3-车辆制动控制系统选型分析

1车辆制动控制系统选型分析厦门轨道交通集团有限公司运营分公司车辆部覃海春摘要：本文通过对车控和架控制动控制系统的介绍、应用、特点进行分析制动控制系统的选型。关键词：车控；架控；KGPM-P；EP08；EP2002；EP090引言制动系统的主要功用是使行驶中的车辆减速甚至停车，使停止的车辆保持不动。车辆制动系统的性能将直接影响着城市轨道交通车辆的安全运营状况和舒适性，因此制动系统的选型显得尤为重要。城市轨道交通车辆制动系统在控制上分以车辆为单元进行制动力控制的制动系统（简称车控）和基于转向架为单元进行制动力控制的制动系统（简称架控）两种方式。1车控制动系统采用车控方式时，每辆车具有1个制动控制单元（BCU），以车辆为单位进行制动力的计算和分配。每个BCU直接连接至车辆总线（如MVB总线等）上，各车直接接收列车的制动指令，适用于牵引控制采用车控型式的车辆进行制动力的混合分配。如图1所示。M2TC1MP1MP2TC2BCUMVB总线MVB总线BCUBCUEP08M1EP08BCUBCUBCUTC1图1车控制动控制系统示意图制动控制部分主要由电子控制部分和气动控制部分组成。微机电子控制单元根据制动缸目标压力和压力传感器检测的作用风缸压力，控制E/P转换阀对作用风缸充风或排风，实现对中继阀预控压力的闭环控制；中继阀根据预控压力实现流量放大，实现常用制动功能。缓解时，EP制动/缓解电磁阀将中继阀预控腔的压力空气排入大气。在中继阀的作用下，制动缸的压力空气经中继阀排到大气中，实现了缓解操作。常用制动时BCU内的压力控制流向如下图2所示：2作用风缸中继阀E/P控制阀压力传感器微机控制单元制动缸目标压力至制动缸图2车控系统压力控制原理常用制动的空重车调整是根据检测反映车辆载重的空气簧压力信号，对列车不同载重下的制动力进行相应调整。在空气簧破裂或P-E转换电路的输出小于空车的信号或大于超员时的车重信号时，则可按车辆的设计安全载重进行计算。车控制动技术使用比较广泛，例如德国KNORR公司的KBGM-P制动控制系统、中国铁科院EP08制动控制系统、法国FAIVELEY公司的EPACLite制动控制系统、日本NABTESCO公司的HRDA制动控制系统等均采用车控制动技术。其中前两种系统在国内应用较广泛。2架控制动系统采用架控方式时，每辆车具有两个架控制动单元，以转向架为单位进行制动力的计算和控制。其中部分架控制动单元具有网关功能，负责接收制动指令以及向其它架控单元输出制动信息。其它无网关功能的架控制动单元，通过内部CAN总线从具有网关功能架控制动单元获取制动指令。架控制动控制主要是针对同时配有动力转向架和非动力转向架的车辆应运而生的，实现基于转向架为单元实现电制动与空气制动的混合控制，也比较适合牵引系统采用架控控制车辆或者短编组列车，能够充分发挥每个转向架的电制动能力和黏着利用率。如下图3所示：BCUBCUMVB总线MVB总线BCUBCUBCUBCUEP09SEP09SCAN总线EP09SBCUBCUBCUEP09SBCUBCUBCUCAN总线TC1MP1M1M2MP2TC2图3车控制动系统布局KNORR、铁科院、FAIVELEY公司和NABTESCO公司已推出架控制动产品，但技术实现不同。KNORR公司的EP2002制动系统和铁科院的EP09制动系统，都取消了与原来制动控制独立的空气防滑阀控制，通过气动阀实现制动压力和空气防滑一体化控制。前者采用多功能集成阀结构，是将电子和气动集成一体的整体阀的概念。后者采用多个独立气动阀基于气路板集成，电子控制和气动控3制为模块化结构，便于检测及维护。而FAIVELEY公司和NABTESCO公司的架控控制技术理念是每个轴上仍保留独立的防滑阀控制方式，制动控制部分是在车控基础上实现小型化的结果。3主要车控制动系统的介绍3.1KNORR公司KGPM-P制动系统KNORR公司KGPM-P制动系统，制动电子控制单元一般单独设置在车厢内，气动集成板固定在车辆底架下。