CN104627201A - 用于机车制动系统的微机控制电空制动单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于机车制动系统的微机控制电空制动单元，可实现机车制动系统中电信号与空气制动压力信号的信号转换，包括气路部分和电气部分，气路部分主要由充气电磁阀、排气电磁阀和压力传感器组成，电气部分主要由生命信号模块、RS232通讯模块、模拟量输入模块、CAN通讯模块、BI输入模块、主控CPU模块、监控CPU模块、高速电磁阀驱动模块、模拟量采集模块和为上述各模块提供电能的电源处理模块组成。该电空制动单元的各电空制动单元可自主响应各电空制动单元的控制指令，各自分别对列车管、分配阀和单独制动压力进行控制，提高制动控制系统产品的稳定性，降低故障率。

Description

用于机车制动系统的微机控制电空制动单元
技术领域
本发明涉及铁路机车制动领域，具体的说，涉及一种用于机车制动系统的微机控制电空制动单元。
背景技术
随着机车制动系统的智能化、网络化发展趋势，机车制动系统中原有的纯气路控制方式逐渐被淘汰，微机控制的机车制动系统已然成为现有产品的主流。机车制动系统对列车的制动控制主要通过以下三个重要模块实现，分别为列车管控制模块、分配阀控制模块和单独制动控制模块，这三个模块的主要功能是将接收到的电指令信号转换成空气压力信号，并分别控制列车管压力、分配阀压力和单独制动压力。
其中，列车管控制模块主要用于响应制动控制器大闸手柄的指令，根据大闸手柄的位置信息，控制列车管的压力输出，货车或客车等车辆根据列车管的压力，进行制动或缓解动作，从而实现对整列车的制动控制。
分配阀控制模块用于控制机车本身制动，该模块根据机车输出的列车管压力，控制分配阀的压力输出，进而实现对机车制动缸的压力控制。
单独制动控制模块用于响应机车制动控制器小闸手柄的指令，根据小闸手柄的指令来单独实现对制动缸压力的控制，从而实现对机车本身的制动和缓解控制。
现有机车制动系统对上述三个模块施行集中控制，即由中央控制单元采集交换信息，并统一对三个模块进行交互式管理。中国专利号CN101323310公开一种用于机车电空制动机的制动控制单元，通过传感器精确采集均衡风缸和闸缸预控压力值，采用微机控制系统对均衡风缸和闸缸进行闭环控制，进而对列车管和闸缸进行精确控制，该集中控制方式在一定程度上可实现机车制动控制系统的精确控制，但由于系统各个模块不能自主响应制动控制器的控制指令，整列车系统的稳定性差，一旦系统中央控制单元出现问题，制动系统将进入瘫痪模式，列车的列车管控制模块、分配阀控制模块和单独制动控制模块均无法正常工作，严重影响列车制动的可靠性和列车行车安全。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于机车制动系统的微机控制电空制动单元，可实现机车制动系统中电信号与空气制动压力信号的信号转换，提高制动控制系统产品的稳定性，大大降低系统故障率。
本发明的技术方案是：一种用于机车制动系统的微机控制电空制动单元，该电空制动单元同时应用于列车管控制电空制动单元、分配阀控制电空制动单元和单独制动控制电空制动单元，包括气路部分和电气部分。
气路部分主要由充气电磁阀、排气电磁阀和压力传感器组成，
充气电磁阀设置于列车管充气口、分配阀充气口、单独制动缸充气口与风源之间，控制风源中压力空气注入列车管、分配阀和单独制动缸中；
排气电磁阀设置于列车管排气口、分配阀排气口、单独制动缸排气口与外界大气之间，控制列车管、分配阀和单独制动缸中压力空气排出至外界大气；
压力传感器采集列车管、分配阀和单独制动缸中压力反馈信号；
电气部分主要由生命信号模块、RS232通讯模块、模拟量输入模块、CAN通讯模块、BI输入模块、主控CPU模块、监控CPU模块、高速电磁阀驱动模块、模拟量采集模块和为上述各模块提供电能的电源处理模块组成，
主控CPU模块通过与生命信号模块电连，输出生命周期信号提示监控设备；
主控CPU模块通过与RS232通讯模块电连，用于与外部设备进行信息交互；
主控CPU模块通过与模拟量输入模块电连，接收外部系统发送的电流指令信号；
主控CPU模块通过与CAN通讯模块电连，接收外部系统发来的CAN网络指令信号；
