高速电磁阀在自适应单车试验系统中的设计应用

高速电磁阀在自适应单车试验系统中的设计应用

火车制动过程是通过车辆底部列管排气减压使制动缸充气增压带动制动机工作来完成的。单车试验系统是通过模拟火车列管的各种标准排风过程，进而对制动机进行检测的工具。

随着70 t级货车车辆的投入运行，火车车辆长度从最初的14.5 m增加到最长的26.5 m时，车辆底部列管容积也相应增大，但在利用单车试验系统对列车制动机进行检测时，要求列管减压排风曲线仍与原来标准容积15.5 L的列管排风曲线一致，以满足制动机的使用条件。原来的单车试验系统只能在车辆长度为14.5 m，列管系统容积为15.5 L的45 t级的车辆检测时模拟标准减压排风过程，因此原有单车试验系统已不能满足铁道部对列车制动系统的试验要求。

为此，对原有单车试验系统进行了改造升级，利用脉宽调制式高速电磁阀(PWM高速电磁阀)自动调节排风孔径，对原有的排风过程进行补偿，使不同容积列管的减压排风过程均能满足工艺要求。自适应单车试验系统已成功应用于太原车辆厂、洛阳车辆段的生产检测中。

1 方案的制定

要求任意容积的列管在试验的排风过程中都可以自动达到铁道部对制动机试验要求的排风减压过程，这就意味着要改变相应的减压排风孔径，即在原有单车试验系统的基础上改变对应排风电磁阀的排风孔径。

在经历了手动单车试验系统、微控单车试验系统、DCS微控单车集中试验系统后，近几年也有人在单车试验系统中采用增量式数字流量阀来适应各种不同列管容积的车型，其原理是利用步进电机控制螺纹调节杆，使转角位移转换为轴向位移，使阀中调节弹簧获得压缩量，从而改变排气电磁阀的排风孔径，使列管的排风减压曲线与标准曲线相同。但是在实际应用中这种方法具有成本高，控制目标和算法复杂的缺点，所以这种单车试验系统在实际应用中不能达到预期的控制效果，自适应单车试验系统采用了PWM高速电磁阀作为流速调节的主要手段，对单车试验时的排风过程进行自适应调整，使不同列管容积的列车排风减压曲线都能满足铁道部的工艺要求。

PWM高速电磁阀是由经过调制的脉冲信号控制阀口的高速开关，以改变阀口开启与关闭的时间比(占空比)，从而调节阀输出的平均流量或压力。其抗干扰能力强，控制精度高，在计算机实时控制的气动系统中已经得到广泛应用。

采用PWM控制的高速电磁阀作为补偿阀的自适应单车试验系统，在单车试验过程中实时调节系统终端状态，使单车试验过程中列管的排风曲线符合铁道部制定的标准排风曲线。这种控制方法可适应不同容积列管的排风要求，在短时间内，以最快的响应速度，使试验对象的排风曲线跟踪理想排风曲线，进而满足试验的要求。本系统以VB作为上位机的编程语言，西门子200系列PLC作为下位机，利用经典的PID控制原理对PWM高速电磁阀的脉冲占空比进行实时调整，使试验过程中各项指标都满足了工艺要求。

2 PWM高速电磁阀特性分析

在利用PWM技术对气体进行控制的过程中，由于气体的慢时变特性高速电磁阀的作用，使其相当于一个积分器，因此可以通过控制阀的流速变化率来达到控制流量的作用。其工作过程中电磁阀的等效面积Sc可表达为：

式中：SPWM为高速电磁阀的输出。当PWM信号的频率足够高时，由于系统回路和系统组成元件本身有低通滤波特性，气体动力信号表现为载有某些频率信号的连续性慢变信号，这样，高速开关阀在信号作用下又表现出数／模转换的功能。这说明，在传统的开关电磁阀上引入PWM控制方式，可实现对流体动力信号的连续控制。

当给高速电磁阀作用一电压幅值U，时间宽度为T的PWM脉冲时，每个周期中通过高速开关阀的气体的平均流量为Q，则有：

式中：Qmax为阀口全开时通过阀的最大流量(单位：L／min)；D为占空比；Cd为为高速开关阀流量系数；Av为阀口流通面积(单位：cm2)；△P为阀口压差(单位：MPa)；ρ为油液密度(单位：kg／cm2)。

式(2)为理想式，由于阀芯位移波形存在失真，实际占空比有所改变，故应对式(2)进行修正。这一修正量随上述6个参数的差异增大而增大。实际平均流量式应为：



式中：k为修正系数。从式(4)可以看出，通过调节占空比D，就可以连续地控制通过开关阀的平均流量，实现对流量的准确连续控制，最终实现对输出口压力的控制。

3 系统设计

3.1 系统气路结构图

在采用PWM控制高速电磁阀之前，要根据不同容积的列管在工作腔排风口加入相应孔径的排风电磁阀。随着铁路大提速和列车载重量的不断增加，列车底部列管的容积不断发生变化，所以相应电磁阀的数量也要不断增加。然而，由图1可知，在采用了PWM高速电磁阀作为补偿阀的自适应单车试验系统中，原来与工作腔连接的各种排风孔径的电磁阀被一个固定孔径的电磁阀和一个高速电磁阀所代替，连接点大大减小。这样在提高了试验系统适用范围的同时，还使得终端配件数减小，降低了生产与维护难度。

