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        TCMS在鋼軌銑磨車中的應(yīng)用

        2021-12-07 04:11:38于明波于明凱
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2021年35期
        關(guān)鍵詞:砂帶行車鋼軌

        于明波,于明凱,孫 博

        (太原中車時(shí)代軌道工程機(jī)械有限公司,山西 太原030000)

        1 鋼軌銑磨車與TCMS

        1.1 XM-1500MBG型鋼軌銑磨車

        XM-1500MBG型鋼軌銑磨車是一種高效、節(jié)能、環(huán)保的鋼軌修復(fù)設(shè)備。鋼軌銑磨車的主要任務(wù)是在車輛運(yùn)行中對線路上的鋼軌進(jìn)行銑削和打磨,消除鋼軌的側(cè)磨、波磨、碾壓層、裂縫、剝離等缺陷,降低噪聲,從而恢復(fù)鋼軌工作部分的設(shè)計(jì)形狀,如圖1所示。

        圖1 XM-1500MBG型鋼軌銑磨車外觀圖

        鋼軌銑磨車是兩輛編組,分別稱為動力車(A車)和作業(yè)車(B車),兩節(jié)車通過剛性連接桿連接。A車為整車走行、銑磨作業(yè)及其他輔助用電設(shè)備提供動力,同時(shí)具有砂帶打磨功能。B車不帶動力,主要功能是進(jìn)行銑削作業(yè)并配備有軌廓檢測裝置。

        1.2 TCMS

        TCMS(Train Control and Management System,即列車控制和管理系統(tǒng))是負(fù)責(zé)整合車輛車載設(shè)備數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng),符合IEC61375標(biāo)準(zhǔn)。功能上一般執(zhí)行以下任務(wù):行車控制;車載設(shè)備數(shù)據(jù)監(jiān)控和控制;故障診斷和運(yùn)行管理;數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)管理以及其他輔助功能。目前主要裝備于地鐵、高鐵及動車組,國外軌道工程機(jī)械列車也有應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),而國內(nèi)軌道工程機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)用不多。TCMS一般由列車控制單元VCU,遠(yuǎn)程輸入輸出模塊RIOM,人機(jī)設(shè)備DDU以及其他一些輔助設(shè)備等組成。在鋼軌銑磨車中,TCMS與多種較為復(fù)雜的車載控制單元共同組成列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)車輛牽引、走行以及其他功能控制。

        2 列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

        2.1 列車網(wǎng)絡(luò)組成

        鋼軌銑磨車車載設(shè)備較多,控制單元配置情況也較為復(fù)雜,但它們都需要與TCMS(主要是VCU)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,詳見表1。

        表1 列車主要控制單元

        據(jù)此構(gòu)建以TCMS為核心的鋼軌銑磨車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成如圖2。

        圖2 鋼軌銑磨車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

        可以得知,第1路CAN作為貫穿整車的車輛總線,連接RIOM5(A車),RIOM6(B車),TCU,ACU,實(shí)現(xiàn)總線管理功能,以CANopen協(xié)議進(jìn)行通信。

        第2路CAN通過J1939協(xié)議用于讀取發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。

        第3路連接的是具有RS485串口的GCU、CCU1和CCU2等設(shè)備,通過ModbusRTU協(xié)議與VCU進(jìn)行通信。

        第4路是銑削作業(yè)核心單元MCU,由于MCU的控制器是S7-300PLC并不支持CAN通信轉(zhuǎn)而采用以太網(wǎng),同時(shí)人機(jī)界面DDU和VCU之間也通過以太網(wǎng)實(shí)施大容量數(shù)據(jù)的快速傳輸,可以降低CAN總線的通信負(fù)載率。

        2.2 各單元功能作用

        2.2.1 列車控制單元VCU

        VCU控制列車網(wǎng)絡(luò)的過程控制、通信管理、故障對策、顯示數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿?wù)。可以說,VCU是TCMS的大腦,是銑磨車邏輯控制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議管理功能實(shí)現(xiàn)的核心。也因此,設(shè)置雙VCU熱備冗余,在強(qiáng)主VCU異常時(shí)弱主VCU自動接替工作,為列車正常運(yùn)行提供了安全保證。

        2.2.2 人機(jī)界面DDU

        DDU是銑磨車行車功能控制屏,主要功能是列車狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障報(bào)警信息顯示,應(yīng)急橋接控制,參數(shù)設(shè)定等。DDU是司機(jī)和維護(hù)人員操作列車的交互窗口,人員也可以通過DDU設(shè)置必要的控制命令,如橋接功能,輪徑設(shè)定等,如圖3所示。

