車輛制動控制系統(tǒng)選型分析

1、車輛制動控制系統(tǒng)選型分析廈門軌道交通集團運營分公司車輛部 覃海春摘要：本文通過對車控和架控制動控制系統(tǒng)的介紹、應用、特點進行分析制動控制系統(tǒng)的選型。關鍵詞：車控；架控；KGPM-P；EP08；EP2002；EP090 引言制動系統(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。車輛制動系統(tǒng)的性能將直接影響著城市軌道交通車輛的安全運營狀況和舒適性，因此制動系統(tǒng)的選型顯得尤為重要。城市軌道交通車輛制動系統(tǒng)在控制上分以車輛為單元進行制動力控制的制動系統(tǒng)簡稱車控和基于轉向架為單元進行制動力控制的制動系統(tǒng)簡稱架控兩種方式。1 車控制動系統(tǒng)采用車控方式時，每輛車具有1個制動控制單元BCU，以

2、車輛為單位進行制動力的計算和分配。每個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指令，適用于牽引控制采用車控型式的車輛進行制動力的混合分配。如圖1所示。圖1 車控制動控制系統(tǒng)示意圖制動控制部分主要由電子控制部分和氣動控制部分組成。微機電子控制單元根據制動缸目標壓力和壓力傳感器檢測的作用風缸壓力，控制E/P轉換閥對作用風缸充風或排風，實現對中繼閥預控壓力的閉環(huán)控制；中繼閥根據預控壓力實現流量放大，實現常用制動功能。緩解時，EP制動/緩解電磁閥將中繼閥預控腔的壓力空氣排入大氣。在中繼閥的作用下，制動缸的壓力空氣經中繼閥排到大氣中，實現了緩解操作。常用制動時BCU內的壓力控制流

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的空重車調整是根據檢測反映車輛載重的空氣簧壓力信號，對列車不同載重下的制動力進行相應調整。在空氣簧破裂或P-E轉換電路的輸出小于空車的信號或大于超員時的車重信號時，則可按車輛的設計安全載重進行計算。車控制動技術使用比較廣泛，例如德國 KNORR公司的KBGM-P制動控制系統(tǒng)、中國鐵科院EP08制動控制系統(tǒng)、法國FAIVELEY公司的EPAC Lite制動控制系統(tǒng)、日本NABTESCO公司的HRDA制動控制系統(tǒng)等均采用車控制動技術。其中前兩種系統(tǒng)在國內應用較廣泛。2 架控制動系統(tǒng)采用架控方式時，每輛車具有兩個架控制動單元，以轉向架為單位進行制動

4、力的計算和控制。其中部分架控制動單元具有網關功能，負責接收制動指令以及向其它架控單元輸出制動信息。其它無網關功能的架控制動單元，通過內部CAN總線從具有網關功能架控制動單元獲取制動指令。架控制動控制主要是針對同時配有動力轉向架和非動力轉向架的車輛應運而生的，實現基于轉向架為單元實現電制動與空氣制動的混合控制，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)揮每個轉向架的電制動能力和黏著利用率。如下列圖3所示：圖3車控制動系統(tǒng)布局KNORR、鐵科院、FAIVELEY公司和NABTESCO公司已推出架控制動產品，但技術實現不同。KNORR公司的EP2002制動系統(tǒng)和鐵科院的EP09制動

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

6、元簡稱為BECU。整個制動系統(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和快速制動的制動力進行調節(jié)控制，通過均衡閥將流量放大后最終輸入到基礎制動裝置。BECU采用19英寸標準電子柜 ，按功能分類設計的印刷電路板插件排列在電子控制柜中。如4所示圖4 BECU外觀結構3.1.2 氣制動控制單元氣制動控制單元簡稱為BCU。它是氣制動的核心，它接受制動系統(tǒng)電腦BECU的指令，然后再指示制動執(zhí)行部件動作。如Error! Reference source not found.5所示，包括的部件有均衡閥(D)、

