劉 琦 趙 磊 徐惠林 吳紫薇

(北京地鐵車輛裝備有限公司，100079，北京∥第一作者，工程師)

列車控制及監(jiān)控系統(tǒng)(TCMS)具有對(duì)列車牽引系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視、控制及故障診斷的功能。實(shí)現(xiàn)這些功能的基礎(chǔ)就是TCMS具有完整可靠的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過MVB(多功能車輛總線)的傳輸實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的交互。TCMS設(shè)計(jì)包括電氣原理設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制邏輯開發(fā)(牽引系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等)。

本文討論TCMS設(shè)計(jì)的改進(jìn)，充分考慮了城市軌道交通車輛遠(yuǎn)期擴(kuò)編需求的可能性。對(duì)6輛編組和8輛編組列車的TCMS網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中各設(shè)備的功能進(jìn)行了說明，并且對(duì)數(shù)據(jù)流傳輸過程中涉及到的端口地址、特征周期、端口大小等作了詳細(xì)介紹。在TCMS通信正常的情況下，分別描述了TCMS對(duì)列車牽引系統(tǒng)的主要監(jiān)視信息、控制指令、故障診斷的分級(jí)及處理，重點(diǎn)介紹了牽引指令、母線高速斷路器的控制邏輯開發(fā)。在與列車牽引系統(tǒng)有關(guān)的TCMS設(shè)計(jì)改進(jìn)中，介紹了ERM(列車數(shù)據(jù)及事件記錄器)新增的硬線采集功能、網(wǎng)絡(luò)故障提示功能的設(shè)計(jì)，以及DI/DO電路導(dǎo)向安全的設(shè)計(jì)。完成了測(cè)試工作，驗(yàn)證了TCMS對(duì)列車牽引系統(tǒng)的有效監(jiān)控。

1 TCMS與牽引系統(tǒng)框架介紹

1.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1為8輛編組列車TCMS與列車牽引系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。在圖1中，列車編組為6M2T，即6輛動(dòng)車2輛拖車，3車和6車為擴(kuò)編車輛。CCU(中央控制單元)負(fù)責(zé)組織所有數(shù)據(jù)流的交換，具有診斷功能和控制功能;RIOM(遠(yuǎn)程輸入輸出模塊)具有采集車輛各種模擬信號(hào)(AX，此項(xiàng)目牽引系統(tǒng)部分只有AI輸入模塊)和數(shù)字信號(hào)(DX，通過DI輸入模塊或DO輸出模塊實(shí)現(xiàn))的功能;HMI(人機(jī)接口)用于顯示列車狀態(tài)及故障信息，發(fā)出司機(jī)指令及故障處理提示;ERM具有列車信息采集和記錄的功能;REP(中繼器)具有對(duì)MVB信號(hào)的中繼放大功能;DCU(牽引控制單元)用于牽引系統(tǒng)與TCMS的數(shù)據(jù)流通信;MC(司控器)供司機(jī)控車使用。CCU與DCU通過MVB進(jìn)行通信，MVB采用標(biāo)準(zhǔn)的MVBEMD總線，符合IEC61375—1—1999標(biāo)準(zhǔn)。其中，硬線是指不同于MVB總線的傳輸介質(zhì)，傳輸性能可靠，但傳輸能力有限，可以傳輸模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，常用作列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的傳輸后備方式，保證系統(tǒng)安全可靠。

圖1 8輛編組列車TCMS與列車牽引系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

從圖1中可得出，6輛編組與8輛編組列車相比較，TCMS與列車牽引系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是不變的，只需在擴(kuò)編的動(dòng)力單元上增加一個(gè)DCU和RIOM即可，不影響CCU與DCU之間的數(shù)據(jù)傳輸。

1.2 端口地址

在微機(jī)系統(tǒng)中，每個(gè)端口分配有唯一的地址碼，稱之為端口地址。CCU與DCU實(shí)現(xiàn)通信時(shí)，必須給每個(gè)端口定義好具體的端口地址，這樣才能保證數(shù)據(jù)流傳輸準(zhǔn)確。列車為6輛編組時(shí)，CCU與DCU的端口地址見表1。當(dāng)CCU為源設(shè)備、DCU為宿設(shè)備時(shí)，CCU通過MVB傳輸給DCU數(shù)據(jù)流，此數(shù)據(jù)流為控制指令，需要32ms刷新一次，即特征周期為32 ms。當(dāng)DCU為源設(shè)備、CCU為宿設(shè)備時(shí)，DCU通過MVB傳輸給CCU數(shù)據(jù)流，此數(shù)據(jù)流為監(jiān)視信息，特征周期為64 ms。其中，DCU向CCU傳輸信息時(shí)均采用兩個(gè)端口，是牽引系統(tǒng)需要TCMS監(jiān)視的信息量大所決定的。在進(jìn)行端口分配時(shí)，采用了預(yù)留設(shè)計(jì)思路，端口地址能夠滿足8輛編組列車的需求，因此表1中的端口地址不連續(xù)。端口大小均為32B，在每個(gè)端口定義數(shù)據(jù)流時(shí)，均有預(yù)留字節(jié)，并沒有將32B完全占用，方便牽引系統(tǒng)增加數(shù)據(jù)流，同時(shí)滿足用戶更改采集信息的需求。

