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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简介、应用、特点进行分析制动控制系统选型。
核心词：车控；架控；KGPM-P；EP08；EP；EP09
0 引言
制动系统重要功用是使行驶中车辆减速甚至停车，使停止车辆保持不动。车辆制动系统性能将直接影响着都市轨道交通车辆安全运营状况和舒服性，因而制动系统选型显得尤为重要。都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制动系统（简称车控）和基于转向架为单元进行制动力控制制动系统（简称架控）两种方式。
1 车控制动系统
采用车控方式时，每辆车具备1个制动控制单元（BCU），以车辆为单位进行制动力计算和分派。每个BCU直接连接至车辆总线（如MVB总线等）上，各车直接接受列车制动指令，合用于牵引控制采用车控型式车辆进行制动力混合分派。如图1所示。

图1 车控制动控制系统示意图
制动控制某些重要由电子控制某些和气动控制某些构成。微机电子控制单元依照制动缸目的压力和压力传感器检测作用风缸压力，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闭环控制；中继阀依照预控压力实现流量放大，实现惯用制动功能。缓和时，EP制动/缓和电磁阀将中继阀预控腔压力空气排入大气。在中继阀作用下，制动缸压力空气经中继阀排到大气中，实现了缓和操作。惯用制动时BCU内压力控制流向如下图2所示：

图2 车控系统压力控制原理
惯用制动空重车调节是依照检测反映车辆载重空气簧压力信号，对列车不同载重下制动力进行相应调节。在空气簧破裂或P-E转换电路输出不大于空车信号或不不大于超员时车重信号时，则可按车辆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KBGM-P制动控制系统、中华人民共和国铁科院EP08制动控制系统、法国FAIVELEY公司EPAC Lite制动控制系统、日本NABTESCO公司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，每辆车具备两个架控制动单元，以转向架为单位进行制动力计算和控制。其中某些架控制动单元具备网关功能，负责接受制动指令以及向其他架控单元输出制动信息。其他无网关功能架控制动单元，通过内部CAN总线从具备网关功能架控制动单元获取制动指令。架控制动控制重要是针对同步配有动力转向架和非动力转向架车辆应运而生，实现基于转向架为单元实现电制动与空气制动混合控制，也比较适合牵引系统采用架控控制车辆或者短编组列车，可以充分发挥每个转向架电制动能力和黏着运用率。如下图3所示：

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EP制动系统和铁科院EP09制动系统，都取消了与本来制动控制独立空气防滑阀控制，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构造，是将电子和气动集成一体整体阀概念。后者采用各种独立气动阀基于气路板集成，电子控制和气动控制为模块化构造，便于检测及维护。而FAIVELEY公司和NABTESCO公司架控控制技术理念是每个轴上仍保存独立防滑阀控制方式，制动控制某些是在车控基本上实现小型化成果。
3 重要车控制动系统简介
3.1 KNORR公司KGPM-P制动系统
KNORR公司KGPM-P制动系统，制动电子控制单元普通单独设立在车厢内，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可对列车惯用制动和迅速制动制动力进行调节控制，通过均衡阀将流量放大后最后输入到基本制动装置。
BECU采用19英寸原则电子柜 ，按功能分类设计印刷电路板插件排列在电子控制柜中。（如4所示）

图4 BECU外观构造
3.1.2 气制动控制单元
气制动控制单元简称为BCU。它是气制动核心，它接受制动系统电脑（BECU）指令，然后再批示制动执行部件动作。如Error! Reference source not found.5所示，涉及部件有均衡阀(D)、模仿转换阀 (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)。

图5 BCU外观构造
这些部件都安装在一块铝合金气路板上，犹如电子分立元件安装在印刷线路板上同样，实现了集成化，其气路内部连接图可用Error! Reference source not found.6来表达。这样可避免用管道连接而导致容易泄漏和所占空间大等敝病。并且在气路板上还装置了某些测试接口，要测量各个控制压力和闸缸压力。

图6 BCU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。重要由电子制动控制单元（EBCU）和气动制动控制单元(PBCU)等构成，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Error! Reference source not found.7所示：

I：气动制动控制单元
II：电子制动控制单元
图7 EP08制动控制装置布局图
3.2.1 电子制动控制单元
EBCU是BCU中电子控制核心部件，它接受惯用制动电气指令，依照制动指令和载重信号计算本车所需制动力，输出制动电磁阀和缓和电磁阀控制信号。EBCU还接受所在车辆4根轴速度信号，按照速度差或减速度等滑行判据鉴定车轴滑行状态。当符合滑行条件时，EBCU输出防滑阀控制信号。EBCU重要由电源插件、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构成，布局如图8所示：

1：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8 EBCU布局图
3.2.2 气动制动控制单元
PBCU是BCU中气动控制核心部件，它接受EBCU发出惯用制动电气执行信号，将其转换为相应级别空气信号后输出惯用制动制动缸压力输出。同步，PBCU还接受紧急制动电气指令，在经空重阀控制后输出紧急制动制动缸压力。PBCU由压力传感器、压力测点、压力开关、空重阀、电磁阀、中继阀等构成，布局如Error! Reference source not found.9所示：

1：惯用制动压力传感
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：惯用制动压力测点
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：缓和电磁阀
15：中继阀

图9 PBCU布局图
EP08车控制动控制装置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，又能使系统构造紧凑，使检修和维护变得以便和快捷。气动控制单元是微机直通电空制动系统核心部件，由电空变换阀、中继阀、紧急制动电磁阀、空重车调节阀、总风压力开关等构成。气动控制单元采用模块化设计，它将关于气动阀组装在集成控制板上，在内部将各通路有机联系在一起。EP08工作原理如Error! Reference source not found.10所示。

