王正君

（太原鐵路局 湖東電力機(jī)務(wù)段技術(shù)科，山西大同037300）

HXD1型8軸電力機(jī)車網(wǎng)絡(luò)控制邏輯初探

王正君

（太原鐵路局 湖東電力機(jī)務(wù)段技術(shù)科，山西大同037300）

HXD1型8軸電力機(jī)車是我國采用當(dāng)代先進(jìn)技術(shù)精心打造的鐵路重載牽引平臺，其在機(jī)車控制中首次融入了先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，引入了現(xiàn)代控制論機(jī)車控制理念，實(shí)現(xiàn)了交流傳動技術(shù)的跨越發(fā)展。嘗試對HXD1型機(jī)車關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入解讀，為我國電力牽引技術(shù)的發(fā)展作一些有益的探索。

HXD1型；8軸；電力機(jī)車；網(wǎng)絡(luò)控制；邏輯

HXD1型8軸電力機(jī)車是我國鐵路發(fā)展具有深刻變革的劃時(shí)代產(chǎn)品，它借助當(dāng)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、逆變技術(shù)、交流傳動及現(xiàn)代控制論等的技術(shù)優(yōu)勢，在我國第一條重載鐵路大秦線運(yùn)輸中日益發(fā)揮著越來越重要的作用。由于投入大秦線運(yùn)輸近6年來機(jī)車所暴露出的深層次問題漸趨增多，客觀需要進(jìn)行更為深入的維護(hù)才能確保機(jī)車質(zhì)量，因此，有必要對HXD1型機(jī)車的技術(shù)特征進(jìn)行一次全面、系統(tǒng)地梳理。

根據(jù)現(xiàn)場維護(hù)機(jī)車的實(shí)踐和多年來對HXD1型機(jī)車在實(shí)際應(yīng)用中顯現(xiàn)的技術(shù)特性的揣摩，參照一些技術(shù)資料，嘗試對HXD1型機(jī)車內(nèi)在控制要素和規(guī)律進(jìn)行一些深入的解讀。力求在消化吸收的基礎(chǔ)上，盡快提升我國在電力牽引控制的認(rèn)知水平，從而為我國鐵路技術(shù)的快速發(fā)展積累必不可少的經(jīng)驗(yàn)。

1 全域、精準(zhǔn)、迅捷的控制關(guān)系使網(wǎng)絡(luò)化控制成為最優(yōu)化的典范

1.1 涵蓋的控制部件區(qū)域

在HXD1型機(jī)車中，CCU作為網(wǎng)絡(luò)控制中心，是機(jī)車智能化的神經(jīng)中樞，擔(dān)負(fù)著列車級控制、機(jī)車級控制，主要控制機(jī)車重聯(lián)控制；WTB、MVB總線管理；機(jī)車控制邏輯的實(shí)現(xiàn)；機(jī)車牽引、制動特性控制；軸重轉(zhuǎn)移補(bǔ)償控制；自動過分相控制；空電聯(lián)合制動控制；通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速自動控制；無人警惕控制；自動輪徑校正等。

為了達(dá)到精細(xì)化及減輕主CCU負(fù)擔(dān)的目的，在控制系統(tǒng)內(nèi)又設(shè)置了由TCU擔(dān)負(fù)傳動級控制功能，主要監(jiān)視和控制、調(diào)節(jié)牽引變流器，同時(shí)也參與網(wǎng)壓檢測及防滑、防空轉(zhuǎn)控制。

進(jìn)一步看，CCU控制各個(gè)部分涉及的控制要素十分豐富。僅受電弓升弓環(huán)節(jié)，如下達(dá)“升弓”命令后，CCU就需要對受電弓是否已升起，可能的升弓模式進(jìn)行評估，還要驗(yàn)證評估機(jī)車是否處于靜止?fàn)顟B(tài)，風(fēng)壓是否足夠等，否則需對輔助壓縮機(jī)技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行評估后再下達(dá)輔助壓縮機(jī)控制命令，同時(shí)，升弓時(shí)，涉及升弓環(huán)節(jié)的所有條件（多達(dá)20條）也需要一一經(jīng)主CCU檢測通過后，升弓才可以完成。

而在主斷路器控制環(huán)節(jié)，為了確保主斷路器安全閉合和斷開，系統(tǒng)設(shè)置更為精細(xì)，主要含工作模式的選擇，功能塊檢測及配置，主斷路器閉合的實(shí)時(shí)監(jiān)控，主斷路器解鎖的驗(yàn)證，主斷路器回路的測試及主斷路器回路試驗(yàn)6部分，每一部分又設(shè)置了相應(yīng)的技術(shù)條件，諸如配置實(shí)現(xiàn)的前提，配置實(shí)現(xiàn)的邏輯關(guān)系，解鎖失敗的執(zhí)行等。可以說，只要涉及與主斷路器動作有關(guān)的安全和技術(shù)要求，全部成為主斷路器控制的基本要素，從而確保了主斷路器動作的安全性和可靠性。

此外，參與機(jī)車牽引控制的重要部件如主輔變壓器、主輔變流器的技術(shù)狀態(tài)等眾多部件的技術(shù)狀態(tài)也納入了CCU的有效管控之下，而確保機(jī)車安全的CCBⅡ制動機(jī)、主壓縮機(jī)等也是CCU掌控的關(guān)鍵所在，其所涉及的支持這些部件正常運(yùn)用的主要技術(shù)狀態(tài)控制節(jié)點(diǎn)均一一位列其中?？梢哉f，除了走行部及車體部分，機(jī)車參與控制的幾乎所有部件的運(yùn)用技術(shù)狀態(tài)均匯集成了CCU控制的基本要素，機(jī)車控制網(wǎng)絡(luò)化真正實(shí)現(xiàn)了全要素全過程控制的目的。

