基于MVB 列車網絡控制系統的半實物仿真平臺設計與實現

魯振山，金學田

（中車大連電力牽引研發中心有限公司，遼寧 大連 116023）

列車網絡控制系統屬于列車關鍵系統，作為列車的“大腦”負責整車邏輯控制、狀態監測以及故障診斷，是與整車交互關系最為密切的系統。目前，基于MVB 總線的列車網絡控制系統是當今主流的列車網絡控制系統，被大多數列車所采用。

在實際工程項目中，針對MVB 列車網絡控制系統的調試主要包括2 方面內容：一是MVB 通信調試，包括網絡控制系統各部件之間以及與其他系統之間的通信調試；二是網絡控制系統功能調試，由于網絡控制系統與整車硬線及其他車載系統存在大量的數據及功能交互，因此單靠網絡控制系統自身難以實現完備的功能驗證。目前，大多采用的方式是逐個與車載系統進行實物對接，或利用具有MVB 通信接口的嵌入式設備去模擬其他車載系統［1］，對測試人員專業性要求較高，且人機交互性差，因此，網絡控制系統的功能驗證主要依賴于裝車實測。文中依據實際項目背景，綜合考慮網絡控制系統開發調試所需的外部環境，完成MVB 網絡控制系統的半實物仿真平臺研制，提高開發效率，降低調試成本。

1 半實物仿真平臺功能需求

針對160 km/h 動力集中動車組動力車MVB網絡控制系統實物，進行半實物仿真平臺的功能需求分析，根據網絡控制系統功能及拓撲結構，半實物仿真平臺研制主要考慮以下幾點需求：

（1）設備種類：所研制半實物仿真平臺包含實物和仿真2 部分：實物部分為微機網絡控制系統，主要包括：中央控制單元CCU、司機室顯示單元DDU、輸入輸出單元CIO 和MIO 等［2］；仿真部分為牽引控制單元TCU、制動控制單元BCU、輔助控制單元ACU 及列供控制單元ETS 等。

（2）接口要求：車輛級MVB 總線采用固定配置，車輛級各子系統通過MVB 接口直接連至車輛總線，因此，網絡控制系統及牽引、制動等車載系統應具有MVB 接口，連接到MVB 總線上進行數據交互，此外，還應包含與網絡控制系統輸入輸出單元CIO/MIO 連接的硬線信號。

（3）功能要求：網絡控制系統具備完成對包括牽引系統、制動系統、高壓系統、輔助系統、列車供電系統等在內的整車系統的邏輯控制、狀態監視及故障診斷。其他關鍵系統應能接收網絡控制系統發送的控制指令，根據子系統仿真模型執行控制任務并反饋控制結果、狀態和故障信息，協同網絡控制系統完成整車控制功能。

2 半實物仿真平臺設計

2.1 結構設計

文中針對MVB 列車網絡控制系統實物，結合與其具有交互功能的外部關鍵系統的模擬仿真，從而研制能提高網絡控制系統開發和調試效率的半實物仿真平臺。平臺架構主要包括實物和仿真2 部分：實物部分為車載網絡控制系統及I/O 輸入輸出信號箱，仿真部分包含與網絡控制系統關系緊密的牽引系統、制動系統、輔助系統等仿真模型。平臺結構如圖1 所示。

圖1 半實物仿真平臺結構圖

為提高人機交互性，仿真部分還包括對司機室操作臺的模擬仿真。根據半實物仿真平臺結構圖，實物部分與仿真部分只需通過MVB 總線接口進行級聯，即可完成數據和功能上的交互，實物部分采用I/O 輸入輸出測試箱，完成列車硬線信號模擬。

2.2 硬件方案設計

根據半實物仿真平臺結構分析，仿真部分硬件采用1 臺集成MVB 通信接口的工控機，工控機是專門用于工業領域的個人電腦，具有工業級機箱，防塵，防水，防電磁干擾能力強［3］，工控機包含的基本配置：CPU 主板、顯示器及PCI 總線擴展插槽，PCI 用于與MVB 接口電路連接，接口電路結構如圖2 所示。

圖2 MVB 接口硬件結構圖

MVB 接 口 電 路 主CPU 采 用32 位ARM 處 理器，對存儲器的訪問支持8 位、16 位和32 位，并帶有10/100 Base-T Ethernet 接 口、DMA 控制 器、2 個完全獨立的USART 串行口。通用的外圍電路包括看門狗電路、程序存儲和運行電路［4］。對外接口包括電氣中距離EMD 介質的MVB 接口和PCI 接口。FPGA 協議控制器實現MVB 協議中鏈路層以下的功能，具有響應MVB 主幀調度、宿端口刷新超時檢測能力；PCI 接口模塊提供板卡的PCI 接口，用于與工控機集成。

實物部分除了MVB 網絡控制系統外，分別提供1 個具有多通道輸入測試箱和1 個多通道輸出測試箱來模擬列車I/O 信號，單路輸入和輸出電路原理如圖3 所示。

圖3 輸入/輸出測試箱電路

2.3 軟件方案設計

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering WorkBench）是用圖形符號來編寫程序的編程環境，它擁有眾多的圖形用戶界面，又易于編程，使得它對于仿真、結果顯示、通用編程甚至講授編程概念都是理想的語言［5］，用戶可以根據需要創建所需的虛擬儀器，當需求變化時，還可快速修改虛擬儀器，易于擴展。

