動(dòng)車(chē)組列車(chē)控制功能仿真測(cè)試平臺(tái)研究*

夏 菲，趙紅衛(wèi)，高 楓，姚 放

（1 北京縱橫機(jī)電科技有限公司，北京100094；2 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所，北京100081）

列車(chē)控制系統(tǒng)承擔(dān)著整個(gè)動(dòng)車(chē)組的控制、監(jiān)視、診斷與保護(hù)任務(wù)，負(fù)責(zé)完成列車(chē)的運(yùn)行控制、監(jiān)視、診斷功能，通過(guò)列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制和管理列車(chē)的牽引系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、高壓系統(tǒng)、輔助供電、空調(diào)、行車(chē)安全設(shè)備、車(chē)門(mén)、照明等幾乎所有子系統(tǒng)，其中牽引系統(tǒng)是與列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制關(guān)系最密切的子系統(tǒng)，牽引控制單元是列車(chē)控制網(wǎng)絡(luò)的重要組成設(shè)備。牽引控制的優(yōu)劣不僅直接影響到列車(chē)牽引性能的好壞，同時(shí)對(duì)列車(chē)邏輯控制和設(shè)備管理也會(huì)造成影響。

現(xiàn)有動(dòng)車(chē)組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真測(cè)試平臺(tái)中的牽引系統(tǒng)多是虛擬建立的理想模型，并不能更真實(shí)地反映牽引系統(tǒng)控制響應(yīng)，不能更好地進(jìn)行列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)與牽引控制的邏輯關(guān)系研究。針對(duì)上述問(wèn)題，文中建立的某型動(dòng)車(chē)組列車(chē)控制功能仿真測(cè)試平臺(tái)，基于RT-LAB實(shí)時(shí)仿真機(jī)，由4臺(tái)真實(shí)中央控制單元設(shè)備和4臺(tái)真實(shí)牽引控制單元設(shè)備組成，模擬了全列車(chē)4個(gè)牽引控制單元共同運(yùn)行的情況。

介紹了基于RT-LAB的某型動(dòng)車(chē)組列車(chē)控制功能仿真測(cè)試平臺(tái)，介紹了其結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方式，最后進(jìn)行了仿真應(yīng)用研究。

1 動(dòng)車(chē)組列車(chē)控制功能仿真測(cè)試平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

1.1 動(dòng)車(chē)組結(jié)構(gòu)介紹

某型動(dòng)車(chē)組是由2個(gè)對(duì)稱(chēng)布置的牽引動(dòng)力單元組成，即1～4號(hào)車(chē)組成1個(gè)牽引動(dòng)力單元和5～8號(hào)車(chē)組成1個(gè)牽引動(dòng)力單元，動(dòng)車(chē)組中牽引系統(tǒng)部件布置在車(chē)下，在2個(gè)牽引單元上成對(duì)稱(chēng)分布如圖1所示。

圖1 某型8編組動(dòng)車(chē)組配置結(jié)構(gòu)

安裝在動(dòng)車(chē)組車(chē)下的牽引變流器主要由2個(gè)并聯(lián)的網(wǎng)側(cè)四象限整流器和電機(jī)側(cè)逆變器組成。四象限整流器主電路采用的是兩相兩重整流器結(jié)構(gòu)。電機(jī)側(cè)逆變器主電路采用兩電平三相橋式結(jié)構(gòu)，逆變器控制并聯(lián)的4個(gè)牽引電機(jī)，牽引變流器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 某型8編組牽引變流器結(jié)構(gòu)

1.2 動(dòng)車(chē)組列車(chē)控制仿真測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)

動(dòng)車(chē)組列車(chē)控制仿真測(cè)試平臺(tái)采用適合于邏輯仿真的ControlBuild（以下簡(jiǎn)稱(chēng)CB）仿真軟件建立列車(chē)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和除了牽引控制單元外的其他列車(chē)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備仿真模型，采用實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)RT-LAB為牽引控制單元提供仿真工作環(huán)境。

動(dòng)車(chē)組列車(chē)控制功能在線測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖3所示，它由4臺(tái)真實(shí)牽引控制單元設(shè)備、真實(shí)的中央控制單元設(shè)備和司機(jī)顯示屏組成。工控機(jī)及CB仿真軟件為中央控制單元提供整車(chē)電氣和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行環(huán)境，實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)RT-LAB為T(mén)CU提供牽引系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的仿真。中央控制單元及其仿真環(huán)境構(gòu)成了列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，牽引控制單元及實(shí)時(shí)仿真構(gòu)成了2個(gè)牽引單元的牽引系統(tǒng)。

