高速電磁閥在自適應(yīng)單車試驗(yàn)系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)應(yīng)用

火車制動(dòng)過(guò)程是通過(guò)車輛底部列管排氣減壓使制動(dòng)缸充氣增壓帶動(dòng)制動(dòng)機(jī)工作來(lái)完成的。單車試驗(yàn)系統(tǒng)是通過(guò)模擬火車列管的各種標(biāo)準(zhǔn)排風(fēng)過(guò)程，進(jìn)而對(duì)制動(dòng)機(jī)進(jìn)行檢測(cè)的工具。

隨著70 t級(jí)貨車車輛的投入運(yùn)行，火車車輛長(zhǎng)度從最初的14.5 m增加到最長(zhǎng)的26.5 m時(shí)，車輛底部列管容積也相應(yīng)增大，但在利用單車試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)列車制動(dòng)機(jī)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，要求列管減壓排風(fēng)曲線仍與原來(lái)標(biāo)準(zhǔn)容積15.5 L的列管排風(fēng)曲線一致，以滿足制動(dòng)機(jī)的使用條件。原來(lái)的單車試驗(yàn)系統(tǒng)只能在車輛長(zhǎng)度為14.5 m，列管系統(tǒng)容積為15.5 L的45 t級(jí)的車輛檢測(cè)時(shí)模擬標(biāo)準(zhǔn)減壓排風(fēng)過(guò)程，因此原有單車試驗(yàn)系統(tǒng)已不能滿足鐵道部對(duì)列車制動(dòng)系統(tǒng)的試驗(yàn)要求。

為此，對(duì)原有單車試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了改造升級(jí)，利用脈寬調(diào)制式高速電磁閥(PWM高速電磁閥)自動(dòng)調(diào)節(jié)排風(fēng)孔徑，對(duì)原有的排風(fēng)過(guò)程進(jìn)行補(bǔ)償，使不同容積列管的減壓排風(fēng)過(guò)程均能滿足工藝要求。自適應(yīng)單車試驗(yàn)系統(tǒng)已成功應(yīng)用于太原車輛廠、洛陽(yáng)車輛段的生產(chǎn)檢測(cè)中。

1 方案的制定

要求任意容積的列管在試驗(yàn)的排風(fēng)過(guò)程中都可以自動(dòng)達(dá)到鐵道部對(duì)制動(dòng)機(jī)試驗(yàn)要求的排風(fēng)減壓過(guò)程，這就意味著要改變相應(yīng)的減壓排風(fēng)孔徑，即在原有單車試驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上改變對(duì)應(yīng)排風(fēng)電磁閥的排風(fēng)孔徑。

在經(jīng)歷了手動(dòng)單車試驗(yàn)系統(tǒng)、微控單車試驗(yàn)系統(tǒng)、DCS微控單車集中試驗(yàn)系統(tǒng)后，近幾年也有人在單車試驗(yàn)系統(tǒng)中采用增量式數(shù)字流量閥來(lái)適應(yīng)各種不同列管容積的車型，其原理是利用步進(jìn)電機(jī)控制螺紋調(diào)節(jié)桿，使轉(zhuǎn)角位移轉(zhuǎn)換為軸向位移，使閥中調(diào)節(jié)彈簧獲得壓縮量，從而改變排氣電磁閥的排風(fēng)孔徑，使列管的排風(fēng)減壓曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線相同。但是在實(shí)際應(yīng)用中這種方法具有成本高，控制目標(biāo)和算法復(fù)雜的缺點(diǎn)，所以這種單車試驗(yàn)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中不能達(dá)到預(yù)期的控制效果，自適應(yīng)單車試驗(yàn)系統(tǒng)采用了PWM高速電磁閥作為流速調(diào)節(jié)的主要手段，對(duì)單車試驗(yàn)時(shí)的排風(fēng)過(guò)程進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，使不同列管容積的列車排風(fēng)減壓曲線都能滿足鐵道部的工藝要求。

PWM高速電磁閥是由經(jīng)過(guò)調(diào)制的脈沖信號(hào)控制閥口的高速開(kāi)關(guān)，以改變閥口開(kāi)啟與關(guān)閉的時(shí)間比(占空比)，從而調(diào)節(jié)閥輸出的平均流量或壓力。其抗干擾能力強(qiáng)，控制精度高，在計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制的氣動(dòng)系統(tǒng)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。

