（大連交通大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028）

列車模擬運行系統(tǒng)的運行控制

李晛，胡繼勝

（大連交通大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028）

構(gòu)建了能夠?qū)崟r模擬列車在不同軸重、不同線路下運行的列車模擬運行系統(tǒng)，利用列車實時仿真的結(jié)果對系統(tǒng)進行有效地控制，從而實現(xiàn)了不同運行工況下的模擬，而為電力牽引系統(tǒng)的開發(fā)提供了與實際列車運行工況基本吻合的模擬負載。

陪試系統(tǒng)；實時模擬；實時控制；電力牽引

0 引言

為了進行電力牽引系統(tǒng)的開發(fā)，需要建立一個能夠模擬列車工況的實驗系統(tǒng)，該實驗系統(tǒng)由被試系統(tǒng)和陪試系統(tǒng)組成。被試系統(tǒng)就是要開發(fā)的電力牽引系統(tǒng)，主要包括牽引變流器、牽引電機。陪試系統(tǒng)，即列車模擬運行系統(tǒng)，本文主要對列車模擬運行系統(tǒng)的建立方法及控制模式進行研究。陪試系統(tǒng)為電力牽引系統(tǒng)提供一個模擬負載，該負載模擬的運行環(huán)境與實際列車的環(huán)境基本相同，應(yīng)能模擬列車在一個預(yù)定軸重和預(yù)定線路條件下的運行情況。陪試系統(tǒng)在被試系統(tǒng)的驅(qū)動之下運動速度的變化規(guī)律以及為被試系統(tǒng)提供的阻力和列車的實際情況基本吻合。

1 列車模擬運行系統(tǒng)主電路的設(shè)計

陪試系統(tǒng)在被試系統(tǒng)的驅(qū)動下能夠模擬出列車的運行速度，所以陪試系統(tǒng)按照速度方式進行控制，被試系統(tǒng)是按力矩方式進行控制的。陪試電機的功率、力矩、速度等級和被試機相對應(yīng)，為了電力牽引和電氣控制整個系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)能量回饋，陪試系統(tǒng)直流側(cè)的電壓等級和被試系統(tǒng)是相同的。為了達到這些基本要求，構(gòu)建系統(tǒng)如圖1中列車模擬運行系統(tǒng)所示。

2 列車模擬運行系統(tǒng)控制電路的設(shè)計

陪試系統(tǒng)按照速度方式進行控制，其所對應(yīng)的控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r模擬列車在預(yù)定軸重、預(yù)定線路下的運行情況，并且能夠把實時仿真的結(jié)果轉(zhuǎn)換為控制信號進而實現(xiàn)對系統(tǒng)的實時控制，控制機組的運行速度。針對此要求，以西門子S120系列變流設(shè)備為核心，構(gòu)建系統(tǒng)如下：

PC機進行實時仿真運算，由于陪試機需要模擬在被試機驅(qū)動下的速度變化情況，而影響速度的變化規(guī)律包括列車的軸重、線路情況以及驅(qū)動力矩，其中列車的軸重與線路情況是預(yù)先設(shè)定好的，驅(qū)動力矩是由實時檢測的方法得到的，同時也要能夠檢測列車目前的運行速度，為了完成檢測，PC機需要配置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。PC機數(shù)據(jù)的實時仿真結(jié)果要能夠轉(zhuǎn)換成對陪試機速度的實時控制信號，為了實現(xiàn)這個實時控制，采用了這套系統(tǒng)。