1.2 精確的全過程跟蹤監(jiān)控

在HXD1型機(jī)車的控制體系中，對機(jī)車部件的控制和管理貫穿于控制全過程。為了有效控制每一個(gè)部件的運(yùn)用，其所涉及的硬件控制回路以及其必須具備的其他技術(shù)條件，需要設(shè)置眾多能準(zhǔn)確反映部件技術(shù)特征的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，而機(jī)車部件投入運(yùn)用前這些節(jié)點(diǎn)本身以及節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的技術(shù)準(zhǔn)備條件和技術(shù)運(yùn)用狀態(tài)，由CCU依據(jù)經(jīng)事先科學(xué)評估形成的邏輯關(guān)系，一一進(jìn)行對比分析和邏輯判定，并快速作出相應(yīng)的技術(shù)決策，從而實(shí)現(xiàn)了對機(jī)車控制全過程最為有效的精確控制。

1.3 強(qiáng)大的故障自診斷處置功能

關(guān)于HXD1型機(jī)車的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)具有自診斷功能，已有大量的闡述，主要具有自診斷信息可在微機(jī)顯示器上進(jìn)行顯示。CCU和TCU具有故障診斷和故障儲存功能。故障診斷分為司機(jī)屏提示、Monitor軟件實(shí)時(shí)診斷、Expert2軟件離線分析等方式。診斷數(shù)據(jù)分故障數(shù)據(jù)和日志數(shù)據(jù)，其中診斷數(shù)據(jù)附帶機(jī)車運(yùn)行的環(huán)境參數(shù)。診斷數(shù)據(jù)包含代碼、發(fā)生時(shí)間、消失時(shí)間、事件簡單說明等信息。

HXD1型機(jī)車由CCU支撐下的網(wǎng)絡(luò)對機(jī)車控制全過程的監(jiān)控，主要是服務(wù)于機(jī)車自診斷功能。適時(shí)監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，一旦發(fā)現(xiàn)非正常信息，就會立即響應(yīng)，并依據(jù)這些信息由CCU（或TCU）進(jìn)行必要的分析和判斷，并迅速給出相應(yīng)的技術(shù)決策，具有十分優(yōu)異的性能。主要表現(xiàn)①由于部件節(jié)點(diǎn)眾多，由CCU管理的自診斷系統(tǒng)十分龐大，其監(jiān)控范圍基本與控制范圍相對應(yīng)，機(jī)車部件的控制全程均在其監(jiān)控之下；②診斷響應(yīng)十分迅速，可在第一時(shí)間將診斷信息提供給操縱人員；③自診斷系統(tǒng)對自身也進(jìn)行了必要的監(jiān)控；④每一個(gè)故障診斷都針對性給出了最佳處理方案。

2 受電弓的邏輯控制關(guān)系和主斷路器的邏輯控制等

2.1 受電弓升弓環(huán)節(jié)的邏輯控制

為了確保機(jī)車升弓的順利完成，經(jīng)專業(yè)評估后確定需要遵循的原則：①機(jī)車必須處于靜止?fàn)顟B(tài)；②需要考慮先升非操縱節(jié)受電弓，降低由于受電弓刮弓對機(jī)車車頂設(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)減少電磁干擾對操縱人員的影響；③升單節(jié)受電弓要求兩個(gè)高壓隔離開關(guān)提前處于閉合位（主斷路器必須處于“斷開位”），升兩節(jié)受電弓時(shí)要求高壓隔離開關(guān)提前處于斷開位（主斷路器必須處于“斷開位”），而且需要由CCU對高壓隔離開關(guān)的位置進(jìn)行評估后符合要求。④如受電弓故障后，需要禁止升該故障受電弓，同時(shí)可允許升起另一架受電弓。⑤正常情況下可選擇升起操縱節(jié)受電弓。⑥發(fā)生其他故障后，需要升起兩節(jié)受電弓。

為了滿足上述要求，就需要將兩節(jié)高壓隔離開關(guān)位置，兩節(jié)主斷路器位置相互之間按一定的原則（高壓隔離開關(guān)必須在無電情況下才允許動作；正常情況下，受控主斷路器需與兩節(jié)機(jī)車高壓隔離開關(guān)的開閉位置一致）建立相應(yīng)的邏輯關(guān)系。同時(shí)，為了保障受電弓能夠按要求升起，還需要對部分必要節(jié)點(diǎn)如風(fēng)壓是否高于最低限度，輔助壓縮機(jī)是否故障等。由CCU按照上述6條基本原則進(jìn)行關(guān)于節(jié)點(diǎn)技術(shù)狀態(tài)的評估，形成“或”邏輯關(guān)系參與受電弓升弓控制。

此外，如果上述評估中發(fā)現(xiàn)部件節(jié)點(diǎn)存在非正常情況，由CCU按設(shè)定的最優(yōu)化邏輯關(guān)系自動采取進(jìn)一步的措施。如下達(dá)升弓命令后（選擇開關(guān)在“自動位”），出現(xiàn)初始化錯(cuò)誤；或者出現(xiàn)諸如輔助壓縮機(jī)故障，21－K06并且21－K07故障，21－K06或者21－K07觸電粘接（21－K08故障，另一節(jié)車主斷禁止，蓄電池電壓低于77 V超過2 min，另一節(jié)要求升雙弓，網(wǎng)壓低于15 k V以及非操縱節(jié)輔助壓縮機(jī)故障）等信息后，由CCU檢測并評估同時(shí)做出“升雙弓”的選擇。

同樣，受電弓選擇開關(guān)在“本務(wù)機(jī)車位”或“重聯(lián)位”升弓時(shí)，也采取了類似的原理，從而確保機(jī)車出現(xiàn)各種非正常情況后，可以由CCU作出判斷并進(jìn)行最優(yōu)選擇。

2.2 受電弓工作環(huán)節(jié)的邏輯控制

受電弓升起后，其技術(shù)狀態(tài)是否穩(wěn)定以及對其工作狀態(tài)的監(jiān)控，是確保受電弓正常工作的必要前題。為此，需要遵循以下原則：①涉及升弓模式的某一個(gè)條件如發(fā)生變化，受電弓工作模式必須進(jìn)行相應(yīng)的改變。②受電弓升起后20 s后，受電弓工作狀態(tài)的監(jiān)控開啟；③受電弓如需要降下，必須在主斷路器斷開0.6 s之后；④升弓電磁閥如不再由SKS3控制，受電弓必須降下；⑤經(jīng)CCU評估發(fā)現(xiàn)受電弓升弓條件（含電路硬件節(jié)點(diǎn)及風(fēng)壓監(jiān)控等相關(guān)信息）不滿足時(shí)，受電弓必須降下；⑥由CCU檢測發(fā)現(xiàn)網(wǎng)壓異常、高壓隔離開關(guān)卡位及變壓器溫度或油流異常等較為嚴(yán)重的故障等情況時(shí)，受電弓必須降下。

