基於無線通信的鐵路貨車電空制動系統和方法
2023-05-17 16:19:01 1
專利名稱：基於無線通信的鐵路貨車電空制動系統和方法
技術領域：
本發明屬於鐵路貨車制動控制技術領域，具體涉及一種基於無線通信的鐵路貨車 電空制動系統和方法。
背景技術：
為了提高鐵路運輸能力，貨物列車重載是我國鐵路運輸的主要發展方向。重載從 根本上來說是對列車制動性能的考驗，提高列車的制動性能是解決好列車重載及運行安全 的當務之急。我國貨物列車制動系統一直沿用空氣制動系統，由於空氣制動波速無法超過 300m/s，在開行萬噸長大列車時，重載列車在常用、緊急制動時前後車輛制動力有效的時間 起點不一致，前早後晚，前後時差過長，易造成列車局部牽引力過大，嚴重的會造成斷鉤、脫 軌事故。因此，減少全列車的制動時前後車輛制動力有效的時間起點的時差過長(時間)， 儘可能的接近為同步產生制動力是提高制動性能、保證列車安全運行的發展方向。列車制動就是人為地制止列車的運動，包括使它減速，不加速或停止運行。對已制 動的列車或機車解除或減弱其制動作用，則稱為「緩解」。為施行制動和緩解而安裝在列車 上的一整套設備，總稱為列車「制動裝置」。現有的貨運列車空氣制動系統的主要缺點是(1)不具備網絡通信功能，導致遠離機車的車輛產生制動力的時間過長，不能實現 每節車輛的無線同步制動。(2)不具備數據實時處理和故障診斷功能，當出現故障時無法及時給司機提供報 警信號或地面檢修人員提供相關機車故障信息。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提出一種基於無線通信的鐵路貨車電空制動系統 和方法，該基於無線通信的鐵路貨車電空制動系統和方法克服了原有空氣制動系統所具有 的諸多缺點，可以有效縮短列車制動時間，並防止車鉤斷裂，提高了列車的安全性。本發明的技術解決方案如下一種基於無線通信的鐵路貨車電空制動系統，在機車和每一節車廂上均設有一個 嵌入式節點，嵌入式節點之間無線通信連接，所有的嵌入式節點形成無線式主從網絡拓撲 結構，機車上的嵌入式節點為主節點，車廂上的嵌入式節點為從節點，每一個嵌入式節點包 括微處理器、無線通信模塊、電源和制動執行機構，無線通信模塊和制動執行機構均與微處 理器連接，制動執行機構包括固態繼電器和用於控制列車管風壓的電磁閥，微處理器的I/O 口接固態繼電器的輸入端，電磁閥接固態繼電器的輸出端。所述的微處理器採用ARM微處理器，嵌入式節點之間採用GSM-R無線通信方式實 現通信連接，電磁閥採用電磁閥為兩位兩通電磁閥。所述的電源採用18V的蓄電池，蓄電池經DC/DC電壓轉換模塊輸出12V直流給電
3磁閥。一種基於無線通信的鐵路貨車電空制動方法，在機車和每一節車廂上均設有一個 嵌入式節點，嵌入式節點之間無線通信連接，所有的嵌入式節點形成無線式主從網絡拓撲 結構，機車上的嵌入式節點為主節點，車廂上的嵌入式節點為從節點，主節點發送控制指令 給各從節點，所述的控制指令包含電磁閥開閉狀態數據以及電池閥開啟或關閉時間數據， 從節點根據接收到的控制指令驅動電磁閥動作以控制列車管風壓的調節，從而實現該節點 所在車廂的緩解和制動；通過多個從節點同步動作，最終實現整個鐵路貨車的同步緩解和 制動。