曹宏發(fā),樊貴新,章 陽(yáng),姜巖峰,陳 偉
(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所,北京100081)
和諧號(hào)動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)均采用微機(jī)控制的直通式電空制動(dòng)系統(tǒng),由貫穿全列車的總風(fēng)管向各車輛的制動(dòng)設(shè)備供風(fēng),各車的電子制動(dòng)控制單元通過(guò)列車網(wǎng)路與硬線等響應(yīng)列車控制指令,實(shí)現(xiàn)列車常用制動(dòng)、緊急制動(dòng)、停放制動(dòng)、備用制動(dòng)、空壓機(jī)管理等諸多功能,并在列車制動(dòng)過(guò)程中,實(shí)時(shí)的進(jìn)行車輪滑行監(jiān)測(cè)、保護(hù)與控制。對(duì)于制動(dòng)系統(tǒng)可能發(fā)生的故障、失效等情況,系統(tǒng)具備完善的診斷體系,保證行車安全。
隨著列車速度的提高,制動(dòng)系統(tǒng)日趨復(fù)雜,模塊化、智能化程度更高,電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)在動(dòng)車組上得到廣泛應(yīng)用。現(xiàn)代化的和諧號(hào)動(dòng)車組電子制動(dòng)控制單元,是一個(gè)共享串行總線的分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),該系統(tǒng)在硬件上采用模塊化設(shè)計(jì),各模塊間通過(guò)串行總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的分時(shí)高速傳送,使接口大為簡(jiǎn)化。
對(duì)于和諧號(hào)動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用軟件開發(fā),建立了具有國(guó)際先進(jìn)水平的基于V模型的軟件開發(fā)平臺(tái),這個(gè)平臺(tái)能夠覆蓋從系統(tǒng)設(shè)計(jì)到控制、算法、數(shù)據(jù)的可視化,再到控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與在線監(jiān)測(cè)、試驗(yàn)與產(chǎn)品維護(hù)管理等整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程。在整個(gè)過(guò)程中,通過(guò)不斷的驗(yàn)證與確認(rèn),確保開發(fā)的產(chǎn)品從頂層設(shè)計(jì)到最終實(shí)現(xiàn)始終保持一致。
和諧號(hào)動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)功能完備、技術(shù)先進(jìn)、充分考慮安全的制動(dòng)系統(tǒng)。制動(dòng)系統(tǒng)的所有復(fù)雜而完善的控制策略和邏輯功能,能夠確保列車在規(guī)定的制動(dòng)距離安全停車;良好的故障診斷和故障導(dǎo)向安全控制功能能夠使列車制動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí),保證列車安全停車或在可控狀態(tài)下安全運(yùn)行。該應(yīng)用軟件平臺(tái)覆蓋了常用制動(dòng)、緊急制動(dòng)、停放制動(dòng)、備用制動(dòng)、車輪滑行保護(hù)等功能。在列車復(fù)合制動(dòng)過(guò)程中,全列車的復(fù)合制動(dòng)控制方式能夠優(yōu)先充分利用再生制動(dòng),把摩擦制動(dòng)產(chǎn)生的排放減少到最小。應(yīng)用軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)充分采用了模塊化和參數(shù)化的設(shè)計(jì)理念,通過(guò)不同的軟件模塊組合可以實(shí)現(xiàn)不同的控制功能。參數(shù)化的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)不同的控制性能要求。
制動(dòng)系統(tǒng)分為三級(jí)管理與控制,TBM負(fù)責(zé)列車級(jí)的制動(dòng)管理,SBM負(fù)責(zé)本單元的制動(dòng)管理,局部BCU負(fù)責(zé)本車的制動(dòng)控制、防滑控制、防抱死監(jiān)測(cè)、制動(dòng)診斷等,各級(jí)之間的管理與控制通過(guò)TCN網(wǎng)絡(luò)(MVB+WTB)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞,并與CCU、TCU進(jìn)行實(shí)時(shí)信息交互。
