國產化列車控制及監控系統的監控設計改進

劉 琦 趙 磊 徐惠林 吳紫薇

(北京地鐵車輛裝備有限公司，100079，北京∥第一作者，工程師)

列車控制及監控系統(TCMS)具有對列車牽引系統進行監視、控制及故障診斷的功能。實現這些功能的基礎就是TCMS具有完整可靠的網絡拓撲結構，通過MVB(多功能車輛總線)的傳輸實現數據流的交互。TCMS設計包括電氣原理設計、機械結構設計、控制邏輯開發(牽引系統、制動系統、輔助系統等)。

本文討論TCMS設計的改進，充分考慮了城市軌道交通車輛遠期擴編需求的可能性。對6輛編組和8輛編組列車的TCMS網絡拓撲結構的設計思路以及拓撲結構中各設備的功能進行了說明，并且對數據流傳輸過程中涉及到的端口地址、特征周期、端口大小等作了詳細介紹。在TCMS通信正常的情況下，分別描述了TCMS對列車牽引系統的主要監視信息、控制指令、故障診斷的分級及處理，重點介紹了牽引指令、母線高速斷路器的控制邏輯開發。在與列車牽引系統有關的TCMS設計改進中，介紹了ERM(列車數據及事件記錄器)新增的硬線采集功能、網絡故障提示功能的設計，以及DI/DO電路導向安全的設計。完成了測試工作，驗證了TCMS對列車牽引系統的有效監控。

1 TCMS與牽引系統框架介紹

1.1 網絡拓撲結構

圖1為8輛編組列車TCMS與列車牽引系統拓撲結構圖。在圖1中，列車編組為6M2T，即6輛動車2輛拖車，3車和6車為擴編車輛。CCU(中央控制單元)負責組織所有數據流的交換，具有診斷功能和控制功能;RIOM(遠程輸入輸出模塊)具有采集車輛各種模擬信號(AX，此項目牽引系統部分只有AI輸入模塊)和數字信號(DX，通過DI輸入模塊或DO輸出模塊實現)的功能;HMI(人機接口)用于顯示列車狀態及故障信息，發出司機指令及故障處理提示;ERM具有列車信息采集和記錄的功能;REP(中繼器)具有對MVB信號的中繼放大功能;DCU(牽引控制單元)用于牽引系統與TCMS的數據流通信;MC(司控器)供司機控車使用。CCU與DCU通過MVB進行通信，MVB采用標準的MVBEMD總線，符合IEC61375—1—1999標準。其中，硬線是指不同于MVB總線的傳輸介質，傳輸性能可靠，但傳輸能力有限，可以傳輸模擬信號和數字信號，常用作列車網絡系統的傳輸后備方式，保證系統安全可靠。

圖1 8輛編組列車TCMS與列車牽引系統拓撲結構圖

從圖1中可得出，6輛編組與8輛編組列車相比較，TCMS與列車牽引系統的網絡拓撲結構是不變的，只需在擴編的動力單元上增加一個DCU和RIOM即可，不影響CCU與DCU之間的數據傳輸。

1.2 端口地址

在微機系統中，每個端口分配有唯一的地址碼，稱之為端口地址。CCU與DCU實現通信時，必須給每個端口定義好具體的端口地址，這樣才能保證數據流傳輸準確。列車為6輛編組時，CCU與DCU的端口地址見表1。當CCU為源設備、DCU為宿設備時，CCU通過MVB傳輸給DCU數據流，此數據流為控制指令，需要32ms刷新一次，即特征周期為32 ms。當DCU為源設備、CCU為宿設備時，DCU通過MVB傳輸給CCU數據流，此數據流為監視信息，特征周期為64 ms。其中，DCU向CCU傳輸信息時均采用兩個端口，是牽引系統需要TCMS監視的信息量大所決定的。在進行端口分配時，采用了預留設計思路，端口地址能夠滿足8輛編組列車的需求，因此表1中的端口地址不連續。端口大小均為32B，在每個端口定義數據流時，均有預留字節，并沒有將32B完全占用，方便牽引系統增加數據流，同時滿足用戶更改采集信息的需求。

2 TCMS對列車牽引系統的監視、控制及故障診斷

2.1 TCMS對列車牽引系統的監視

DCU通過MVB將列車牽引系統的狀態信息、故障信息傳輸給TCMS。TCMS獲取此類信息后，根據顯示屏方案以及故障診斷方案，部分信息傳給HMI進行顯示，部分信息傳給ERM進行記錄，供司乘人員和維護人員使用。