采用PWM控制的高速電磁閥作為補(bǔ)償閥的自適應(yīng)單車試驗(yàn)系統(tǒng)，在單車試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)終端狀態(tài)，使單車試驗(yàn)過(guò)程中列管的排風(fēng)曲線符合鐵道部制定的標(biāo)準(zhǔn)排風(fēng)曲線。這種控制方法可適應(yīng)不同容積列管的排風(fēng)要求，在短時(shí)間內(nèi)，以最快的響應(yīng)速度，使試驗(yàn)對(duì)象的排風(fēng)曲線跟蹤理想排風(fēng)曲線，進(jìn)而滿足試驗(yàn)的要求。本系統(tǒng)以VB作為上位機(jī)的編程語(yǔ)言，西門子200系列PLC作為下位機(jī)，利用經(jīng)典的PID控制原理對(duì)PWM高速電磁閥的脈沖占空比進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，使試驗(yàn)過(guò)程中各項(xiàng)指標(biāo)都滿足了工藝要求。

2 PWM高速電磁閥特性分析

在利用PWM技術(shù)對(duì)氣體進(jìn)行控制的過(guò)程中，由于氣體的慢時(shí)變特性高速電磁閥的作用，使其相當(dāng)于一個(gè)積分器，因此可以通過(guò)控制閥的流速變化率來(lái)達(dá)到控制流量的作用。其工作過(guò)程中電磁閥的等效面積Sc可表達(dá)為：

式中：SPWM為高速電磁閥的輸出。當(dāng)PWM信號(hào)的頻率足夠高時(shí)，由于系統(tǒng)回路和系統(tǒng)組成元件本身有低通濾波特性，氣體動(dòng)力信號(hào)表現(xiàn)為載有某些頻率信號(hào)的連續(xù)性慢變信號(hào)，這樣，高速開(kāi)關(guān)閥在信號(hào)作用下又表現(xiàn)出數(shù)／模轉(zhuǎn)換的功能。這說(shuō)明，在傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電磁閥上引入PWM控制方式，可實(shí)現(xiàn)對(duì)流體動(dòng)力信號(hào)的連續(xù)控制。

當(dāng)給高速電磁閥作用一電壓幅值U，時(shí)間寬度為T的PWM脈沖時(shí)，每個(gè)周期中通過(guò)高速開(kāi)關(guān)閥的氣體的平均流量為Q，則有：

式中：Qmax為閥口全開(kāi)時(shí)通過(guò)閥的最大流量(單位：L／min)；D為占空比；Cd為為高速開(kāi)關(guān)閥流量系數(shù)；Av為閥口流通面積(單位：cm2)；△P為閥口壓差(單位：MPa)；ρ為油液密度(單位：kg／cm2)。

式(2)為理想式，由于閥芯位移波形存在失真，實(shí)際占空比有所改變，故應(yīng)對(duì)式(2)進(jìn)行修正。這一修正量隨上述6個(gè)參數(shù)的差異增大而增大。實(shí)際平均流量式應(yīng)為：



式中：k為修正系數(shù)。從式(4)可以看出，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比D，就可以連續(xù)地控制通過(guò)開(kāi)關(guān)閥的平均流量，實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的準(zhǔn)確連續(xù)控制，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出口壓力的控制。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)氣路結(jié)構(gòu)圖

在采用PWM控制高速電磁閥之前，要根據(jù)不同容積的列管在工作腔排風(fēng)口加入相應(yīng)孔徑的排風(fēng)電磁閥。隨著鐵路大提速和列車載重量的不斷增加，列車底部列管的容積不斷發(fā)生變化，所以相應(yīng)電磁閥的數(shù)量也要不斷增加。然而，由圖1可知，在采用了PWM高速電磁閥作為補(bǔ)償閥的自適應(yīng)單車試驗(yàn)系統(tǒng)中，原來(lái)與工作腔連接的各種排風(fēng)孔徑的電磁閥被一個(gè)固定孔徑的電磁閥和一個(gè)高速電磁閥所代替，連接點(diǎn)大大減小。這樣在提高了試驗(yàn)系統(tǒng)適用范圍的同時(shí)，還使得終端配件數(shù)減小，降低了生產(chǎn)與維護(hù)難度。