圖1 制動(dòng)管理與指令傳輸
和諧號(hào)動(dòng)車組采用了先進(jìn)合理的減速度控制方式和全列車電空制動(dòng)力復(fù)合的控制模式,在充分發(fā)揮全列車的電制動(dòng)作用的同時(shí),能夠充分的利用輪軌間的黏著力。減速度和制動(dòng)力會(huì)跟隨列車制動(dòng)指令、速度和車重、制動(dòng)能力等實(shí)時(shí)調(diào)整,司機(jī)實(shí)施4級(jí)及以下制動(dòng)時(shí),電制動(dòng)即可滿足列車的制動(dòng)力要求,而無(wú)需使用空氣制動(dòng)。
圖2 常用制動(dòng)減速度曲線
緊急制動(dòng)是安全等級(jí)最高的制動(dòng),緊急制動(dòng)時(shí)將施加最大制動(dòng)力并達(dá)到最大減速度,以滿足安全制動(dòng)距離要求(如350km/h的列車制動(dòng)距離小于6 500m,300 km/h小于3 800m)。緊急制動(dòng)采用電空復(fù)合制動(dòng)控制,并且針對(duì)輪軌間的黏著限制進(jìn)行了制動(dòng)力的分階段控制。
圖3 緊急制動(dòng)減速度曲線
動(dòng)車組緊急制動(dòng)可以通過(guò)3種冗余模式可靠施加:
(1)緊急制動(dòng)采用安全環(huán)路控制,連接在緊急制動(dòng)安全環(huán)路下的緊急電磁閥觸發(fā)緊急制動(dòng);
(2)BCU獲得緊急制動(dòng)安全環(huán)路的狀態(tài)信息,實(shí)施冗余緊急制動(dòng)控制;
(3)對(duì)于有備用制動(dòng)的列車,列車管壓力排空,備用制動(dòng)系統(tǒng)施加冗余緊急制動(dòng)。
和諧號(hào)動(dòng)車組的停放制動(dòng)控制通過(guò)停放制動(dòng)施加和緩解列車線控制實(shí)現(xiàn),以保證列車能夠安全停放在規(guī)定的坡道上。在列車非靜止?fàn)顟B(tài)下停放制動(dòng)施加時(shí),列車將同時(shí)施加最大常用制動(dòng),以保證基礎(chǔ)制動(dòng)不被損壞和列車的安全。
列車制動(dòng)力的實(shí)施取決于輪軌黏著狀態(tài),而輪軌黏著系數(shù)隨著速度的提高呈下降趨勢(shì),這使得高速制動(dòng)時(shí)出現(xiàn)滑行可能性更大。和諧號(hào)動(dòng)車組制動(dòng)防滑控制技術(shù),保證列車在各種速度制動(dòng)時(shí)迅速適應(yīng)輪軌狀態(tài)的變化,既能有效進(jìn)行車輪滑行保護(hù)控制,又能充分的利用輪軌間的黏著力。對(duì)于空電復(fù)合制動(dòng)出現(xiàn)滑行時(shí),動(dòng)車首先實(shí)施電制動(dòng)防滑,但電制動(dòng)連續(xù)降低超過(guò)一定時(shí)間時(shí),則將減小或切除電制動(dòng)而實(shí)施空氣制動(dòng)防滑,以防止輪對(duì)擦傷。
圖4 防滑控制原理圖
和諧號(hào)動(dòng)車組每8輛編組的列車內(nèi)配置有兩套壓縮機(jī),向列車中所有的用風(fēng)設(shè)備持續(xù)供風(fēng)。通過(guò)有效的壓縮機(jī)管理,可以控制列車的總風(fēng)壓力保持在850kPa至1 000kPa之間。如果列車總風(fēng)壓力小于850kPa,壓縮機(jī)管理程序模塊將啟動(dòng)首選的壓縮機(jī)投入工作;如果列車總風(fēng)壓力小于830kPa,壓縮機(jī)管理模塊將啟動(dòng)第2個(gè)壓縮機(jī)也投入工作;如果列車總風(fēng)壓力小于800kPa,壓縮機(jī)管理模塊應(yīng)啟動(dòng)列車組中的所有可用壓縮機(jī)投入工作。
當(dāng)電空制動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者列車需要回送、救援時(shí),列車可用備用制動(dòng)裝置限速運(yùn)行。備用制動(dòng)采用間接制動(dòng)形式,通過(guò)備用司控器控制列車管(BP)的壓力,使列車制動(dòng)或緩解。常用制動(dòng)和備用制動(dòng)之間的切換可由電子制動(dòng)控制單元根據(jù)車輛操作狀態(tài)自動(dòng)識(shí)別。
和諧號(hào)動(dòng)車組通過(guò)撒沙來(lái)增加輪軌表面的粗糙度,而輪軌表面粗糙度可以破壞輪軌之間的水膜或油膜,從而改善黏著。撒沙裝置通過(guò)速度跟隨,可以實(shí)現(xiàn)撒沙定量控制。
圖5 動(dòng)車組撒沙增黏系統(tǒng)配置圖
和諧號(hào)動(dòng)車組配置了輔助升弓供風(fēng)系統(tǒng),能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)升弓供風(fēng)壓力,當(dāng)需列車升弓而風(fēng)源壓力不足時(shí),將啟動(dòng)輔助壓縮機(jī)向升弓系統(tǒng)供風(fēng)。
