袁 璐，江偉波，史 熹，劉平正

（株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司，湖南 株洲412001）

0 引言

隨著總線技術(shù)與微機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代列車的控制系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展為基于通信網(wǎng)絡(luò)的分布式控制系統(tǒng)。HXD1型電力機(jī)車是在我國(guó)引進(jìn)德國(guó)西門子公司DJ4型機(jī)車的基礎(chǔ)上生產(chǎn)的干線交流傳動(dòng)大功率貨運(yùn)電力機(jī)車，其網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用了株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司研發(fā)的具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的DTECS系統(tǒng)。DTECS系統(tǒng)是基于TCN協(xié)議的分布式列車網(wǎng)絡(luò)通信與控制系統(tǒng)，采用模塊化的分布式控制技術(shù)，極大地減少了機(jī)車現(xiàn)場(chǎng)布線，提高了機(jī)車控制系統(tǒng)的可靠性和可擴(kuò)展性。

1 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的構(gòu)成

HXD1型電力機(jī)車用于干線鐵路貨物運(yùn)輸，設(shè)計(jì)最高牽引時(shí)速為120 km/h，機(jī)車采用兩節(jié)4軸機(jī)車固定編組，每節(jié)機(jī)車具有相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[1]。機(jī)車通信網(wǎng)絡(luò)采用基于IEC61375標(biāo)準(zhǔn)的兩級(jí)TCN列車通信網(wǎng)絡(luò)：列車級(jí)和車輛級(jí)。列車級(jí)通信采用絞線式列車總線WTB，車輛控制級(jí)采用多功能車輛總線MVB.單節(jié)機(jī)車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用分布式控制技術(shù)，即分布采集及執(zhí)行，中央集中控制與管理的模式。由WTB/MVB網(wǎng)關(guān)模塊GWM、事件記錄模塊ERM、數(shù)字量輸入輸出模塊DXM、數(shù)字量輸入模塊DIM、模擬量輸入輸出模塊AXM和智能顯示單元IDU等組成，通過MVB與傳動(dòng)控制單元TCU、輔助變流器控制單元ACU、制動(dòng)控制單元BCU等智能設(shè)備進(jìn)行通信，同時(shí)系統(tǒng)為機(jī)務(wù)信息化和列車供電等設(shè)備預(yù)留了通信接口。整個(gè)機(jī)車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 HXD1型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意

1.1 通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

機(jī)車通信網(wǎng)絡(luò)采用二級(jí)總線式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，列車級(jí)采用WTB，車輛級(jí)采用MVB.

WTB總線主要用于實(shí)現(xiàn)重聯(lián)機(jī)車間的信息交換，采用兩路動(dòng)態(tài)冗余（A線與B線），當(dāng)其中一路出現(xiàn)故障時(shí)，另一路仍然可以進(jìn)行信息的傳遞。其傳輸介質(zhì)為雙絞屏蔽線，傳輸速率為1 Mbps，可以實(shí)現(xiàn)過程數(shù)據(jù)和消息數(shù)據(jù)的傳輸，傳輸周期為基本周期的整數(shù)倍，傳輸數(shù)據(jù)的最大長(zhǎng)度為128個(gè)字節(jié)。WTB總線上最多可鏈接連接22個(gè)節(jié)點(diǎn)，傳輸距離為860 m.WTB總線的最大特點(diǎn)是能自動(dòng)組態(tài)，當(dāng)總線節(jié)點(diǎn)發(fā)生改變時(shí)，能自動(dòng)對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編址。

MVB多功能車輛總線的傳輸速率為1.5 Mbps，用于連接機(jī)車內(nèi)部的各個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，其總線管理器位于低壓柜內(nèi)的機(jī)車控制單元CCU模塊內(nèi)，MVB總線可以用3種介質(zhì)進(jìn)行傳輸：

1）ESD介質(zhì)，采用RS485的物理層進(jìn)行傳輸，傳輸距離為20 m.

2）EMD介質(zhì)采用變壓器隔離的的雙絞線傳輸，傳輸距離為200 m.

3）OGF介質(zhì)，傳輸距離可以達(dá)2 000 m.