2 TCMS對(duì)列車牽引系統(tǒng)的監(jiān)視、控制及故障診斷

2.1 TCMS對(duì)列車牽引系統(tǒng)的監(jiān)視

DCU通過MVB將列車牽引系統(tǒng)的狀態(tài)信息、故障信息傳輸給TCMS。TCMS獲取此類信息后，根據(jù)顯示屏方案以及故障診斷方案，部分信息傳給HMI進(jìn)行顯示，部分信息傳給ERM進(jìn)行記錄，供司乘人員和維護(hù)人員使用。

表1 CCU與DCU端口地址表

TCMS的監(jiān)視功能模塊是根據(jù)列車牽引系統(tǒng)的需求，結(jié)合顯示屏方案，由CCU對(duì)DCU作在線判斷。HMI直接接收DCU的數(shù)據(jù)流，當(dāng)兩者同時(shí)滿足時(shí)，則在顯示屏對(duì)應(yīng)界面顯示列車牽引系統(tǒng)的狀態(tài)量。運(yùn)行界面顯示的有:牽引系統(tǒng)狀態(tài)、牽引級(jí)位、電網(wǎng)電壓，以及網(wǎng)流、消耗能量、再生能量、方向等。牽引子系統(tǒng)界面顯示的有:HB(高速斷路器)狀態(tài)、BHB(母線高速斷路器)狀態(tài)、牽引力/電制動(dòng)力、MS(主隔離開關(guān))狀態(tài)、KM1(短接接觸器)狀態(tài)、KM2(充電接觸器)狀態(tài)、中間電壓(斬波電壓)、中間電流(斬波電流)、電機(jī)電流(逆變電流)、VVVF(變壓變頻調(diào)速)狀態(tài)。

ERM記錄方式為直接接收DCU數(shù)據(jù)流并進(jìn)行記錄，與顯示屏對(duì)數(shù)據(jù)流的處理不同。除以上信息外，ERM記錄的信息還包括電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)溫度、電制動(dòng)相關(guān)信息，以及各類軟件版本號(hào)等。

2.2 TCMS對(duì)列車牽引系統(tǒng)的控制

TCMS對(duì)列車牽引系統(tǒng)的控制分為兩種模式:CCU通過MVB向DCU傳輸指令信息;通過CCU內(nèi)部邏輯處理生成的DO變量控制牽引系統(tǒng)電路的導(dǎo)通或斷開。主要控制功能有:牽引指令，母線高速斷路器控制、方向指令，牽引力值設(shè)定，電制動(dòng)力值設(shè)定，時(shí)間日期類信息，各車有效載荷，列車實(shí)際速度，輪徑值等。

牽引指令采取網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先硬線后備的控制方式。即在TCMS正常時(shí)，列車牽引系統(tǒng)采用TCMS傳輸?shù)闹噶钚盘?hào);當(dāng)TCMS故障時(shí)，列車牽引系統(tǒng)采用硬線信號(hào)進(jìn)行控制，確保在故障情況下，列車牽引系統(tǒng)的基本功能不受影響，以保證整車的安全性。

牽引指令的控制邏輯如圖2所示。由圖2可知，當(dāng)同時(shí)滿足司機(jī)室激活、牽引指令為1、制動(dòng)指令為0、惰行狀態(tài)為0時(shí)，CCU發(fā)送給DCU的牽引指令為1;否則為0。以上邏輯處理是基于對(duì)整車牽引控制電路的分析。由于牽引控制電路中對(duì)門選開關(guān)、制動(dòng)緩解、停放制動(dòng)、緊急制動(dòng)等進(jìn)行邏輯聯(lián)鎖，CCU不再對(duì)其邏輯進(jìn)行處理，從而避免了TCMS內(nèi)部邏輯開發(fā)的重復(fù)性，提高了CCU的處理速度。