文中所研制的半實物仿真平臺運行系統環境選擇Microsoft Windows XP 環境下搭建LabVIEW編程系統。平臺軟件架構設計如圖4 所示。

圖4 軟件結構

2.3.1 MVB 接口通信設計

根據實際項目的通信協議要求，對仿真平臺MVB 通信進行配置，基于LabVIEW 的MVB 通信配置接口一般包含2部分：

（1）通用功能接口General Function Interface（GF），提供了設備的一般初始化功能和MVB 通信功能，接口函數以gf 開頭。

（2）過程數據接口Link Layer Interface for Process Data（LP）提供了MVB 端口寄存器初始化、整個MVB 數據集的發送、接收以及同步控制，該接口在IEC 61375-1 實時協議中進行了規定。接口函數以lp 開頭。MVB 通信實現過程如圖5 所示。

按照圖5 程序流程，采用LabVIEW 語言順序結構算法，依次執行gf_open_device，gf_init_device，gf_mvb_init，lp_init，gf_mvb_start 完 成gf 部 分 功 能，在順序結構中，嵌入條件結構，對每一步初始化結果進行錯誤控制。在完成MVB 硬件初始化任務后，使用LabVIEW 順序結構依次執行lp_get 和lp_put，完成lp 部分功能。采用while 循環結構，依次輪詢MVB 端口，實現數據收發，同時完成MVB通信數據與后臺仿真模型的數據綁定，如圖6所示。

圖5 MVB 通信流程圖

圖6 MVB 數據收發模型

2.3.2 司機臺仿真設計

司機臺是列車最重要的操作部件，進行半實物仿真平臺的主要目的是在地面能夠完成以往需要裝車實測的內容，因此司機臺模擬仿真是非常必要的。本仿真平臺中司機臺的仿真是在工控機LabVIEW 開發環境下，通過模擬實際司機操控臺來實現的。

調試人員通過半實物仿真平臺鼠標進行司機臺操作，司機臺指令通過前臺用戶界面與后臺數學模型關聯，后臺仿真模型完成計算后通過MVB接口傳給網絡控制系統，網絡控制系統綜合計算后發出控制指令，子系統仿真模型或執行機構按照控制指令將執行動作或狀態信息通過MVB 反饋給網絡控制系統，同時，通過司機臺進行顯示，供調試人員獲取結果信息。文中以部分操作部件為例，搭建后臺模型，通過前臺用戶界面圖標與后臺模型的關聯計算后，通過MVB 總線發送給實物網絡控制系統進行功能控制，模型如圖7 所示。

圖7 司機臺仿真模型

文中研制的仿真司機臺，包括電鑰匙、受電弓扳鍵、主斷扳鍵，壓縮機扳鍵、主司控器手柄、自動制動手柄等部件，每個部件與后臺對應的仿真模型相關聯，同時，司機臺提供了列車管壓力、制動缸壓力、速度、緊急制動等數據和狀態顯示。

2.3.3 子系統仿真模型設計

牽引、制動等關鍵系統與網絡控制系統的功能實現緊密相關，交互關系一般體現在列車功能需求和通信協議中，此處篇幅有限，僅以牽引控制中的定速巡航控制和制動控制中的空電聯合制動控制為例，介紹仿真模型的搭建。定速巡航控制和空電聯合制動控制示意圖分別如圖8 和圖9所示。

圖8 定速巡航控制結構圖

圖9 空電聯合制動控制結構圖

定速巡航控制是動力集中動車組的一個重要控制功能。目標設定速度由司控器手柄級位乘以10 倍作為給定，該指令由仿真司機臺給出，通過MVB 總線傳送給實物網絡系統CCU，同時，仿真平臺動力學模型計算列車當前實際速度，通過TCU 模型發送給CCU。CCU 計算巡航速度請求目標VSet與實際速度VActual的差值，計算的誤差結果送入PI 控制器，通過牽引特性外包絡曲線及其他限幅處理，最終計算出發送給TCU 模型需要的扭矩。同時，TCU 模型收到扭矩指令后，輸入仿真平臺后臺動力模型，最終計算出列車實際速度VActual并反饋給CCU，形成閉環控制。

空電聯合功能投入后，空氣制動和電制動實現聯合控制，電制動優先。仿真司機臺操作自動制動手柄，BCU 仿真模型根據手柄位置計算列車管減壓量，同時根據列車管減壓量進行制動力請求值計算，并通過MVB 總線發給網絡控制系統CCU，如果電制動設定值同時來自主司控器手柄和BCU，則CCU 按照2 個設定值中較高的執行。

3 功能驗證

將MVB 列車網絡控制系統、輸入輸出測試箱及仿真平臺按照圖1 進行連接，進入仿真司機臺界面，如圖10 所示。

圖1 0 仿真司機臺

仿真司機臺模擬了機車的主要操作部件，如電鑰匙、主司控器手柄、受電弓扳鍵、主斷扳鍵等，同時進行列車關鍵信息顯示，如機車速度、制動缸壓力、列車管壓力等，與網絡控制系統DDU 顯示界面形成信息互補。除了仿真司機臺，半實物仿真平臺還具有MVB 網絡通信界面、牽引、制動等子系統界面。

通過該半實物仿真平臺對下列主要控制功能進行驗證，驗證過程及結果見表1。

表1 半實物仿真平臺對主要控制功能驗證情況

4 結 論

搭建的網絡控制系統半實物仿真平臺，實現了MVB 網絡通信、牽引、制動等子系統的仿真模型搭建，對網絡控制系統的設計仿真具有一定的參考意義，經過試驗驗證，滿足160 km/h 動力集中動車組動力車的網絡控制系統的設計仿真需求；該半實物仿真平臺易于擴展和維護，可以方便地應用于其他MVB 網絡控制系統中，提高開發效率。