        圖3 人機(jī)界面

        2.2.3 遠(yuǎn)程輸入輸出模塊RIOM

        RIOM5(A車)和RIOM6(B車)通過CAN總線與VCU進(jìn)行通信,其主要功能是采集整車非微機(jī)控制單元的運(yùn)行狀態(tài)和動作控制。具體功能見表2。

        表2 列車非微機(jī)控制單元功能

        2.2.4 牽引變流器控制單元TCU

        銑磨車電傳動系統(tǒng)由供應(yīng)商整體外供,TCU的主要作用是反饋電傳動系統(tǒng)的工作狀態(tài),并根據(jù)整車指令通過逆變模塊控制牽引電機(jī),是電傳動系統(tǒng)的控制核心。

        電傳動系統(tǒng)的主要狀態(tài)數(shù)據(jù)會實(shí)時(shí)顯示在DDU中,當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí),DDU實(shí)時(shí)顯示故障名稱以及連鎖動作,蜂鳴器報(bào)警。當(dāng)故障嚴(yán)重時(shí),TCMS可以通過自動判斷和手動選擇兩種方式卸載故障牽引變流器,此時(shí)列車進(jìn)入故障運(yùn)行工況。

        2.2.5 砂帶打磨控制單元GCU

        GCU是模塊化砂帶打磨系統(tǒng)的PLC控制系統(tǒng),它主要控制砂帶打磨裝置和集塵裝置、清掃電機(jī)等輔助設(shè)備。

        GCU在銑磨車作業(yè)工況下啟動,主要受TCMS的動作指令控制和反饋打磨系統(tǒng)的工作狀態(tài)和報(bào)警;同時(shí)受到銑削作業(yè)單元MCU的間接控制,實(shí)現(xiàn)銑磨聯(lián)合作業(yè)。

        2.2.6 銑削作業(yè)控制單元MCU

        MCU是指Sinumerik 840D SL銑削作業(yè)數(shù)控系統(tǒng),它的下位機(jī)控制由Simens S7-300PLC執(zhí)行,上位機(jī)的嵌入式軟件負(fù)責(zé)執(zhí)行算法和數(shù)據(jù)處理。MCU主要功能包括高精度銑削作業(yè)控制、數(shù)據(jù)處理儲存與安全聯(lián)鎖保護(hù)功能。在銑削作業(yè)中,MCU的核心性能為數(shù)據(jù)采集和傳遞的實(shí)時(shí)性,以及同TCMS等多設(shè)備間的實(shí)時(shí)通信。

        2.2.7 發(fā)動機(jī)控制器ECU

        發(fā)動機(jī)控制器ECU的任務(wù)是將采集的發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)和故障診斷代碼發(fā)送給TCMS,用于行車信息監(jiān)控和報(bào)警。發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)一般包括:柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、水溫、冷卻液位、機(jī)油壓力、轉(zhuǎn)矩、進(jìn)氣溫度、增壓壓力、蓄電池電壓、工作小時(shí)等。此外,TCMS通過RIOM采集柴油機(jī)怠速/額定轉(zhuǎn)速信號、開關(guān)信號以及燃油箱液位信息。綜合上述參數(shù),TCMS可以對發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,并對不合理的參數(shù)報(bào)警。

        3 鋼軌銑磨車TCMS解決方案舉例

        3.1 多控制單元的銑磨聯(lián)合作業(yè)協(xié)同

        設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)中,用戶要求銑磨聯(lián)合作業(yè)工況下,單人操作要完成行車控制和銑磨作業(yè)。司機(jī)可在銑削控制臺上設(shè)定行車速度,控制列車啟動。按下作業(yè)開始按鈕,銑刀盤即時(shí)切入鋼軌作業(yè),列車行至切入位時(shí)開始砂帶打磨作業(yè)。按下作業(yè)終止按鈕后,銑削裝置順坡切出,待砂帶打磨裝置到達(dá)銑削順坡切出位時(shí)停止打磨作業(yè),同時(shí)停車。

        因此,最終設(shè)計(jì)了如下的控制流程,見圖4。

        圖4 銑磨作業(yè)過程控制示意圖

        作業(yè)開始,由MCU設(shè)定行車速度信息,列車啟動信號,這些信號經(jīng)由TCMS轉(zhuǎn)發(fā)給TCU,并控制牽引變流器動作;MCU發(fā)出的列車停止信號,由TCMS控制空氣系統(tǒng)的直通制動電磁閥來實(shí)現(xiàn)。MCU發(fā)出作業(yè)開始和作業(yè)終止信號,TCMS負(fù)責(zé)記錄銑削切入位和切出位,結(jié)合列車實(shí)時(shí)速度計(jì)算得出砂帶打磨的作業(yè)起始點(diǎn)和終止點(diǎn),同時(shí)負(fù)責(zé)發(fā)送給GCU打磨作業(yè)開始/終止信號。

