列車空調(diào)控制軟件試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要 為提高空調(diào)產(chǎn)品的可靠性，并對空調(diào)控制策略進(jìn)行驗(yàn)證，設(shè)計(jì)了一套列車空調(diào)控制軟件的試驗(yàn)系統(tǒng)。由TCMS仿真系統(tǒng)、測試控制器及空調(diào)仿真試驗(yàn)臺組成。可實(shí)現(xiàn)對空調(diào)控制軟件通訊功能、控制功能的試驗(yàn)驗(yàn)證。

【關(guān)鍵詞】空調(diào)控制器 仿真 試驗(yàn)系統(tǒng)

1 概述

伴隨著國內(nèi)軌道交通行業(yè)的快速發(fā)展，對軌道交通系統(tǒng)設(shè)備的可靠性、安全性的要求越來越高。為提高列車空調(diào)產(chǎn)品的可靠性，以及對空調(diào)控制策略的驗(yàn)證，設(shè)計(jì)了一套列車空調(diào)控制軟件的試驗(yàn)系統(tǒng)。

試驗(yàn)系統(tǒng)由TCMS仿真系統(tǒng)、空調(diào)控制器、空調(diào)仿真試驗(yàn)臺三部分組成。TCMS系統(tǒng)是列車的主控系統(tǒng)，是MVB網(wǎng)絡(luò)的主設(shè)備。空調(diào)控制器是空調(diào)機(jī)組的控制單元，與TCMS通過MVB網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，是MVB網(wǎng)絡(luò)的從設(shè)備。空調(diào)仿真試驗(yàn)臺模擬空調(diào)相關(guān)元件的動作、狀態(tài)等，通過相應(yīng)的連接線路與控制器的I/O板進(jìn)行連接。

TCMS仿真系統(tǒng)包括VCU、IO模塊以及HMI顯示屏，VCU與I/O模塊通過I/O線進(jìn)行連接，通過以太網(wǎng)與HMI進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，測試控制器是1臺插件板式的控制器，支持MVB通訊、CAN通訊、RS232通訊、以太網(wǎng)通訊，并實(shí)現(xiàn)空調(diào)控制的所有功能。空調(diào)仿真試驗(yàn)臺是1套模擬空調(diào)系統(tǒng)各元件動作、狀態(tài)的試驗(yàn)裝置，與測試控制器通過I/O線進(jìn)行連接。

試驗(yàn)系統(tǒng)包括6套軟件，分別為：VCU軟件、I/O控制軟件、HMI顯示軟件、控制器應(yīng)用軟件、服務(wù)軟件、上傳工具軟件。其中VCU軟件、I/O控制軟件以及HMI顯示軟件是TCMS仿真系統(tǒng)相關(guān)的軟件。而控制器應(yīng)用軟件、服務(wù)軟件及上傳工具軟件是與測試控制器相配套的軟件。

2 TCMS仿真系統(tǒng)

TCMS，即列車控制和管理系統(tǒng)（Train Control and Management System），是列車控制系統(tǒng)的核心。TCMS仿真系統(tǒng)搭載各種子系統(tǒng)接口，其中也包括空調(diào)系統(tǒng)接口。在空調(diào)控制軟件試驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用中，僅需要搭載與空調(diào)子系統(tǒng)的接口，因此，僅開發(fā)了與空調(diào)相關(guān)的功能，針對列車其他子系統(tǒng)的功能預(yù)留相應(yīng)接口。空調(diào)控制器與TCMS通過MVB網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換。TCMS系統(tǒng)包括VCU、IO模塊以及HMI顯示屏三部分。

TCMS仿真系統(tǒng)采用的VCU及I/O設(shè)備中，運(yùn)行的系統(tǒng)均為T5 Runtime，將應(yīng)用程序下載入設(shè)備后，均在T5 Runtime下執(zhí)行。

VCU是為處理并傳輸MVB與以太網(wǎng)總線的數(shù)據(jù)而開發(fā)的一個鐵路PLC，功能是MVB總線管理器以及在以太網(wǎng)及MVB網(wǎng)絡(luò)中的PLC功能。同時擁有MVB接口與以太網(wǎng)接口，使得VCU在不同應(yīng)用上可以通用且適用。VCU硬件由一個帶2個以太網(wǎng)接口的CPU模塊、1個EMD型MVB接口板組成。可通過以太網(wǎng)接口與加載在HMI中的服務(wù)程序進(jìn)行連接，來配置或上傳軟件。VCU軟件采用的開發(fā)工具為PRISMA? IDE，是安裝在Windows系統(tǒng)下基于IEC61131標(biāo)準(zhǔn)的軟件工具。VCU軟件通過以太網(wǎng)接口上傳至VCU設(shè)備。VCU軟件中對配置BA功能，以及MVB端口地址、端口數(shù)據(jù)類型，以及對與空調(diào)相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

