高速電磁閥在自適應單車(chē)試驗系統中的設計應用

火車(chē)制動(dòng)過(guò)程是通過(guò)車(chē)輛底部列管排氣減壓使制動(dòng)缸充氣增壓帶動(dòng)制動(dòng)機工作來(lái)完成的。單車(chē)試驗系統是通過(guò)模擬火車(chē)列管的各種標準排風(fēng)過(guò)程，進(jìn)而對制動(dòng)機進(jìn)行檢測的工具。

隨著(zhù)70 t級貨車(chē)車(chē)輛的投入運行，火車(chē)車(chē)輛長(cháng)度從最初的14.5 m增加到最長(cháng)的26.5 m時(shí)，車(chē)輛底部列管容積也相應增大，但在利用單車(chē)試驗系統對列車(chē)制動(dòng)機進(jìn)行檢測時(shí)，要求列管減壓排風(fēng)曲線(xiàn)仍與原來(lái)標準容積15.5 L的列管排風(fēng)曲線(xiàn)一致，以滿(mǎn)足制動(dòng)機的使用條件。原來(lái)的單車(chē)試驗系統只能在車(chē)輛長(cháng)度為14.5 m，列管系統容積為15.5 L的45 t級的車(chē)輛檢測時(shí)模擬標準減壓排風(fēng)過(guò)程，因此原有單車(chē)試驗系統已不能滿(mǎn)足鐵道部對列車(chē)制動(dòng)系統的試驗要求。

為此，對原有單車(chē)試驗系統進(jìn)行了改造升級，利用脈寬調制式高速電磁閥(PWM高速電磁閥)自動(dòng)調節排風(fēng)孔徑，對原有的排風(fēng)過(guò)程進(jìn)行補償，使不同容積列管的減壓排風(fēng)過(guò)程均能滿(mǎn)足工藝要求。自適應單車(chē)試驗系統已成功應用于太原車(chē)輛廠(chǎng)、洛陽(yáng)車(chē)輛段的生產(chǎn)檢測中。

1 方案的制定

要求任意容積的列管在試驗的排風(fēng)過(guò)程中都可以自動(dòng)達到鐵道部對制動(dòng)機試驗要求的排風(fēng)減壓過(guò)程，這就意味著(zhù)要改變相應的減壓排風(fēng)孔徑，即在原有單車(chē)試驗系統的基礎上改變對應排風(fēng)電磁閥的排風(fēng)孔徑。

在經(jīng)歷了手動(dòng)單車(chē)試驗系統、微控單車(chē)試驗系統、DCS微控單車(chē)集中試驗系統后，近幾年也有人在單車(chē)試驗系統中采用增量式數字流量閥來(lái)適應各種不同列管容積的車(chē)型，其原理是利用步進(jìn)電機控制螺紋調節桿，使轉角位移轉換為軸向位移，使閥中調節彈簧獲得壓縮量，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(xiàn)與標準曲線(xiàn)相同。但是在實(shí)際應用中這種方法具有成本高，控制目標和算法復雜的缺點(diǎn)，所以這種單車(chē)試驗系統在實(shí)際應用中不能達到預期的控制效果，自適應單車(chē)試驗系統采用了PWM高速電磁閥作為流速調節的主要手段，對單車(chē)試驗時(shí)的排風(fēng)過(guò)程進(jìn)行自適應調整，使不同列管容積的列車(chē)排風(fēng)減壓曲線(xiàn)都能滿(mǎn)足鐵道部的工藝要求。

PWM高速電磁閥是由經(jīng)過(guò)調制的脈沖信號控制閥口的高速開(kāi)關(guān)，以改變閥口開(kāi)啟與關(guān)閉的時(shí)間比(占空比)，從而調節閥輸出的平均流量或壓力。其抗干擾能力強，控制精度高，在計算機實(shí)時(shí)控制的氣動(dòng)系統中已經(jīng)得到廣泛應用。

