高 杰, 李文正
(1 重慶中車四方所科技有限公司 技術(shù)研發(fā)部, 重慶 401133;2 中車青島四方車輛研究所有限公司 電子事業(yè)部, 山東青島 266031 )
重慶軌道交通10號(hào)線的列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)按照IEC 61375-1—2007標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的列車通信網(wǎng)絡(luò)組建,車輛總線采用MVB總線。MVB網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是專為鐵路應(yīng)用而開發(fā),能夠滿足鐵路行業(yè)的特殊需求,經(jīng)過了長(zhǎng)期、大量的應(yīng)用驗(yàn)證。
重慶軌道交通10號(hào)線上網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為“T”型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),總線采用冗余傳輸,保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。MVB總線的傳輸速率為1.5 Mbit/s。此外,重慶軌道交通十號(hào)線加入了列車維護(hù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),系采用以太網(wǎng)搭建,接入該維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的子系統(tǒng)設(shè)備可在維護(hù)網(wǎng)交換機(jī)HUB上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)下載、應(yīng)用程序更新以及狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能。
重慶軌道交通10號(hào)線的列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1所示。
VCU-中央控制單元;ERM-數(shù)據(jù)記錄單元;485GW-網(wǎng)關(guān);RIOM-遠(yuǎn)程輸入輸出模塊;HMI-人機(jī)接口單元;EDCU-門控制單元;DCU-牽引控制單元;SIV-輔助控制單元;ATC-信號(hào)系統(tǒng);RPT-中繼器;HVAC-通風(fēng)和空調(diào)設(shè)備;BCU-制動(dòng)控制單元;BCCU-蓄電池管理單元;PIS-廣播系統(tǒng);HUB-交換機(jī);MC-司機(jī)控制器;Mc車-帶司機(jī)室的動(dòng)車;Mp車-帶受電弓的動(dòng)車;M車-動(dòng)車。圖1 列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及維護(hù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)拓?fù)鋱D
車輛總線采用EMD通信介質(zhì)的MVB,全列由兩個(gè)基本對(duì)稱的單元組成,網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及維護(hù)系統(tǒng)設(shè)備情況具體如下:
(1)中央控制單元VCU在Mc車各配備1臺(tái),兩個(gè)VCU都是MVB總線的主設(shè)備,運(yùn)行中互為熱備。VCU是MVB網(wǎng)絡(luò)的總線管理器,正常情況下,主VCU負(fù)責(zé)對(duì)MVB總線進(jìn)行管理,同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)本單元車輛的控制、對(duì)車輛設(shè)備的監(jiān)視和診斷。
(2)人機(jī)接口單元HMI在司機(jī)室給配備1臺(tái),主要負(fù)責(zé)人機(jī)交互的功能,負(fù)責(zé)顯示設(shè)備狀態(tài)、指導(dǎo)司機(jī)操作、輸入人工干預(yù)指令和向維修人員提供支持。
(3)車輛由遠(yuǎn)程輸入/輸出設(shè)備RIOM通過MVB接口和車輛總線連接,實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛電路的主要控制信號(hào)采集和控制指令輸出。
(4)數(shù)據(jù)記錄單元ERM實(shí)現(xiàn)對(duì)列車主要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和故障進(jìn)行自動(dòng)信息采集、記錄,并可通過便攜式測(cè)試單元PTU將數(shù)據(jù)讀出和顯示。
(5)中繼器RPT在每輛車上均配置1臺(tái),實(shí)現(xiàn)對(duì)MVB信號(hào)幀的中繼傳輸,具有冗余的供電和中繼功能模塊。
(6)交換機(jī)HUB在每輛車上均配置1臺(tái),實(shí)現(xiàn)對(duì)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組建。