主控CPU模块通过与BI输入模块电连，接收外部系统发来的工作使能信号；
主控CPU模块通过与模拟量采集模块电连，接收压力传感器采集的压力反馈信号；
主控CPU模块通过与高速电磁阀驱动模块电连，控制充气电磁阀和排气电磁阀充排气作业；
监控CPU模块与主控CPU模块电连，监控主控CPU模块的工作状态，并在主控CPU模块出现故障时，控制该电气制动单元导向安全制动。
该电空制动单元包括4块电路板，从下至上分别为Ⅰ板、Ⅱ板、Ⅲ板和Ⅳ板，且Ⅰ板与Ⅱ板、Ⅱ板与Ⅲ板、Ⅲ板与Ⅳ板中间通过板卡连接器连接，Ⅰ板与Ⅱ板、Ⅱ板与Ⅲ板、Ⅲ板与Ⅳ板的两端通过六角柱以层叠方式连接，所述模拟量采集模块设置于Ⅰ板，主控CPU模块和监控CPU模块设置于Ⅱ板，电源处理模块设置于Ⅲ板，RS232通讯模块、模拟量输入模块、CAN通讯模块和BI输入模块设置于Ⅳ板。
该电空制动单元的监控CPU模块实时监控主控CPU模块的工作状态，监控CPU模块控制该电气制动单元导向安全制动的方式为：当主控CPU模块出现故障时，监控CPU模块停止主控CPU模块的控制能力并取代主控CPU模块继续工作。
BI输入模块输入高电平110V时，主控CPU模块控制该电空制动单元正常工作；BI输入模块输入低电平0V时，主控CPU模块控制该电空制动单元进入休眠模式，停止工作。
所述主控CPU模块采用闭环PID控制算法，由主控CPU模块、高速电磁阀驱动模块、充气电磁阀、排气电磁阀和压力传感器组成闭环控制系统，通过高速电磁阀驱动模块控制充气电磁阀和排气电磁阀充排气作业，通过模拟量采集模块接收压力传感器采集的压力反馈信号，对目标压力进行反馈控制。
该电空制动单元的CAN通讯模块通过CAN网络与外部设备的指令信息进行数据交互，各个列车管控制电空制动单元、分配阀控制电空制动单元和单独制动控制电空制动单元中的CAN通讯模块之间可通过CAN网络进行数据信息共享传递。
本发明与现有技术相比的有益效果为：
(1)与传统机车制动系统集中控制方式相比，该电空制动单元的列车管控制电空制动单元、分配阀控制电空制动单元和单独制动控制电空制动单元可自主响应各电空制动单元的控制指令，各自分别对列车管、分配阀和单独制动压力进行控制，提高制动控制系统产品的稳定性，降低故障率，提高产品模块互换率，降低系统成本；
(2)该电空制动单元的4块电路板采用层叠方式连接，减少电路板占用面积，解决电空制动单元关于电气部分面积应小于气路部分面积的要求；同时，按照电路板的不同功能，电路板Ⅰ板～Ⅳ板采用从下至上方式布置方式，解决不同功能模块之间的电磁干扰，且便于产品升级和维护；
(3)主控CPU模块采用闭环PID控制算法，通过高速电磁阀驱动模块控制充气电磁阀和排气电磁阀充排气作业，通过模拟量采集模块接收压力传感器采集的压力反馈信号，形成全闭环压力输出控制，实现目标压力的高精度稳定输出；
(4)该电空制动单元的监控CPU模块实时监控主控CPU模块的工作状态，并在主控CPU模块出现故障时，控制该电气制动单元导向安全制动，有效提高该电空制动单元制动的可靠性和安全性。
附图说明
图1为本发明电空制动单元的结构示意图；
图2为本发明电空制动单元硬件结构示意图；
图3为本发明电空制动单元在机车制动系统中应用示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明的保护范围。
实施例1
如图1所示，本发明公开一种用于机车制动系统的微机控制电空制动单元，可接收外界系统的电气指令信号，完成指定压力的输出控制，该电空制动单元可同时应用于列车管控制电空制动单元、分配阀控制电空制动单元和单独制动控制电空制动单元，上述各电空制动单元可自主响应制动控制器的控制指令，各自分别对列车管、分配阀和单独制动压力进行控制。
该电空制动单元主要包括气路部分和电气部分两大部分。
气路部分主要由充气电磁阀、排气电磁阀和压力传感器组成。其中，充气电磁阀和排气电磁阀是压力输出控制的执行部件，由电气部分控制其压力输出的执行。充气电磁阀设置于列车管充气口、分配阀充气口、单独制动缸充气口与风源之间，控制风源中压力空气注入列车管、分配阀和单独制动缸中；排气电磁阀设置于列车管排气口、分配阀排气口、单独制动缸排气口与外界大气之间，控制列车管、分配阀和单独制动缸中压力空气排出至外界大气。压力传感器采集列车管、分配阀和单独制动缸中压力反馈信号，并将压力反馈信号输出至主控CPU模块处理。