3.2 系統(tǒng)控制部分的設(shè)計(jì)

自適應(yīng)單車試驗(yàn)系統(tǒng)的上位機(jī)程序用VB編寫完成。整個(gè)上位機(jī)程序分成通訊部分、數(shù)據(jù)記錄管理部分和控制顯示三個(gè)部分。通訊部分利用VB的MSComm控件，完成與下位機(jī)PLC的雙向自由口通信，實(shí)時(shí)地把上位機(jī)的操作指令發(fā)送到下位機(jī)，通過(guò)改變PLC中相應(yīng)的寄存器內(nèi)容來(lái)控制PLC輸出結(jié)果。同時(shí)，將下位機(jī)讀取到的壓力數(shù)據(jù)傳輸?shù)絍B中，由MSComm控件接受供進(jìn)一步處理。由于系統(tǒng)試驗(yàn)所記錄的大量數(shù)據(jù)都要在數(shù)據(jù)庫(kù)中保存，所以數(shù)據(jù)記錄管理部分利用ADO技術(shù)建立與Access數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，完成數(shù)據(jù)的存取。Access數(shù)據(jù)庫(kù)文件與VB程序互相獨(dú)立存在，這樣便保證了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以長(zhǎng)期存儲(chǔ)。作為系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，控制顯示部分將操作員操作指令轉(zhuǎn)化為控制信號(hào)提供給通訊模塊發(fā)送到下位機(jī)，并將通訊模塊接收到的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換為直觀的壓力隨時(shí)間變化的曲線進(jìn)行記錄。

由于要利用高頻脈沖輸出功能，所以采用了西門子S7-200系列PLC中DC／DC226PLC作為系統(tǒng)的下位機(jī)。PLC程序采用結(jié)構(gòu)化方法，由初始化程序、數(shù)據(jù)采集程序和排風(fēng)試驗(yàn)程序三個(gè)部分組成，如圖2所示。


初始化程序主要包括三方面的內(nèi)容：PWM功能的初始化、自由口通信的初始化和PID功能的初始化。數(shù)據(jù)采集程序在對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的15.5 L容積列管進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)利用20 ms計(jì)時(shí)中斷實(shí)時(shí)地采集壓力值，并且存入指定的寄存器之中，等實(shí)驗(yàn)結(jié)束后通過(guò)通信程序上傳給上位機(jī)作為標(biāo)準(zhǔn)值存儲(chǔ)記錄。

排風(fēng)試驗(yàn)程序是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。其中，包含了數(shù)據(jù)下載，PID的閉環(huán)控制和PWM信號(hào)輸出三部分。排風(fēng)之前將采集到的離散化標(biāo)準(zhǔn)曲線從上位機(jī)下載到PLC指定的寄存器之中，用一個(gè)指針變量指向第一數(shù)據(jù)。當(dāng)排風(fēng)開(kāi)始時(shí)，將第一個(gè)數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)量傳給PID模塊，PID模塊根據(jù)模擬量輸入模塊231采集到的當(dāng)前壓力值和這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)量計(jì)算輸出相應(yīng)結(jié)果，這一結(jié)果轉(zhuǎn)換成占空比后再由PLC的Q0.0。輸出調(diào)制脈沖。由于PLC的輸出不能直接驅(qū)動(dòng)PWM高速電磁閥，所以在PLC與電磁閥之間要加入固態(tài)繼電器，對(duì)PLC輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行放大，PLC的輸出脈沖才能最終控制PWM高速電磁閥開(kāi)啟與關(guān)閉。排風(fēng)過(guò)程中每隔20 ms指針變量便移向下一個(gè)數(shù)據(jù)，并把它傳給PID模塊；PID模塊在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中根據(jù)不斷改變的標(biāo)準(zhǔn)量和當(dāng)時(shí)的壓力值，調(diào)整PWM信號(hào)的占空比，從而使不同容積列管的排風(fēng)壓力曲線與標(biāo)準(zhǔn)15.5 L排風(fēng)壓力曲線吻合。