和諧號(hào)動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)的故障診斷以行車安全作為首要考慮因素,故障診斷系統(tǒng)可確認(rèn)、評(píng)估、報(bào)告在所有的操作模式中發(fā)生的多數(shù)故障約600項(xiàng),包括故障對(duì)系統(tǒng)自身以及對(duì)其它系統(tǒng)的影響,便于系統(tǒng)維護(hù)、故障定位查找和分析故障成因。
制動(dòng)系統(tǒng)診斷出故障時(shí),列車將根據(jù)故障等級(jí)自動(dòng)進(jìn)行"故障導(dǎo)向安全"控制,保證列車安全、受控的運(yùn)行。同時(shí)列車診斷系統(tǒng)將故障原因、功能限制、提示操作等信息告知司機(jī)、列車員,用于采取相關(guān)的補(bǔ)救措施。動(dòng)車組按故障影響程度設(shè)定了故障等級(jí)。發(fā)生各級(jí)故障的時(shí)候,將通過(guò)列車自動(dòng)限速運(yùn)行或者安全停車,以保障行車安全。
和諧號(hào)動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)的電子制動(dòng)控制單元作為機(jī)電一體化的高度自動(dòng)化和智能化產(chǎn)品,采用了高性能、通用型的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng),由4類模塊化和智能化的硬件資源(電源類、擴(kuò)展接口類、核心控制類、網(wǎng)絡(luò)通訊類)構(gòu)成了電子制動(dòng)控制單元的硬件平臺(tái),采用系統(tǒng)集成技術(shù),優(yōu)化配置后可以滿足不同類型制動(dòng)控制系統(tǒng)的全部硬件需求。操作系統(tǒng)與硬件設(shè)備配套安裝,完成異常/中斷處理、時(shí)間片管理調(diào)度等功能,同時(shí)提供控制服務(wù)、上載軟件、人機(jī)通訊和在線查看數(shù)據(jù)的接口。
由于硬件技術(shù)的進(jìn)步和性能的提高,使得我們可以實(shí)現(xiàn)日益強(qiáng)大的制動(dòng)系統(tǒng)控制功能。基于制動(dòng)控制系統(tǒng)的控制要求和接口要求,以及模塊化、智能化、通用化的設(shè)計(jì)原則,和諧號(hào)動(dòng)車組電子制動(dòng)控制單元由4類硬件資源共13種功能板組成:
(1)電源類。用于給整個(gè)制動(dòng)控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的工作電源,滿足多種輸入/輸出電壓轉(zhuǎn)換形式,可提供待機(jī)休眠和自動(dòng)喚醒功能。
(2)擴(kuò)展接口類。不同類型的擴(kuò)展接口板,可分別滿足模擬量輸入/輸出、數(shù)字量輸入/輸出、頻率量輸入/輸出、占空比可編程的功率驅(qū)動(dòng)等諸多接口功能,用于制動(dòng)系統(tǒng)與外部系統(tǒng)(如列車管理系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、列車邏輯線等)通過(guò)硬線進(jìn)行狀態(tài)傳遞、識(shí)別以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。
(3)核心控制類。核心控制類主板用于實(shí)現(xiàn)制動(dòng)控制、車輪滑行保護(hù)、列車制動(dòng)管理、單元制動(dòng)管理等核心制動(dòng)控制功能。核心類控制主板由不同的二進(jìn)制控制端口、模擬輸入/輸出端口和頻率采集端口等組成。
(4)網(wǎng)絡(luò)通訊類。用于控制系統(tǒng)與外部通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳遞和數(shù)據(jù)交換,采用不同類型的網(wǎng)絡(luò)通訊板,可滿足如 MVB、HDLC、RS485、RS232、CAN 等各種總線通訊接口要求。
以上4類硬件資源均3U結(jié)構(gòu)形式的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和模塊化設(shè)計(jì),各控制板之間通過(guò)CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的分時(shí)高速傳送。針對(duì)項(xiàng)目需求進(jìn)行4類硬件資源的靈活配置后,即可組成一個(gè)共享串行總線的分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),上載應(yīng)用軟件后即可實(shí)現(xiàn)制動(dòng)系統(tǒng)的控制目標(biāo)。同時(shí),4類硬件資源的控制板組成電子制動(dòng)控制單元時(shí),同種類型的控制板可以根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)ID實(shí)現(xiàn)不同的控制功能(圖6)。