电气部分主要由生命信号模块、RS232通讯模块、模拟量输入模块、CAN通讯模块、BI输入模块、主控CPU模块、监控CPU模块、高速电磁阀驱动模块、模拟量采集模块和为上述各模块提供电能的电源处理模块组成。
电源处理模块实现对输入电源的转换工作，将110V电源转换为该电空制动单元内部可用的24V、5V电源。主控CPU模块与生命信号模块、RS232通讯模块、模拟量输入模块、CAN通讯模块、BI输入模块、监控CPU模块、高速电磁阀驱动模块、模拟量采集模块均电连，接收上述模块发送的指令信息，并控制上述模块输出相应的控制信号。
其中，主控CPU模块与生命信号模块电连，在该电空制动单元正常工作时，控制生命信号模块输出频率为2.5Hz的生命周期信号提示监控设备，实时反应该电空制动单元的工作状态。主控CPU模块与RS232通讯模块电连，实现该电空制动单元与外部设备的信息交互。
该电空制动单元可接收外部系统指令信号并控制分别对列车管、分配阀和单独制动压力输出进行控制，并可根据接收到的指令信号作为压力控制输出的目标值，指令信号包括CAN网络指令信号和电流指令信号。主控CPU模块通过与CAN通讯模块电连，接收外部系统发来的CAN网络指令信号，并根据接收的CAN网络指令信号完成该制动控制单元的模式状态设置。主控CPU模块通过与模拟量输入模块电连，接收外部系统发送的电流指令信号，其中，模拟量输入模块可采集的电流指令信号的电流值范围为4～20mA。
主控CPU模块通过与BI输入模块电连，接收外部系统发来的工作使能信号，当BI输入模块输入为高电平110V时，该电空制动单元正常工作；当BI输入模块输入为低电平0V时，该电空制动单元进入休眠模式，停止工作。
主控CPU模块与高速电磁阀驱动模块、充气电磁阀、排气电磁阀、压力传感器组成闭环控制系统，主控CPU模块采用闭环PID控制算法，主控CPU模块通过高速电磁阀驱动模块控制充气电磁阀和排气电磁阀充排气作业，调节输出压力，其中，高速电磁阀驱动模块Ⅰ控制排气电磁阀，高速电磁阀驱动模块Ⅱ控制充气电磁阀；主控CPU模块通过模拟量采集模块接收压力传感器采集的压力反馈信号，形成全闭环压力输出控制，实现目标压力的高精度稳定输出。主控CPU模块和监控CPU模块之间通过SPI总线通讯，主控CPU模块完成该电空制动单元的主要逻辑控制，监控CPU模块实时监控主控CPU模块的工作状态，并负责在主控CPU模块出现故障时，控制该电气制动单元导向安全制动，确保该电空制动单元制动的可靠性。
参见图2，该电空制动单元包括4块电路板，从下至上分别为Ⅰ板1、Ⅱ板2、Ⅲ板3和Ⅳ板4，且Ⅰ板1与Ⅱ板2、Ⅱ板2与Ⅲ板3、Ⅲ板3与Ⅳ板4中间通过板卡连接器5连接，Ⅰ板1与Ⅱ板2、Ⅱ板2与Ⅲ板3、Ⅲ板3与Ⅳ板4的两端通过六角柱6以层叠方式连接，有效减少电路板的占用面积，解决电空制动单元关于电气部分面积应小于气路部分面积的要求。为减少各功能模块之间的电磁干扰，按照电路板的不同功能，将模拟量采集模块设置于Ⅰ板1，高速电磁阀驱动模块8和压力传感器7设置于Ⅰ板1的下方，主控CPU模块和监控CPU模块设置于Ⅱ板2，电源处理模块设置于Ⅲ板3，RS232通讯模块、模拟量输入模块、CAN通讯模块和BI输入模块等对外接口模块设置于Ⅳ4板，上述板卡的布置方式，简化板卡结构，且利于产品的升级和改进。
如图3，在电空制动单元的实际应用过程中，该电空制动单元可同时应用于列车管控制电空制动单元、分配阀控制电空制动单元和单独制动控制电空制动单元。在应用于上述各电空制动单元的具体过程中，该电空制动单元的CAN通讯模块通过CAN网络与外部设备的指令信息进行数据交互，各个列车管控制电空制动单元、分配阀控制电空制动单元和单独制动控制电空制动单元中的CAN通讯模块之间可通过CAN网络进行数据信息共享传递，上述各电空制动单元可自主响应制动控制器的控制指令，计算目标压力并输出相应的压力，各自分别对列车管、分配阀和单独制动压力进行控制，进而实现对整个机车制动控制系统机车逻辑的控制。且由于上述各电空制动单元可自主响应制动控制器的控制指令，当单个电空制动单元出现故障时，不会影响其它电空制动单元的正常工作，有效降低故障率，提高制动控制系统的稳定性和产品模块互换率，进而降低系统成本。
