復(fù)興號智能動車組半實物仿真試驗平臺研究

鄭恒亮, 李海龍, 呂龍

(中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062)

復(fù)興號CR400BF智能動車組采用完全以太網(wǎng)控車技術(shù)，列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)TCMS與各子系統(tǒng)控制器通過以太網(wǎng)總線實現(xiàn)電氣連接，基于復(fù)雜的總線傳輸協(xié)議實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法、故障診斷與保護策略.要設(shè)計和實現(xiàn)如此復(fù)雜和龐大的控制系統(tǒng)，并確保安全可靠，無論是設(shè)計系統(tǒng)間的通信協(xié)議，開發(fā)系統(tǒng)內(nèi)部控制算法，還是在列車運用維護過程中分析處理實際故障，都迫切需要一個地面仿真試驗臺，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、邏輯控制算法、故障診斷與保護策略等方面進行測試和驗證[1-2].本文針對復(fù)興號CR400BF智能動車組電氣系統(tǒng)技術(shù)特點，通過軟件編程虛擬整車電氣系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并與TCMS真實設(shè)備(如中央控制單元CCU、顯示屏HMI)相結(jié)合，形成閉環(huán)測試系統(tǒng)，測試TCMS真實設(shè)備在虛擬整車環(huán)境下的響應(yīng)特性，驗證TCMS各項功能安全可靠.

1 總體設(shè)計

1.1 需求分析

為提高仿真結(jié)果的置信度，需最大限度地模擬實際車輛電控系統(tǒng)間交互聯(lián)動工作環(huán)境，其中不僅需要考慮外圍電路接線關(guān)系，還要考慮基于總線通信實現(xiàn)的更加復(fù)雜的信息交互關(guān)系.大量的信號交互、針對外部激勵實現(xiàn)的多目標控制邏輯算法以及相應(yīng)的故障診斷保護策略，是虛擬列車數(shù)學(xué)模型應(yīng)該考慮和解決的問題[3].另一方面，仿真測試平臺還應(yīng)具備通用性、易操作性和經(jīng)濟性[4-5]，由于不同車輛電氣原理不盡相同，仿真測試平臺應(yīng)具有較強的通用性，避免反復(fù)修改平臺的電氣接線[5]；應(yīng)具備友好的人機交互界面便于測試人員進行操作，同時還應(yīng)考慮縮減設(shè)計成本[6-7].

1.2 總體架構(gòu)

基于以上需求分析，結(jié)合復(fù)興號CR400BF智能動車組TCMS拓撲結(jié)構(gòu)(如圖1)進行總體設(shè)計.動車組列車采用8輛編組，分為2個牽引單元，每個牽引單元4輛編組(2動2拖).TCMS拓撲結(jié)構(gòu)采用基于IEC61375系列標準的工業(yè)以太網(wǎng)架構(gòu)，按照列車級、車輛級兩級網(wǎng)絡(luò)組織形式，列車級骨干網(wǎng)采用鏈路聚合線型架構(gòu)，車輛級交換機之間采用并行冗余直線型連接，子系統(tǒng)設(shè)備通過雙歸屬以太網(wǎng)接口分別連接至以太網(wǎng)交換機ECNN通道1和2.列車級骨干網(wǎng)ETB負責(zé)跨牽引單元的數(shù)據(jù)傳輸，編組網(wǎng)ECN負責(zé)本牽引單元內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸，各子系統(tǒng)控制器作為以太網(wǎng)終端設(shè)備ED，通過雙歸屬冗余接口分別連接至本車廂冗余的交換機鏈路上.本牽引單元內(nèi)部CCU通過與子系統(tǒng)間的通信協(xié)議，實現(xiàn)對子系統(tǒng)控制工作狀態(tài)的收集，通過輸入輸出模塊IOM采集車輛硬線電路狀態(tài)，經(jīng)過邏輯運算發(fā)布控制指令，同時執(zhí)行故障診斷和保護動作，將必要的信息通過列車顯示器HMI實時推送給司乘人員.

圖1 復(fù)興號CR400BF智能動車組TCMS拓撲圖

2 詳細設(shè)計

搭建半實物仿真平臺旨在利用虛擬仿真方法測試真實列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟硬件功能.因此平臺搭建原則為列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)重要設(shè)備采用與車輛實際型號相同的硬件產(chǎn)品，對于地面難以搭建的硬線原理以及其他子系統(tǒng)采用虛擬仿真的方式實現(xiàn)[8].仿真試驗臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 半實物仿真試驗臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 硬件設(shè)計

硬件平臺原理如圖3所示，平臺未按照實際車廂號進行劃分，而是按照2個牽引單元進行硬件設(shè)備布局.考慮到試驗臺2個牽引單元之間ETBN實際距離較短，且終端設(shè)備所需的以太網(wǎng)接口較少，因此取消中間車EREP和ECNN.考慮到試驗臺成本取消部分冗余設(shè)置：ETB總線取消了冗余、雙通道交換機取消冗余改成單一通道，子系統(tǒng)控制器雙歸屬冗余接口僅使用其中一個與交換機進行連接.