嵌入式節點以ARM微處理器為控制核心，嵌入式節點之間的通行採用GSM-R無線 通信方式信，電磁閥採用兩位兩通電磁閥。制動執行機構由原有的空氣制動機構(風缸和管路)和新加的固態繼電器和用於 控制列車管風壓的電磁閥組成。有益效果本發明針對目前鐵路貨運車輛安全運行中存在的問題和發展趨勢，在制動技術方 面首次提出了利用無線主從網絡在每節車上實現鐵路貨車電空制動和無線通訊的新方法。本發明創新研究了一種基於無線通信的鐵路貨車電空制動裝置，通過無線通信模 塊在機車和車輛間傳遞制動信息，通過控制電磁閥的充放氣加速制動和緩解過程，實現全 列車的無線同步制動。本發明創新研究了一種基於微處理器的鐵路貨車電空制動裝置，將有源電子裝置 安裝到鐵路貨車上，將電指令作為制動信號，摒棄了先前空氣制動系統中壓縮空氣既作為 制動指令又作為制動力介質的兩難境地。同時，創造性地將電磁閥作為執行機構安裝在鐵 路貨車上，通過電磁閥的動作來加速全列車的制動過程。具體表現為減少了全列車的制 動時間，加速了全列車的制動過程；並且克服了傳統空氣制動空氣波延時過大、制動不同步 導致的車輛間車鉤拉力或壓力過大的問題(因為，緩解時車輛不能同時起動，車鉤表現為 拉力，制動時不能同時停下來，車鉤表現為壓力)，保證了列車每節車輛的車鉤牽引力都在 許可範圍內(因為拉力(牽引力)太大會導致車鉤拉斷)，從而防止車鉤斷裂，最終保證列 車安全穩定的運行。基於無線通信模塊的貨運列車電空制動系統對貨物列車制動性能及運行安全性 都具有極大的改善，是開行2萬噸列車以及更大牽引重量貨運列車的重要支撐技術之一。
圖1 無線式主從網絡拓撲結構示意圖；圖2 嵌入式控制結構框圖；圖3 開關量輸出單元的框架結構示意圖；圖4 固態繼電器驅動的電路原理圖；圖5 電磁閥供電框架結構圖；圖6 =GSM-R與ARM連接的結構圖；圖7 電磁閥位置示意圖。圖7中標號說明1_第一列車支管電磁閥(常開)，2_第二列車支管電磁閥(常閉)，3_制動缸電磁閥(常閉)，4-制動缸壓力傳感器(用於檢測制動狀態)5-列車支管壓 力傳感器。
具體實施例方式以下將結合圖和具體實施過程對本發明做進一步詳細說明實施例1 針對現有鐵路貨運列車無電源、無導線和頻繁解編組的特點，本發明提供一種結 構簡單緊湊、性價比高的有源電子設備。此設備具有微機控制和網絡通訊功能，能夠提高控 制精度、擴大適用範圍，屬於鐵路貨車的電空制動裝置。基於無線通信的鐵路貨車電空制動裝置將機車和每節車廂都看做一個節點，採用 無線式主從網絡拓撲結構，如圖1所示。如圖2所示，每一個節點都是一個完整的嵌入式系 統，由以下4個主要部分組成1.ARM微處理器；2. GSM-R無線通信模塊；3.電源；4.制動執 行機構(即圖2中的電磁閥等)，圖中的SSR即固態繼電器。固態繼電器驅動的電路如圖 4，從微處理器ARM的通用I/O 口輸出的控制信號，經過NPN型三極體放大後，驅動固態繼電 器，進而控制電磁閥。圖3(開關量輸出單元的結構框圖)可看作是圖4的內部結構圖，放 大電路由三極體實現，固態繼電器中包括光電隔離和過流保護電路。GSM-R與ARM的連接關 系如圖6所示。微處理器是電空制動控制系統的核心，它起著控制電磁閥的開、斷與GSM-R通信 傳遞制動和緩解信號的作用。主控制單元採用S3C2440處理器，具有高性能、低功耗、接口 豐富、體積小、集成度高和可配置性強等優良特性。