3.1.1制动电子控制单元制动电子控制单元简称为BECU。整个制动系统的控制采用二级控制，简述为“电控制气，气再控制气”。即为BECU控制气路控制单元，控制气(CV压力)再控制执行气。BECU可对列车的常用制动和快速制动的制动力进行调节控制，通过均衡阀将流量放大后最终输入到基础制动装置。BECU采用19英寸标准电子柜，按功能分类设计的印刷电路板插件排列在电子控制柜中。（如4所示）图4BECU外观结构3.1.2气制动控制单元气制动控制单元简称为BCU。它是气制动的核心，它接受制动系统电脑（BECU）的指令，然后再指示制动执行部件动作。如错误!未找到引用源。5所示，包括的部件有均衡阀(D)、模拟转换阀(A)、紧急电磁阀(E)、压力开关(H)、称重阀(C)、压力传感器(F)和测试接头(K、M、N、J、L)。4图5BCU外观结构这些部件都安装在一块铝合金的气路板上，犹如电子分立元件安装在印刷线路板上一样，实现了集成化，其气路内部连接图可用错误!未找到引用源。6来表示。这样可避免用管道连接而造成容易泄漏和所占空间大等敝病。而且在气路板上还装置了一些测试接口，要测量各个控制压力和闸缸压力。图6BCU内部气路连接3.2铁科院EP08制动控制系统EP08制动控制系统，采用模块化设计，将微机制动控制单元与气制动控制单元集成在一起。主要由电子制动控制单元（EBCU）和气动制动控制单元(PBCU)等组成，并将电子制动控制单元与气制动控制单元集成在一起。系统构成如错误!未找到引用源。7所示：5I：气动制动控制单元II：电子制动控制单元图7EP08制动控制装置布局图3.2.1电子制动控制单元EBCU是BCU中电子控制的核心部件，它接收常用制动电气指令，根据制动指令和载重信号计算本车所需的制动力，输出制动电磁阀和缓解电磁阀的控制信号。EBCU还接收所在车辆4根轴的速度信号，按照速度差或减速度等滑行判据判定车轴的滑行状态。当符合滑行的条件时，EBCU输出防滑阀控制信号。EBCU主要由电源插件、制动控制插件、防滑控制插件、开关量输入输出插件和通信显示插件等组成，布局如图8所示：61：电源插件2：制动控制插件3：防滑控制插件4：开关量输入输出插件5：通信显示插件图8EBCU布局图3.2.2气动制动控制单元PBCU是BCU中气动控制的核心部件，它接收EBCU发出的常用制动电气执行信号，将其转换为相应级别的空气信号后输出常用制动制动缸压力输出。同时，PBCU还接收紧急制动电气指令，在经空重阀的控制后输出紧急制动的制动缸压力。PBCU由压力传感器、压力测点、压力开关、空重阀、电磁阀、中继阀等组成，布局如错误!未找到引用源。9所示：71：常用制动压力传感2：制动缸压力传感器3：空簧压力传感器4：空簧压力传感器5：常用制动压力测点6：制动缸压力测点7：空簧压力测点8：紧急制动压力测点9：空簧压力测点10：总风压力开关11：空重阀12：紧急电磁阀13：制动电磁阀14：缓解电磁阀15：中继阀图9PBCU布局图EP08车控制动控制装置的EBCU和PBCU均安装在制动控制装置机箱中。保证了电气控制部件和气动控制部件各自独立，又能使系统结构紧凑，使检修和维护变得方便和快捷。气动控制单元是微机直通电空制动系统的关键部件，由电空变换阀、中继阀、紧急制动电磁阀、空重车调整阀、总风压力开关等组成。气动控制单元采用模块化设计，它将有关的气动阀组装在集成控制板上，在内部将各通路有机的联系在一起。EP08的工作原理如错误!未找到引用源。10所示。8制动微机控制单元EBCU110V+110V-多功能车辆总线(MVB)制动指令总风牵引指令快速制动作用风缸压力传感器空气簧1空气簧2制动缸紧急阀强迫缓解紧急制动指令停放制动压力开关检测停放制动控制空重阀空气簧1空气簧2PBCU中继阀制动缸压力传感器空气簧2压力传感器空气簧1压力传感器数字转换器图10制动控制原理制动缸压力基于微控制器智能数字控制,是根据制动缸目标压力和压力传感器检测的预控压力以及制动缸压力,来控制两个EP转换阀对作用风缸的充风或排风，实现对中继阀预控压力的闭环控制。