圖6 4類硬件資源主要功能板
為保證和諧號(hào)動(dòng)車組的運(yùn)用安全性,制動(dòng)系統(tǒng)、重要子系統(tǒng)、關(guān)鍵部件在保證自身可靠性的同時(shí),在列車安全性上具有高度冗余性。即使制動(dòng)系統(tǒng)故障,也能夠保證列車安全制動(dòng)停車,并具有使列車移動(dòng)到下一站的制動(dòng)能力。
和諧號(hào)動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)的局部電子制動(dòng)控制單元EBCUX.1負(fù)責(zé)本車的制動(dòng)控制、防滑控制、防抱死監(jiān)測(cè)、制動(dòng)診斷等功能;因列車制動(dòng)管理和單元制動(dòng)管理作為列車制動(dòng)控制與管理的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu),在列車的兩端采用了冗余配置,由EBCU1.2實(shí)現(xiàn);參照UIC 541-05標(biāo)準(zhǔn)中的要求,車輪不旋轉(zhuǎn)檢測(cè)須有兩套物理上獨(dú)立的系統(tǒng)完成,為此拖車上配置了EBCU2.2(單元內(nèi)的2車)和EBCU4.2(單元內(nèi)的4車)用于冗余的車輪抱死狀態(tài)監(jiān)測(cè)。每8輛編組的和諧號(hào)動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)共包含14個(gè)EBCU,均有標(biāo)準(zhǔn)化和智能化的4類硬件資源組合而成(圖7)。
對(duì)于和諧號(hào)動(dòng)車組電子制動(dòng)控制單元而言,節(jié)點(diǎn)數(shù)量非常多,有些節(jié)點(diǎn)的某些功能非常類似,為了實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)化、可讀性,實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件的可移植性和不同功能模塊之間的可兼容性,有必要采用基于OSEK/VDX規(guī)范的嵌入式操作系統(tǒng)。這樣不僅可以提供軟件任務(wù)間的標(biāo)準(zhǔn)接口,增加軟件功能模塊的可移植性,可重用性,還可以提高電控系統(tǒng)的可靠性,大大減少模塊間集成測(cè)試的復(fù)雜程度,避免不必要的重復(fù)開發(fā)。
圖7 集成的和諧號(hào)動(dòng)車組電子制動(dòng)控制單元
設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的基礎(chǔ)是分析可調(diào)度性。操作系統(tǒng)所提供的分析工具能夠仿真調(diào)度表并計(jì)算可調(diào)度性。分析基于每個(gè)任務(wù)和ISR的優(yōu)先級(jí)、周期、執(zhí)行時(shí)間和時(shí)限等信息??梢赃x擇多種在可調(diào)度性分析理論界知名的可調(diào)度性算法。針對(duì)給定信息,會(huì)自動(dòng)選擇最適合的算法。使用分析工具,可以避免采用測(cè)試方法進(jìn)行的復(fù)雜而耗時(shí)的測(cè)定工作。它為軟件開發(fā)者提供了一種在系統(tǒng)中集成知名軟件組件的工具,能夠在項(xiàng)目開發(fā)和測(cè)試階段節(jié)省成本和時(shí)間。分析工具會(huì)計(jì)算處理器利用率并給出百分比數(shù)值。通過(guò)調(diào)整應(yīng)用程序參數(shù),可以優(yōu)化處理器利用率,從而在現(xiàn)有硬件資源條件下獲得高效的設(shè)計(jì)。圖形界面提供了時(shí)間特性的直觀視圖,使應(yīng)用工程師能夠更為形象地了解控制單元內(nèi)部的處理過(guò)程,這樣就極大地降低了產(chǎn)生不可靠系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)(圖8)。
圖8 操作系統(tǒng)動(dòng)態(tài)觀測(cè)
和諧號(hào)動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)軟件開發(fā)以系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)理念為基礎(chǔ),引入了目前國(guó)際上領(lǐng)先的基于V模式的軟件開發(fā)平臺(tái),可以解決在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)開發(fā)中所遇到的各種問(wèn)題。在開發(fā)過(guò)程中可以將在桌面上的控制算法的離線仿真、試驗(yàn)室內(nèi)的控制原型的測(cè)試、以及車輛的實(shí)際測(cè)試標(biāo)定過(guò)程統(tǒng)一起來(lái),通過(guò)不斷的驗(yàn)證與確認(rèn),確保開發(fā)的產(chǎn)品在從頂層設(shè)計(jì)到最終實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中保持一致,加快開發(fā)的進(jìn)程(圖9)。