顯然，上述6種情況，有些關(guān)聯(lián)機(jī)車工作模式，有些關(guān)聯(lián)受電弓本身的質(zhì)量，有些關(guān)聯(lián)受電弓的正?？刂疲行╆P(guān)聯(lián)機(jī)車部件的運(yùn)用安全，這些因素互為條件，存在直接或間接的關(guān)系，經(jīng)專業(yè)評估后形成的邏輯關(guān)系，成為CCU“或”邏輯判斷的依據(jù)，它們都會造成受電弓降下。

2.3 主斷路器閉合環(huán)節(jié)的邏輯控制

由于主斷路器是機(jī)車的總開關(guān)，其閉合與斷開存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)，因此其控制邏輯關(guān)系更為復(fù)雜，主要遵循原則是必須確保引入高壓時(shí)，滿足禁止該主斷路器引入高壓的任何請求。

為了確保人員及部件的運(yùn)用安全，在主斷路器控制環(huán)節(jié)，設(shè)置了6大控制部分，每一部分都有明確的分工負(fù)責(zé)范圍。關(guān)于邏輯關(guān)系，主要依據(jù)①受電弓選擇模式；②高壓隔離開關(guān)開閉狀態(tài)；③重聯(lián)車閉合主斷路器命令需延時(shí)5 s（延時(shí)會在WTB啟動時(shí)給出的UIC地址觸發(fā)）。其核心在功能塊的設(shè)置，在功能塊設(shè)置中，參與邏輯關(guān)系的有4種受電弓升弓模式，6個(gè)高壓隔離開關(guān)狀態(tài)信息，兩個(gè)主斷路器失效信號，還有兩個(gè)不允許接入高壓的條件，這些因素彼此互為條件，可以交叉延伸出8個(gè)輸出邏輯信號。

這些邏輯關(guān)系輸出，又受控于另外一個(gè)由“FRG”及“FR1”（FRG比FR1優(yōu)先級高）相互交叉而成的四個(gè)邏輯控制關(guān)系，只有CCU判定“FRG＝1”及“FR1＝1”，機(jī)車才能夠完成配置并將配置檢測通過后給出相應(yīng)的輸出。

2.4 “主從”CCU轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的邏輯控制

CCU作為機(jī)車網(wǎng)絡(luò)控制的最為重要的樞紐，它工作的穩(wěn)定性和可靠性是極其重要的，不允許出現(xiàn)系統(tǒng)任何的失誤。為了保障系統(tǒng)可靠工作，在HXD1型機(jī)車設(shè)置了兩個(gè)可用于控制的CCU。正常工作期間，一個(gè)作為“主”CCU處于工作狀態(tài)，另一個(gè)則作為“從”CCU監(jiān)控“主”CCU的工作狀態(tài)。

在HXD1型機(jī)車中，設(shè)置了“主從”CCU轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)和“從”CCU監(jiān)控功能，使網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)遵守正常情況下輪流工作或“主”CCU故障后“從”CCU立即接替的原則，從而達(dá)到延長系統(tǒng)的應(yīng)用壽命和確保系統(tǒng)工作可靠性的目的。為實(shí)現(xiàn)這一要求，在CCU控制系統(tǒng)中，邏輯關(guān)系的設(shè)定顯示出了高超的技術(shù)水準(zhǔn)。

2.4.1 “主從”邏輯轉(zhuǎn)換基本條件的選定

實(shí)現(xiàn)CCU的“主從”邏輯轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)必須滿足邏輯判斷的基本條件，主要有：①CCU必須具備自身唯一的標(biāo)志（插頭編碼），并具備相應(yīng)的識別功能。②“主從”端口滿足雙向傳輸?shù)腗VB數(shù)據(jù)通訊。③“主從”端口的配置列表包括兩個(gè)“主從”端口，且CCU硬件列表包括每一個(gè)將傳輸?shù)幕闂l件的輸入信號和輸出信號。④至少有一個(gè)總線管理器，且必須保證MVB的帶總線管理器功能的接通器，在CCU啟動后“主從”選擇啟動時(shí)準(zhǔn)備運(yùn)用。⑤設(shè)置3組在組內(nèi)互為條件的6個(gè)邏輯信號。⑥“主從”端口設(shè)置監(jiān)控（用下降時(shí)間）達(dá)到適時(shí)檢測“主從”信號的目的。⑦由“從”轉(zhuǎn)換為“主”之前，“主請求”滿足一個(gè)最小的時(shí)間間隔?！爸髡埱笱訒r(shí)”必須至少和其他CCU反應(yīng)“主請求”所需的最長時(shí)間一樣長（設(shè)計(jì)間隔：約5 s，即“主從”端口→MVB循環(huán)時(shí)間＋中央處理器計(jì)算時(shí)間）。

2.4.2 “主從”邏輯正常轉(zhuǎn)換必須遵循的基本原則

為了確保“主從”CCU的順利轉(zhuǎn)換，為兩個(gè)CCU之間確立一個(gè)必要的由雙方必須遵守的基本原則是順利實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的前提。①設(shè)定兩個(gè)CCU按順序輪流成為“主”。即前“從”CCU成為“主”CCU，而前“主”CCU成為“從”CCU。②在每一個(gè)CCU重新啟動后，必須對每個(gè)CCU存儲（在電池隨機(jī)存儲器）的自己狀態(tài)（“主”或“從”）進(jìn)行評估。評估設(shè)定的條件是只有前“從”CCU可以發(fā)出一個(gè)“主請求”，前“主”CCU不允許發(fā)出“主請求”。③一旦前“從”CCU收到“主從”狀態(tài)“從”且沒有來自其他CCU的“主請求”，它發(fā)出“主從”狀態(tài)“主”，且隨后轉(zhuǎn)換到“主”配置列表NSDB（前“從”CCU成為“主”CCU）。④在閉合之后初始化的短時(shí)間內(nèi)，即兩個(gè)CCU都處于“從”CCU期間，因?yàn)閮蓚€(gè)CCU此時(shí)都使用相同的“從”配置列表，必須設(shè)定不允許任何一個(gè)在這段時(shí)間內(nèi)由CCU開始傳送MVB處理數(shù)據(jù)，當(dāng)兩個(gè)“從”CCU出現(xiàn)時(shí)（例外：“主從”信號數(shù)據(jù)），如果此時(shí)它們?nèi)匀惶峁霸础倍丝?，此信號必須由主處理器取消（否則MVB可能出現(xiàn)沖突）。在“主從”創(chuàng)建完成，“主從”CCU關(guān)系確立后，“從”CCU才允許傳遞處理數(shù)據(jù)。

