城轨制动系统电子控制装置测试方法的研究*

2018-11-15赵玉其

铁道机车车辆 2018年5期

赵玉其，王硕

(中国铁道科学研究院集团有限公司机车车辆研究所，北京 100081)

城市轨道交通列车制动系统一般由风源系统、制动控制系统、基础制动、空气制动防滑控制装置、空气悬挂装置等设备组成，系统结构框图示例见图1。制动控制系统包括制动管路系统和制动电气控制系统，而制动电气控制系统的核心是制动控制装置(简称BCU)。

BCU-制动控制单元；PBS1-停放制动施加按钮；EBS-紧急制动按钮；HCR-头车控制继电器； DCU-牵引控制单元；BCM-总线耦合模块；PCU-停放制动控制装置；PBS2-停放制动缓解按钮； ATPEB ATP-紧急制动继电器；CPRS-强迫缓解按钮；AXM-模拟量输入/输出模块。图1 制动电气控制系统框图示例

制动控制装置(BCU)由制动电子控制装置(简称EBCU)和气动执行装置(简称PBCU)两部分组成。制动电子控制装置是制动系统的大脑，是控制中枢，它的工作状态的正常与否对地铁列车的运行安全至关重要。因此，无论对于制动系统的产品研发、控制策略的优化、设备生产检验还是设备的故障分析，都需要对制动电子控制装置进行测试检查。

1 测试内容和方法

制动电子控制装置的主要组成部件有制动控制插件、防滑控制插件、网络通信插件、模拟量输入输出插件、开关量输入输出插件、存储显示插件等。按接口类型分，这些插件包括数字量输入接口和输出接口、模拟量输入接口和输出接口、PWM输入接口、PWM输出接口、MVB接口、CAN接口、其他串口(如标准串口、高速串口等)等。按照接口的应用对象来分，有数字量指令输入接口、数字量状态信号输出接口、电空转换功能接口、防滑控制功能接口、通信接口等。

制动电子控制装置检测包括部件测试和装置测试，部件测试和装置测试都需满足EBCU的性能参数要求。下面分别进行介绍。

1.1 部件测试

部件测试是指对组成EBCU的各类板卡插件的测试，主要测试板卡插件的电气接口的功能和性能是否满足应用设计要求，一般只用于生产和维修时的测试检验。

部件测试侧重于接口通道的输入输出信号范围是否合格，相邻通道信号是否会发生耦合，信号采样精度等是否符合系统要求，在特定的模式下响应是否及时等。不同类型的电气接口测试的内容也有所不同。

开关量输入测试内容包括状态切换、跳变电压和独立性测试等。开关量输出测试包括状态切换和独立性测试。PWM、模拟量输入和输出测试包括通道采样的输入输出范围测试、测量误差评判、独立性测试等。

通信测试根据通信接口类型的不同，采取的测试方法也不同。MVB接口测试采用镜像测试，测试内容包括请求和响应是否符合要求，响应是否超时、持续测试的通信的准确率和错误率等。CAN总线和其他串口的通信测试都采用一对一接口测试方法，测试请求和响应的及时性和一致性。

1.2 装置测试

装置测试是指对一台制动电子控制装置进行软硬件集成测试，是对EBCU的功能和逻辑进行整体测试，主要用于评估系统的功能是否满足要求、控制策略是否需要优化以及分析系统故障的特征和原因等。装置测试一般根据应用对象的不同进行分类集成测试。

装置测试时，通常要求被测装置的软硬件配置与现场应用的装置相同。由于目前国内的城市轨道交通制动系统的设备接口和通信协议因线路和项目而不同，设备接口和通信协议都是主机厂和制动系统供应商协商的。因此针对不同项目的测试，EBCU的软硬件配置、测试的内容和策略都是需要与项目对应一致。

装置测试内容主要包括通信测试、控制指令输入和输出测试、状态信号输入输出测试、电空转换功能逻辑测试、防滑控制功能逻辑测试等等。测试的内容互相影响，信号的输入将影响信号输出的变化逻辑。测试的主控单元模拟现场信号的变化规律、变化范围和频率等，产生仿真信号作为EBCU的输入信号激励。在特定信号的激励下，EBCU将根据特定的控制逻辑，产生信号输出。测试的主控单元实时采集EBCU输出信号，并结合EBCU信号输入状态，进行综合判断。