(7)網(wǎng)關(guān)485GW在Mc車上各配置1臺(tái),實(shí)現(xiàn)RS485/MVB通訊之間的轉(zhuǎn)換。
傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為“一”字型串行拓?fù)洌琈VB總線的A/B路共用同一個(gè)連接器和線纜,該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是線路簡(jiǎn)單,成本較低,其缺點(diǎn)是不同設(shè)備的線路延時(shí)相差較大,一旦線路上出現(xiàn)中斷,可能影響全列車的設(shè)備通信,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 傳統(tǒng)“一”字型串行拓?fù)鋱D
在重慶軌道交通10號(hào)線上網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)應(yīng)用了新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為"T"型,全車共分為7個(gè)網(wǎng)段,每節(jié)車輛網(wǎng)絡(luò)自成一個(gè)網(wǎng)段,干線為主網(wǎng)段。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 “T”型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖
該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是:
(1)支路網(wǎng)段故障不會(huì)影響其他支路網(wǎng)段及干線網(wǎng)段,降低單個(gè)支路網(wǎng)段故障對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的影響。
(2)具備冗余的MVB傳輸線纜及連接器,能夠避免因單個(gè)連接器故障、松動(dòng)或線纜故障以及子設(shè)備故障等引起整個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò)癱瘓。
(3)方便擴(kuò)編,只需在M1和M2車預(yù)留擴(kuò)編用的MVB車端連接器,可直接進(jìn)行擴(kuò)編,不需要對(duì)原車的MVB線路重新設(shè)計(jì)更改。
列車檢修過程中對(duì)各子系統(tǒng)設(shè)備(特別是車下設(shè)備)的數(shù)據(jù)下載、應(yīng)用程序更新以及狀態(tài)監(jiān)測(cè)等維護(hù)較為不便。檢修人員通常需要在不同車廂的各設(shè)備間來回觀察設(shè)備數(shù)據(jù)、更新程序等操作。
鑒于以上在列車運(yùn)營(yíng)維護(hù)中的檢修問題,重慶軌道交通10號(hào)線上增加了基于以太網(wǎng)搭建的維護(hù)網(wǎng)絡(luò),由交換機(jī)HUB實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)并成功接入了VCU、ERM、HMI、DCU、BCCU、SIV、PIS等子系統(tǒng)設(shè)備。通過預(yù)分配的IP地址,可在HUB上實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)設(shè)備的數(shù)據(jù)下載、應(yīng)用程序更新以及狀態(tài)監(jiān)測(cè)等維護(hù)操作。為列車檢修帶來了極大的便利。
在重慶軌道交通10號(hào)線車輛中,為提高列車運(yùn)行的安全性和可靠性,MVB總線采用符合IEC-61375標(biāo)準(zhǔn)的MVB-EMD電纜,具有冗余結(jié)構(gòu),即線路A、線路B兩路通道,對(duì)關(guān)鍵區(qū)域提供部分冗余,即在MVB中單點(diǎn)故障不會(huì)導(dǎo)致列車運(yùn)行停止。MVB通過總線連接器與各子系統(tǒng)連接,傳遞過程數(shù)據(jù)、消息數(shù)據(jù)、監(jiān)視數(shù)據(jù),控制各子系統(tǒng)完成相應(yīng)的功能。MVB總線冗余技術(shù)方案如下所述。
中央控制單元(VCU)是車輛MVB網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的總線管理器,每列由兩臺(tái)硬件完全一樣的中央控制單元(VCU)構(gòu)成,兩臺(tái)設(shè)備具備同樣的功能,它們?cè)诠こ虒?shí)現(xiàn)上應(yīng)具備相同配置,包括相同的應(yīng)用級(jí)過程數(shù)據(jù)源端口及宿端口配置。正常工作時(shí),默認(rèn)頭車VCU定義為主設(shè)備,尾車VCU定義為從設(shè)備。主從VCU均可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)方工作狀態(tài),若主設(shè)備發(fā)生故障,從設(shè)備將自動(dòng)切換為主設(shè)備繼續(xù)工作,確保網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)不會(huì)癱瘓。