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,是依照制动缸目的压力和压力传感器检测预控压力以及制动缸压力,来控制两个EP转换阀对作用风缸充风或排风，实现对中继阀预控压力闭环控制。中继阀采用双膜板构造，有紧急制动和惯用制动两个预控压力输入，输出压力依照两者之间取大原则，由紧急制动和惯用制动两个预控压力中压力较高控制，中继阀依照预控压力控制输出大流量制动缸压力。
4 车控制动系统应用
KNORR公司KGPM-P制动系统，制动电子控制单元普通单独设立在车厢内，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，具备响应迅速、灵活可靠、控制精准等特点以及良好可用和可维护性，在北京、天津、沈阳、重庆、武汉和广州等地地铁车辆上得到应用。
5 重要架控制动系统简介
5.1 KNORR公司EP制动控制系统
EP型制动控制系统是由德国克诺尔公司研制生产，为电气模仿指令式制动控制系统，其核心部件是EP阀，负责空气制动系统控制、监控及与车辆控制系统通信。该阀采用一体化构造，每个转向架配备一种制动阀。各气动阀基于同一种基板，电子和气动高度集成在一种整体中，为不可拆分制动部件。该型制动系统在广州、上海、北京、南京、宁波等地地铁车辆上均有应用。
EP阀相称于常规制动控制系统中电子制动控制单元（EBCU）和气制动控制单元（PBCU）集成部件。每节车设有两个EP阀，每个EP阀都安装在其控制转向架附近车体底架上，所有EP阀上都提供了各种压力测试接口，可以以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。EP阀外形如Error! Reference source not found.11所示：

图11 EP阀照片
依照功能不同，EP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产品，涉及一种直接安装在气阀上电子控制部件。智能阀产生电控制信号直接空气气阀，对其控制转向架电空制动和车轮滑行进行控制，并通过CAN总线与别的EP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，智能阀将使其控制转向架产生紧急制动。智能阀构造如Error! Reference source not found.12所示：

图12 智能阀构造
RIO阀除了具备智能阀所有功能外，还可以通过硬线与其控制转向架上牵引单元进行模仿量信号通信，以互换电制动与空气制动之间载重、电制动等信息。RIO阀构造如Error! Reference source not found.13所示：

图13 RIO阀构造
网关阀除了具备智能阀所有功能外，还具备制动管理功能。此外，EP制动系统均需通过网关阀通信卡连接MVB或其他网络总线，与列车控制系统进行通信。网关阀构造如Error! Reference source not found.14所示：

图14 网关阀构造
5.2 铁科院EP09制动控制装置
EP09制动控制单元是机电一体集成单元，采用了气电分离模块化设计，具备相对独立电子制动控制单元（EBCU）和气动制动控制单元（PBCU）两某些，大大提供了制动控制单元可用性和可维护性。制动控制单元可实现电子称重，惯用制动和防滑制动一体化等功能，具备响应快、动作精确等特点。
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），每个模块是一种机电一体化智能装置，其中涉及电子控制某些和气动阀单元某些，针对主制动控制模块，其电子控制某些涉及通讯接口、制动管理某些、本车制动控制某些，而从制动控制模块不涉及制动管理某些。通讯接口重要是该控制模块与列车MVB等指令接口，响应列车指令控制。制动管理某些重要进行本CAN网段内各个转向架控制模块制动力分派和管理。EP09制动控制装置外观如Error! Reference source not found.15所示：

图15 EP09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模块化设计。如Error! Reference source not found.所示：

图16 EP09EBCU外形
PBCU由各种气动控制阀构成，在集成板上安装实现模块化，如Error! Reference source not found.17所示：

图17 EP09PBCU外形
6 架控和车控制动系统特点
6.1 架控制动系统特点
采用架控方式时，每辆车具备两个架控单元，以转向架为单位进行制动力计算和分派。
列车架控制动系统方案从网络架构上可分为两种：
6.1.1 1个网段方案：架控制动系统采用主辅两个网关阀功能控制方式，其她两个车指令信息通过具备网关功能阀传递，对架控网关阀部件可靠性规定比较高。如下图所示：

图18 架控制动系统1个网段方案
6.1.2 2个网段方案：架控制动系统由两个制动力分派单元构成，每个制动力分派单元采用主辅两个网关阀功能控制方式，由于2个网段方案对头尾车网关阀可靠性依赖限度有所减少，同样部件可靠度下能提高系统指令传播可靠度，如下图所示：

图19 架控制动系统2个网段方案
6.2 车控制动系统特点
采用车控方式时，每辆车具备1个制动控制单元，以车辆为单位进行制动力计算和分派。如下图所示：

图20 车控制动系统方案
车控制动系统采用分布式控制方式，每个制动控制装置可以独立进行制动力计算和分派，各车制动系统之间依存度小，网络故障时对列车制动力影响也相对较小。
7 结论
以转向架为单位进行制动力分派与控制，架控方式特别适合牵引系统也采用架控控制方式列车，可以充分发挥每个转向架电制动能力。对于采用车控牵引控制车辆，或虽为架控但同一车辆两个转向架牵引力不可分别控制车辆。既可以采用车控制动系统，也可以采用架控制动系统。此时，可以依照列车编组长度进行选取，对于短编组列车，架控制动系统优势比较明显，对于长编组列车，车控制动系统优势凸显。
参照文献:
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