圖3 仿真試驗平臺拓撲圖

TCMS待測設(shè)備CCU、HMI以及以太網(wǎng)通信載體(ETBN和ECNN)采用實際硬件設(shè)備，仿真工控機IPC搭載實時以太網(wǎng)板卡，通過以太網(wǎng)接口與CCU進行硬件連接，借助顯示器HMI進行必要的狀態(tài)顯示和故障提示等.

2.2 軟件設(shè)計

基于復(fù)興號CR400BF智能動車組整車電氣原理和各子系統(tǒng)控制器實現(xiàn)的電氣功能，在ControlBuild開發(fā)環(huán)境下進行軟件編程，搭建虛擬列車數(shù)學(xué)模型.以系統(tǒng)為單位進行模塊化設(shè)計，具體包括：整車電氣原理仿真模型和子系統(tǒng)控制器仿真模型.電氣原理仿真模型，完全按照真實車輛電氣接線關(guān)系進行開發(fā)，實現(xiàn)各系統(tǒng)外圍硬線控制電路信號傳輸；子系統(tǒng)控制器仿真模型，基于子系統(tǒng)與TCMS的通信協(xié)議進行軟件開發(fā)，實現(xiàn)子系統(tǒng)對內(nèi)部設(shè)備的監(jiān)控和管理，并將系統(tǒng)實際工作狀態(tài)反饋至TCMS.

2.2.1 整車電氣原理仿真建模

考慮到應(yīng)用的廣泛性和復(fù)雜性，ControlBuild為電路仿真提供了多種手段，其中應(yīng)用比較廣泛的是Structured Text和Low Voltage Diagram，本文采用Low Voltage Diagram進行電氣原理仿真建模.

依據(jù)復(fù)興號CR400BF智能動車組電氣接線圖，逐步實現(xiàn)單個功能的仿真，圖4為所開發(fā)的牽引控制器TCU外部供電電路仿真模型.TCU外部供電條件包括“直流110V電源信號”和“直流110V控制電信號”.“直流電源110V信號”具備條件需通過閉合空開C02_F23_F01實現(xiàn)；正常工況下“直流110V控制電信號”具備條件需同時滿足空開C02_F23_F02閉合以及CCU輸出DO指令驅(qū)動繼電器觸點(qytcuenabledo35或qytcuenabledo36)閉合(CCU故障工況下，可通過閉合緊急模式繼電器C02_F22_K72旁路CCU的DO指令)上述條件通過電氣原理仿真模型實現(xiàn)，作為TCU仿真模型輸入，經(jīng)TCU仿真模型判斷后續(xù)是否可正常上電啟動.

圖4 電氣原理仿真模型

對單一功能進行仿真結(jié)束后，可逐漸完成整個功能組電氣原理仿真模型的開發(fā)，最終將功能組電氣原理模型整合成整車電氣原理仿真模型.

考慮到平臺的易操作性，設(shè)計了可視化司機操縱臺界面，列車司機臺和電氣柜內(nèi)部可操作電器元件(如：開關(guān)、繼電器、接觸器)均可通過可視化界面方便地進行操作.如圖5模擬復(fù)興號CR400BF智能動車組司機臺開發(fā)了可視化操作界面，其中主要包括司機鑰匙、方向開關(guān)、升弓開關(guān)、主斷開關(guān)、司控器手柄、開關(guān)門按鈕等.同時開發(fā)了司機室二級操作區(qū)可視化操作界面，主要包括ATP隔離開關(guān)、GFX過分相開關(guān)、緊急制動旁路開關(guān)、拖拽/救援選擇開關(guān)、保持制動隔離等；開發(fā)了客室各電氣柜可視化操作界面，主要包括各系統(tǒng)控制器供電空開、繼電器等.

圖5 仿真試驗臺可視化操作界面

2.2.2 子系統(tǒng)控制器仿真建模

子系統(tǒng)仿真模型應(yīng)涵蓋車輛所有關(guān)鍵系統(tǒng)，包括牽引系統(tǒng)、高壓系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、輔助供電、安全監(jiān)控、車門等眾多子系統(tǒng)，子系統(tǒng)控制器仿真模型接收CCU控制指令，通過仿真算法虛擬實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部控制功能，并將系統(tǒng)工作狀態(tài)反饋給CCU.

