基于虚拟仪器的机车信号设备抗谐波干扰测试系统

田建兆，王锡奎，薄宜勇

（南京铁道职业技术学院，南京 210031 ）

机车信号是保证铁路行车安全的重要设备。在电气化区段，机车信号设备经常受到不平衡牵引电流干扰，导致掉码[1]。当不平衡电流干扰的谐波成分处于信号带宽内，且达到一定幅度时，机车信号主机就解调不出或者误解调当前信号的载频、低频，导致故障停车[2-3]。

通用式机车信号出厂测试、日常维护前必须进行相应的测试，其中，电气化干扰测试中谐波测试是必测内容，机车信号在谐波干扰下，能够正确译解信息[4]。文献[5]规定机车信号设备要进行抗谐波干扰测试，但没有给出测试的方法；文献[6]虽然给出了抗谐波干扰的方法和原理，但没有说明测试的手段。而在传统机车信号设备抗谐波干扰测试中，需要移频信号发生装置、谐波发生装置、数据记录仪、CD96移频表等设备组建，人工手动测试。测试过程中，8种载频包含18个低频信息，分别对应3种不同带宽的谐波，完整测试组合为432个序列，如果每个序列需要时间为30 s，不计中间故障耽误的时间，需要时间约为4 h，每一个序列测试需要多人协作完成，人工发生信号，人工判断测试结果，效率低下，测试精度不高，容易出现误判、漏判。文献[7]虽然采用了虚拟仪器技术进行谐波测试，但只是开环测试，测试效率和精度不高。

本文采用虚拟仪器技术，实现移频信号和谐波干扰的同时生成，并进行闭环自动调节，自动判断机车信号设备状态，提高测试效率和精度。

1 机车信号设备抗谐波干扰测试系统设计

1.1 测试原理

通用机车信号设备抗电气化谐波干扰，依据文献[5]和文献[6]给出的不平衡牵引电流抗扰度试验的方法，通过耦合装置把谐波干扰注入到被测系统中进行测试。

1.2 自动测试结构

为使抗谐波干扰自动测试有更高的可信度，本系统采用半实物半仿真的环境。利用钢轨作为移频信号和谐波干扰的传输通道，感应线圈安装方式同现场一致；利用虚拟仪器测试技术产生移频信号和谐波干扰，并采集机车信号状态[8]。测试结构原理如图 1 所示 。

图1 测试结构原理

该测试系统硬件主要包括工控机、多功能采集卡、接口电路、电流传感器、辅助测试装置；利用多功能采集卡模拟输出移频信号和谐波干扰、模拟输入采集钢轨电流和灯位状态；辅助测试装置包括钢轨、电流传感器、功放、模拟钢轨、耦合装置等。模拟钢轨由可调电阻和电感组成，实现钢轨不平衡电流的调整；耦合装置为扼流变压器，通过该装置把谐波干扰注入被测系统中。

机车信号设备在进行抗谐波电流干扰测试中，根据TB/T 3287-2013[5]要求调整好移频信号电流，再将谐波电流通过扼流变压器注入到钢轨，此时，钢轨中包含移频信号和谐波干扰电流。机车信号接收线圈感应钢轨中的电流，并译码其中的低频信号，点亮对应的灯位。当移频信号和谐波干扰调整到位后，开始进行信号灯状态的采集，从而实现闭环自动测试。

1.3 多功能采集卡

PXIe6361多功能采集卡，可实现模拟信号、数字信号的采集和模拟信号的输出。主要指标，包含8个差分或16个单端模拟输入，采样率为多通道1 MS/s；2个模拟输出，数模转换器（DAC）分辨率16 bit，最大更新率为1个通道 2.86 MS/s，2个通道2 MS/s。该采集卡性能指标完全满足测试要求。

1.4 闭环测试原理

实现机车信号抗谐波干扰的自动测试，关键技术在于移频信号、谐波干扰的自动调整，从而实现432种测试序列的自动测试。本测试装置可以同时生成谐波干扰和移频信号，并对其进行闭环调整。谐波闭环调节原理如图2所示：（1）工控机运行的LabVIEW生成谐波干扰并利用PXIe多功能采集卡AO端口进行输出，通过功率放大后经扼流变压器注入到钢轨中；（2）利用电流传感器采集钢轨中的谐波电流，通过PID算法进行调节，直到谐波电流值即（两轨电流之差）满足设定值时，此时谐波调整完毕。同理，调整移频信号，当移频信号和谐波都调整完成，开始测试，采集信号灯的状态，判断结果[9-11]。

图2 谐波闭环调节

2 软件设计与实现

2.1 软件设计

谐波电流测试中，8种载频分别发送18个低频信号，每一种载频分别对应3种带宽的谐波。不同频率的谐波电流值按照文献[6]所给的谐波与基波电流的比例关系计算得出。谐波测试流程如图3所示。

2.2 编程实现

图3 机车信号抗不平衡谐波干扰测试流程

本测试系统采用LabVIEW编程语言进行开发，为提高程序模块化程度，提高开发效率，采用常用的动态加载方式。子程序（子VI）主要包括，钢轨电流采集、数据存储及回放、信号灯位采集及状态判断、信号生成、比例-积分-微分（PID）控制等模块，其中，PID控制函数通过LabVIEW平台PID工具包中的PID.VI模块实现[12]，如图4所示。测试界面如图5所示，数据采集界面如图6所示。

图4 PID 函数集

3 测试结果

两条钢轨上的谐波电流差值即不平衡谐波电流，为测试过程所需要的谐波电流值。其负荷变化不大，控制通道滞后较小，因此要求余差很小，PI控制器即可满足要求；P、I参数根据经验及反复调整得出。80 mA谐波电流调整过程如图7所示，调整完成需要2 s左右，远小于人工调整时间。

图5 测试界面

图6 数据采集界面

图7 PID调整过程

测试过程中，利用LabVIEW的技术数据管理流（TDMS）存储模块进行存储，方便测试过程中的数据分析，移频叠加谐波的频谱分析，如图8所示。

图8 数据回放

4 结束语

本文设计了一套基于虚拟仪器的机车信号设备抗谐波干扰测试系统，该系统利用虚拟仪器测试技术和经典PID算法调节，通过搭建半实物半仿真测试环境，使得谐波干扰幅度快速地收敛于干扰设定值，并实现了自动测试。经过实验验证，该系统可以省去人工调节，令测试效率明显提高，误差明显降低。本文只是采用经典PID算法，自动调节时间依然相对偏长，可考虑PID与模糊算法相融合进行谐波幅值调整，实现闭环调整时间大幅降低。