TCMS仿真系統(tǒng)的I/O模塊也是一個PLC，功能是提供輸入輸出，與VCU通過I/O線進(jìn)行連接。I/O模塊控制軟件采用的開發(fā)工具與VCU相同，即PRISMA? IDE，軟件目標(biāo)文件通過以太網(wǎng)接口上傳至I/O設(shè)備。

HMI即人機(jī)接口設(shè)備，加載了TCMS仿真系統(tǒng)的服務(wù)軟件，可通過服務(wù)軟件對整套設(shè)備的輸入輸出、數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，并可進(jìn)行模擬操作。HMI設(shè)備與VCU設(shè)備通過以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，采用10.7英寸顯示屏，安裝了Windows操作系統(tǒng)，服務(wù)軟件的編程語言為C#，服務(wù)程序可采用在PC機(jī)編程后移植的方式加載到HMI設(shè)備。

3 測試控制器

3.1 控制器硬件功能

測試控制器是測試工作所依賴的基準(zhǔn)控制器，采用19吋6U機(jī)箱，配置有功能完好的插件板。主要包括CPU板、電源板、MVB通訊板、數(shù)字輸入板、數(shù)字輸出板、模擬量輸入輸出板、NTC輸入板、壓力波保護(hù)板、HMI板。

（1）CPU板是控制器的核心部件，實(shí)現(xiàn)主要的控制與運(yùn)算功能。前面板包含RS232通信接口，CAN通信接口及以太網(wǎng)接口。它通過內(nèi)部CAN總線與I/O板及MVB通訊板進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。通過RS232接口進(jìn)行操作系統(tǒng)的下載、啟動信息顯示以及與服務(wù)軟件的連接，通過以太網(wǎng)接口上傳應(yīng)用軟件。

（2）電源板有2種，分別用于DC110V和DC24V供電場合。由于不同車型對空調(diào)控制器的供電電壓有所差異，目前主要有兩種：DC110V和DC24V，因此測試控制器可支持2種測試配置，分別滿足DC110V和DC24V供電測試需求。

（3）MVB通訊板是與VCU進(jìn)行通訊的板卡，支持MVB接口及CAN接口，通過MVB接口與列車主控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，通過CAN接口與控制器內(nèi)部進(jìn)行通訊。

（4）數(shù)字輸入板用于數(shù)字輸入信號的接收，輸入信號主要包括空調(diào)元件狀態(tài)反饋及空調(diào)元件故障信息反饋信號。

（5）數(shù)字輸出板主要用于驅(qū)動信號的數(shù)字輸出，主要驅(qū)動空調(diào)機(jī)組的風(fēng)門、風(fēng)機(jī)等設(shè)備。

（6）模擬量輸入輸出板用于檢測壓力傳感器與看門狗喂狗信號，回風(fēng)風(fēng)門位置反饋以及電壓驅(qū)動信號。

（7）NTC板用于接收溫度傳感器信號及風(fēng)門位置反饋信號。

（8）壓力波保護(hù)板用于接收列車的壓力信號，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)條件啟動壓力波保護(hù)，使車廂內(nèi)氣壓免受劇烈變化，提高乘客的舒適度。

（9）HMI板是控制器的簡易人機(jī)交互模塊。在它的前面板上帶有2個七段數(shù)碼管和3個按鈕用于人機(jī)交互。

3.2 控制器軟件功能

控制器軟件包括三部分：控制器應(yīng)用軟件、服務(wù)軟件及輔助上傳工具。

3.2.1 控制器應(yīng)用軟件

控制器應(yīng)用軟件是上傳到CPU板的軟件，實(shí)現(xiàn)全部空調(diào)控制的功能。開發(fā)環(huán)境為基于IEC611311標(biāo)準(zhǔn)的CoDeSys軟件。軟件模塊主要包括：MVB通訊模塊、輸入及輸入處理模塊、CAN通訊模塊、空調(diào)控制模塊、輸出模塊、故障診斷模塊、與服務(wù)軟件接口模塊。

MVB通訊模塊實(shí)現(xiàn)與VCU之間的通訊協(xié)議，包括配置MVB設(shè)備地址、端口地址、端口大小、端口數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋?/p>