由于車輛子系統(tǒng)較多，在ControlBuild開發(fā)環(huán)境下應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)功能進行模塊化設(shè)計，首先選取關(guān)鍵子系統(tǒng)逐一分解控制器的功能，本例選取牽引系統(tǒng)關(guān)鍵功能進行軟件模塊化設(shè)計：TCU上電啟動流程,如圖6.

圖6 TCU上電啟動流程

TCU上電實現(xiàn)流程如下：①TCU供電啟動需同時具備直流110V電源信號和110V控制電信號，如蓄電池電量較低，CCU檢測受電弓升起后通過DO輸出TCU控制電信號，受電弓降下CCU延時取消TCU控制電信號，因此TCU需獲取的車輛狀態(tài)包括110V電源信號、CCU通過DO輸出的110V控制電信號；②推理機內(nèi)預(yù)先設(shè)置軟件控制規(guī)則，當(dāng)同時具備110V電源信號和110V控制電信號，TCU上電啟動進行自檢；③若自檢失敗應(yīng)記錄故障并保持封鎖狀態(tài)，若無故障TCU正常啟動，轉(zhuǎn)入牽引/電制動實現(xiàn)流程.

牽引/電制動實現(xiàn)流程如圖7所示，過程如下：①TCU上電正常啟動后，TCU輸出VCB使能信號；②CCU根據(jù)VCB使能信號狀態(tài)，輸出VCB閉合指令，VCB閉合后車輛具備高壓電；③TCU檢測到高壓電后，進行預(yù)充電過程控制；④預(yù)充電完成后，進行主接觸器閉合控制；⑤主接觸器閉合后，采集到CCU發(fā)出的車輛具備牽引/電制動條件，牽引系統(tǒng)PWM脈沖信號激活；⑥TCU根據(jù)CCU發(fā)出的牽引/電制動力實際信息，輸出牽引/電制動力，維持車輛整車運行，并將工作狀態(tài)反饋至CCU.

圖7 牽引/電制動實現(xiàn)流程

另外在故障工況下CCU可以根據(jù)故障情況對故障進行安全導(dǎo)向，嚴重時刻進行牽引系統(tǒng)設(shè)備切除或執(zhí)行整車限速功能，上述功能可通過模擬車輛故障進行驗證.

同理可對車輛其他子系統(tǒng)功能進行逐一分解，逐步完善子系統(tǒng)仿真模型，最終形成整車所有子系統(tǒng)控制器仿真模型.

3 功能測試

3.1 正常工況測試

通過可視化操作界面，檢查“司機鑰匙”置于開位激活司機室， “司控器手柄” 置于中立位， 空開C02_F23_F01和C02_F23_F02處于閉合狀態(tài)，蓄電池長時間工作電量已降低至55%，將“受電弓開關(guān)”置于升弓位，通過觀測CCU內(nèi)部變量查看車輛狀態(tài)如圖8所示，具體說明見表1.

圖8 車輛狀態(tài)監(jiān)視界面

表1 TCU上電啟動階段說明

3.2 故障工況測試

通過可視化操作界面，將“司機鑰匙”置于開位激活司機室，“方向開關(guān)”置于向前，分別操作“關(guān)門”和“緩解停放制動”，正常操作受電弓閉合和主斷VCB閉合，操作“司控器手柄”設(shè)置列車恒速運行.列車運行期間，模擬5車1軸大齒輪箱電機側(cè)超溫，動車組列車可自動封鎖牽引逆變器并通過HMI提示故障，同時提示列車自動限速140 km/h以下，如圖9所示.

圖9 仿真試驗臺故障診斷與顯示界面

4 結(jié)論

本文針對復(fù)興號CR400BF智能動車組整車功能測試需求， 創(chuàng)建了整車電氣原理仿真模型(含可視化操作界面)和子系統(tǒng)控制器仿真模型，通過以太網(wǎng)總線實現(xiàn)仿真工控機與TCMS真實設(shè)備的數(shù)據(jù)通信，仿真模擬動車組列車真實運行環(huán)境，分別在正常工況和故障工況下，檢驗整車控制及故障保護功能.復(fù)興號CR400BF智能動車組調(diào)試及運用結(jié)果表明，該仿真試驗平臺能夠在實驗室環(huán)境下有效地完成列車功能測試，有效縮短了列調(diào)周期，為車輛正線運營的安全性和可靠性提供了技術(shù)保障.