7、模擬轉換閥 (A)、緊急電磁閥(E)、壓力開關(H)、稱重閥(C)、壓力傳感器(F)和測試接頭(K、M、N、J、L)。圖5 BCU外觀結構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，實現了集成化，其氣路內部連接圖可用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，要測量各個控制壓力和閘缸壓力。圖6 BCU內部氣路連接3.2 鐵科院EP08制動控制系統(tǒng)EP08制動控制系統(tǒng)，采用模塊化設計，將微機制動控制單元與氣制動控制單元集成在一起。主要由電子

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

9、動控制插件、防滑控制插件、開關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：制動控制插件3：防滑控制插件4：開關量輸入輸出插件5：通信顯示插件圖8 EBCU布局圖3.2.2 氣動制動控制單元PBCU是BCU中氣動控制的核心部件，它接收EBCU發(fā)出的常用制動電氣執(zhí)行信號，將其轉換為相應級別的空氣信號后輸出常用制動制動缸壓力輸出。同時，PBCU還接收緊急制動電氣指令，在經空重閥的控制后輸出緊急制動的制動缸壓力。PBCU由壓力傳感器、壓力測點、壓力開關、空重閥、電磁閥、中繼閥等組成，布局如Error! Reference source not found.9所示：1：常用制動壓

10、力傳感2：制動缸壓力傳感器3：空簧壓力傳感器4：空簧壓力傳感器5：常用制動壓力測點6：制動缸壓力測點7：空簧壓力測點8：緊急制動壓力測點9：空簧壓力測點10：總風壓力開關11：空重閥12：緊急電磁閥13：制動電磁閥14：緩解電磁閥15：中繼閥圖9 PBCU布局圖EP08車控制動控制裝置的EBCU和PBCU均安裝在制動控制裝置機箱中。保證了電氣控制部件和氣動控制部件各自獨立，又能使系統(tǒng)結構緊湊，使檢修和維護變得方便和快捷。氣動控制單元是微機直通電空制動系統(tǒng)的關鍵部件，由電空變換閥、中繼閥、緊急制動電磁閥、空重車調整閥、總風壓力開關等組成。氣動控制單元采用模塊化設計，它將有關的氣動閥組裝在集成控制

11、板上，在內部將各通路有機的聯系在一起。EP08的工作原理如Error! Reference source not found.10所示。圖10 制動控制原理制動缸壓力基于微控制器智能數字控制,是根據制動缸目標壓力和壓力傳感器檢測的預控壓力以及制動缸壓力,來控制兩個EP轉換閥對作用風缸的充風或排風，實現對中繼閥預控壓力的閉環(huán)控制。中繼閥采用雙膜板結構，有緊急制動和常用制動兩個預控壓力輸入，輸出壓力根據二者之間取大的原則，由緊急制動和常用制動兩個預控壓力中壓力較高的控制，中繼閥根據預控壓力控制輸出大流量的制動缸壓力。 4 車控制動系統(tǒng)的應用KNORR公司KGPM-P制動系統(tǒng)，制動電子控制單元一般單

12、獨設置在車廂內，氣動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系統(tǒng)。EP08制動控制裝置采用開關電磁閥進行EP控制，固定于車輛底架下面，具有響應快速、靈活可靠、控制精確等特點以及良好的可用和可維護性，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用。5 主要架控制動系統(tǒng)的介紹5.1 KNORR公司的EP2002制動控制系統(tǒng)EP2002型制動控制系統(tǒng)是由德國克諾爾公司研制生產的，為電氣模擬指令式制動控制系統(tǒng)，其核心部件是EP2002閥，負責空氣制動系統(tǒng)的控制、監(jiān)控及與車輛控制系統(tǒng)的通信。該閥采用一體化結構，每個轉向架配置一個制動閥。各氣