采用PWM控制的高速電磁閥作為補償閥的自適應單車(chē)試驗系統，在單車(chē)試驗過(guò)程中實(shí)時(shí)調節系統終端狀態(tài)，使單車(chē)試驗過(guò)程中列管的排風(fēng)曲線(xiàn)符合鐵道部制定的標準排風(fēng)曲線(xiàn)。這種控制方法可適應不同容積列管的排風(fēng)要求，在短時(shí)間內，以最快的響應速度，使試驗對象的排風(fēng)曲線(xiàn)跟蹤理想排風(fēng)曲線(xiàn)，進(jìn)而滿(mǎn)足試驗的要求。本系統以VB作為上位機的編程語(yǔ)言，西門(mén)子200系列PLC作為下位機，利用經(jīng)典的PID控制原理對PWM高速電磁閥的脈沖占空比進(jìn)行實(shí)時(shí)調整，使試驗過(guò)程中各項指標都滿(mǎn)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可表達為：

式中：SPWM為高速電磁閥的輸出。當PWM信號的頻率足夠高時(shí)，由于系統回路和系統組成元件本身有低通濾波特性，氣體動(dòng)力信號表現為載有某些頻率信號的連續性慢變信號，這樣，高速開(kāi)關(guān)閥在信號作用下又表現出數／模轉換的功能。這說(shuō)明，在傳統的開(kāi)關(guān)電磁閥上引入PWM控制方式，可實(shí)現對流體動(dòng)力信號的連續控制。

當給高速電磁閥作用一電壓幅值U，時(shí)間寬度為T(mén)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；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，故應對式(2)進(jìn)行修正。這一修正量隨上述6個(gè)參數的差異增大而增大。實(shí)際平均流量式應為：



式中：k為修正系數。從式(4)可以看出，通過(guò)調節占空比D，就可以連續地控制通過(guò)開(kāi)關(guān)閥的平均流量，實(shí)現對流量的準確連續控制，最終實(shí)現對輸出口壓力的控制。

3 系統設計

3.1 系統氣路結構圖

在采用PWM控制高速電磁閥之前，要根據不同容積的列管在工作腔排風(fēng)口加入相應孔徑的排風(fēng)電磁閥。隨著(zhù)鐵路大提速和列車(chē)載重量的不斷增加，列車(chē)底部列管的容積不斷發(fā)生變化，所以相應電磁閥的數量也要不斷增加。然而，由圖1可知，在采用了PWM高速電磁閥作為補償閥的自適應單車(chē)試驗系統中，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。這樣在提高了試驗系統適用范圍的同時(shí)，還使得終端配件數減小，降低了生產(chǎn)與維護難度。

3.2 系統控制部分的設計

自適應單車(chē)試驗系統的上位機程序用VB編寫(xiě)完成。整個(gè)上位機程序分成通訊部分、數據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PLC的雙向自由口通信，實(shí)時(shí)地把上位機的操作指令發(fā)送到下位機，通過(guò)改變PLC中相應的寄存器內容來(lái)控制PLC輸出結果。同時(shí)，將下位機讀取到的壓力數據傳輸到VB中，由MSComm控件接受供進(jìn)一步處理。由于系統試驗所記錄的大量數據都要在數據庫中保存，所以數據記錄管理部分利用ADO技術(shù)建立與Access數據庫的連接，完成數據的存取。Access數據庫文件與VB程序互相獨立存在，這樣便保證了實(shí)驗數據可以長(cháng)期存儲。作為系統的人機交互界面，控制顯示部分將操作員操作指令轉化為控制信號提供給通訊模塊發(fā)送到下位機，并將通訊模塊接收到的壓力數據進(jìn)行處理，轉換為直觀(guān)的壓力隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)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(mén)子S7-200系列PLC中DC／DC226PLC作為系統的下位機。PLC程序采用結構化方法，由初始化程序、數據采集程序和排風(fēng)試驗程序三個(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。數據采集程序在對標準的15.5 L容積列管進(jìn)行試驗時(shí)利用20 ms計時(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)驗結束后通過(guò)通信程序上傳給上位機作為標準值存儲記錄。

