)制動(dòng)缸壓力輸出。同時(shí)，PBCU還接收緊急制動(dòng)電氣指令，在經(jīng)空重閥的控制后輸出緊急制動(dòng)的制動(dòng)缸壓力。PBCU由壓力傳感器、壓力測點(diǎn)、壓力開關(guān)、空重閥、電磁閥、中繼閥等組成，布局如Error! Reference source not found.9所示：1：常用制動(dòng)壓

10、力傳感2：制動(dòng)缸壓力傳感器3：空簧壓力傳感器4：空簧壓力傳感器5：常用制動(dòng)壓力測點(diǎn)6：制動(dòng)缸壓力測點(diǎn)7：空簧壓力測點(diǎn)8：緊急制動(dòng)壓力測點(diǎn)9：空簧壓力測點(diǎn)10：總風(fēng)壓力開關(guān)11：空重閥12：緊急電磁閥13：制動(dòng)電磁閥14：緩解電磁閥15：中繼閥圖9 PBCU布局圖EP08車控制動(dòng)控制裝置的EBCU和PBCU均安裝在制動(dòng)控制裝置機(jī)箱中。保證了電氣控制部件和氣動(dòng)控制部件各自獨(dú)立，又能使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，使檢修和維護(hù)變得方便和快捷。氣動(dòng)控制單元是微機(jī)直通電空制動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，由電空變換閥、中繼閥、緊急制動(dòng)電磁閥、空重車調(diào)整閥、總風(fēng)壓力開關(guān)等組成。氣動(dòng)控制單元采用模塊化設(shè)計(jì)，它將有關(guān)的氣動(dòng)閥組裝在集成控制

11、板上，在內(nèi)部將各通路有機(jī)的聯(lián)系在一起。EP08的工作原理如Error! Reference source not found.10所示。圖10 制動(dòng)控制原理制動(dòng)缸壓力基于微控制器智能數(shù)字控制,是根據(jù)制動(dòng)缸目標(biāo)壓力和壓力傳感器檢測的預(yù)控壓力以及制動(dòng)缸壓力,來控制兩個(gè)EP轉(zhuǎn)換閥對作用風(fēng)缸的充風(fēng)或排風(fēng)，實(shí)現(xiàn)對中繼閥預(yù)控壓力的閉環(huán)控制。中繼閥采用雙膜板結(jié)構(gòu)，有緊急制動(dòng)和常用制動(dòng)兩個(gè)預(yù)控壓力輸入，輸出壓力根據(jù)二者之間取大的原則，由緊急制動(dòng)和常用制動(dòng)兩個(gè)預(yù)控壓力中壓力較高的控制，中繼閥根據(jù)預(yù)控壓力控制輸出大流量的制動(dòng)缸壓力。 4 車控制動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用KNORR公司KGPM-P制動(dòng)系統(tǒng)，制動(dòng)電子控制單元一般單

12、獨(dú)設(shè)置在車廂內(nèi)，氣動(dòng)集成板固定在車輛底架下，上海、廣州、北京、深圳、南京和大連輕軌等地的城軌車輛上采用了該制動(dòng)系統(tǒng)。EP08制動(dòng)控制裝置采用開關(guān)電磁閥進(jìn)行EP控制，固定于車輛底架下面，具有響應(yīng)快速、靈活可靠、控制精確等特點(diǎn)以及良好的可用和可維護(hù)性，在北京、天津、沈陽、重慶、武漢和廣州等地的地鐵車輛上得到應(yīng)用。5 主要架控制動(dòng)系統(tǒng)的介紹5.1 KNORR公司的EP2002制動(dòng)控制系統(tǒng)EP2002型制動(dòng)控制系統(tǒng)是由德國克諾爾公司研制生產(chǎn)的，為電氣模擬指令式制動(dòng)控制系統(tǒng)，其核心部件是EP2002閥，負(fù)責(zé)空氣制動(dòng)系統(tǒng)的控制、監(jiān)控及與車輛控制系統(tǒng)的通信。該閥采用一體化結(jié)構(gòu)，每個(gè)轉(zhuǎn)向架配置一個(gè)制動(dòng)閥。各氣

13、動(dòng)閥基于同一個(gè)基板，電子和氣動(dòng)高度集成在一個(gè)整體中，為不可拆分的制動(dòng)部件。該型制動(dòng)系統(tǒng)在廣州、上海、北京、南京、寧波等地的地鐵車輛上均有應(yīng)用。EP2002閥相當(dāng)于常規(guī)制動(dòng)控制系統(tǒng)中的電子制動(dòng)控制單元EBCU和氣制動(dòng)控制單元PBCU的集成部件。每節(jié)車設(shè)有兩個(gè)EP2002閥，每個(gè)EP2002閥都安裝在其控制的轉(zhuǎn)向架附近的車體底架上，所有的EP2002閥上都提供了多個(gè)壓力測試接口，可以方便地測量制動(dòng)風(fēng)缸壓力、制動(dòng)缸壓力、載荷壓力、停放制動(dòng)缸壓力等。EP2002閥的外形如Error! Reference source not found.11所示：圖11 EP2002閥照片根據(jù)功能的不同，EP2002