        當(dāng)行車、打磨以及其他輔助作業(yè)系統(tǒng)出現(xiàn)異常不能繼續(xù)作業(yè)時(shí),TCMS生成作業(yè)急停信號并發(fā)送給MCU。MCU執(zhí)行銑削作業(yè)裝置緊急提升動作,提升到位后發(fā)出停車信號給TCMS,其他設(shè)備即時(shí)停止工作。

        在這個(gè)方案中,TCMS、MCU和GCU共同控制最終完成了銑磨聯(lián)合作業(yè),這也是國內(nèi)第一種基于TCMS、數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)和PLC三套系統(tǒng)實(shí)時(shí)通信的高精度機(jī)具作業(yè)控制方案。TCMS、MCU和GCU在承擔(dān)各自行車、銑削、打磨控制功能的同時(shí)完成了信息中轉(zhuǎn)、邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)記錄與處理和安全功能等任務(wù),且能夠保證任一設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)銑削裝置能夠完成起復(fù)并在安全位置卸載停車,為探索作業(yè)控制方案設(shè)計(jì)提供了參考價(jià)值。

        3.2 適應(yīng)模塊化設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成

        XM-1500MBG型鋼軌銑磨車是國內(nèi)第一臺系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)的鋼軌銑磨車,因此在整車集成設(shè)計(jì)的最大難度之一就是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)互通。而TCMS兼容性強(qiáng),不需借由網(wǎng)關(guān)或轉(zhuǎn)換器等設(shè)備就可以同時(shí)支持多種不同的實(shí)時(shí)通信,如CAN(CAN-Open和J1939)、以太網(wǎng)和RS485等,也能滿足車輛靈活編組的需求,正好對應(yīng)解決軌道工程機(jī)械車載子系統(tǒng)種類較多,難以統(tǒng)型組網(wǎng)的特點(diǎn),并且基本滿足國內(nèi)大多作業(yè)裝置控制系統(tǒng)的通信要求。

        此外,TCMS軟件中的行車控制邏輯、通信管理、以及車輛管理等功能也有相當(dāng)?shù)钠者m性,一次開發(fā)后續(xù)車型都可以借鑒,有助于快速形成產(chǎn)品線的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。

        4 鋼軌銑磨車TCMS網(wǎng)絡(luò)方案的對比和評價(jià)

        目前國內(nèi)軌道工程機(jī)械網(wǎng)絡(luò)控制方案主要有兩類:一類是行車控制系統(tǒng)直接控制作業(yè)裝置的控制網(wǎng)絡(luò)方案,多應(yīng)用于小型工程車輛。在大型養(yǎng)路機(jī)械中一般采用分布式布置,這樣一來其總線負(fù)荷率會很高,缺乏系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì),一旦發(fā)生故障,比較依賴硬線控制實(shí)現(xiàn)應(yīng)急功能。

        另一類是以“牽引+作業(yè)”組合系統(tǒng),是由相對獨(dú)立的兩套控制系統(tǒng)組合的控制網(wǎng)絡(luò)方案。以GMC-96B打磨車控制網(wǎng)絡(luò)為例,走行控制系統(tǒng)控制車輛走行及輔助供電,打磨控制系統(tǒng)只負(fù)責(zé)打磨作業(yè)。這種方案優(yōu)點(diǎn)是在設(shè)計(jì)階段可并行開發(fā),設(shè)計(jì)周期短,系統(tǒng)間不會互相影響,但缺點(diǎn)是系統(tǒng)間無法進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,無法滿足智能化打磨、高精度打磨的需求。

        將TCMS引入工程機(jī)械領(lǐng)域控制網(wǎng)絡(luò)是對前兩類方案的優(yōu)勢融合。在這種設(shè)計(jì)中,TCMS不僅是行車控制系統(tǒng),也是整車通信和監(jiān)控的樞紐,還是作業(yè)控制的監(jiān)控系統(tǒng),既能實(shí)現(xiàn)不同作業(yè)系統(tǒng)的協(xié)同控制,也能對故障部分進(jìn)行切除,以滿足調(diào)試、作業(yè)和應(yīng)急收車的需求。

        綜上所述,將TCMS應(yīng)用于鋼軌銑磨車等軌道工程機(jī)械產(chǎn)品具有良好的前景。

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