每輛車均安裝了一臺(tái)中繼器,每個(gè)中繼器含有兩個(gè)互為冗余的中繼器模塊,每個(gè)中繼器模塊均可對(duì)MVB總線A路、B路傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)行中繼傳輸。如圖4所示為中繼器模塊傳輸信號(hào)的示意圖。
正常運(yùn)行時(shí),只有一個(gè)中繼器模塊工作,對(duì)信號(hào)進(jìn)行一次中繼傳輸,另一個(gè)處于熱備狀態(tài)。當(dāng)一個(gè)中繼器故障時(shí),另一個(gè)中繼器將對(duì)原有的A路或B路進(jìn)行中繼傳輸,不影響各子系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的接收。
MVB的線路A和線路B同步發(fā)送相同的數(shù)據(jù),但各節(jié)點(diǎn)只接收信任線的數(shù)據(jù)。假設(shè)信任線為線路A,監(jiān)視線為線路B。如圖5所示,如果線路A出現(xiàn)故障,線路B切換為信任線,節(jié)點(diǎn)將接收線路B的數(shù)據(jù),因此當(dāng)線路A故障時(shí),列車網(wǎng)絡(luò)通信正常,系統(tǒng)的性能沒有影響。當(dāng)線路B故障時(shí),信任線為線路A,不發(fā)生變化,列車網(wǎng)絡(luò)通信仍然正常。
該冗余設(shè)計(jì)可以防止傳輸線、引腳接點(diǎn)以及收發(fā)器的錯(cuò)誤、連接器故障或連接不牢靠等引起的MVB傳輸故障。
圖4 中繼器冗余示意圖
圖5 MVB線纜及連接器冗余示意圖
在重慶軌道交通10號(hào)線車輛中,列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)增加了許多關(guān)鍵控制技術(shù)??蓪?shí)現(xiàn)對(duì)牽引、制動(dòng)、廣播、輔助供電等各個(gè)子系統(tǒng)的控制管理。
(1)牽引制動(dòng)控制管理
網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)通過RIOM單元采集ATC發(fā)出的控車命令、司控器的編碼線以及各模式開關(guān)、限速信號(hào),通過綜合邏輯分析計(jì)算后,向牽引、制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出牽引制動(dòng)控制指令、級(jí)位以及限速信號(hào)。控制流程如圖6所示。
圖6 牽引制動(dòng)控制管理
(2)電空混合制動(dòng)管理
列車制動(dòng)時(shí)優(yōu)先采用電制動(dòng),空氣制動(dòng)作為補(bǔ)償,并采取全列車合理分配的原則,由網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進(jìn)行制動(dòng)力計(jì)算及分配,并控制電空制動(dòng)轉(zhuǎn)換。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)發(fā)出電制動(dòng)退出信號(hào)時(shí),牽引系統(tǒng)以固定的斜率進(jìn)行電制動(dòng)力衰減,制動(dòng)系統(tǒng)則以相同的斜率進(jìn)行空氣制動(dòng)力補(bǔ)充,直至電制動(dòng)力完全退出。
傳統(tǒng)電制動(dòng)退出控制方案為固定速度點(diǎn)退出方案,如圖7所示。當(dāng)速度降低至va時(shí)電制動(dòng)開始退出,如果退出時(shí)刻的電制動(dòng)力較小,則電制動(dòng)很快就完全退出(如圖中速度點(diǎn)v2),此時(shí)則需要空氣制動(dòng)一直施加至列車停下來。
圖7 電制動(dòng)固定速度點(diǎn)退出控制策略
考慮到空氣制動(dòng)的機(jī)械屬性,其響應(yīng)遠(yuǎn)不如電制動(dòng)靈敏,同時(shí)為了減少空氣制動(dòng)的機(jī)械磨損,制動(dòng)控制應(yīng)充分利用電制動(dòng),將電空轉(zhuǎn)換點(diǎn)速度盡可能地降低。重慶10號(hào)線電空混合制動(dòng)采用了電制動(dòng)浮動(dòng)速度點(diǎn)退出的控制策略,如圖8所示。根據(jù)電制動(dòng)力級(jí)位大小浮動(dòng)調(diào)整電制動(dòng)開始退出的速度點(diǎn)(如圖中速度點(diǎn)va/vb/vc),使電制動(dòng)力完全退出的速度點(diǎn)均保持為v0,從而盡可能地發(fā)揮電制動(dòng)力的作用,提高列車制動(dòng)控車精確度,同時(shí)減少空氣制動(dòng)的機(jī)械磨損。
圖8 電制動(dòng)浮動(dòng)速度點(diǎn)退出控制策略
(3)中壓負(fù)載啟動(dòng)及分配管理
為了避免中壓負(fù)載同時(shí)啟動(dòng)給輔助電源系統(tǒng)帶來沖擊,網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)對(duì)制動(dòng)空壓機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一管理。
