虚拟仪器在上海地铁TCU测试系统中的应用

摘 要: TCU（牵引控制单元）是德制地铁机车的关键设备。在维修过程中，需要对其进行离线测试，但目前国内尚无配套的TCU测试系统，为此本文实现了一种TCU测试系统，利用PC机及数据采集卡构成虚拟仪器测试平台，实现TCU的离线测试。

关键字：虚拟仪器，Labview，TCU，上海地铁，测试

1. 引言

　　TCU[1]（Traction Control Unit，牵引控制单元）是上海地铁直流机车[2]的关键设备，它是一种模块化的带有微处理器的控制单元，用于控制地铁直流机车斩波器的工作，以实现合理有效的牵引和制动。在TCU定期维护和维修过程中，需要对其进行离线测试。目前TCU均依靠进口，十分昂贵，国内尚无配套测试系统。

　　为此，我们针对上海地铁一号线的直流机车TCU研制了一整套的测试系统，它基于虚拟仪器技术，采用了美国国家仪器公司（National Instruments）的图形化编程语言Labview[3]以及该公司提供的数据采集及控制板卡。该测试系统可以在TCU离线的情况下，实时提供地铁机车在牵引、惰行、制动等运行工况下相应的TCU输入信号，并对TCU在相应工况下的输出波形进行实时测量和记录，从而实现TCU的离线测试，有助于对TCU性能做出准确的评价，提高TCU的维修效率。

2. TCU工作原理

　　TCU工作原理如图1所示。它的控制核心是SIBAS十六位微机，TCU内部带有存储器，通过总线和模拟量接口、数字量接口、斩波器触发监控模块联系。机车运行时，司机通过手柄发出牵引、惰行、制动等指令，TCU接受指令，根据不同运行工况发出各种控制回路继电器、主回路接触器的驱动信号，并接受它们的触点反馈信号，同时监测电网电压、牵引电机电枢电流、列车速度等信号。TCU通过控制斩波器各个GTO的触发脉冲来实现合理有效的牵引;通过驱动主回路接触器改变主电路的通路来实现不同的制动方式。

图1. TCU工作原理

3. 测试原理及系统硬件结构与实现

　　TCU测试系统是以PC机为核心，应用NI公司的高速数据采集卡PCI-6014实现的数据采集控制系统。 TCU测试系统结构如图2所示。PC机为控制系统的核心单元，用于发出控制指令，同时采集反馈信息。PCI-6014是基于PCI总线的16位多功能高速数据采集卡，提供16路单端或8路差分模拟输入，2路16位模拟输出，最高采样率是200kS/s。同时提供8路数字1/0线和2个24位计数器/定时器。PCI-6014附带NI-DAQ驱动软件，提供Labview语言的强大编程接口，使用方便。

　　在TCU测试系统中，TCU运行所需的信号都由PCI-6014的各个通道给出。手柄信号和各传感器输出的模拟量信号由PCI-6014的模拟输出通道（AO，Analog Output）实现，由于PCI-6014 AO通道输出功率有限，输出信号必须经过由运放组成的功率放大模块再输入到TCU; 接触器、继电器触点应答信号和斩波器监控信号为110V的开关量信号，由PCI-6014的数字输出通道（DO，Digital Output）实现，由于DO输出为TTL电平，最高+5V，必须经过由光耦隔离、MOSFET放大组成的幅值、功率放大模块再输入TCU;TCU输出的接触器、继电器驱动信号必须经过由光耦隔离组成的信号变换、隔离模块才能通过PCI-6014的数字量输入通道（DI，Digital Input）采集。TCU发出的斩波器各个GTO驱动信号则由PCI-6014的模拟量输入通道（AI，Analog Input）采集。

图2. 测试系统框图

4. 测试系统软件实现

　　4.1 软件开发平台

　　TCU测试系统软件在Labview平台下开发。它是基于图形化编程技术的软件，采用接近于流程图的编程方式。用Labview开发的软件称做“虚拟仪器”，其用户界面类似于传统仪器面板，通过操作用户界面上的控件，就可以实现各种功能，跟真实的仪器一样。在NI-DAQ驱动软件的基础上，Labview与数据采集卡的输入输出的接口很容易实现，能快速完成数据的采集与输出。

　　4.2 软件设计

　　测试系统运行时，PC机先提供TCU启动所需的信号，使TCU启动起来。然后，测试系统根据已建立的数据库，提供典型运行工况下TCU所需的各个信号，包括网压，电流，速度，载荷等，采集TCU输出的各个继电器驱动信号并给出各个继电器相应的触点反馈信号，同时实时采集斩波器各个GTO的触发脉冲信号， 并在前面板上显示，采集的信号可存入文件，以备以后分析使用。

5. 结束语

　　TCU测试系统的实现，为车辆维修人员测试TCU提供了很好的操作平台，提高了TCU维修的效率。测试系统的实现，有助于分析和研究TCU的控制策略和运行机理，有助于TCU的国产化，同时也为进一步研制包括TCU、斩波器和主回路的直流机车综合测试台打下了基础，对于研制交流车辆的TCU测试台也有一定的借鉴意义。

参考文献

　　[1] 沈涛，王颖峰等，地铁牵引控制单元TCU故障诊断建模与应用, 铁道机车车辆, 2003年第23卷第5期

　　[2] 王曰凡，上海地铁车辆，电力机车技术，2001年第24卷第3期

　　[3] 罗成汉，解源，王飞，基于Labview的钢杆裂纹定量识别技术的研究，微计算机信息，2003年第19卷第8期

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