圖3 動(dòng)車(chē)組列車(chē)控制仿真測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)

動(dòng)車(chē)組列車(chē)控制仿真測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)組成主要分為2大部分，第一部分是列車(chē)控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)仿真，這部分由4臺(tái)真實(shí)的列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備中央控制單元和4臺(tái)司機(jī)顯示屏組成。由于列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)對(duì)仿真的實(shí)時(shí)性要求不是太高，我們采用適合于控制邏輯仿真的CB仿真軟件為搭建網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)模型，包括整車(chē)低壓電氣線路仿真和列車(chē)其他的受控子系統(tǒng)的仿真，例如制動(dòng)系統(tǒng)、輔助供電系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、門(mén)控系統(tǒng)等的仿真。另一部分是牽引控制單元的執(zhí)行機(jī)構(gòu)牽引系統(tǒng)的仿真［1］，例如主變壓器、牽引變流器、牽引電機(jī)及牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的仿真建立。這些執(zhí)行機(jī)構(gòu)的仿真對(duì)實(shí)時(shí)性要求非常高，因而我們選用實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)RT-LAB來(lái)實(shí)現(xiàn)牽引系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的仿真，使其能夠在列車(chē)控制網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境下，進(jìn)入列車(chē)牽引/制動(dòng)的正常工作狀態(tài)。

動(dòng)車(chē)組列車(chē)控制仿真測(cè)試平臺(tái)在列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)上加入了牽引控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真，使列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制的仿真環(huán)境更加真實(shí)，可以在整車(chē)的工作環(huán)境下很好的研究和驗(yàn)證牽引控制與列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制之間以及其他設(shè)備之間的相互關(guān)系，測(cè)試和驗(yàn)證列車(chē)網(wǎng)絡(luò)的控制邏輯和控制功能。

1.3 列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真

列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真首要解決的問(wèn)題就是實(shí)現(xiàn)真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中央控制單元與仿真系統(tǒng)的通訊問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)與列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊接口，在工控機(jī)上集成了MVB通訊網(wǎng)卡，可以連接該牽引單元的MVB網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)除了牽引控制單元外的其他仿真受控子系統(tǒng)與其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的MVB網(wǎng)絡(luò)通訊，例如制動(dòng)控制系統(tǒng)BCU，輔助控制系統(tǒng)等。在CB仿真環(huán)境中，MVB驅(qū)動(dòng)中的數(shù)據(jù)通過(guò)共享內(nèi)存與CB仿真程序進(jìn)行交換。CB仿真環(huán)境下MVB數(shù)據(jù)通信的軟件框圖如圖4所示。

圖4 CB的通信驅(qū)動(dòng)程序

解決了列車(chē)網(wǎng)絡(luò)的通訊問(wèn)題后，利用CB仿真軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)除了牽引系統(tǒng)外的其他各受控子系統(tǒng)的功能仿真，包括制動(dòng)系統(tǒng)、輔助供電系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、門(mén)子系統(tǒng)等列車(chē)受控子系統(tǒng)，同時(shí)通過(guò)CB仿真軟件的低壓電氣圖實(shí)現(xiàn)了整車(chē)的硬件電氣線路仿真，從而建立了整車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制仿真。通過(guò)CB仿真軟件實(shí)現(xiàn)了司機(jī)控制臺(tái)的仿真，包括升/降弓、主斷閉合/斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，牽引手柄、制動(dòng)手柄和自動(dòng)速度控制手柄等司機(jī)臺(tái)操作部件。司機(jī)仿真控制臺(tái)的司機(jī)手柄界面如圖5所示。CB仿真模型的建立可以實(shí)現(xiàn)對(duì)列車(chē)的正常操作，完成占用司機(jī)室、方向開(kāi)關(guān)設(shè)定、受電弓升起/降下、主斷路器閉合/斷開(kāi)等操作。

圖5 司控臺(tái)控制手柄CB仿真界面

1.4 實(shí)時(shí)仿真實(shí)現(xiàn)