圖2 牽引指令的控制邏輯

圖3為列車牽引系統(tǒng)高壓電路示意圖。母線高速斷路器的控制是通過DO電路的導(dǎo)通或斷開實(shí)現(xiàn)的。在進(jìn)行列車牽引系統(tǒng)的高壓電路設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到BHB的成本較高，為避免BHB的反復(fù)動(dòng)作，在原有的BHB電路中串聯(lián)了BLB(母線接觸器)，有效利用了BLB可以反復(fù)閉合斷開的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)BHB的保護(hù)作用。因此TCMS對(duì)牽引系統(tǒng)的母線高速斷路器的控制分為BHB控制和BLB控制。

圖3 列車牽引系統(tǒng)高壓電路示意圖

在TCMS內(nèi)部的列車牽引系統(tǒng)控制邏輯開發(fā)中生成3個(gè)DO變量:BHB允許指令、BHB閉合指令、BLB閉合指令。其控制邏輯如圖4～6所示。

在圖4中，BHB開關(guān)閉合指的是司機(jī)臺(tái)上母線控制器的總開關(guān)閉合;司機(jī)室激活、緊急牽引狀態(tài)、洗車模式均為DI采集的狀態(tài)信息;BHB故障和BLB故障為牽引系統(tǒng)內(nèi)部故障信息。由圖4可知，當(dāng)同時(shí)滿足司機(jī)室激活、BHB開關(guān)閉合為1、非緊急牽引狀態(tài)、非洗車模式、BHB和BLB均無故障的條件下，輸出BHB允許指令為1，對(duì)應(yīng)的DO電路導(dǎo)通;否則，輸出BHB允許指令為0，對(duì)應(yīng)的DO電路不導(dǎo)通。

圖4 BHB允許指令的控制邏輯

圖5 BHB閉合指令的控制邏輯

由圖5可知，當(dāng) BHB允許指令為1，斷路器BHB狀態(tài)為0(即BHB斷開)的情況下，輸出BHB閉合指令，對(duì)應(yīng)的DO電路導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)斷路器BHB閉合。

圖6 BLB閉合指令的控制

圖6中速度值的判斷由CCU完成。由圖6可知，當(dāng)滿足速度≥5.5 km/h，且BHB狀態(tài)為1(即BHB閉合)、輸出BLB閉合指令為1時(shí)，對(duì)應(yīng)的DO電路導(dǎo)通，接觸器BLB閉合。當(dāng)BHB開關(guān)閉合為0(即BHB開關(guān)未閉合)、BHB允許指令為0、BHB狀態(tài)為0(即BHB斷開)、速度≤4.5 km/h、BLB 故障為1(BLB故障)中任意一個(gè)條件得以滿足時(shí)，輸出BLB閉合指令為0，對(duì)應(yīng)的DO電路斷開，接觸器BLB斷開。

對(duì)TCMS對(duì)列車牽引系統(tǒng)其他控制功能的實(shí)現(xiàn)不再贅述，其基本思路與邏輯實(shí)現(xiàn)與以上相似。

2.3 TCMS對(duì)列車牽引系統(tǒng)的故障診斷

列車故障診斷由位于Tc車的CCU集中實(shí)現(xiàn)。CCU接收DCU傳輸?shù)墓收闲畔ⅲ凑展收洗a進(jìn)行分類存儲(chǔ)和報(bào)警提示。根據(jù)故障對(duì)列車牽引系統(tǒng)、列車的性能與安全性的影響劃分為不同的故障等級(jí)并且對(duì)應(yīng)不同的處理方式(見表2)。

表2 故障等級(jí)及其處理方式

3 與列車牽引系統(tǒng)有關(guān)的TCMS設(shè)計(jì)改進(jìn)

3.1 增加ERM硬線采集功能

TCMS是保證行車安全的關(guān)鍵技術(shù)系統(tǒng)，故障導(dǎo)向安全是其必須遵循的基本原則。TCMS正常工作時(shí)應(yīng)能保證行車安全，TCMS發(fā)生故障時(shí)也不危及行車安全。基于此，對(duì)于ERM，突破了以往項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，其不僅具有列車信息采集和記錄功能，而且實(shí)現(xiàn)了當(dāng)TCMS發(fā)生故障時(shí)，ERM可通過DI、AI模塊采集硬線數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)記錄，進(jìn)行故障分析。每個(gè)Tc車上均安裝有1個(gè)ERM，具有互為冗余的網(wǎng)絡(luò)接口，獨(dú)立的電源供電及獨(dú)立的處理系統(tǒng)，不依賴于CCU，為故障時(shí)的數(shù)據(jù)采集提供了有力保證。對(duì)于列車牽引系統(tǒng)，新增的硬線采集信息有:向前指令、向后指令、牽引指令、復(fù)位、警惕按鈕、緊急牽引、牽引編碼、牽引力/制動(dòng)力值。由此可見，即使TCMS通信故障，ERM仍然可以準(zhǔn)確記錄與列車牽引系統(tǒng)密切相關(guān)的重要信息，為TCMS故障下列車牽引系統(tǒng)功能是否實(shí)現(xiàn)提供了記錄的依據(jù)。