2.4.3 非正常情況下的“主從”邏輯轉(zhuǎn)換

為了確?！爸鲝摹盋CU之間相互轉(zhuǎn)換所遵循基本原則執(zhí)行的萬無一失，一些可能會影響“主從”邏輯轉(zhuǎn)換基本原則執(zhí)行（故障或擦除電池隨機(jī)存取存儲器，新的中央處理器等）的非正常因素必須考慮在內(nèi)，為此，系統(tǒng)對“主從”邏輯轉(zhuǎn)換可能出現(xiàn)的非正常情況科學(xué)地進(jìn)行了提煉，并對這些非正常情況按照邏輯推理作了極為詳盡的描述。

（1）一些可能導(dǎo)致“主從”CCU轉(zhuǎn)換的故障

如果兩個(gè)CCU通過MVB連接，可能發(fā)生的故障有：①CCU內(nèi)重要部件故障，如輸入、輸出接口，中央處理器，電源單元、電壓變壓器，串聯(lián)接口（RS232，MSIC，TMC）等。②所有CCU封鎖。③分配給CCU的一個(gè)重要部件故障（例如網(wǎng)關(guān)）。④MVB接通裝置故障（MVB32）或總線管理器故障。⑤在兩個(gè)CCU之間的MVB連接故障（例如插頭斷開，線斷開或短路，重復(fù)裝置故障等）。

（2）故障情況下“主從”CCU轉(zhuǎn)換的基本類型

由CCU（從CCU）監(jiān)控的角度分析，所有不同的故障可以歸納為兩種情況：①“從”CCU由“主”CCU收到信息指示“主”CCU故障。②“從”CCU不再由“主”CCU接收“主從”信號。在第1種情況，“主從”轉(zhuǎn)換不可避免，條件是“從”CCU功能正常。在第2種情況下，“主”CCU故障的可能性較大而傳輸過程是否良好，“從”CCU無法做出準(zhǔn)確判定。在這種情況下，“主從”轉(zhuǎn)換允許按相應(yīng)的要求進(jìn)行，但存在一些錯(cuò)誤的或不明智的轉(zhuǎn)換。

（3）故障情況下“主從”CCU轉(zhuǎn)換的規(guī)定

第1如果兩個(gè)CCU可能都“確認(rèn)”以前它們?yōu)椤爸鳌被颉皬摹?。①如果兩個(gè)CCU都認(rèn)為它們以前為“從”，它們都發(fā)出“主請求”，當(dāng)CCU2收到CCU1的“主請求”，它必須取消自己的“主請求”，CCU1因此成為“主”CCU。②如果兩個(gè)CCU都認(rèn)為它們以前是“主”（例如MVB連接中斷），產(chǎn)生沖突，它們都不發(fā)出“主請求”。當(dāng)CCU1接收到“主從”狀態(tài)“從”且沒有“主請求”后，它必須立即發(fā)出“主請求”，然后成為“主”CCU，CCU1因此成為“主”CCU，另一個(gè)CCU（系統(tǒng)設(shè)定為CCU2）必須馬上轉(zhuǎn)變?yōu)椤皬摹盋CU。

第2如果一個(gè)CCU故障（例如I/0部件故障）或如果CCU檢測到MVB接通裝置故障，它不能發(fā)送“主請求”，并因此不能成為“主”CCU。如果該CCU已經(jīng)成為了“主”CCU，那它必須立即轉(zhuǎn)變成為“從”CCU。

第3如果CCU發(fā)現(xiàn)其他CCU已經(jīng)是“主”，它必須保持為“從”并需取消“主請求”。

第4如果一個(gè)狀態(tài)為“從”的CCU短時(shí)間內(nèi)連續(xù)多次發(fā)出“主請求”，該“從”CCU可允許在第一時(shí)間成為“主”CCU。而此時(shí)“主”CCU可檢測到另外一個(gè)CCU由“從”轉(zhuǎn)到“主”，這樣兩個(gè)CCU都會是“主”CCU，發(fā)生沖突。在這種情況下，前“主”CCU必須馬上變?yōu)椤皬摹盋CU（此“從”CCU由“從”到“主”的轉(zhuǎn)換可能僅意味著它沒有收到任何“主從”信號，類似于“從”CCU對“主”CCU狀態(tài)信號不明的情況）。

第5如果兩個(gè)CCU同時(shí)發(fā)出“主請求”（在“主請求延時(shí)”內(nèi)），發(fā)生沖突。需要通過兩個(gè)CCU中的一個(gè)取消“主請求”來解決，系統(tǒng)設(shè)定其中一個(gè)（CCU2）CCU優(yōu)先成為“主”。

第6如果一個(gè)CCU在啟動后沒有由其他CCU收到“主從”信號（在“主從”接收端口有下降時(shí)間監(jiān)控），它可以在“啟動等待時(shí)間間隔”后成為“主”（其他CCU沒有完全啟動，因?yàn)椴煌拈]合時(shí)間或計(jì)算時(shí)間，或其他CCU的MVB接通裝置故障，或兩個(gè)CCU之間的MVB連接中斷，或其他CCU在再次初始化它的NSDB）。這個(gè)間隔必須最少和其他CCU在NSBD轉(zhuǎn)換后，重啟傳輸“主從”信號的最大時(shí)間相同（設(shè)定“啟動等待時(shí)間間隔”：約2～3秒）。