如前所述，我們采用實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)RT-LAB建立4個(gè)牽引變流器及高壓供電、牽引傳動(dòng)裝置的實(shí)時(shí)仿真模型［2］，為全列牽引控制單元提供牽引系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的仿真。

RT-LAB實(shí)時(shí)仿真器是整個(gè)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)和核心組成部分，該仿真器硬件包含1臺(tái)主機(jī)、1臺(tái)目標(biāo)機(jī)、1套仿真管理軟件。主機(jī)運(yùn)行windows操作系統(tǒng)，用于仿真模型的開(kāi)發(fā)和運(yùn)行仿真管理軟件。實(shí)時(shí)仿真目標(biāo)機(jī)OP5600運(yùn)行QNX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，用于主機(jī)的代碼和執(zhí)行實(shí)時(shí)代碼，可以通過(guò)實(shí)時(shí)代碼來(lái)代替牽引變流器、牽引電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

動(dòng)車(chē)組列車(chē)控制仿真測(cè)試平臺(tái)的牽引系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真部分的整體結(jié)構(gòu)如圖6所示，其中1臺(tái)牽引變流器實(shí)時(shí)仿真的詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

圖6 TCU在線測(cè)試臺(tái)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖7 一臺(tái)TCU實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 動(dòng)車(chē)組列車(chē)控制功能仿真測(cè)試平臺(tái)仿真應(yīng)用

動(dòng)車(chē)組列車(chē)控制功能仿真測(cè)試平臺(tái)可以測(cè)試并驗(yàn)證中央控制單元與列車(chē)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的信息交互，研究和測(cè)試列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制功能，特別是可以更好的測(cè)試列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制與牽引控制之間的控制邏輯關(guān)系，驗(yàn)證牽引控制單元在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中完成的功能，同時(shí)可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的故障進(jìn)行再現(xiàn)模擬，找出故障原因，提供故障解決方案。

2.1 通信協(xié)議的測(cè)試驗(yàn)證

動(dòng)車(chē)組列車(chē)控制功能仿真測(cè)試平臺(tái)可以對(duì)中央控制單元與網(wǎng)絡(luò)各個(gè)子系統(tǒng)之間的通訊協(xié)議進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證。尤其是牽引控制單元是真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，可以驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)變量設(shè)置、輪詢(xún)周期等方面是否符合設(shè)計(jì)指標(biāo)和功能要求。

2.2 列車(chē)控制邏輯測(cè)試驗(yàn)證

動(dòng)車(chē)組列車(chē)控制功能仿真測(cè)試平臺(tái)是在真實(shí)的列車(chē)控制網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，同時(shí)具有4個(gè)真實(shí)的牽引控制單元設(shè)備的測(cè)試仿真平臺(tái)，可以深入研究列車(chē)控制網(wǎng)絡(luò)與全列多牽引控制單元之間的控制邏輯關(guān)系，以及牽引控制單元之間的信息交互，對(duì)列車(chē)控制軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證。牽引控制單元的牽引控制功能和網(wǎng)絡(luò)通訊功能可以在整個(gè)列車(chē)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中得到驗(yàn)證，還可以測(cè)試和驗(yàn)證牽引控制單元與列車(chē)主斷控制環(huán)路的控制關(guān)系、列車(chē)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)牽引控制單元的控制、對(duì)輔助系統(tǒng)的管理等。