3.2 系统控制部分的设计

自适应单车试验系统的上位机程序用VB编写完成。整个上位机程序分成通讯部分、数据记录管理部分和控制显示三个部分。通讯部分利用VB的MSComm控件，完成与下位机PLC的双向自由口通信，实时地把上位机的操作指令发送到下位机，通过改变PLC中相应的寄存器内容来控制PLC输出结果。同时，将下位机读取到的压力数据传输到VB中，由MSComm控件接受供进一步处理。由于系统试验所记录的大量数据都要在数据库中保存，所以数据记录管理部分利用ADO技术建立与Access数据库的连接，完成数据的存取。Access数据库文件与VB程序互相独立存在，这样便保证了实验数据可以长期存储。作为系统的人机交互界面，控制显示部分将操作员操作指令转化为控制信号提供给通讯模块发送到下位机，并将通讯模块接收到的压力数据进行处理，转换为直观的压力随时间变化的曲线进行记录。

由于要利用高频脉冲输出功能，所以采用了西门子S7-200系列PLC中DC／DC226PLC作为系统的下位机。PLC程序采用结构化方法，由初始化程序、数据采集程序和排风试验程序三个部分组成，如图2所示。


初始化程序主要包括三方面的内容：PWM功能的初始化、自由口通信的初始化和PID功能的初始化。数据采集程序在对标准的15.5 L容积列管进行试验时利用20 ms计时中断实时地采集压力值，并且存入指定的寄存器之中，等实验结束后通过通信程序上传给上位机作为标准值存储记录。

排风试验程序是整个系统的关键部分。其中，包含了数据下载，PID的闭环控制和PWM信号输出三部分。排风之前将采集到的离散化标准曲线从上位机下载到PLC指定的寄存器之中，用一个指针变量指向第一数据。当排风开始时，将第一个数据作为标准量传给PID模块，PID模块根据模拟量输入模块231采集到的当前压力值和这个标准量计算输出相应结果，这一结果转换成占空比后再由PLC的Q0.0。输出调制脉冲。由于PLC的输出不能直接驱动PWM高速电磁阀，所以在PLC与电磁阀之间要加入固态继电器，对PLC输出的脉冲信号进行放大，PLC的输出脉冲才能最终控制PWM高速电磁阀开启与关闭。排风过程中每隔20 ms指针变量便移向下一个数据，并把它传给PID模块；PID模块在整个实验过程中根据不断改变的标准量和当时的压力值，调整PWM信号的占空比，从而使不同容积列管的排风压力曲线与标准15.5 L排风压力曲线吻合。

4 自适应单车试验的试运行

按照中华人民共和国铁道部2008年发布的《铁路货车制动装置检修规则》的要求，对采用PWM高速电磁阀的自适应单车试验系统进行机能检查(指单车试验器本身是否合格的检查，为铁路专用名词)，将单车试验器与容积15.5 L的列车管容积校验风缸相连，各位置排气时间都符合检修规定。

机能检测合格后对采用了PWM高速电磁阀的自适应单车试验器系统进行进一步测试，在70 t级列管容积为17.5 L的货车条件下模拟各种制动过程。首先，使试验器模拟安定试验位(120阀、120-1阀用)的排风压力过程。安定试验位试验要求记录列管压力从500 kPa下降到300 kPa的变化过程。对容积为15.5 L的标准列管和容积为17.5 L的列管分别进行试验，其中对容积为17.5 L的列管的试验又分为开启PWM高速电磁阀和不开启两种情况。对上述试验过程中压力随时间的变化进行记录并绘制出了曲线图，如图3所示。图中深色曲线为17.5 L的压力变化曲线，浅色为15.5 L的压力变化曲线，跟踪浅色曲线的深色曲线抖动是因为测压点离高速电磁阀太近，造成的不影响制动机的工作。由图3可知，17.5 L的列管不开唐PWM高速电磁阀试验时，压力变化曲线明显偏离了15.5 L时的标准变化曲线；开启PWM高速电磁阀进行试验后所测得的变化曲线紧紧跟随标准曲线变化。这一结果表明，当被测对象容积发生明显改变后，利用PID控制PWM高速电磁阀进行排风孔径的调节，可以保证压力随时间变化的曲线仍然与标准15.5 L压力变化曲线基本重合，达到预想的要求。



此外，又对5位安定试验位(在6.5～9 s时间内列管压力从500 kPa降至300 kPa)、紧急制动位(在3.5～5 s时间内列管压力从500 kPa降至200 kPa)和120阀、120-1阀用紧急制动位(在1.5～2.5 s时间内列管压力从500 kPa降至200 kPa)分别做了15.5 L标准情况下和17.5 L开唐PWM高速电磁阀情况下的试验。在17.5 L开启PWM高速电磁阀情况下排风同时进行缓慢的充风，以模拟干扰的情况。以上试验分别记录压力数据并绘制曲线，如图4所示。



图4中17.5 L开启PWM高速电磁阀情况下记录的深色曲线都很好地跟随了标准曲线变化。这些试验更进一步表明，自适应单车试验系统完全达到预想的目的，符合实验要求。

5 结语

经过实践证明，自适应单车试验系统研制成功后，很好地解决了70 t级货车车辆的单车试验问题，并且降低了管路部分的复杂程度，减少了管路连接，更有利于保证设备的密封性，减少了设备制造和维护的难度。同时系统也能方便地对其他专用车辆进行测试，系统的适用范围也得到了扩展。