深圳地铁3号线车辆司机控制器试验装置的研制

袁虎林

（深圳市地铁集团3号线运营分公司，518173，深圳∥工程师）

司机控制器是城市轨道交通车辆的控制设备，是司机用来操纵机车运行的控制电器。司机控制器利用控制电路的低压电器来间接控制主电路的电气设备，其动作的性能直接关系到车辆的平稳操纵及各种动作的实现。司机控制器即使发生小故障，都会给列车带来很大的安全隐患，如电气设备接受错误指令产生误动作等。保证司机控制器的检修质量，验证其动作的可靠性显得尤其重要。

司机控制器试验装置（以下简为“试验装置”）是检验司机控制器性能的关键性设备，能直接检验司机控制器的检修质量。深圳地铁3号线车辆试验装置将以此为需求进行研制，可实现对司机控制器开关动作逻辑、触头电阻、电位器输出特性等的自动测量和试验。

试验装置采用整体设计，具有可靠性好、集成度高、设备占地面积小、测试精度高等特点；具有自动监控、自动安全保护功能，一旦某些部件发生异常，设备会自动停止运转以保证不会对设备及人员造成伤害。

1 试验装置硬件设计

司机控制器试验装置的硬件以工控机为核心（如图1），利用PCI总线扩展槽和串口采集司机控制器及电阻检测仪的数据。其中：数据采集卡用以负责采集司机控制器的电位器、触头的开关状态和电压；电源模块为司机控制器提供110V可调电压和24V高精度电压；司机控制器逻辑点的通断状况通过PLC（可编程控制器）的输入输出点来监控实现；低电阻测试仪是为检测触点接触电阻而设计。

图1 司机控制器试验装置硬件设计框图

PLC和工控机通过RS 485通信，低电阻测试仪器通过RS 232通信。工控机基本配置为CPU酷睿双核E 5300，2G内存。试验装置采用西门子S7－200PLC对试验线路进行自动控制，采用高精度A／D（模拟／数字）模块对试验过程中的模拟量进行处理。试验装置采用高精度数显仪表，可实现试验过程的自动控制与参数的自动采集，并可实时显示试验工况，简化了操作过程；同时配备工业计算机系统可实现数据的自动采集与控制来实现测试数据的管理，并生成相关的测试报表。试验装置中同时采用了基于PCI总线的数据采集卡和基于现场总线的PLC。两者在数据的采集和控制上能起到不同的作用：前者对信号的采集更精确和灵敏，故用以采集电位器和触点电压等模拟量；后者则主要起到控制触头开合、采集触头开合状态的作用。两者采集的数据互为参考，保证了准确性，也为试验装置的功能扩展创造了可能性。

2 试验装置软件设计

根据司机控制器操作的逻辑关系，考虑到试验装置集数据采集技术、通信技术、动态图形处理技术于一体，本试验装置的软件采用LabView开发，并结合Access数据库和COM等技术。

试验装置的主程序流程图包括初始化和操作测试两部分。主程序流程如图2所示。初始化程序包括测试仪接通电源后，程序自己调用已经设置好的数据库（datasheet），然后登录试验装置的软件系统。操作测试程序是自动检测，程序依次进行换向闭合表测试、级位和电位器测试、警惕按钮测试；待所有测试完毕，则停止测试，保存试验数据，并可方便地查看测试结果。

在数据管理方面，通过ADO（高层数据库访问）技术和OLE（对象连接和嵌入）接口与数据库及数据文档进行数据交换。ADO有两种途径可以对数据库进行访问：一种是使用数据控件，几乎不需要编写代码，就能方便地实现对数据的常用操作；另一种是使用ADO对象编程，完全通过编写代码来对数据进行访问。利用ADO控件访问数据库的方式虽然简单方便，但不利于对大容量数据库进行访问，而且灵活性也不好。通过ADO对象，直接利用编码的方式实现对数据库的操作，会使数据库处理更灵活、功能更强大，并且综合性更强。本软件在数据管理方面使用ADO对象将主程序与数据库连接起来。

图2 软件系统的主程序流程结构图

在数据报表方面，可根据用户要求定制报表格式。本软件通过采用OLE技术，使用OLE容器来嵌入EXCEL对象，从而使与EXCEL对象相关联的全部数据都被复制和纳入到OLE容器控件中，切断了对象与其他应用程序的链接，确保试验数据不被其他的应用程序修改。在OLE容器中嵌入对象可以通过在设计时使用OLE容器的“插入对象”对话框或者在运行时用Create Embed的方法。而在本应用程序中，采用了Create Embed方法在运行时动态嵌入EXCEL对象，提高了程序的运行效率和可靠性。