2.3 列車(chē)故障導(dǎo)向安全測(cè)試驗(yàn)證

動(dòng)車(chē)組列車(chē)控制功能仿真測(cè)試平臺(tái)為牽引控制單元搭建了整車(chē)的運(yùn)行環(huán)境，牽引控制單元和中央控制單元可以同時(shí)在測(cè)試臺(tái)中得到測(cè)試和驗(yàn)證，不僅可以測(cè)試牽引系統(tǒng)自身的故障響應(yīng)和保護(hù)措施，也可以測(cè)試對(duì)列車(chē)級(jí)網(wǎng)絡(luò)控制的影響。在動(dòng)車(chē)組實(shí)際運(yùn)營(yíng)中會(huì)經(jīng)常會(huì)遇到與牽引系統(tǒng)相關(guān)的故障，嚴(yán)重的還會(huì)影響列車(chē)的正常運(yùn)行。牽引系統(tǒng)應(yīng)有相關(guān)的安全設(shè)計(jì)和系統(tǒng)保護(hù)功能，當(dāng)牽引設(shè)備不正常時(shí)，牽引系統(tǒng)能夠迅速保護(hù)，同時(shí)自動(dòng)或提示司機(jī)手動(dòng)隔離故障設(shè)備并導(dǎo)向安全，不會(huì)擴(kuò)大故障影響。牽引系統(tǒng)會(huì)根據(jù)發(fā)生故障的部件進(jìn)行合理的保護(hù)，牽引系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)故障部件選擇恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)方式，包括斷開(kāi)主斷、減少功率輸出、逆變器輸出封鎖等。同時(shí)，列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)故障的情況，牽引系統(tǒng)報(bào)告的狀態(tài)，從列車(chē)控制層面使故障導(dǎo)向安全。列車(chē)控制功能仿真測(cè)試平臺(tái)既可以模擬正常運(yùn)行環(huán)境條件下的列車(chē)牽引控制響應(yīng)和反饋，也可以模擬各種異常故障工況下?tīng)恳刂频捻憫?yīng)和機(jī)制。

例如，牽引逆變器IGBT開(kāi)關(guān)管發(fā)生故障，會(huì)引起本牽引逆變器脈沖封鎖，本牽引變流器1無(wú)牽引力輸出。在試驗(yàn)臺(tái)模擬某型動(dòng)車(chē)組在列車(chē)正常牽引運(yùn)行時(shí)，牽引逆變器IGBT開(kāi)關(guān)管故障。修改牽引逆變器模型中的相關(guān)參數(shù)，使得逆變器PWMI開(kāi)關(guān)管T1發(fā)生開(kāi)路故障。在逆變器PWMI開(kāi)關(guān)管開(kāi)路的情況下，造成逆變器輸出三相電流正負(fù)半波不對(duì)稱(chēng)，電流值增大，引起TCU對(duì)電機(jī)電流設(shè)定值的限制，最終導(dǎo)致電機(jī)電流超過(guò)所能允許的最大電流限制，PWI逆變器被封鎖，隨后4QC也被封鎖脈沖。牽引逆變器開(kāi)關(guān)管T1發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，逆變器PWMI開(kāi)關(guān)管T1發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)中間直流側(cè)電壓波形圖如圖8所示，牽引電機(jī)輸出三相電流波形如圖9所示，牽引電機(jī)輸出相電壓相電流的關(guān)系如圖10所示，牽引電機(jī)輸出電磁轉(zhuǎn)矩如圖11所示。

圖8 中間直流側(cè)電壓波形

圖9 牽引電機(jī)三相電流波形

圖10 牽引電機(jī)相電壓相電流波形

圖11 牽引電機(jī)輸出電磁轉(zhuǎn)矩波形

從圖9～圖11可以看出，改變逆變器PWMI參數(shù)使得逆變器T1開(kāi)關(guān)管開(kāi)路的瞬間，牽引電機(jī)相電流發(fā)生了畸變、出現(xiàn)單相電流不對(duì)稱(chēng)的情況，與此同時(shí)，牽引電機(jī)輸出電磁轉(zhuǎn)矩開(kāi)始較大的波動(dòng)。牽引電機(jī)電流和電磁轉(zhuǎn)矩的振蕩僅僅是由于PW?MI逆變器被封鎖引起的，由于逆變器被封鎖，此變流器失去牽引力輸出，所以列車(chē)只能以最高75%的動(dòng)力運(yùn)行。

3 結(jié)束語(yǔ)

文中介紹了某型動(dòng)車(chē)組的列車(chē)和牽引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上搭建了列車(chē)控制功能仿真測(cè)試平臺(tái)，詳細(xì)討論了測(cè)試平臺(tái)的結(jié)構(gòu)和建立的方法、實(shí)現(xiàn)的功能。此仿真測(cè)試平臺(tái)是列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)與牽引系統(tǒng)結(jié)合的列車(chē)控制功能仿真驗(yàn)證平臺(tái)，不僅可以測(cè)試驗(yàn)證列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制功能，還可以測(cè)試和驗(yàn)證牽引控制與列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制之間的關(guān)系和控制邏輯，為深入了解列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)提供了手段，為研發(fā)新一代高速動(dòng)車(chē)組提供技術(shù)支持和仿真驗(yàn)證。