4 自適應(yīng)單車試驗(yàn)的試運(yùn)行

按照中華人民共和國(guó)鐵道部2008年發(fā)布的《鐵路貨車制動(dòng)裝置檢修規(guī)則》的要求，對(duì)采用PWM高速電磁閥的自適應(yīng)單車試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)能檢查(指單車試驗(yàn)器本身是否合格的檢查，為鐵路專用名詞)，將單車試驗(yàn)器與容積15.5 L的列車管容積校驗(yàn)風(fēng)缸相連，各位置排氣時(shí)間都符合檢修規(guī)定。

機(jī)能檢測(cè)合格后對(duì)采用了PWM高速電磁閥的自適應(yīng)單車試驗(yàn)器系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步測(cè)試，在70 t級(jí)列管容積為17.5 L的貨車條件下模擬各種制動(dòng)過(guò)程。首先，使試驗(yàn)器模擬安定試驗(yàn)位(120閥、120-1閥用)的排風(fēng)壓力過(guò)程。安定試驗(yàn)位試驗(yàn)要求記錄列管壓力從500 kPa下降到300 kPa的變化過(guò)程。對(duì)容積為15.5 L的標(biāo)準(zhǔn)列管和容積為17.5 L的列管分別進(jìn)行試驗(yàn)，其中對(duì)容積為17.5 L的列管的試驗(yàn)又分為開(kāi)啟PWM高速電磁閥和不開(kāi)啟兩種情況。對(duì)上述試驗(yàn)過(guò)程中壓力隨時(shí)間的變化進(jìn)行記錄并繪制出了曲線圖，如圖3所示。圖中深色曲線為17.5 L的壓力變化曲線，淺色為15.5 L的壓力變化曲線，跟蹤淺色曲線的深色曲線抖動(dòng)是因?yàn)闇y(cè)壓點(diǎn)離高速電磁閥太近，造成的不影響制動(dòng)機(jī)的工作。由圖3可知，17.5 L的列管不開(kāi)唐PWM高速電磁閥試驗(yàn)時(shí)，壓力變化曲線明顯偏離了15.5 L時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)變化曲線；開(kāi)啟PWM高速電磁閥進(jìn)行試驗(yàn)后所測(cè)得的變化曲線緊緊跟隨標(biāo)準(zhǔn)曲線變化。這一結(jié)果表明，當(dāng)被測(cè)對(duì)象容積發(fā)生明顯改變后，利用PID控制PWM高速電磁閥進(jìn)行排風(fēng)孔徑的調(diào)節(jié)，可以保證壓力隨時(shí)間變化的曲線仍然與標(biāo)準(zhǔn)15.5 L壓力變化曲線基本重合，達(dá)到預(yù)想的要求。



此外，又對(duì)5位安定試驗(yàn)位(在6.5～9 s時(shí)間內(nèi)列管壓力從500 kPa降至300 kPa)、緊急制動(dòng)位(在3.5～5 s時(shí)間內(nèi)列管壓力從500 kPa降至200 kPa)和120閥、120-1閥用緊急制動(dòng)位(在1.5～2.5 s時(shí)間內(nèi)列管壓力從500 kPa降至200 kPa)分別做了15.5 L標(biāo)準(zhǔn)情況下和17.5 L開(kāi)唐PWM高速電磁閥情況下的試驗(yàn)。在17.5 L開(kāi)啟PWM高速電磁閥情況下排風(fēng)同時(shí)進(jìn)行緩慢的充風(fēng)，以模擬干擾的情況。以上試驗(yàn)分別記錄壓力數(shù)據(jù)并繪制曲線，如圖4所示。



圖4中17.5 L開(kāi)啟PWM高速電磁閥情況下記錄的深色曲線都很好地跟隨了標(biāo)準(zhǔn)曲線變化。這些試驗(yàn)更進(jìn)一步表明，自適應(yīng)單車試驗(yàn)系統(tǒng)完全達(dá)到預(yù)想的目的，符合實(shí)驗(yàn)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，自適應(yīng)單車試驗(yàn)系統(tǒng)研制成功后，很好地解決了70 t級(jí)貨車車輛的單車試驗(yàn)問(wèn)題，并且降低了管路部分的復(fù)雜程度，減少了管路連接，更有利于保證設(shè)備的密封性，減少了設(shè)備制造和維護(hù)的難度。同時(shí)系統(tǒng)也能方便地對(duì)其他專用車輛進(jìn)行測(cè)試，系統(tǒng)的適用范圍也得到了擴(kuò)展。