表1 CCU與DCU端口地址表

TCMS的監視功能模塊是根據列車牽引系統的需求，結合顯示屏方案，由CCU對DCU作在線判斷。HMI直接接收DCU的數據流，當兩者同時滿足時，則在顯示屏對應界面顯示列車牽引系統的狀態量。運行界面顯示的有:牽引系統狀態、牽引級位、電網電壓，以及網流、消耗能量、再生能量、方向等。牽引子系統界面顯示的有:HB(高速斷路器)狀態、BHB(母線高速斷路器)狀態、牽引力/電制動力、MS(主隔離開關)狀態、KM1(短接接觸器)狀態、KM2(充電接觸器)狀態、中間電壓(斬波電壓)、中間電流(斬波電流)、電機電流(逆變電流)、VVVF(變壓變頻調速)狀態。

ERM記錄方式為直接接收DCU數據流并進行記錄，與顯示屏對數據流的處理不同。除以上信息外，ERM記錄的信息還包括電機轉速、電機溫度、電制動相關信息，以及各類軟件版本號等。

2.2 TCMS對列車牽引系統的控制

TCMS對列車牽引系統的控制分為兩種模式:CCU通過MVB向DCU傳輸指令信息;通過CCU內部邏輯處理生成的DO變量控制牽引系統電路的導通或斷開。主要控制功能有:牽引指令，母線高速斷路器控制、方向指令，牽引力值設定，電制動力值設定，時間日期類信息，各車有效載荷，列車實際速度，輪徑值等。

牽引指令采取網絡優先硬線后備的控制方式。即在TCMS正常時，列車牽引系統采用TCMS傳輸的指令信號;當TCMS故障時，列車牽引系統采用硬線信號進行控制，確保在故障情況下，列車牽引系統的基本功能不受影響，以保證整車的安全性。

牽引指令的控制邏輯如圖2所示。由圖2可知，當同時滿足司機室激活、牽引指令為1、制動指令為0、惰行狀態為0時，CCU發送給DCU的牽引指令為1;否則為0。以上邏輯處理是基于對整車牽引控制電路的分析。由于牽引控制電路中對門選開關、制動緩解、停放制動、緊急制動等進行邏輯聯鎖，CCU不再對其邏輯進行處理，從而避免了TCMS內部邏輯開發的重復性，提高了CCU的處理速度。

圖2 牽引指令的控制邏輯

圖3為列車牽引系統高壓電路示意圖。母線高速斷路器的控制是通過DO電路的導通或斷開實現的。在進行列車牽引系統的高壓電路設計時，考慮到BHB的成本較高，為避免BHB的反復動作，在原有的BHB電路中串聯了BLB(母線接觸器)，有效利用了BLB可以反復閉合斷開的特點，實現了對BHB的保護作用。因此TCMS對牽引系統的母線高速斷路器的控制分為BHB控制和BLB控制。

圖3 列車牽引系統高壓電路示意圖

在TCMS內部的列車牽引系統控制邏輯開發中生成3個DO變量:BHB允許指令、BHB閉合指令、BLB閉合指令。其控制邏輯如圖4～6所示。

在圖4中，BHB開關閉合指的是司機臺上母線控制器的總開關閉合;司機室激活、緊急牽引狀態、洗車模式均為DI采集的狀態信息;BHB故障和BLB故障為牽引系統內部故障信息。由圖4可知，當同時滿足司機室激活、BHB開關閉合為1、非緊急牽引狀態、非洗車模式、BHB和BLB均無故障的條件下，輸出BHB允許指令為1，對應的DO電路導通;否則，輸出BHB允許指令為0，對應的DO電路不導通。

圖4 BHB允許指令的控制邏輯

圖5 BHB閉合指令的控制邏輯

由圖5可知，當 BHB允許指令為1，斷路器BHB狀態為0(即BHB斷開)的情況下，輸出BHB閉合指令，對應的DO電路導通，從而實現斷路器BHB閉合。

圖6 BLB閉合指令的控制

圖6中速度值的判斷由CCU完成。由圖6可知，當滿足速度≥5.5 km/h，且BHB狀態為1(即BHB閉合)、輸出BLB閉合指令為1時，對應的DO電路導通，接觸器BLB閉合。當BHB開關閉合為0(即BHB開關未閉合)、BHB允許指令為0、BHB狀態為0(即BHB斷開)、速度≤4.5 km/h、BLB 故障為1(BLB故障)中任意一個條件得以滿足時，輸出BLB閉合指令為0，對應的DO電路斷開，接觸器BLB斷開。