無線通信模塊實現機車與車廂之間的通信。通過機車乘務員發出的制動信息由機 車主機處理後通過主節點的無線通信模塊以簡訊的形式傳遞到每節貨車上，每節貨車上的 從節點的無線接收模塊收到主機的制動信息後，將信息以數字量的形式傳給微處理器，由 數字量0或1控制每節車廂上電磁閥閥門的開閉來給列車管充放氣，進而達到控制列車管 風壓的目的。這樣，通過微處理器控制電磁閥的充放氣控制鐵路貨車的制動和緩解過程。電源部分通過蓄電池來提供，並通過DC-DC模塊轉換來為各個模塊提供所需電 源。微處理器的I/O 口接固態繼電器的輸入端，電磁閥接固態繼電器的輸出端。它包括兩 個常閉電磁閥和一個常開電磁閥。常閉電磁閥失電時閥門閉合，得電時閥門斷開，主要用於 制動時減少制動管的風壓(即放氣)，常閉電磁閥也叫做制動電磁閥；常開電磁閥失電時閥 門斷開，得電時閥門閉合，主要用於緩解時增加制動管的風壓(即充氣)，常開電磁閥也叫 做緩解電磁閥。電磁閥的工作狀態如圖7所示。微處理器通過接收到的無線模塊的信號控 制常開、常閉電磁閥的動作列車支管壓力傳感器檢測列車支管壓力，控制列車支管常閉電 磁閥動作，導致列車管減壓量變化，實現常用或緊急制動；列車支管壓力傳感器檢測到列車 支管壓力達到緩解壓力，制動缸未緩解，壓力超高時，微處理器控制列車支管電磁閥常開位 閉合，同時打開制動缸常閉電磁閥，實現關門排風。本次試驗所用電磁閥為兩位兩通電磁閥。電磁閥供電的原理如圖5所示。電磁閥的主要參數如下工作壓力範圍0·03-1. OMpa ；工作電壓12VDC;
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公稱直徑15mm。電磁閥通過輸入輸出電隔離的小型直流固態繼電器放大驅動。固態繼電器的主要 參數如下控制電壓3VDC_10VDC輸入電流15mA負載電壓0_60VDC負載電流0_5ADC壓降0·5V功耗0·6W制動時，司機通過操縱司機室的制動按鈕發出制動指令，制動指令將通過列車 GSM-R通信網絡同步傳遞給每節車廂，由每節車廂的ARM微處理器控制制動電磁閥動作，使 副風缸的壓力空氣充入制動缸。GSM-R是基於公共無線通信系統GSM平臺上的、專門為滿足 鐵路應用而開發的數字式的無線通信系統，屬於專用移動通信的一種。緩解時，司機按動緩 解按鈕，制動指令將通過無線通信網絡傳遞給每節車廂，根據司機所需緩解的要求，緩解本 車達到一定製動力或完全緩解。因此，電空制動裝置可由司機根據列車實際運行的需要通 過控制常開或常閉電磁閥關閉或打開的時間任意調節車輛制動力的大小。將機車乘務員發 出的制動信息以數字量0或1的形式傳給主微處理器，由機車主機處理後通過主無線通信 模塊通過AT指令以簡訊的形式傳遞到每節貨車上，每節貨車上的從無線接收模塊收到主 機的制動信息後，由從微處理器調用子程序控制每節車廂上電磁閥閥門的開閉來給列車管 充放氣，進而達到控制列車管風壓的目的。三個電磁閥中，其中一個常閉電磁閥也叫做列車 支管常閉電磁閥，常開電磁閥也叫做列車支管常開電磁閥，它們與列車支管壓力傳感器一 起工作，必要時使列車管減壓量變化，實現常用或緊急制動；另一個常閉電磁閥也叫做制動 缸常閉電磁閥，它與制動缸壓力傳感器一起工作，當制動缸列車管壓力超高時，控制列車支 管常開電磁閥閉合，同時打開制動缸常閉電磁閥，實現關門排風。