第7在CCU（例如CCU1）的“主從”轉(zhuǎn)換期間，系統(tǒng)禁止再發(fā)出“主從”信號（直到發(fā)生MVB接通裝置初始化）。此時(shí)其他CCU（CCU2）不允許再接收“主從”信號（“主從”接收端口的下降時(shí)間監(jiān)控），而且CCU2也不允許再發(fā)出“主請求”或不能成為“主”。為達(dá)到此目的，確保“主從”轉(zhuǎn)換順利完成，系統(tǒng)設(shè)定在“轉(zhuǎn)換等待時(shí)間間隔”內(nèi)，“主從”信號暫時(shí)禁止，必須在檢測到“主從”轉(zhuǎn)換完成后啟動（“主從”狀態(tài)由“主”改為“從”）。如果在“轉(zhuǎn)換等待時(shí)間間隔”后仍然沒有收到“主從”信號，應(yīng)假設(shè)其他CCU處于故障狀態(tài)，“主請求”此時(shí)可以繼續(xù)發(fā)出。“轉(zhuǎn)換等待間隔”可以調(diào)整為和“啟動等待間隔”相同的值（約2～3 s）。

2.5 其他邏輯關(guān)系簡述

此外，還有上述類似的許多重要邏輯關(guān)系的實(shí)現(xiàn)，如主壓縮機(jī)的控制。為了閉合主壓縮機(jī)，輔助負(fù)載控制和制動控制之間的協(xié)作是必須的“與”邏輯關(guān)系，缺一不可。輔助負(fù)載負(fù)責(zé)管理接觸器和自動開關(guān)的狀態(tài)。如果經(jīng)CCU確認(rèn)兩個(gè)都無故障，且提供電源給輔助組超過10 s，壓縮機(jī)才具備了閉合的條件，同時(shí)，一個(gè)＂壓縮機(jī)控制解鎖＂信號發(fā)送到制動控制系統(tǒng)等。

3 部件運(yùn)用安全考量下的控制理念

HXD1型機(jī)車控制安全保障的理念，集中表現(xiàn)在整車系統(tǒng)及單個(gè)控制環(huán)節(jié)運(yùn)行安全，以及部件應(yīng)用質(zhì)量等3個(gè)方面。

3.1 整車系統(tǒng)安全控制

主要以網(wǎng)壓檢測、高壓電流及電壓檢測、原邊電流和回流電流的差值檢測等原邊高壓供電技術(shù)狀態(tài)檢測為主，此外，為了確保非正常情況禁止高壓接入機(jī)車的情況，也設(shè)定了一定的安全原則，如單節(jié)機(jī)車模式禁止閉合高壓隔離開關(guān)；還有如在WTB沒有通訊的情況下，高壓隔離開關(guān)位置狀態(tài)不明，設(shè)定在重聯(lián)節(jié)機(jī)車不允許任何電源操作等。

3.2 重要控制系統(tǒng)的安全控制

在這一環(huán)節(jié)，以牽引控制單元控制、主斷路器閉合安全、CCU及網(wǎng)關(guān)技術(shù)狀態(tài)以及機(jī)車過分制動限制等為主要內(nèi)容。

（1）牽引控制單元的安全防護(hù)

①為了確保機(jī)車網(wǎng)壓安全接入機(jī)車，避免對主變流器、主逆變器等部件的沖擊，機(jī)車除設(shè)置了必要的硬件防護(hù)設(shè)施外，對網(wǎng)壓高低及網(wǎng)側(cè)參數(shù)（例如等效干擾電流、功率因數(shù)）等網(wǎng)壓品質(zhì)設(shè)置了必要的監(jiān)控并形成閉環(huán)控制。如果網(wǎng)壓低于15 k V超過1 s將檢測到低網(wǎng)壓，高于31 k V超過1 s將檢測到高網(wǎng)壓，或是主變流器切除后原邊無功電流偏大等由CCU檢測給出提示信息并斷開主斷路器。

②為了降低對直流環(huán)節(jié)的沖擊，只有當(dāng)直流支撐電壓達(dá)到大于理論最終電壓值（牽引繞組的峰值電壓）的95%后，輸入斷路器（由TCU控制）才可以切換至閉合狀態(tài)；而為了確保牽引控制單元平穩(wěn)退出工作，只有在無電流的狀態(tài)下（由TCU檢測），該斷路器才可以斷開。

③為了確保牽引控制單元正常工作，直流支撐回路輸入、輸出是否過電流；變流器控制單元入口處的水溫（TASG＞82℃）、水的儲存高度是否符合規(guī)定以及是否存在接地也是不可或缺的安全防護(hù)因素，否則主斷路器必須斷開，而受電弓也必須降下。

④為了確保直流支撐環(huán)節(jié)的安全，a設(shè)置了一個(gè)軟短路放電裝置。只要直流支撐環(huán)節(jié)出現(xiàn)過電壓，或單節(jié)機(jī)車兩個(gè)直流支撐環(huán)節(jié)電壓相差較大，或直流供電故障以及牽引單元重新啟動等，該裝置就會由TCU控制接通處于保護(hù)狀態(tài)；b設(shè)置了另一個(gè)硬電路放電裝置。其工作條件則是IGBT出現(xiàn)錯(cuò)誤的觸發(fā)信號，直流支撐環(huán)節(jié)的DV/DT過高，直流供電故障以及4QC或牽引電機(jī)相電流值超出范圍等。

⑤為了確保在逆變器內(nèi)有其他嚴(yán)重故障（如主變流器發(fā)生短路）情況下的安全防護(hù)，系統(tǒng)將會切除兩個(gè)轉(zhuǎn)向架的整個(gè)牽引力和電制動力（瞬間斷開主斷路器）。