本领域技术人员可理解附图只为一个优选的实施例的示意图，附图中的工作流程并不一定是实施本发明所必须的。
最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其进行限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.用于机车制动系统的微机控制电空制动单元，该电空制动单元同时应用于列车管控制电空制动单元、分配阀控制电空制动单元和单独制动控制电空制动单元，其特征在于：包括气路部分和电气部分，
所述气路部分主要由充气电磁阀、排气电磁阀和压力传感器组成，其中，压力传感器采集压力反馈信号；
所述电气部分主要由生命信号模块、RS232通讯模块、模拟量输入模块、CAN通讯模块、BI输入模块、主控CPU模块、监控CPU模块、高速电磁阀驱动模块、模拟量采集模块和为上述各模块提供电能的电源处理模块组成；
主控CPU模块通过与生命信号模块电连，输出生命周期信号提示监控设备；
主控CPU模块通过与RS232通讯模块电连，用于与外部设备进行信息交互；
主控CPU模块通过与模拟量输入模块电连，接收外部系统发送的电流指令信号；
主控CPU模块通过与CAN通讯模块电连，接收外部系统发来的CAN网络指令信号；
主控CPU模块通过与BI输入模块电连，接收外部系统发来的工作使能信号；
主控CPU模块通过与模拟量采集模块电连，接收压力传感器采集的压力反馈信号；
主控CPU模块通过与高速电磁阀驱动模块电连，控制充气电磁阀和排气电磁阀充排气作业；
监控CPU模块与主控CPU模块电连，监控主控CPU模块的工作状态，并在主控CPU模块出现故障时，控制该电气制动单元导向安全制动。
2.根据权利要求1所述的用于机车制动系统的微机控制电空制动单元，其特征在于：所述充气电磁阀设置于列车管充气口、分配阀充气口、单独制动缸充气口与风源之间，控制风源中压力空气注入列车管、分配阀和单独制动缸中；排气电磁阀设置于列车管排气口、分配阀排气口、单独制动缸排气口与外界大气之间，控制列车管、分配阀和单独制动缸中压力空气排出至外界大气；压力传感器采集列车管、分配阀和单独制动缸中压力反馈信号。
3.根据权利要求1所述的用于机车制动系统的微机控制电空制动单元，其特征在于：该电空制动单元包括4块电路板，从下至上分别为Ⅰ板、Ⅱ板、Ⅲ板和Ⅳ板，且Ⅰ板与Ⅱ板、Ⅱ板与Ⅲ板、Ⅲ板与Ⅳ板中间通过板卡连接器连接，Ⅰ板与Ⅱ板、Ⅱ板与Ⅲ板、Ⅲ板与Ⅳ板的两端通过六角柱以层叠方式连接，所述模拟量采集模块设置于Ⅰ板，主控CPU模块和监控CPU模块设置于Ⅱ板，电源处理模块设置于Ⅲ板，RS232通讯模块、模拟量输入模块、CAN通讯模块和BI输入模块设置于Ⅳ板。
4.根据权利要求1所述的用于机车制动系统的微机控制电空制动单元，其特征在于：该电空制动单元的监控CPU模块实时监控主控CPU模块的工作状态，监控CPU模块控制该电气制动单元导向安全制动的方式为：当主控CPU模块出现故障时，监控CPU模块停止主控CPU模块的控制能力并取代主控CPU模块继续工作。
5.根据权利要求1所述的用于机车制动系统的微机控制电空制动单元，其特征在于：BI输入模块输入高电平110V时，主控CPU模块控制该电空制动单元正常工作；BI输入模块输入低电平0V时，主控CPU模块控制该电空制动单元进入休眠模式，停止工作。
6.根据权利要求1所述的用于机车制动系统的微机控制电空制动单元，其特征在于：所述主控CPU模块采用闭环PID控制算法，由主控CPU模块、高速电磁阀驱动模块、充气电磁阀、排气电磁阀和压力传感器组成闭环控制系统，通过高速电磁阀驱动模块控制充气电磁阀和排气电磁阀充排气作业，通过模拟量采集模块接收压力传感器采集的压力反馈信号，对目标压力进行反馈控制。
7.根据权利要求1所述的用于机车制动系统的微机控制电空制动单元，其特征在于：该电空制动单元的CAN通讯模块通过CAN网络与外部设备的指令信息进行数据交互，各个列车管控制电空制动单元、分配阀控制电空制动单元和单独制动控制电空制动单元中的CAN通讯模块之间可通过CAN网络进行数据信息共享传递。
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