這樣，通過列車支管壓力 傳感器和制動缸壓力傳感器的檢測及時控制三個電磁閥的動作，實現列車的制動和緩解。裝有電空制動系統的車輛同時保留原有的空氣制動系統作為備用。使用中的電空 制動系統因嚴重故障被切除時，機車司機可操縱常規空氣制動系統來實現列車的空氣制動 作用，保證行車安全。在正常情況下應優先並充分發揮電空制動能力，不足部分以空氣制動 作為補償，在失電情況下以空氣制動為主。
權利要求
一種基於無線通信的鐵路貨車電空制動系統，其特徵在於，在機車和每一節車廂上均設有一個嵌入式節點，嵌入式節點之間無線通信連接，所有的嵌入式節點形成無線式主從網絡拓撲結構，機車上的嵌入式節點為主節點，車廂上的嵌入式節點為從節點，每一個嵌入式節點包括微處理器、無線通信模塊、電源和制動執行機構，無線通信模塊和制動執行機構均與微處理器連接，制動執行機構包括固態繼電器和用於控制列車管風壓的電磁閥，微處理器的I/O口接固態繼電器的輸入端，電磁閥接固態繼電器的輸出端。
2.根據權利要求1所述的基於無線通信的鐵路貨車電空制動系統，其特徵在於，所述 的微處理器採用ARM微處理器，嵌入式節點之間採用GSM-R無線通信方式實現通信連接，電 磁閥採用電磁閥為兩位兩通電磁閥。
3.根據權利要求1或2所述的基於無線通信的鐵路貨車電空制動系統，其特徵在於，所 述的電源採用18V的蓄電池，蓄電池經DC/DC電壓轉換模塊輸出12V直流給電磁閥。
4.一種基於無線通信的鐵路貨車電空制動方法，其特徵在於，在機車和每一節車廂上 均設有一個嵌入式節點，嵌入式節點之間無線通信連接，所有的嵌入式節點形成無線式主 從網絡拓撲結構，機車上的嵌入式節點為主節點，車廂上的嵌入式節點為從節點，主節點發 送控制指令給各從節點，所述的控制指令包含電磁閥開閉狀態數據以及電池閥開啟或關閉 時間數據，從節點根據接收到的控制指令驅動電磁閥動作以控制列車管風壓的調節，從而 實現該節點所在車廂的緩解和制動；通過多個從節點同步動作，最終實現整個鐵路貨車的 同步緩解和制動。
5.根據權利要求4所述的基於無線通信的鐵路貨車電空制動方法，其特徵在於，嵌入 式節點以ARM微處理器為控制核心，嵌入式節點之間的通行採用GSM-R無線通信方式信，電 磁閥採用兩位兩通電磁閥。
全文摘要
本發明公開了一種基於無線通信的鐵路貨車電空制動系統和方法，在機車和每一節車廂上均設有一個嵌入式節點，所有的嵌入式節點形成無線式主從網絡拓撲結構，機車節點為主節點，車輛節點為從節點。每一個嵌入式節點包括微處理器、無線通信模塊、電源和制動執行機構，無線通信模塊和制動執行機構均與微處理器連接，制動執行機構由原有的空氣制動機構和新加的包括固態繼電器和用於控制列車管風壓的電磁閥組成。主節點通過無線鏈路發送控制指令給各從節點控制多個從節點同步動作，最終實現整個鐵路貨車的同步緩解和制動。該基於無線通信的鐵路貨車電空制動系統和方法可以有效縮短列車制動時間，並防止車鉤斷裂，提高了列車的安全性。
文檔編號B60L7/24GK101941382SQ20101028362
公開日2011年1月12日 申請日期2010年9月14日 優先權日2010年9月14日
發明者吳志虎, 張純和, 熊紅雲, 王莉, 魯五一 申請人:中南大學