對TCMS對列車牽引系統其他控制功能的實現不再贅述，其基本思路與邏輯實現與以上相似。

2.3 TCMS對列車牽引系統的故障診斷

列車故障診斷由位于Tc車的CCU集中實現。CCU接收DCU傳輸的故障信息，按照故障代碼進行分類存儲和報警提示。根據故障對列車牽引系統、列車的性能與安全性的影響劃分為不同的故障等級并且對應不同的處理方式(見表2)。

表2 故障等級及其處理方式

3 與列車牽引系統有關的TCMS設計改進

3.1 增加ERM硬線采集功能

TCMS是保證行車安全的關鍵技術系統，故障導向安全是其必須遵循的基本原則。TCMS正常工作時應能保證行車安全，TCMS發生故障時也不危及行車安全。基于此，對于ERM，突破了以往項目的設計，其不僅具有列車信息采集和記錄功能，而且實現了當TCMS發生故障時，ERM可通過DI、AI模塊采集硬線數據，實時記錄，進行故障分析。每個Tc車上均安裝有1個ERM，具有互為冗余的網絡接口，獨立的電源供電及獨立的處理系統，不依賴于CCU，為故障時的數據采集提供了有力保證。對于列車牽引系統，新增的硬線采集信息有:向前指令、向后指令、牽引指令、復位、警惕按鈕、緊急牽引、牽引編碼、牽引力/制動力值。由此可見，即使TCMS通信故障，ERM仍然可以準確記錄與列車牽引系統密切相關的重要信息，為TCMS故障下列車牽引系統功能是否實現提供了記錄的依據。

3.2 TCMS故障提示功能設計

TCMS正常時，列車運行在網絡模式;若TCMS故障時，司機室設置的TCMS故障指示燈常亮，蜂鳴器鳴響，提示司機操作緊急牽引按鈕，列車進入緊急牽引模式。當緊急按鈕按下后，蜂鳴器停止鳴響，TCMS故障指示燈常亮。該提示功能的設計與實現，使得列車牽引系統在不受TCMS控制的情況下，快速進入緊急牽引模式，不影響行車安全。

3.3 DI/DO電路導向安全設計

為保證TCMS對列車牽引系統的準確監控，當RIOM分配DI模塊時，預留有足夠的接口，用以采集牽引控制電路的相關硬線信息。對于重要指令如牽引指令、方向指令等均通過DI模塊進行雙路采集，互為冗余。與單路采集相比，避免了單路斷開導致指令無法采集的情況發生，確保了列車牽引系統功能的實現。對于DO模塊的硬件電路，TCMS正常工作時，高電平有效;當TCMS故障時，硬件電路設計為導向低電平，這與BHB允許指令為1、BHB閉合指令為1、BLB閉合指令為1時，其對應的DO硬件電路導通的設計思路相吻合。

4 試驗

該項目完成了列車牽引系統與TCMS之間的功能測試，驗證了CCU與DCU均遵循TCMS與列車牽引系統的通信協議，確認TCMS與列車牽引系統的通信功能正確。通過試驗，得出TCMS可實現對列車牽引系統的監控功能。

5 結語

該項目充分考慮了城市軌道交通列車遠期擴編的需求，以6輛編組擴編為8輛編組為例，在TCMS設計中預留充分的通信端口，方便牽引系統增加數據流、滿足用戶隨時更改采集信息要求。針對本次國產化列車牽引系統高壓電路的設計變化以及系統顯示狀態信息和故障提示的需求，完成了控制邏輯開發，并遵循TCMS設計不繁瑣、TCMS故障有后備的原則。對于TCMS硬件設計部分，做了新的突破，實現了當TCMS發生故障時，ERM可以通過DI、AI模塊采集硬線數據實時記錄，進行故障分析;網絡故障提示功能得以實現，完成了DI/DO電路導向低電平的設計。通過試驗驗證了硬件設計與軟件邏輯開發均完全滿足預期要求，很好地實現了TCMS對列車牽引系統的監控。基于此，將在北京地鐵7號線項目中進一步驗證國產化TCMS列車牽引系統的監控設計，完成了運營10萬km的檢驗，更加完善TCMS列車牽引系統的監控設計，確保列車運行安全可靠。

［1］葛剛，孫路.南京地鐵2號線列車控制與監測系統簡析［J］.現代城市軌道交通，2010(3):11.

［2］IEC 61375—1—1999鐵道電氣設備列車總線第一部分:列車通信網絡［S］.

［3］IEEE 1473—1999鐵道電氣設備通信協議［S］.

［4］徐培麗，陳超錄.北京地鐵房山線列車網絡監控系統［J］.現代城市軌道交通，2011(2):7.