目前HXD1型機(jī)車采用ESD+介質(zhì)進(jìn)行過程數(shù)據(jù)和消息數(shù)據(jù)的傳輸。

1.2 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)平臺(tái)構(gòu)成

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)平臺(tái)由網(wǎng)關(guān)模塊GWM、事件記錄模塊ERM、數(shù)字量輸入輸出模塊DXM、數(shù)字量輸入模塊DIM、模擬量輸入輸出模塊AXM和智能顯示單元IDU等組成。

1.2.1 網(wǎng)關(guān)模塊GWM

GWM模塊作為MVB 5類設(shè)備，執(zhí)行WTB與MVB過程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及車輛的中央控制單元功能，實(shí)現(xiàn)列車級(jí)以及車輛級(jí)的過程控制、總線管理以及數(shù)據(jù)通信功能。GWM模塊屬于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的核心設(shè)備，采用冗余配置，正常工作時(shí)，兩個(gè)模塊均參與WTB總線數(shù)據(jù)通信，根據(jù)MVB主設(shè)備標(biāo)識(shí)進(jìn)行有效數(shù)據(jù)幀的篩選，實(shí)現(xiàn)兩節(jié)機(jī)車的重聯(lián)運(yùn)行，當(dāng)其中一個(gè)模塊發(fā)生故障時(shí)，能無縫切換至另外一個(gè)模塊，對(duì)機(jī)車的運(yùn)行狀態(tài)無任何影響。相較于傳統(tǒng)的雙GWM+雙CCU的結(jié)構(gòu)，采用雙GWM配置，節(jié)省兩個(gè)CCU模塊，經(jīng)濟(jì)成本低，且無需配置WTB/MVB過程數(shù)據(jù)端口，過程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性更高，MVB總線負(fù)荷率更低。模塊電氣接口如圖2所示。

圖2 GWM模塊電氣接口示意圖

其中X1與X3為TCN方向1的接口，X2與X4為方向2的接口，X5與X6為MVB接口，采用基于IEC61375標(biāo)準(zhǔn)的TCN總線標(biāo)準(zhǔn)；X7為兩芯電源接口，作為GWM模塊的110V直流電源的輸入端口；X9為RS232接口，可以直接與計(jì)算機(jī)的串口進(jìn)行通信；X10為M12通信接口，實(shí)現(xiàn)邏輯軟件的在線監(jiān)視，軟件的更新等功能。

1.2.2 事件記錄模塊ERM

ERM模塊為機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)記錄、故障記錄的核心設(shè)備，能記錄司機(jī)的操作狀態(tài)，機(jī)車全過程運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行故障診斷，將GWM模塊產(chǎn)生的故障數(shù)據(jù)具體化，并通過司機(jī)顯示屏IDU報(bào)告給司機(jī)，ERM面板電氣接口與GWM一致，能通過X10接口將記錄的數(shù)據(jù)下載，供給地面分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)以及ERM記錄容量，每節(jié)機(jī)車采用1個(gè)ERM配置。

1.2.3 模擬量輸入輸出模塊AXM

AXM模塊用于采集并輸出車載網(wǎng)絡(luò)中相關(guān)的模擬量，如司控器級(jí)位、電壓傳感器以及電流傳感器等，并能進(jìn)行車輛儀表驅(qū)動(dòng)。模塊包含6路模擬量輸入，其中2路為電壓型，4路為電流型；3組對(duì)外供電電源，分別為DC+15V，DC-15V，DC+24V三種，4路模擬量輸出，其中1路為電壓型，3路為電流型；對(duì)外通信接口為MVB，放置于司機(jī)室內(nèi)，用于采集司控器級(jí)位。電氣接口如圖3所示。

圖3 AXM模塊電氣接口示意圖

其中X1，X2為MVB通信接口，X3位模擬量的輸出接口，X4為RS232接口，X6為25芯接口，提供對(duì)外電源供電。根據(jù)車載模擬量數(shù)量，每節(jié)機(jī)車配置1個(gè)AXM模塊。

1.2.4 數(shù)字量輸入輸出模塊DXM

DXM模塊實(shí)現(xiàn)車載數(shù)字量狀態(tài)信號(hào)的采集處理和網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)控制指令的輸出，如繼電器開關(guān)狀態(tài)，壓力開關(guān)狀態(tài)等。DXM模塊具備16路輸入，8路輸出，通道類型采用光耦隔離，16路輸入通道全部共地。當(dāng)外部輸入電壓為0～35 V時(shí)為邏輯“0”，輸入電壓為58 V～110 V時(shí)為邏輯“1”。通道能識(shí)別最高20 Hz采樣頻率。DXM模塊電氣接口如圖4所示。