（2）主斷路器動作的時(shí)機(jī)是系統(tǒng)安全的底線

①系統(tǒng)接入高壓電源的限制。HXD1型機(jī)車對關(guān)于禁止接入控制系統(tǒng)高壓可能的情況主要是主變流器冷卻故障（含主變流器水位）；無變壓器油流檢測（油流故障或測量互感器缺陷）；變流器關(guān)閉引起的原邊無功電流偏大；原邊電流與接地電流差大于30 A（多次出現(xiàn)）；產(chǎn)生機(jī)車保護(hù)動作；主斷路器回路自檢通道1故障；主斷路器回路自檢通道2故障；輔助回路輸出接觸器故障；與SKS3無通訊；高壓隔離開關(guān)斷開故障；受電弓截止塞門關(guān)閉；兩個(gè)TCU都切斷；冷卻塔故障；主變流器水泵故障；主變流器水壓力超出范圍（僅在主斷路器閉合和輔助逆變器可用之后）；網(wǎng)壓過高；布赫繼電器報(bào)警；系統(tǒng)沒有檢測到油流信號等。

②故障情況下需要切除高壓電源。不論出現(xiàn)多嚴(yán)重的故障，斷開主斷路器，迅速切斷機(jī)車供電電源都會成為最終的選擇。為了確保主斷路器可靠地工作，系統(tǒng)設(shè)置了每天至少對主斷路器控制環(huán)節(jié)進(jìn)行一次檢測，從而確保主斷路器在發(fā)生需要斷開故障時(shí)，可靠地?cái)嚅_。檢測分兩個(gè)方面，其1是繼電器和SKS3輸出由關(guān)閉TCU控制，如果所有執(zhí)行主斷路器試驗(yàn)的項(xiàng)目都滿足，相關(guān)的繼電器都閉合并驗(yàn)證；其2是用于TCU的KLIP輸入的連接首先斷開，TCU閉合。此后，開關(guān)由CCU控制，進(jìn)行主斷路器試驗(yàn)并可能進(jìn)行正常的運(yùn)用。

（3）CCU及網(wǎng)關(guān)工作的安全防護(hù)

如果CCU或網(wǎng)關(guān)發(fā)生嚴(yán)重故障，例如顯示器不能再次點(diǎn)亮，機(jī)車司機(jī)必須斷開相關(guān)CCU的電源。

此外，關(guān)于CCU的運(yùn)用安全，主要已前述CCU監(jiān)控環(huán)節(jié)提到的3個(gè)主要方面發(fā)生非正常情況下自動轉(zhuǎn)入安全狀態(tài)（主斷路器斷開等）來進(jìn)行保護(hù)。

（4）CCBⅡ制動機(jī)的安全

關(guān)于CCBⅡ制動機(jī)的安全應(yīng)用，需要提到的幾點(diǎn)：①為了避免機(jī)車的過分制動，每當(dāng)ED制動力被CCU鎖定，投入單獨(dú)制動。如果CCU檢測到制動缸壓力高于40 k Pa（若由單獨(dú)制動引起，單獨(dú)制動及電制動同時(shí)消除），電制動將立即切除直到制動缸壓力低于20 k Pa。②DP狀態(tài)牽引工況下，停放制動不明確或施行，均衡風(fēng)缸、列車管不減壓。③停放制動投入或緩解狀態(tài)通過按鈕讀入控制系統(tǒng)，若斷開蓄電池，則停放制動將自動投入。

（5）其他系統(tǒng)的安全防護(hù)

在HXD1型機(jī)車中，每一個(gè)系統(tǒng)都設(shè)置了符合其技術(shù)特征的安全控制環(huán)節(jié)，如為保證庫內(nèi)電源引入機(jī)車時(shí)相序正確，在每個(gè)輸入接觸器前設(shè)置了一個(gè)相序繼電器，只有當(dāng)輸入的相序正確后輸入接觸器才能閉合；再如需要作輔助設(shè)備（壓縮機(jī)等）試驗(yàn)或庫內(nèi)動車時(shí)，只要兩個(gè)外部插座之一處于準(zhǔn)備狀態(tài)（在輔助設(shè)備試驗(yàn)“3”位），CCU即封鎖受電弓，防止受電弓升起危及機(jī)車及人員安全。

3.3 部件運(yùn)用的安全防護(hù)

關(guān)于部件安全的運(yùn)用，①對受電弓風(fēng)壓的監(jiān)控，確保不發(fā)生燒網(wǎng)事故。②高壓隔離開關(guān)設(shè)定無電動作，不僅符合其技術(shù)特征，避免了其因帶電轉(zhuǎn)換造成的燒損，而且確保機(jī)車禁止接入了不需要的高壓電源。③在某一節(jié)升弓并閉合主斷路器的情況下，如有新的司機(jī)室占用，CCU自動斷開主斷路器并降下受電弓。所有控制受電弓和主斷路器的扳鍵開關(guān)封鎖直到這個(gè)過程完成。④主壓縮機(jī)最小運(yùn)行時(shí)間和每小時(shí)壓縮機(jī)啟動次數(shù)的管控，成為確保風(fēng)源系統(tǒng)安全繼而確保行車安全的必要條件。⑤四象限變流器和脈寬調(diào)制（PWM）逆變器模塊的過壓和過流保護(hù)。在直流回路電壓大于整定值時(shí)，觸發(fā)軟短路器，斷開主斷路器；如發(fā)生短路和其它故障，在達(dá)到最大支路電流前自動封鎖相關(guān)的模塊觸發(fā)脈沖。⑥牽引電機(jī)的短路保護(hù)。當(dāng)牽引電機(jī)端子或繞組內(nèi)發(fā)生短路時(shí)，逆變器脈寬調(diào)制的觸發(fā)脈沖將被封鎖。⑦主變壓器的安全以監(jiān)控線圈短路、氣體壓力、油溫及油循環(huán)是否正常，甚至單個(gè)線圈生命周期的消耗值，也成為考量變壓器全壽命周期的一個(gè)因素等。

4 精心設(shè)定的最優(yōu)化選擇方案，提高機(jī)車操縱效率

4.1 一般情況下最優(yōu)化的選擇

關(guān)于機(jī)車控制最優(yōu)化的選擇，集中表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）受電弓工作模式的最優(yōu)化選擇