14、閥可以分為智能閥、RIO閥和網(wǎng)關(guān)閥三種。智能閥是機(jī)電一體化的產(chǎn)品，包括一個(gè)直接安裝在氣閥上的電子控制部件。智能閥產(chǎn)生電控制信號(hào)直接空氣氣閥，對其控制的轉(zhuǎn)向架的電空制動(dòng)和車輪滑行進(jìn)行控制，并通過CAN總線與其余的EP2002閥進(jìn)行通信。智能閥通過硬線與列車安全回路相連，當(dāng)安全回路失電時(shí)，智能閥將使其控制的轉(zhuǎn)向架產(chǎn)生緊急制動(dòng)。智能閥的結(jié)構(gòu)如Error! Reference source not found.12所示：圖12 智能閥結(jié)構(gòu)RIO閥除了具有智能閥的所有功能外，還可以通過硬線與其控制的轉(zhuǎn)向架上的牽引單元進(jìn)行模擬量信號(hào)的通信，以交換電制動(dòng)與空氣制動(dòng)之間的載重、電制動(dòng)等信息。RIO閥的結(jié)構(gòu)如E

15、rror! Reference source not found.13所示：圖13 RIO閥結(jié)構(gòu)網(wǎng)關(guān)閥除了具有智能閥的所有功能外，還具有制動(dòng)管理的功能。另外，EP2002制動(dòng)系統(tǒng)均需通過網(wǎng)關(guān)閥的通信卡連接MVB或其它網(wǎng)絡(luò)總線，與列車控制系統(tǒng)進(jìn)行通信。網(wǎng)關(guān)閥的結(jié)構(gòu)如Error! Reference source not found.14所示：圖14 網(wǎng)關(guān)閥的結(jié)構(gòu)5.2 鐵科院EP09制動(dòng)控制裝置EP09制動(dòng)控制單元是機(jī)電一體的集成單元，采用了氣電別離的模塊化設(shè)計(jì)，具有相對獨(dú)立的電子制動(dòng)控制單元EBCU和氣動(dòng)制動(dòng)控制單元PBCU兩部分，大大提供了制動(dòng)控制單元的可用性和可維護(hù)性。制動(dòng)控制單元可實(shí)現(xiàn)電

16、子稱重，常用制動(dòng)和防滑制動(dòng)一體化等功能，具有響應(yīng)快、動(dòng)作準(zhǔn)確等特點(diǎn)。EP09架控制動(dòng)系統(tǒng)分主制動(dòng)控制模塊GBCU(型號(hào)EP09G)和從制動(dòng)控制模塊SBCUEP09S，每個(gè)模塊是一個(gè)機(jī)電一體化的智能裝置，其中包括電子控制部分和氣動(dòng)閥單元部分，針對主制動(dòng)控制模塊，其電子控制部分包括通訊接口、制動(dòng)管理部分、本車制動(dòng)控制部分，而從制動(dòng)控制模塊不包括制動(dòng)管理部分。通訊接口主要是該控制模塊與列車的MVB等指令的接口，響應(yīng)列車的指令控制。制動(dòng)管理部分主要進(jìn)行本CAN網(wǎng)段內(nèi)各個(gè)轉(zhuǎn)向架控制模塊的制動(dòng)力的分配和管理。EP09制動(dòng)控制裝置外觀如Error! Reference source not found.15

17、所示：圖15 EP09制動(dòng)控制裝置外觀EBCU由電氣板卡構(gòu)成，安裝在3U機(jī)箱內(nèi)，實(shí)現(xiàn)不同板卡控制不同功能的模塊化設(shè)計(jì)。如Error! Reference source not found.所示：圖16 EP09的EBCU外形PBCU由多種氣動(dòng)控制閥組成，在集成板上安裝實(shí)現(xiàn)模塊化，如Error! Reference source not found.17所示：圖17 EP09的PBCU外形6 架控和車控制動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn) 6.1 架控制動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn) 采用架控方式時(shí)，每輛車具有兩個(gè)架控單元，以轉(zhuǎn)向架為單位進(jìn)行制動(dòng)力的計(jì)算和分配。列車架控制動(dòng)系統(tǒng)方案從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上可分為兩種： 6.1.1 1個(gè)網(wǎng)段方案：架

18、控制動(dòng)系統(tǒng)采用主輔兩個(gè)網(wǎng)關(guān)閥功能控制的方式，其他兩個(gè)車的指令信息通過具有網(wǎng)關(guān)功能的閥傳遞，對架控網(wǎng)關(guān)閥部件的可靠性要求比較高。如下列圖所示： 圖18 架控制動(dòng)系統(tǒng)1個(gè)網(wǎng)段方案6.1.2 2個(gè)網(wǎng)段方案：架控制動(dòng)系統(tǒng)由兩個(gè)制動(dòng)力分配單元構(gòu)成，每個(gè)制動(dòng)力分配單元采用主輔兩個(gè)網(wǎng)關(guān)閥功能控制的方式，由于2個(gè)網(wǎng)段的方案對頭尾車網(wǎng)關(guān)閥可靠性的依賴程度有所降低，同樣的部件可靠度下能提高系統(tǒng)指令傳輸?shù)目煽慷?，如下列圖所示： 圖19 架控制動(dòng)系統(tǒng)2個(gè)網(wǎng)段方案 6.2 車控制動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn) 采用車控方式時(shí)，每輛車具有1個(gè)制動(dòng)控制單元，以車輛為單位進(jìn)行制動(dòng)力的計(jì)算和分配。如下列圖所示： 圖20 車控制動(dòng)系統(tǒng)方案車控制動(dòng)系統(tǒng)采用分布式控制方式，每個(gè)制動(dòng)控制裝置可以獨(dú)立進(jìn)行制動(dòng)力的計(jì)算和分配，各車制動(dòng)系統(tǒng)之間的依存度小，網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)對列車制動(dòng)力的影響也相對較小。 7 結(jié)論 以轉(zhuǎn)向架為單位進(jìn)行制動(dòng)力的分配與控制，架控方式尤其適合牽引系統(tǒng)也采用架控控制方式的列車，能夠充分發(fā)揮每個(gè)轉(zhuǎn)向架的電制動(dòng)能力。對于采用車控