列車模擬運行系統(tǒng)的控制部分由西門子公司SINAMICS S120變頻器、力矩轉(zhuǎn)速傳感器，數(shù)據(jù)采集卡、PLC和PC機組成，所有設(shè)備技術(shù)參數(shù)的選取都是根據(jù)相應(yīng)的功率等級確定的。S120變頻器為模塊型變頻器，由一個控制模塊CU320-DP、一個主動型接口模塊AIM（Active Interface Module）作為三相電力濾波器、一個主動型電源模塊ALM（Active Line Module）作為四象限脈沖整流器和電機模塊（Motor Module）組成。電網(wǎng)三相交流電經(jīng)過AIM濾波后再經(jīng)ALM整流為可調(diào)節(jié)電壓的直流電，電機模塊將直流電逆變?yōu)榻涣麟婒?qū)動電機。采用西門子S7-300 PLC作為控制器，S7-300 PLC也為模塊化結(jié)構(gòu)，該型號PLC上集成了PROFIBUS DP總線接口與變頻器進行通訊[1]?？刂茊卧ㄟ^S120各個模塊上的DRIVE-CLIQ接口完成與它們之間的通信，從而實現(xiàn)對模塊的控制及數(shù)據(jù)的傳輸。數(shù)據(jù)采集卡選用的是NI PCI-6229，負責(zé)信號的輸入輸出，含有4路16位模擬輸出，32路16位模擬輸入，高達48路數(shù)字I/O端口，32位計數(shù)器。力矩轉(zhuǎn)速傳感器選用PTS881。PC機根據(jù)列車模型以及采集的結(jié)果進行實時仿真，仿真的結(jié)果要實時傳輸給S7-300PLC，傳輸方式有兩種，一種是通過PC機的接口RS232與PLC的MPI接口進行串行通訊，另一種通過PCI-6229數(shù)據(jù)采集卡的DA轉(zhuǎn)換器，把速度的結(jié)果轉(zhuǎn)換為一個電壓信號傳輸給S7-300，S7-300經(jīng)AD轉(zhuǎn)換接收的數(shù)據(jù)通過Profibus總線傳輸給控制單元CU320，由CU320完成對變流器的控制，保證列車的速度變化規(guī)律與PC機實時仿真的結(jié)果相同，從而實現(xiàn)對陪試機速度的實時控制，進而模擬出列車的速度變化規(guī)律。

圖1 電力牽引和電氣制動系統(tǒng)主電路Fig.1 The main circuit of electric traction and electric braking system

圖2 列車模擬運行系統(tǒng)控制電路Fig.2 The control circuit of Train Operation Simulation System

圖3 LabVIEW程序中的CLF節(jié)點Fig.3 The CLF node in LabVIEW program

圖4 陪試機數(shù)據(jù)采集與控制流程圖Fig.4 The data acquisition and control flow chart of the test machine

3 列車模擬運行系統(tǒng)實時控制的實現(xiàn)

3.1系統(tǒng)的編程方法

列車模擬運行系統(tǒng)的程序應(yīng)該具有很高的運行速度才能夠滿足實時控制的要求，為此采用LabVIEW和C語言混合編程。LabVIEW（Laboratory virtual instrument engineering workbench）是由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)的一種程序開發(fā)環(huán)境，使用圖形化編輯語言G來編寫程序。LabVIEW程序由前面板、程序框圖、圖標(biāo)和連線板組成，可以使系統(tǒng)的操作界面以及對數(shù)據(jù)采集卡的操作方便，能夠?qū)崿F(xiàn)DAQ技術(shù)。若只用LabVIEW編程則運行速度比較低，難以保證系統(tǒng)的實時性，通過C語言可以滿足較高的速度完成，所以采用混合編程的方法。

基于虛擬儀器技術(shù)，在NI PCI-6229數(shù)據(jù)采集卡上通過力矩轉(zhuǎn)速傳感器實現(xiàn)了對陪試機力矩、轉(zhuǎn)速的采集和控制，利用LabVIEW中DAQmx軟件進行了數(shù)據(jù)采集程序的設(shè)計。系統(tǒng)的運行程序由C語言來編制，然后生成動態(tài)鏈接庫DLL與LabVIEW程序框圖中的CLF節(jié)點連接，保留了LabVIEW平臺虛擬儀器開發(fā)的便捷性，克服其計算瓶頸的問題，又結(jié)合了C語言高效性的優(yōu)化算法，所以通過混合編程的方法能夠保證系統(tǒng)的實時性。

3.2列車模型

根據(jù)列車模擬運行系統(tǒng)硬件的設(shè)計，通過PCI-6229數(shù)據(jù)采集卡和力矩轉(zhuǎn)速傳感器對力矩、轉(zhuǎn)速進行實時采集，而要對陪試系統(tǒng)進行實時控制更關(guān)鍵的問題就是列車模型。

列車在線路上運行時有牽引、惰行和制動三種工況。

牽引運行時，作用在列車上的合力為

其中，F(xiàn)為輪周牽引力(N/t)，Wk為列車運行的總阻力(N)，P為列車計算總重量(t)，G為拖車計算總重量(t)，wk為列車運行時的單位總阻力(N/t)，f為單位輪周牽引力(N)，B為列車制動力(N)，b為列車單位制動力(N/kN)[2]。

列車運動方程，即作用于列車上的合力與加速度之間的函數(shù)關(guān)系式。由牛頓第二定律有

其中，a為列車加速度(m/s2)，m為整個列車質(zhì)量(Kg)，其計算方法為

得到列車的加速度

換算加速度單位以Km/h2表示，有

即

實際車輪轉(zhuǎn)動過程中會消耗一部分動能，所以列車的實際平移加速度a’小于a，即

其中，γ稱為回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)，即列車回轉(zhuǎn)質(zhì)量與列車總質(zhì)量之比，動力分散式動車組回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)一般取0.08～0.11。在進行列車牽引計算時加速度一般取12.2km/ h2，有