排風(fēng)試驗程序是整個(gè)系統的關(guān)鍵部分。其中，包含了數據下載，PID的閉環(huán)控制和PWM信號輸出三部分。排風(fēng)之前將采集到的離散化標準曲線(xiàn)從上位機下載到PLC指定的寄存器之中，用一個(gè)指針變量指向第一數據。當排風(fēng)開(kāi)始時(shí)，將第一個(gè)數據作為標準量傳給PID模塊，PID模塊根據模擬量輸入模塊231采集到的當前壓力值和這個(gè)標準量計算輸出相應結果，這一結果轉換成占空比后再由PLC的Q0.0。輸出調制脈沖。由于PLC的輸出不能直接驅動(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PLC輸出的脈沖信號進(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)數據，并把它傳給PID模塊；PID模塊在整個(gè)實(shí)驗過(guò)程中根據不斷改變的標準量和當時(shí)的壓力值，調整PWM信號的占空比，從而使不同容積列管的排風(fēng)壓力曲線(xiàn)與標準15.5 L排風(fēng)壓力曲線(xiàn)吻合。

4 自適應單車(chē)試驗的試運行

按照中華人民共和國鐵道部2008年發(fā)布的《鐵路貨車(chē)制動(dòng)裝置檢修規則》的要求，對采用PWM高速電磁閥的自適應單車(chē)試驗系統進(jìn)行機能檢查(指單車(chē)試驗器本身是否合格的檢查，為鐵路專(zhuān)用名詞)，將單車(chē)試驗器與容積15.5 L的列車(chē)管容積校驗風(fēng)缸相連，各位置排氣時(shí)間都符合檢修規定。

機能檢測合格后對采用了PWM高速電磁閥的自適應單車(chē)試驗器系統進(jìn)行進(jìn)一步測試，在70 t級列管容積為17.5 L的貨車(chē)條件下模擬各種制動(dòng)過(guò)程。首先，使試驗器模擬安定試驗位(120閥、120-1閥用)的排風(fēng)壓力過(guò)程。安定試驗位試驗要求記錄列管壓力從500 kPa下降到300 kPa的變化過(guò)程。對容積為15.5 L的標準列管和容積為17.5 L的列管分別進(jìn)行試驗，其中對容積為17.5 L的列管的試驗又分為開(kāi)啟PWM高速電磁閥和不開(kāi)啟兩種情況。對上述試驗過(guò)程中壓力隨時(shí)間的變化進(jìn)行記錄并繪制出了曲線(xiàn)圖，如圖3所示。圖中深色曲線(xiàn)為17.5 L的壓力變化曲線(xiàn)，淺色為15.5 L的壓力變化曲線(xiàn)，跟蹤淺色曲線(xiàn)的深色曲線(xiàn)抖動(dòng)是因為測壓點(diǎn)離高速電磁閥太近，造成的不影響制動(dòng)機的工作。由圖3可知，17.5 L的列管不開(kāi)唐PWM高速電磁閥試驗時(shí)，壓力變化曲線(xiàn)明顯偏離了15.5 L時(shí)的標準變化曲線(xiàn)；開(kāi)啟PWM高速電磁閥進(jìn)行試驗后所測得的變化曲線(xiàn)緊緊跟隨標準曲線(xiàn)變化。這一結果表明，當被測對象容積發(fā)生明顯改變后，利用PID控制PWM高速電磁閥進(jìn)行排風(fēng)孔徑的調節，可以保證壓力隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)仍然與標準15.5 L壓力變化曲線(xiàn)基本重合，達到預想的要求。



此外，又對5位安定試驗位(在6.5～9 s時(shí)間內列管壓力從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)間內列管壓力從500 kPa降至200 kPa)分別做了15.5 L標準情況下和17.5 L開(kāi)唐PWM高速電磁閥情況下的試驗。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。以上試驗分別記錄壓力數據并繪制曲線(xiàn)，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(xiàn)都很好地跟隨了標準曲線(xiàn)變化。這些試驗更進(jìn)一步表明，自適應單車(chē)試驗系統完全達到預想的目的，符合實(shí)驗要求。

5 結語(yǔ)

經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，自適應單車(chē)試驗系統研制成功后，很好地解決了70 t級貨車(chē)車(chē)輛的單車(chē)試驗問(wèn)題，并且降低了管路部分的復雜程度，減少了管路連接，更有利于保證設備的密封性，減少了設備制造和維護的難度。同時(shí)系統也能方便地對其他專(zhuān)用車(chē)輛進(jìn)行測試，系統的適用范圍也得到了擴展。