制動(dòng)空壓機(jī)啟??刂撇捎弥?輔空壓機(jī)概念,由網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)根據(jù)日期(單雙日)來指定一臺(tái)為主,另一臺(tái)為輔,主空壓機(jī)優(yōu)先啟動(dòng),主/輔空壓機(jī)的工作每天調(diào)換。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)時(shí)讀取總風(fēng)壓力,根據(jù)壓力值大小控制主/輔空壓機(jī)的啟停。
空調(diào)壓縮機(jī)的啟動(dòng)優(yōu)先級(jí)低于制動(dòng)空壓機(jī),網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)按照順序給空調(diào)發(fā)送壓縮機(jī)允許啟動(dòng)信號(hào),當(dāng)制動(dòng)空壓機(jī)啟動(dòng)時(shí),在一段時(shí)間內(nèi)停止給空調(diào)發(fā)送允許啟動(dòng)信號(hào),如圖9陰影部分所示。待空壓機(jī)啟動(dòng)完成后,繼續(xù)循環(huán)發(fā)送空調(diào)壓縮機(jī)允許啟動(dòng)信號(hào)。
圖9 中壓負(fù)載啟動(dòng)順序管理
(4)保持制動(dòng)緩解控制
當(dāng)列車停止后,制動(dòng)系統(tǒng)會(huì)施加保持制動(dòng)。當(dāng)列車再次運(yùn)行時(shí),需要及時(shí)緩解保持制動(dòng),保持制動(dòng)緩解的控制由網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)列車處在坡度上時(shí),其受力分析如圖10所示。
圖10 列車坡道受力分析
當(dāng)列車上坡時(shí),列車下滑力F向后,為保證列車不后溜,牽引工況時(shí)牽引力應(yīng)大于最大坡度及載重時(shí)產(chǎn)生的下滑力F后才能緩解保持制動(dòng);
當(dāng)列車下坡時(shí),列車下滑力F向前,為避免輪對(duì)不必要的磨耗,牽引工況時(shí)只需要檢測(cè)到列車具有向前的速度,即可緩解保持制動(dòng)。
網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在重慶軌道交通10號(hào)線車輛上搭建了一套完整的故障診斷及數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)。
中央控制單元VCU作為故障診斷系統(tǒng)的核心,負(fù)責(zé)接收列車各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并經(jīng)過邏輯分析判斷,然后將診斷結(jié)果發(fā)送至人機(jī)接口單元HMI;
人機(jī)接口單元HMI接收來自中央控制單元VCU的故障診斷信息后,通過友好的顯示畫面顯示出當(dāng)前設(shè)備的狀態(tài),同時(shí)根據(jù)故障的隱患程度將故障進(jìn)行分級(jí),將中等及嚴(yán)重故障通過彈窗提醒,實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互;
數(shù)據(jù)記錄單元ERM接收并存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)MVB總線上的過程數(shù)據(jù)及故障信息,同時(shí)可將數(shù)據(jù)下載至本地分析設(shè)備,通過專用軟件可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行離線分析,為后續(xù)故障分析提供了強(qiáng)有力的支撐。
重慶軌道交通10號(hào)線列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用了新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過運(yùn)營(yíng)半年來的情況觀察,新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的應(yīng)用提高了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)通信穩(wěn)定性及可靠性,維護(hù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的應(yīng)用更是極大地提高了列車檢修維護(hù)的效率,系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)、關(guān)鍵控制技術(shù)的應(yīng)用提高了軌道交通車輛運(yùn)行控制效率及精確度,降低了列車運(yùn)行故障率。新型軌道交通車輛網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的應(yīng)用對(duì)提高軌道交通列車的可靠性及可維護(hù)性起到了強(qiáng)有力的推動(dòng)作用。