列車運行過程中，合力是列車速度與位置的函數(shù)，所以要直接求解上述方程還是比較困難的。對牽引計算進行簡化，將列車速度分為多個間隔Δv，用有限小的速度增量代替理論上應(yīng)當(dāng)無限小的速度增量dv，在這個增量Δv范圍內(nèi)，假定列車受到的合力不變，從而得出列車運行時間與速度的關(guān)系為[3]

即

列車運行距離與速度的關(guān)系，有

即

上述各方程稱為列車運動方程。從列車初始速度v1=0，s1=0開始，可以計算出列車在各位置的速度與所需時間，得到s與t、v與t之間的關(guān)系，進而得到站間運行時間，這一工作稱為列車牽引計算[4]。

該列車模擬運行系統(tǒng)的程序根據(jù)實時采集的轉(zhuǎn)速進行軌道車輛運行時遇到的基本阻力和附加阻力的計算，陪試機提供列車運行過程中的運行阻力，由基本阻力和附加阻力組成。列車基本阻力模型采用如下公式：

其中：R為列車的基本阻力（N），a，b，c是隨車型而異的常數(shù)，由大量實驗并分析歸納而得。列車在通過坡道、曲線、隧道的附加條件下運行時遇到的阻力為附加阻力。附加阻力主要包括坡道附加阻力、曲線附加阻力和隧道阻力等，主要是由線路本身引起的，在牽引計算中，用單位加算附加阻力ωj表示因線路條件產(chǎn)生的單位附加阻力之和[5]，即

其中，ωi為坡道單位阻力，ωr為曲線單位阻力，ωs為隧道單位阻力，有

其中，α為曲線偏角（°），ll為列車長度，lr為曲線長度（m）。

本系統(tǒng)在進行模擬運行時，我們把線路和車輛的基本信息以及載荷情況進行預(yù)設(shè)，列車的牽引力和當(dāng)前的速度是通過測量直接得到的，知道當(dāng)前列車在特定線路的某一位置，根據(jù)這個位置由阻力模型可以計算出列車的阻力，再由列車運動方程解算出當(dāng)前情況下下一個采樣點時列車的速度，這樣就可以通過迭代的方法模擬出列車的速度變化規(guī)律并按照此變化規(guī)律確定機組運行的速度，將此速度實時傳輸給電機模塊，就能夠確保電機速度的變化規(guī)律和實際列車的運行情況基本吻合。

4 結(jié)論

列車模擬運行系統(tǒng)的功率、力矩與速度等級不低于被試系統(tǒng)，直流環(huán)節(jié)采用與被試系統(tǒng)相同的電壓等級使其可以實現(xiàn)能量互饋。列車模擬運行系統(tǒng)為電力牽引系統(tǒng)的開發(fā)提供了模擬負載，采用LabVIEW與C語言混合編程的方法保證了系統(tǒng)的實時性，并且基于實時仿真的結(jié)果對陪試機進行實時控制，從而模擬列車在不同軸重和不同線路下的運行工況，與實際列車運行的速度變化規(guī)律基本吻合。

[1]王英,趙俊偉．基于Sinamics S120小功率城軌模擬牽引系統(tǒng)的設(shè)計[J]．大連交通大學(xué)學(xué)報,2012,33(6)：89-92．

[2]王鳳臣,任良抒,丁菊霞．電力機車牽引計算[M]．成都：西南交通大學(xué)出版社,2010．

[3]曾祥東．城市軌道車輛模擬運行控制系統(tǒng)設(shè)計[D]．大連：大連交通大學(xué),2010．

[4]王春艷．軌道車輛電力牽引與電氣制動模擬運行控制軟件的開發(fā)[D]．大連：大連交通大學(xué),2005．

[5]饒忠．列車牽引計算[M]．北京：中國鐵道出版社,1999．

Operation Control of Train Operation Simulation System

Li Xian, Hu Jisheng
（School of Transportation Engineering Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China）

The train operation simulation system which is able to simulate in real time train running in different load and line conditions is constructed, To effectively control the system by using the real time simulation results, then realizes the simulation under different operating conditions, And provides the simulated load in accord with the actual train operation for electric traction system development.

paternity test system;real-time simulation;real-time control;electric traction

U260.315

A

1671-1041(2014)06-0035-04

2014-09-09

李晛（1988-），女，遼寧本溪人，碩士，研究方向：軌道車輛電力牽引傳動控制及自動化。