圖4 DXM模塊電氣接口示意圖

其中X1，X2為MVB通信接口，X3為48芯數(shù)字量輸入輸出接口，X4為25芯帶地址線的電源接口。根據(jù)HXD1型車載數(shù)字量的數(shù)量以及布線考慮，司機(jī)室布置1個(gè)DXM模塊，機(jī)械間布置7個(gè)DXM模塊。

1.2.5 數(shù)字量輸入模塊DIM

DXM模塊主要實(shí)現(xiàn)車載數(shù)字量狀態(tài)信號(hào)的采集處理，是一個(gè)純數(shù)字量采集單元，具有32路數(shù)字量輸入采集通道，通道類型、高低電平識(shí)別、最高采樣頻率均與DXM模塊一致，該模塊主要應(yīng)用于數(shù)字量采集需求遠(yuǎn)多于輸出的應(yīng)用環(huán)境以到達(dá)節(jié)省模塊降低成本的目的，DIM模塊電氣接口與DXM模塊一致，如圖5所示。

圖5 DIM模塊電氣接口示意圖

根據(jù)HXD1型車載數(shù)字量輸入采集需求核算，司機(jī)室配置一個(gè)DIM模塊，機(jī)械間配置一個(gè)DIM模塊。

1.2.6 司機(jī)室顯示單元IDU

IDU是HXD1型電力機(jī)車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的終端設(shè)備，是司機(jī)和維護(hù)人員操作電力機(jī)車的窗口，實(shí)現(xiàn)電力機(jī)車的人機(jī)交互功能，通過MVB網(wǎng)絡(luò)接收到其它設(shè)備的信息，并以適當(dāng)形式顯示在液晶顯示屏上；同時(shí)IDU還提供輸入接口，通過MVB網(wǎng)絡(luò)將指令傳送至其它設(shè)備，完成數(shù)據(jù)信息交換，IDU界面功能如圖6所示。

圖6 IDU界面功能分布圖

IDU上電啟動(dòng)后，自動(dòng)執(zhí)行到顯示程序“主界面”，通過“主界面”可以通過觸摸或者按壓薄膜按鍵選擇：“主要數(shù)據(jù)界面”、“牽引數(shù)據(jù)界面”、“參數(shù)配置界面”、“診斷界面”、“維護(hù)界面”、“機(jī)車狀態(tài)”、“定速按鍵”等；“主要數(shù)據(jù)界面”下，通過觸摸或者按壓薄膜按鍵可以進(jìn)入“溫度界面”、“網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣缑妗钡?，每?jié)機(jī)車配置一個(gè)IDU屏[2]。

2 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)功能

2.1 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)控制功能

機(jī)車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)列車級(jí)和車輛級(jí)的控制功能。主要有以下控制功能：機(jī)車的主電路邏輯控制、機(jī)車牽引/制動(dòng)特性控制、輔助系統(tǒng)的控制、制動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)功能控制、機(jī)車的重聯(lián)控制、過分相控制、定速控制等。

2.2.1 主電路邏輯控制

HXD1機(jī)車每臺(tái)機(jī)車配置一個(gè)主斷路器，一個(gè)受電弓，一個(gè)高壓隔離開關(guān)，主電路邏輯控制包含主電路相關(guān)接觸器控制、受電弓升弓、降弓控制、主斷路器控制、機(jī)車模式選擇（庫(kù)內(nèi)動(dòng)車、輔機(jī)測(cè)試、正常模式）、高壓隔離開關(guān)控制、主斷硬件環(huán)回路控制、機(jī)車自動(dòng)換端控制、原邊電壓及電流的監(jiān)視、主變壓器油溫及油流的監(jiān)視等。

2.2.2 機(jī)車的牽引/制動(dòng)特性控制

機(jī)車的牽引/制動(dòng)特性控制主要包括以下功能：網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)根據(jù)乘務(wù)員對(duì)主司控器手柄的操作實(shí)時(shí)地獲得乘務(wù)員需要機(jī)車發(fā)揮的牽引/制動(dòng)力的值，然后綜合考慮機(jī)車當(dāng)前工況（接觸網(wǎng)網(wǎng)壓、主變壓器油溫等因素）以及機(jī)車的牽引/制動(dòng)特性曲線等因素計(jì)算出在該時(shí)刻機(jī)車的設(shè)定力的值；然后根據(jù)該時(shí)刻機(jī)車電機(jī)的實(shí)際工況將機(jī)車牽引/制動(dòng)設(shè)定值按照一定的策略分配到每個(gè)電機(jī)上；最后每個(gè)電機(jī)以需要發(fā)揮的牽引/制動(dòng)力為目標(biāo)，按照一定的斜率上升或下降得到每個(gè)電機(jī)設(shè)定力的瞬時(shí)值，并將該設(shè)定力的瞬時(shí)值實(shí)時(shí)地發(fā)送給TCU，TCU以網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)要求的設(shè)定力為目標(biāo)實(shí)時(shí)地控制每個(gè)電機(jī)發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)所要求的牽引/制動(dòng)力。