需要升弓時(shí)，按照先自動選擇非操縱節(jié)受電弓→人為選擇非操縱節(jié)受電弓→自動選擇操縱節(jié)受電弓→自動選擇雙受電弓→自動選擇單節(jié)受電弓的順序進(jìn)行。顯然，升弓的最優(yōu)化控制首先滿足一旦發(fā)生受電弓刮弓故障容易造成車頂其他部件損壞及同時(shí)最大限度減少對人員電磁干擾的原則；其次出現(xiàn)自動選擇故障時(shí)，可采取人為選擇的方法；再次，出現(xiàn)高壓隔離開關(guān)卡位等可保留最大牽引力（雙節(jié)分別升弓）；此外，即使單節(jié)機(jī)車故障，也可以保留一節(jié)可以維持控制。

（2）輔助電機(jī)頻率變化的最優(yōu)化選擇

為了滿足逆變器部件（水循環(huán)）的溫度、變壓器和牽引電機(jī)等部件的散熱需求，為這些部件散熱的通風(fēng)機(jī)設(shè)置為變頻控制，由此根據(jù)季節(jié)要求或機(jī)車實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)對輸出頻率進(jìn)行必要的調(diào)節(jié)。變頻控制分為牽引狀態(tài)和非牽引狀態(tài)，不同的電機(jī)工作頻率對照相應(yīng)的溫度，頻率輸出與溫度各自呈線性增加的關(guān)系，即溫度增加控制頻率相應(yīng)加快，反之相應(yīng)下降，從而滿足了部件散熱的不同需求，使部件工作在一個(gè)相對較為理想的環(huán)境。

（3）接觸網(wǎng)供電技術(shù)狀態(tài)的最優(yōu)化選擇

機(jī)車運(yùn)行中，接觸網(wǎng)電的技術(shù)狀態(tài)是機(jī)車能否正常工作的前提，因此，對其技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行必要的監(jiān)控并針對不同網(wǎng)壓采取相應(yīng)的措施是十分必要的。例如對接觸網(wǎng)網(wǎng)壓的監(jiān)控分幾個(gè)不同的步驟，首先，網(wǎng)壓偏高＞31.5 k V不超出40 s，系統(tǒng)產(chǎn)生禁止高壓的保護(hù)動作，主斷路器直接斷開，并可以重新閉合；其次，網(wǎng)壓偏高＞31.5 k V超過40 s，系統(tǒng)產(chǎn)生禁止高壓的保護(hù)動作，需等待20 s后主斷路器方可重新控制；再次，網(wǎng)壓偏高＞31.5 k V短時(shí)間內(nèi)連續(xù)超過3次時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生禁止高壓的保護(hù)動作，并維持60 min后，主斷路器才可以再次接入高壓。

（4）主變壓器技術(shù)狀態(tài)的最優(yōu)化選擇

主變壓器是機(jī)車的核心部件，由于其工作在高壓狀態(tài)，對絕緣等級要求較高，而且其線圈浸在油脂中，也是火災(zāi)甚至爆炸的重大質(zhì)量隱患。因此，對主變壓器技術(shù)狀態(tài)的監(jiān)控以及正確應(yīng)對可能發(fā)生的多種非正常情況所采取的措施是必要的手段。對主變壓器的監(jiān)管，主要是通過對油溫（冷卻泵）作為監(jiān)控的主要的技術(shù)特征。為最大限度地發(fā)揮主變壓器的功能，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化管理，在牽引控制單元內(nèi)主要設(shè)置有3類應(yīng)對措施，①80℃＜油溫＜85℃，牽引功率在0%～30%間線性降低；②85℃≤油溫＜95℃，為此變壓器供電的主逆變電路牽引封鎖；③油溫≤－40℃或油溫≥95℃，主斷路器必須斷開并鎖定，以此確保變壓器的安全。

其他類似如發(fā)生機(jī)車空轉(zhuǎn)后的軸重轉(zhuǎn)移，輔助逆變器由是否存在庫內(nèi)電源、接觸器及逆變器狀態(tài)3個(gè)因素決定的配置等也是最優(yōu)化控制的突出表現(xiàn)。

4.2 故障情況下機(jī)車的最優(yōu)化選擇

（1）故障情況下受電弓升弓模式的最優(yōu)化選擇

關(guān)于受電弓控制環(huán)節(jié)故障情況下最優(yōu)化選擇，在升弓模式的4種選擇方式中，前面已提到按優(yōu)先選擇的順序人為根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇，然而在故障情況下的選擇雖仍然是4種模式的選擇，但在這種情況下，則主要是根據(jù)機(jī)車實(shí)際存在的故障由CCU自動進(jìn)行選擇，其選擇也不再局限于前述最優(yōu)化順序，4種選擇模式?jīng)]有優(yōu)劣之分，而是對故障情況經(jīng)分析判斷后做出目前狀況下最佳的選擇。

（2）故障情況下主斷路器的最優(yōu)化選擇

由于主斷路器的特殊性，它是機(jī)車系統(tǒng)安全的最后一道關(guān)口，出于這一要求，一方面，機(jī)車對主斷路器斷開故障和請求進(jìn)行了分級，另一方面，則需要事先區(qū)分出故障是暫時(shí)的還是長期的（事先已按故障影響的范圍和可能的后果進(jìn)行了分類）。

具體來看，按主斷路器斷開故障和請求的分級存在2種類型，即設(shè)置可能的故障為暫時(shí)的還是長期的。一是整臺車不允許有高壓，高壓隔離開關(guān)斷開（即HV SP對整臺車有效）；二是禁止本節(jié)車由受電弓、主斷路器提供高壓（只有受電弓或主斷路器故障，允許通過高壓隔離開關(guān)供電，即HVB SP對本節(jié)車有效）。

對于系統(tǒng)區(qū)分暫時(shí)的還是長期的情況，如發(fā)生的是一個(gè)暫時(shí)故障，不需要由功能塊進(jìn)行新的配置評估，當(dāng)故障消除時(shí)，司機(jī)可在無配置運(yùn)行時(shí)閉合主斷路器（含過分相）；如發(fā)生的是一個(gè)長期故障，通常需要由功能塊進(jìn)行新的評估并相應(yīng)地進(jìn)行配置，該評估需要新的升弓請求才能開始進(jìn)行（受電弓應(yīng)降下）。