工控机操作界面的设计既要考虑试验项目的需要，又要方便操作，同时应美观、实用。为此，设计了多级操作界面。为保证试验的科学性和严肃性，所有控制参数和与试验项目有关的数据都不允许修改。在主界面上不仅有司机控制器型号的选择，还可根据现场试验的实际情况，设置了“查询未完成试验”、“继续上次试验”和“查询试验结果”等功能，使界面的设计更加人性化。

在试验装置工作过程中，所有试验数据都实时显示在液晶显示器上，直观、清晰，方便操作人员观测试验进展情况。同时，在界面的右方提示本项试验的标准，方便试验操作人员和工程技术人员清楚地了解试验的目的和结论。在操作界面左下角标注“提示信息”。这个信息包含了试验电源的工作状态信息和故障状态信息。通过观察这些信息，操作人员可以实时掌控试验装置的工作状态，出现故障时也可以通过故障信息迅速地对试验装置进行维修和调试。

3 主要试验项目及方法

3.1 司机控制器的开关动作逻辑试验

检测触点闭合、断开的方法（如图3）是：控制触头Kn一端接地，另用选定的数据采集卡检测输入量Dn是否为1或0（1表示闭合，0表示断开）。图3中Kn为被检测的触头；Kx为接地控制开关，由数据采集卡控制；Dn为采集卡数字输入变量号（即检测点）。

图3 开关动作逻辑试验原理图

按司机控制器逻辑闭合表的要求进行司机控制器的触头闭合、断开状态的逻辑测试，并在计算机显示屏上直观地实时显示。

3.2 司机控制器的触头电阻测定

检测触头接触电阻的基本原理（如图4）是：当检测某一触头Kn处于闭合状态时，如果要测量其接触电阻RKn，就控制闭合触头两侧开关Ky和Kx给该触头通以电流，然后检测出的触头两端的电压Un2、Un1，计算出触头接触电阻RKn。

其中，I为施加的测试电流值。

图4 触头电阻测定试验原理图

当被测电阻阻值小于几Ω，测试引线的电阻、探针同测试点的接触电阻与被测电阻相比已不能忽略不计时，若仍采用两线测试方法必将导致测试误差增大。此时，可采用开尔文连接方式来进行测试，如图5所示。

图5 开尔文电桥原理图

图5中R1、R2、R3、R4均为可调电阻，Rx为被测触头电阻，RN为低值标准电阻。根据开尔文电桥简化图（如图6），调节R1、R2、R3、R4使电桥平衡。此时，Ig＝0，I1＝I3，I2＝I4，I5＝I6，且有

其中，RA为滑线电阻值。

三式联立求解可得

将RN和Rx的接线电阻和接触电阻巧妙地转移到电源内阻和阻值很大的桥臂电阻中（如图6），又通过R1R4＝R2R3和RA≈0的设定，消除了附加电阻的影响，从而保证了测量低电阻时的准确度。

图6 开尔文电桥简化图

3.3 试验装置电位器输出特性试验

检测电位器的输出电压，可以采用生成报表的形式直接观测数据（如表1所示）。

4 试验操作步骤

实验员在开始试验之前必须确认电源已正常开启，并观察试验装置上“电源电压”表读数，确认供电正常。开启计算机后，将司机控制器放入安装位置，并接好司机控制器与试验装置之间的连线。双击计算机桌面上“司机控制器试验台测试软件”图标，进入试验软件用户登录界面，填写用户名和密码，点击登录（如图7）。

表1 试验报表

图7 软件登录界面

登录成功后，即可进入到试验程序界面（如图8）。点击“新建”，即新建试验数据库对话框。选择“开始测量”，即开始触点逻辑试验，计算机提示确定时，请点击“确定”按钮。

图8 试验界面1

试验完毕，波形稳定不变后，点击“报表”，查看试验结果，并可选择是否保存和打印（如图9），点击界面上所示的“生成”，即可生成EXCEL文档格式的试验报表。

图9 试验界面2

5 结语

本次开发设计的地铁车辆司机控制器试验装置已用于深圳地铁3号线地铁车辆中进行司机控制器性能参数的试验和测定。该装置能够进行开关动作逻辑、触头电阻和电位器输出特性的自动测量和试验。通过对地铁运营公司车辆维修过程中的司机控制器进行测试，验证了本装置硬件、软件设计合理，功能完善，能满足地铁车辆司机控制器性能检测的要求。

测试过程由计算机自动完成，不需要人工干预。测试结果由试验装置利用数据库技术保存以备打印。

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