对于电空转换功能逻辑的测试，测试的主控单元需要对制动压力的变化规律进行近似模拟，对不同制动级位下制动压力变化时的制动减速度和速度的变化规律进行近似模拟，然后根据EBCU的制动控制逻辑对EBCU的制动压力输出驱动信号和制动控制阀的输出控制信号的变化进行综合判断。

对于防滑控制功能逻辑的测试，测试的主控单元需要对防滑控制发生的前提条件(速度信号的不一致性)进行信号模拟，然后根据EBCU的防滑控制阀的输出进行采样，并综合判断。

2 测试系统开发

EBCU专用测试系统，应在产品研发的过程中测试方法灵活方便，在产品检验过程中，能够尽量较少人为因素导致的不确定性，提高自动化程度，加快测试进度，提高可靠性。因此，建设一个符合要求的专用测试系统，能够使得城轨制动系统电子控制装置的测试有序、高效的展开，提高测试效率和降低测试成本，保证产品的发布和生产的进度。

2.1 系统方案

城轨制动系统电子控制装置测试系统主要由测控主机、信号调理转换模块、被测对象组成。图2为测试系统原理示意图。

测控主机是测试系统的核心部分，主要完成测试系统的资源配置和测试过程的控制管理。测控主机硬件包括CPU单元、数字量输入输出接口模块、模拟量输入输出接口模块、通信接口模块等；软件为测试系统主测控程序。

信号调理转换模块是对测控主机接口单元和被测对象的外部接口进行匹配调理，使两边接口的电气特性能够匹配，达到主控单元和被测对象信号连接的目的。

部件测试时，被测对象是指组成EBCU的板卡插件。装置测试时，被测对象是指完整的制动电子控制装置。

2.2 硬件设计

制动电子控制装置的接口信号很多。在测试系统硬件设计时，需要对这些接口信号进行分类、性能参数统计分析，同时考虑部件测试和装置测试的硬件复用的问题。制动电子控制装置测试系统硬件结构图见图3。

测控主机采用成熟运用的工控计算机和接口模块。选择工控机系统时，充分考虑系统功能和性能的要求、以及系统未来的扩展需求，在满足现有被测对象的测试需求的同时，考虑未来可能增加的新的板卡或装置类型。

信号调理转换模块按照信号接口的类型分类，设计成不同类型接口转换模块，并充分预留接口以便扩展。

图2 测试系统原理示意图

图3 制动电子控制装置测试系统硬件结构图

测控主机系统与信号调理模块是在接口匹配的基础上统一选型设计的。其接口的连接转换能够满足测试系统的测试需求。

2.3 软件设计

制动电子控制装置测试系统要实现高效的自动化测试，测控软件的设计是核心。

第1步，明确测控软件的需求。根据被测对象的测试需求对软件的测试内容进行分层分类，并进行特征属性的提取和定义。

第2步，进行功能模块划分。采用模块化设计思想，将测控软件分成测试接口驱动、测试模型管理、测试逻辑实现、报表生成等功能模块，定义各功能模块的功能和属性。

第3步，定义各功能模块之间的接口，设计测控软件的主程序流程。主程序流程描述测试过程中程序的控制流的情况，处理的执行顺序和执行条件。

软件设计完成后(测试主程序流程图见图4)，开始软件的代码实现，最后进行测试系统的调试测试。

3 实际应用

目前，城轨制动系统电子控制装置测试系统已经在集成测试试验室和生产车间成功应用。作为重要的测试设备，本测试系统在城轨制动系统电子控制装置的研发过程中的软硬件模块测试、装置测试、产品发布后的优化改进、回归测试、生产过程中的质量检测中起到了重要作用。尤其重要的是，许多在现场较难测试的边界情况，得以在试验室能够轻松模拟，并能够方便快速的进行应对策略验证，例如防滑控制策略中的车辆的各级轴速度和减速度的模拟及防滑故障判断，从而预先进行控制方法的优化和改进，减少现场出现极端情况时系统出现的处理漏洞，完善城轨制动系统的安全导向处置策略。部件测试则基本实现了一键自动化测试，具有操作方便、进程快速、一致性好的特点，测试结束后将自动形成报表，并以表格形式的通用文件进行存档。