輸入及輸入處理模塊實(shí)現(xiàn)接收數(shù)字輸入、模擬量輸入、MVB輸入數(shù)據(jù)的處理。

CAN通訊模塊實(shí)現(xiàn)CPU板與I/O板、MVB板之間的內(nèi)部通訊功能。

空調(diào)控制模塊實(shí)現(xiàn)空調(diào)多種工作模式的運(yùn)行以及模式切換功能。空調(diào)工作模式主要有：停機(jī)模式、通風(fēng)模式、手動模式、自動調(diào)節(jié)模式、擴(kuò)展供電模式、緊急通風(fēng)模式。

輸出模塊實(shí)現(xiàn)驅(qū)動信號的輸出。

故障診斷模塊實(shí)現(xiàn)空調(diào)的故障診斷功能。

與服務(wù)軟件接口模塊可將控制器所有的輸入輸出點(diǎn)、MVB通訊數(shù)據(jù)、故障信息通過RS232接口發(fā)送至服務(wù)軟件。

3.2.2 服務(wù)軟件及輔助上傳工具

服務(wù)軟件是可監(jiān)視控制器工作狀態(tài)，并進(jìn)行相關(guān)仿真操作的軟件，安裝在筆記本電腦端。開發(fā)語言為C#，支持RS232接口，與控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。服務(wù)軟件包括客室及司機(jī)室兩部分，可同時支持同英文。

為使用戶可在現(xiàn)場方便的上傳空調(diào)應(yīng)用軟件，開發(fā)了1種上傳工具，安裝在筆記本電腦端，可通過以太網(wǎng)與控制器連接，開發(fā)語言為C#。

4 空調(diào)仿真試驗(yàn)臺

為模擬空調(diào)元件的動作及狀態(tài)、制作了1臺空調(diào)仿真試驗(yàn)臺，通過I/O線與空調(diào)控制器的連接器進(jìn)行連接。試驗(yàn)臺主要包括以下三部分：數(shù)字輸入開關(guān)及NTC電阻型輸入旋鈕、模塊量輸入輸出顯示屏及線路切換旋鈕、數(shù)字輸出指示燈。試驗(yàn)臺的輸入輸出點(diǎn)與測試控制器的各I/O板一一對應(yīng)。

通過試驗(yàn)臺來仿真空調(diào)設(shè)備的動作，并進(jìn)行狀態(tài)反饋，可對空調(diào)控制器的控制功能進(jìn)行驗(yàn)證。同時，可設(shè)定相關(guān)模擬量控制參數(shù)。試驗(yàn)臺模擬的設(shè)備包括壓縮機(jī)動作及狀態(tài)反饋、風(fēng)門位置反饋信號、風(fēng)機(jī)動作及狀態(tài)反饋、列車各區(qū)域溫度模擬、加熱器動作及狀態(tài)反饋、壓力波曲線等。空調(diào)仿真試驗(yàn)臺不僅在各動車組空調(diào)項(xiàng)目的應(yīng)用中發(fā)揮了重要作用，在相關(guān)項(xiàng)目的例行試驗(yàn)中也有大量應(yīng)用。

5 結(jié)論

列車空調(diào)控制軟件試驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用，在對控制軟件的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、控制策略的驗(yàn)證中起到重要作用。可通過TCMS仿真系統(tǒng)直觀的驗(yàn)證控制軟件的MVB設(shè)備地址、端口配置及數(shù)據(jù)解析是否正確，并可根據(jù)空調(diào)子系統(tǒng)的特征計(jì)算相關(guān)參數(shù)，對空調(diào)控制器發(fā)出相應(yīng)指令。測試控制器可加載不同車型的空調(diào)應(yīng)用軟件，通過一定的判斷方式來確定車型。空調(diào)仿真試驗(yàn)臺可模擬空調(diào)各設(shè)備及元件的動作及狀態(tài)。

目前，列車空調(diào)控制軟件試驗(yàn)系統(tǒng)已成功應(yīng)用于CRH3、CRH380B系列、CRH5系列等多種列車空調(diào)控制軟件的試驗(yàn)驗(yàn)證，提高了軟件產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可靠性、安全性以及客戶滿意度。

作者簡介

馬麗麗（1983-），女，河北省滄縣人。碩士研究生。工程師，軟件工程師。研究方向?yàn)檐壍澜煌ㄐ袠I(yè)控制器軟件。

作者單位

新譽(yù)集團(tuán)有限公司 江蘇省常州市 213166