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

14、閥可以分為智能閥、RIO閥和網關閥三種。智能閥是機電一體化的產品，包括一個直接安裝在氣閥上的電子控制部件。智能閥產生電控制信號直接空氣氣閥，對其控制的轉向架的電空制動和車輪滑行進行控制，并通過CAN總線與其余的EP2002閥進行通信。智能閥通過硬線與列車安全回路相連，當安全回路失電時，智能閥將使其控制的轉向架產生緊急制動。智能閥的結構如Error! Reference source not found.12所示：圖12 智能閥結構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向架上的牽引單元進行模擬量信號的通信，以交換電制動與空氣制動之間的載重、電制動等信息。RIO閥的結構如E

15、rror! Reference source not found.13所示：圖13 RIO閥結構網關閥除了具有智能閥的所有功能外，還具有制動管理的功能。另外，EP2002制動系統(tǒng)均需通過網關閥的通信卡連接MVB或其它網絡總線，與列車控制系統(tǒng)進行通信。網關閥的結構如Error! Reference source not found.14所示：圖14 網關閥的結構5.2 鐵科院EP09制動控制裝置EP09制動控制單元是機電一體的集成單元，采用了氣電別離的模塊化設計，具有相對獨立的電子制動控制單元EBCU和氣動制動控制單元PBCU兩部分，大大提供了制動控制單元的可用性和可維護性。制動控制單元可實現電

16、子稱重，常用制動和防滑制動一體化等功能，具有響應快、動作準確等特點。EP09架控制動系統(tǒng)分主制動控制模塊GBCU(型號EP09G)和從制動控制模塊SBCUEP09S，每個模塊是一個機電一體化的智能裝置，其中包括電子控制部分和氣動閥單元部分，針對主制動控制模塊，其電子控制部分包括通訊接口、制動管理部分、本車制動控制部分，而從制動控制模塊不包括制動管理部分。通訊接口主要是該控制模塊與列車的MVB等指令的接口，響應列車的指令控制。制動管理部分主要進行本CAN網段內各個轉向架控制模塊的制動力的分配和管理。EP09制動控制裝置外觀如Error! Reference source not found.15

17、所示：圖15 EP09制動控制裝置外觀EBCU由電氣板卡構成，安裝在3U機箱內，實現不同板卡控制不同功能的模塊化設計。如Error! Reference source not found.所示：圖16 EP09的EBCU外形PBCU由多種氣動控制閥組成，在集成板上安裝實現模塊化，如Error! Reference source not found.17所示：圖17 EP09的PBCU外形6 架控和車控制動系統(tǒng)的特點 6.1 架控制動系統(tǒng)的特點 采用架控方式時，每輛車具有兩個架控單元，以轉向架為單位進行制動力的計算和分配。列車架控制動系統(tǒng)方案從網絡架構上可分為兩種： 6.1.1 1個網段方案：架

18、控制動系統(tǒng)采用主輔兩個網關閥功能控制的方式，其他兩個車的指令信息通過具有網關功能的閥傳遞，對架控網關閥部件的可靠性要求比較高。如下列圖所示： 圖18 架控制動系統(tǒng)1個網段方案6.1.2 2個網段方案：架控制動系統(tǒng)由兩個制動力分配單元構成，每個制動力分配單元采用主輔兩個網關閥功能控制的方式，由于2個網段的方案對頭尾車網關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)指令傳輸的可靠度，如下列圖所示： 圖19 架控制動系統(tǒng)2個網段方案 6.2 車控制動系統(tǒng)的特點 采用車控方式時，每輛車具有1個制動控制單元，以車輛為單位進行制動力的計算和分配。如下列圖所示： 圖20 車控制動系統(tǒng)方案車控制動系統(tǒng)采用分布式控制方式，每個制動控制裝置可以獨立進行制動力的計算和分配，各車制動系統(tǒng)之間的依存度小，網絡故障時對列車制動力的影響也相對較小。 7 結論 以轉向架為單位進行制動力的分配與控制，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)揮每個轉向架的電制動能力。對于采用車控