2.2.3 機(jī)車的輔助系統(tǒng)的控制

大功率配置有兩臺(tái)輔助變流器為輔助負(fù)載供電，正常情況下輔助變流器1以VVVF（變頻變壓）方式為牽引風(fēng)機(jī)、冷卻塔風(fēng)機(jī)等設(shè)備供電，輔助變流器2以CVCF（定頻定壓）方式為壓縮機(jī)、空調(diào)等設(shè)備供電。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)輔助系統(tǒng)進(jìn)行配置，輔助變流器1的工作頻率由網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)根據(jù)主變流器的溫度、油溫以及牽引電機(jī)的溫度等因素綜合來決定。當(dāng)一臺(tái)輔助變流器故障時(shí)，可以采用冗余模式用一臺(tái)輔助變流器以CVCF方式為所有負(fù)載供電。主要包括輔助系統(tǒng)接觸器控制、輔助變流器頻率設(shè)定、接觸器自檢等邏輯功能。

2.2.4 制動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)邏輯控制

列車制動(dòng)力來自空氣制動(dòng)和電制動(dòng)?？諝庵苿?dòng)由BCU控制實(shí)現(xiàn)，BCU安裝在制動(dòng)柜中，BCU與CCU的控制指令及狀態(tài)信息通信通過車輛總線完成。涉及到的邏輯控制功能有制動(dòng)機(jī)本補(bǔ)切換、BCU與CCU通信狀態(tài)監(jiān)測(cè)、制動(dòng)指令監(jiān)測(cè)與傳輸、空氣制動(dòng)與牽引封鎖相關(guān)邏輯、單獨(dú)制動(dòng)管理、停放制動(dòng)管理、懲罰制動(dòng)管理、緊急制動(dòng)管理、主壓縮機(jī)控制、輔助壓縮機(jī)控制、空電聯(lián)合管理、撒砂控制、踏面清掃、坡停啟動(dòng)功能。

2.2.5 機(jī)車的重聯(lián)控制

HXD1型機(jī)車可以支持二機(jī)重聯(lián)。機(jī)車重聯(lián)時(shí)機(jī)車之間用WTB總線進(jìn)行通信。機(jī)車的重聯(lián)控制主要完成以下功能：機(jī)車重聯(lián)編組主控制車與從控制車的確定，主控車通過WTB總線將控制命令發(fā)送給從控車從而使得從控車的操作與主控車步調(diào)一致，同時(shí)從控制車將本車相關(guān)設(shè)備的狀態(tài)及故障信息反饋給主控車，主控車根據(jù)從控車的狀態(tài)進(jìn)行列車級(jí)的牽引力分配及列車級(jí)的控制，使得從控車與主控車的運(yùn)行工況一致。

其余相關(guān)的邏輯功能還有定速控制、自動(dòng)過分相控制、無人警惕控制、軸重轉(zhuǎn)移控制等。

2.2 故障診斷與轉(zhuǎn)儲(chǔ)

機(jī)車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)具有自診斷功能，自診斷信息可在司機(jī)顯示器上進(jìn)行顯示。CCU收集并在故障數(shù)據(jù)庫(kù)中存貯列車的事件、故障和列車狀態(tài)的相關(guān)信息。與CCU有關(guān)的故障存儲(chǔ)在CCU內(nèi)，與TCU有關(guān)的故障存儲(chǔ)在TCU內(nèi)，影響機(jī)車運(yùn)行和功能的故障信息在司機(jī)臺(tái)上通過智能顯示單元IDU顯示出來，并且可以上傳到地面維修和服務(wù)系統(tǒng)中，供長(zhǎng)期的儲(chǔ)存和深入的地面分析。

故障的檢測(cè)分為車輛綜合故障的檢測(cè)和子系統(tǒng)故障的檢測(cè)，其中車輛綜合故障的檢測(cè)由機(jī)車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)根據(jù)車輛綜合信息進(jìn)行邏輯判斷，濾波后得到有效的車輛綜合故障信息。子系統(tǒng)故障一般說來由各子系統(tǒng)完成，機(jī)車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)對(duì)其有效性進(jìn)行判斷。