中继阀采用双膜板结构，有紧急制动和常用制动两个预控压力输入，输出压力根据二者之间取大的原则，由紧急制动和常用制动两个预控压力中压力较高的控制，中继阀根据预控压力控制输出大流量的制动缸压力。4车控制动系统的应用KNORR公司KGPM-P制动系统，制动电子控制单元一般单独设置在车厢内，气动集成板固定在车辆底架下，上海、广州、北京、深圳、南京和大连轻轨等地的城轨车辆上采用了该制动系统。EP08制动控制装置采用开关电磁阀进行EP控制，固定于车辆底架下面，具有响应快速、灵活可靠、控制精确等特点以及良好的可用和可维护性，在北京、天津、沈阳、重庆、武汉和广州等地的地铁车辆上得到应用。5主要架控制动系统的介绍5.1KNORR公司的EP2002制动控制系统EP2002型制动控制系统是由德国克诺尔公司研制生产的，为电气模拟指令式制动控制系统，其核心部件是EP2002阀，负责空气制动系统的控制、监控及9与车辆控制系统的通信。该阀采用一体化结构，每个转向架配置一个制动阀。各气动阀基于同一个基板，电子和气动高度集成在一个整体中，为不可拆分的制动部件。该型制动系统在广州、上海、北京、南京、宁波等地的地铁车辆上均有应用。EP2002阀相当于常规制动控制系统中的电子制动控制单元（EBCU）和气制动控制单元（PBCU）的集成部件。每节车设有两个EP2002阀，每个EP2002阀都安装在其控制的转向架附近的车体底架上，所有的EP2002阀上都提供了多个压力测试接口，可以方便地测量制动风缸压力、制动缸压力、载荷压力、停放制动缸压力等。EP2002阀的外形如错误!未找到引用源。11所示：图11EP2002阀照片根据功能的不同，EP2002阀可以分为智能阀、RIO阀和网关阀三种。智能阀是机电一体化的产品，包括一个直接安装在气阀上的电子控制部件。智能阀产生电控制信号直接空气气阀，对其控制的转向架的电空制动和车轮滑行进行控制，并通过CAN总线与其余的EP2002阀进行通信。智能阀通过硬线与列车安全回路相连，当安全回路失电时，智能阀将使其控制的转向架产生紧急制动。智能阀的结构如错误!未找到引用源。12所示：10图12智能阀结构RIO阀除了具有智能阀的所有功能外，还可以通过硬线与其控制的转向架上的牵引单元进行模拟量信号的通信，以交换电制动与空气制动之间的载重、电制动等信息。RIO阀的结构如错误!未找到引用源。13所示：图13RIO阀结构网关阀除了具有智能阀的所有功能外，还具有制动管理的功能。另外，EP2002制动系统均需通过网关阀的通信卡连接MVB或其它网络总线，与列车控制系统进行通信。网关阀的结构如错误!未找到引用源。14所示：11图14网关阀的结构5.2铁科院EP09制动控制装置EP09制动控制单元是机电一体的集成单元，采用了气电分离的模块化设计，具有相对独立的电子制动控制单元（EBCU）和气动制动控制单元（PBCU）两部分，大大提供了制动控制单元的可用性和可维护性。制动控制单元可实现电子称重，常用制动和防滑制动一体化等功能，具有响应快、动作准确等特点。EP09架控制动系统分主制动控制模块GBCU(型号EP09G)和从制动控制模块SBCU（EP09S），每个模块是一个机电一体化的智能装置，其中包括电子控制部分和气动阀单元部分，针对主制动控制模块，其电子控制部分包括通讯接口、制动管理部分、本车制动控制部分，而从制动控制模块不包括制动管理部分。通讯接口主要是该控制模块与列车的MVB等指令的接口，响应列车的指令控制。制动管理部分主要进行本CAN网段内各个转向架控制模块的制动力的分配和管理。EP09制动控制装置外观如错误!未找到引用源。15所示：12图15EP09制动控制装置外观EBCU由电气板卡构成，安装在3U机箱内，实现不同板卡控制不同功能的模块化设计。如错误!未找到引用源。所示：图16EP09的EBCU外形PBCU由多种气动控制阀组成，在集成