（3）故障情況下蓄電池的最優(yōu)化選擇

蓄電池的技術(shù)狀態(tài)是機(jī)車正常運(yùn)行的重要條件，關(guān)于蓄電池故障的最優(yōu)化選擇主要有4種情況，①如果蓄電池電壓下降到88 V，它將會被低電壓繼電器檢測到。輸入信號將給出信息通知機(jī)車司機(jī)蓄電池的狀態(tài)，這種情況下蓄電池電壓將失去控制作用。②如果檢測到低電壓，蓄電池耦合接觸器閉合，條件是相應(yīng)的單節(jié)車的充電機(jī)無故障且主斷路器也閉合。對應(yīng)輸入到診斷存儲器且產(chǎn)生顯示信息。③如果低電壓檢測到2 min，相應(yīng)的單節(jié)車封鎖（主斷路器斷開，受電弓降下等），對應(yīng)輸入到診斷存儲器且產(chǎn)生顯示信息。④如發(fā)生接地故障時(shí)，蓄電池回路接地故障單獨(dú)檢測且寫入到診斷存儲器，并將故障信息告知司機(jī)。

4.3 其他最優(yōu)化選擇

在HXD1型的機(jī)車控制中，除了上述2種情況外，多種非正常情況交織在一起的最優(yōu)化選擇也很普遍，其中以牽引控制最為典型。

（1）機(jī)車降低牽引功率的最優(yōu)化選擇

如主變壓器油溫檢測回路故障，油溫在80℃～85℃，繞組溫度大于115℃，以及冷卻液過熱超出范圍等，機(jī)車就會降功率維持運(yùn)行。

（2）部分失去牽引力的最優(yōu)化選擇

此類情況以單個(gè)部件發(fā)生故障情況為主，如發(fā)生單個(gè)或幾個(gè)牽引電機(jī)過熱，TCU門單元電源故障，主逆變器1和2溫度過高或存在接地點(diǎn)，直流環(huán)節(jié)過壓和過流等，相應(yīng)地切除故障部件或一個(gè)轉(zhuǎn)向架引起牽引封鎖。

（3）單節(jié)車失去牽引力的最優(yōu)化選擇

如果變壓器油溫在85℃～95℃（含85℃），繞組溫度大于120℃，TCU及IGBT供電電源故障以及單個(gè)牽引控制單元無通訊或連接中斷，兩個(gè)轉(zhuǎn)向架都斷開連接，牽引力設(shè)定值出現(xiàn)后20 s無牽引力升高等都會造成單節(jié)機(jī)車牽引失效。

（4）整車失去牽引力的最優(yōu)化選擇

造成此類選擇的情況多為牽引控制系統(tǒng)外部關(guān)聯(lián)的一些因素引起。如由無人警惕裝置產(chǎn)生牽引的封鎖，機(jī)車速度超過123 km/h，沒有選擇方向或選擇的方向不明確，在沒有設(shè)置設(shè)定值的情況下出現(xiàn)目前的牽引力，緊急制動等，由于此類因素可能的后果較為嚴(yán)重，系統(tǒng)設(shè)置立即取消牽引功能，以免造成更為難以控制的局面。

（5）主斷路器立即斷開的最優(yōu)化選擇

為了減小最嚴(yán)重故障對機(jī)車控制系統(tǒng)的影響，系統(tǒng)設(shè)置了如主變流器發(fā)生短路，TCU檢測線電流瞬時(shí)值超600 A，油溫≤－40℃或油溫≥95℃，繞組溫度＞125℃，以及TCU故障及冷卻液泵或冷卻塔風(fēng)機(jī)故障等，由TCU（CCU）控制主斷路器瞬間斷開的環(huán)節(jié)。

5 其他一些突出的特點(diǎn)

在HXD1型機(jī)車中，如“速度調(diào)節(jié)”的設(shè)置反映了HXD1型機(jī)車未來的一些發(fā)展趨向。

“速度調(diào)節(jié)”仍然由CCU控制，由CCU內(nèi)獨(dú)自的軟件包來執(zhí)行。速度調(diào)節(jié)的任務(wù)是維持由機(jī)車司機(jī)使用機(jī)車內(nèi)可用的電子牽引、制動裝置設(shè)定的速度值。最小的調(diào)節(jié)速度為5 km/h。速度調(diào)節(jié)不是設(shè)計(jì)用來自動駕駛，但主要用來幫助司機(jī)。它設(shè)計(jì)為在任何時(shí)間都可以閉合和斷開速度調(diào)節(jié)，而且，司機(jī)手動制動優(yōu)先于速度調(diào)節(jié)的設(shè)定。

6 結(jié)束語

本文對我國投入運(yùn)用的重載HXD1型機(jī)車的主要控制規(guī)律進(jìn)行了分析，HXD1型機(jī)車在大秦線運(yùn)輸中所表現(xiàn)出的優(yōu)異的技術(shù)特性，為我國鐵路重載運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展所做出的貢獻(xiàn)是非常巨大的，機(jī)車控制在運(yùn)用中所展示的現(xiàn)代控制理念，突出的技術(shù)水平所引發(fā)的技術(shù)革命，對我國機(jī)車控制技術(shù)發(fā)展的影響意義重大而且極為深遠(yuǎn)。

［1］ 程 鵬，王艷東.現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

［2］ 李 宏.現(xiàn)代電力電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［3］ 馮曉云.電力牽引交流傳動及其控制系統(tǒng)［M］.北京：高等教育出版社，2009.

［4］ 張曙光.HXD1型電力機(jī)車［M］.北京：中國鐵道出版社，2009.

Glimpse on the Network Control Logic of Eight-axle HXD1 Electric Locomotive

WANG Zhengjun
（Technology Department of Hudong Electric Depot，Taiyuan Railway Brueau，Datong 037300 Shanxi，China）

The 8-axle HXD1 electric locomotive is China railway＇s heavy haul platform which incorporates the contemporary advanced technology.It adopts the advanced networking technology and the modern locomotive control concept in locomotive control area for the first time，which achieves a great development to the AC transmission technology.This article aims to interpret the in-depth know-how of the key sections of the HXD1 locomotive technology，in order to make a useful exploration for the development of China＇s electric traction technology.

HXD1；eight-axle；locomotive；network control；logic

U264.91＋1

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.02.21

1008－7842（2014）02－0083－07

3—）男，工程師（

2013－10－16）