機(jī)車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的診斷功能可以協(xié)助司機(jī)和檢修人員進(jìn)行工作。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，協(xié)助司機(jī)采取適當(dāng)?shù)牟僮?，并使維護(hù)人員更容易地查找并解決故障[3]。

如果列車發(fā)生故障，將以純文本信息在智能顯示單元IDU上顯示給司機(jī)，在IDU上，每條純文本信息都分配有故障代碼，根據(jù)不同的故障類別進(jìn)行故障評(píng)估。故障類別和純文本信息顯示在顯示器的界面上。此外，司機(jī)可以從顯示器上獲得他所必須實(shí)施的操作的指導(dǎo)說明。

控制系統(tǒng)記錄司機(jī)操作數(shù)據(jù)、機(jī)車運(yùn)行數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)信息、電氣設(shè)備故障數(shù)據(jù)于ERM中，并且可以通過以太網(wǎng)轉(zhuǎn)儲(chǔ)至PC機(jī)上，利用地面處理軟件對(duì)機(jī)車上述數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)等工作。

3 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)RAMS設(shè)計(jì)

3.1 可靠性設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的可靠性取決于組成系統(tǒng)的各個(gè)子部件的可靠性，為滿足網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)備的可靠性性能，各設(shè)備在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，采取了大量的措施來執(zhí)行可靠性要求。

主要表現(xiàn)在如下方面：

1）模塊硬件的可靠性規(guī)范設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)；

2）多種冗余設(shè)計(jì)：通信電纜雙通道冗余、關(guān)鍵部件熱備份冗余、重要輸入信號(hào)冗余；

3）通信總線采用專用電纜及連接器，且與高壓電源保證一定距離；

4）采用全壓接電纜制作；

5）不同電壓等級(jí)電纜的安全距離；

6）盡可能的降低總線負(fù)荷。

3.2 可維護(hù)性設(shè)計(jì)

HXD1型電力機(jī)車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)以DTECS平臺(tái)為基礎(chǔ)，DTECS產(chǎn)品采用模塊化設(shè)計(jì)，模塊集中安裝于低壓柜中，可以正面進(jìn)行安裝維護(hù)，模塊安裝間距合理，可通過互換地址線對(duì)模塊的好壞進(jìn)行測(cè)試，可維護(hù)性高[4]。另外，在司機(jī)室設(shè)置以太網(wǎng)接口，可以通過該接口對(duì)整車進(jìn)行程序調(diào)試與升級(jí)以及故障數(shù)據(jù)下載等。機(jī)車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)模塊生命周期為8年，平均無故障運(yùn)行時(shí)間為4萬小時(shí)，其硬件維護(hù)成本極低，產(chǎn)品平均維修時(shí)間為0.5 h.

3.3 可用性設(shè)計(jì)

DTECS系統(tǒng)中模塊電源的開斷均通過低壓柜上的電源開關(guān)進(jìn)行控制，模塊地址通過地址線插頭進(jìn)行標(biāo)識(shí)，同型號(hào)模塊可以互換。系統(tǒng)中模塊可靠接地，減少人員觸電以及設(shè)備損壞的概率。并且有明顯標(biāo)記提醒相關(guān)人員。

GWM模塊實(shí)現(xiàn)車輛控制以及網(wǎng)關(guān)功能，ERM模塊實(shí)現(xiàn)故障以及事件記錄功能，并且可以通過司機(jī)室對(duì)整車進(jìn)行程序的調(diào)試及故障數(shù)據(jù)下載，極大地縮減了系統(tǒng)的硬件成本及維修時(shí)間。

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用多種冗余設(shè)計(jì)，如設(shè)備間的雙通道冗余，關(guān)鍵信號(hào)冗余等，使得在當(dāng)其中一個(gè)通道或者信號(hào)發(fā)生故障時(shí)，不影響機(jī)車的正常運(yùn)行。

4 結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了HXD1型機(jī)車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的構(gòu)成、控制功能以及RAMS方案設(shè)計(jì)，目前該機(jī)車已經(jīng)配屬集寧機(jī)務(wù)段、襄陽機(jī)務(wù)段、蘭州機(jī)務(wù)段等上十個(gè)機(jī)務(wù)段，批量近千臺(tái)，現(xiàn)場(chǎng)批量運(yùn)用表明，機(jī)車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)性能可靠，達(dá)到了用戶的要求。