圖9 基于V模式的軟件開發(fā)平臺(tái)
圖形化的控制系統(tǒng)建模環(huán)境可以進(jìn)行方便的算法設(shè)計(jì)及仿真,并提供豐富的模塊庫(kù)用于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)搭建和有限狀態(tài)機(jī)建模,基于該環(huán)境可以通過(guò)對(duì)模塊庫(kù)中模塊的拖拉、連接和配置,方便的實(shí)現(xiàn)控制算法的搭建。
按現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法,無(wú)須等待軟件工程師的編程和隨后的代碼硬件集成,而是利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具自動(dòng)將控制軟件轉(zhuǎn)換為代碼并自動(dòng)下載到硬件開發(fā)平臺(tái),從而快速實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的原型。之后,就可以利用計(jì)算機(jī)輔助試驗(yàn)測(cè)試管理工具軟件進(jìn)行各種測(cè)試,以檢驗(yàn)控制方案對(duì)實(shí)際對(duì)象的控制效果,并在線優(yōu)化控制參數(shù)。此時(shí)即使模型需要大規(guī)模修改,重新形成測(cè)試原型也只需要幾分鐘的時(shí)間,避免過(guò)多的資源浪費(fèi)和時(shí)間消耗。
基于模型的控制算法可以生成針對(duì)特定硬件平臺(tái)的產(chǎn)品級(jí)嵌入式代碼;基于數(shù)據(jù)庫(kù)的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議也可以通過(guò)生成針對(duì)特定硬件平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧代碼。相關(guān)源碼可以在開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行代碼集成,編譯,鏈接,并將生成的二進(jìn)制文件下載到產(chǎn)品級(jí)硬件環(huán)境中。
有了控制產(chǎn)品的樣機(jī),還必須對(duì)其進(jìn)行全面綜合的測(cè)試,以對(duì)照確認(rèn)產(chǎn)品與實(shí)際指標(biāo)要求,特別是故障情況和極限條件下的測(cè)試。但如果用實(shí)際的控制對(duì)象進(jìn)行測(cè)試,很多環(huán)境條件無(wú)法實(shí)現(xiàn)的,抑或要付出高昂的代價(jià)?,F(xiàn)代開發(fā)方法中計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具將再次發(fā)揮作用,可以用HILS的方法和工具進(jìn)行各種條件下的測(cè)試,特別是故障和極限條件下的測(cè)試。
最后利用標(biāo)定工具和基于總線的測(cè)量設(shè)備來(lái)進(jìn)行EBCU的標(biāo)定工作。除此之外,提供重要的測(cè)試和分析工具,可以將設(shè)計(jì)、分析、測(cè)試一體化實(shí)現(xiàn),實(shí)現(xiàn)和諧號(hào)動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)的控制性能的參數(shù)化管理。
電子制動(dòng)控制單元作為整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)的核心機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)系統(tǒng)所有復(fù)雜的邏輯運(yùn)算和控制,并具備豐富的故障診斷和故障導(dǎo)向安全控制功能,是和諧號(hào)動(dòng)車組安全運(yùn)用的基礎(chǔ)和保證。
目前電子和軟件已經(jīng)成為鐵路機(jī)車車輛技術(shù)改進(jìn)和革新的主要推動(dòng)力,和諧號(hào)動(dòng)車組電子制動(dòng)控制單元集成了應(yīng)用軟件平臺(tái)、硬件平臺(tái)和軟件開發(fā)平臺(tái),集中體現(xiàn)了制動(dòng)控制系統(tǒng)軟硬件模塊化、參數(shù)化的設(shè)計(jì)理念,可以滿足各種用戶的需求。