3.2 TCMS故障提示功能設(shè)計(jì)

TCMS正常時(shí)，列車運(yùn)行在網(wǎng)絡(luò)模式;若TCMS故障時(shí)，司機(jī)室設(shè)置的TCMS故障指示燈常亮，蜂鳴器鳴響，提示司機(jī)操作緊急牽引按鈕，列車進(jìn)入緊急牽引模式。當(dāng)緊急按鈕按下后，蜂鳴器停止鳴響，TCMS故障指示燈常亮。該提示功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，使得列車牽引系統(tǒng)在不受TCMS控制的情況下，快速進(jìn)入緊急牽引模式，不影響行車安全。

3.3 DI/DO電路導(dǎo)向安全設(shè)計(jì)

為保證TCMS對(duì)列車牽引系統(tǒng)的準(zhǔn)確監(jiān)控，當(dāng)RIOM分配DI模塊時(shí)，預(yù)留有足夠的接口，用以采集牽引控制電路的相關(guān)硬線信息。對(duì)于重要指令如牽引指令、方向指令等均通過DI模塊進(jìn)行雙路采集，互為冗余。與單路采集相比，避免了單路斷開導(dǎo)致指令無法采集的情況發(fā)生，確保了列車牽引系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。對(duì)于DO模塊的硬件電路，TCMS正常工作時(shí)，高電平有效;當(dāng)TCMS故障時(shí)，硬件電路設(shè)計(jì)為導(dǎo)向低電平，這與BHB允許指令為1、BHB閉合指令為1、BLB閉合指令為1時(shí)，其對(duì)應(yīng)的DO硬件電路導(dǎo)通的設(shè)計(jì)思路相吻合。

4 試驗(yàn)

該項(xiàng)目完成了列車牽引系統(tǒng)與TCMS之間的功能測(cè)試，驗(yàn)證了CCU與DCU均遵循TCMS與列車牽引系統(tǒng)的通信協(xié)議，確認(rèn)TCMS與列車牽引系統(tǒng)的通信功能正確。通過試驗(yàn)，得出TCMS可實(shí)現(xiàn)對(duì)列車牽引系統(tǒng)的監(jiān)控功能。

5 結(jié)語

該項(xiàng)目充分考慮了城市軌道交通列車遠(yuǎn)期擴(kuò)編的需求，以6輛編組擴(kuò)編為8輛編組為例，在TCMS設(shè)計(jì)中預(yù)留充分的通信端口，方便牽引系統(tǒng)增加數(shù)據(jù)流、滿足用戶隨時(shí)更改采集信息要求。針對(duì)本次國(guó)產(chǎn)化列車牽引系統(tǒng)高壓電路的設(shè)計(jì)變化以及系統(tǒng)顯示狀態(tài)信息和故障提示的需求，完成了控制邏輯開發(fā)，并遵循TCMS設(shè)計(jì)不繁瑣、TCMS故障有后備的原則。對(duì)于TCMS硬件設(shè)計(jì)部分，做了新的突破，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)TCMS發(fā)生故障時(shí)，ERM可以通過DI、AI模塊采集硬線數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄，進(jìn)行故障分析;網(wǎng)絡(luò)故障提示功能得以實(shí)現(xiàn)，完成了DI/DO電路導(dǎo)向低電平的設(shè)計(jì)。通過試驗(yàn)驗(yàn)證了硬件設(shè)計(jì)與軟件邏輯開發(fā)均完全滿足預(yù)期要求，很好地實(shí)現(xiàn)了TCMS對(duì)列車牽引系統(tǒng)的監(jiān)控?；诖耍瑢⒃诒本┑罔F7號(hào)線項(xiàng)目中進(jìn)一步驗(yàn)證國(guó)產(chǎn)化TCMS列車牽引系統(tǒng)的監(jiān)控設(shè)計(jì)，完成了運(yùn)營(yíng)10萬km的檢驗(yàn)，更加完善TCMS列車牽引系統(tǒng)的監(jiān)控設(shè)計(jì)，確保列車運(yùn)行安全可靠。

［1］葛剛，孫路.南京地鐵2號(hào)線列車控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)析［J］.現(xiàn)代城市軌道交通，2010(3):11.

［2］IEC 61375—1—1999鐵道電氣設(shè)備列車總線第一部分:列車通信網(wǎng)絡(luò)［S］.

［3］IEEE 1473—1999鐵道電氣設(shè)備通信協(xié)議［S］.

［4］徐培麗，陳超錄.北京地鐵房山線列車網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)［J］.現(xiàn)代城市軌道交通，2011(2):7.