HXD1机车LOCOTROL系统操作及测试系统研制

宗波,郝瑞祥,游小杰

(北京交通大学 电气工程学院,北京 100044)

1 引言

国际电工委员会标准IEC61375-1:1999,即TCN(列车通信网络)标准,被广泛应用于各种电力机车,电动车组上[1]。随着高速铁路的快速发展,许多列车制造商已经开发了诸多基于TCN的机车中心控制系统,如ABB,Siemens,Bombardier,Ansaldo,Firema或者 CAF等[2]。而GE公司生产的 LOCOTROL系统是当今世界最先进的动力分布系统之一,主要应用于重载铁路运输领域,能显著提高铁路运输能力并有效优化运营加长加大型货车。

为配合中国经济大力增长,大秦线采用分布式机车控制技术LOCOTROL延伸机车长度,开行2万t组合列车[3]。LOCOTROL技术的使用,不仅使列车运行更为安全,同时也大大提高了大秦线运输能力[4]。目前,太原铁路局湖东机务段共有 HXD1型电力机车 180余台,因此研制HXD1机车LOCOT ROL系统操作及测试装置,实现对 HXD1机车操作模拟以及LOCOT ROL系统检测与维护具有重要的现实意义。

本文主要对HXD1型电力机车上应用的LOCOTROL系统中RIM(继电器接口模块),CPM(通信处理模块),MIPM(集成MVB接口处理器模块)和PDM(电源分布模块)等模块按照机车上实际的接线方式组成试验台,采用VC++编写CCU模拟操作软件,通过MVB网卡实现模拟CCU与LOCOTROL之间的通信,两个试验台之间通过电台 RDTE或GSM-R通信实现模拟HXD1机车2万 t 1+1编组模式,实现LOCOT ROL系统分布式动力控制功能和CCBII空气制动控制功能测试,从而为大同湖东机务段LO-COTROL系统维护和测试提供保障。

2 HXD1机车LOCOTROL系统操作及测试系统

2.1 测试系统组成原理

目前在大秦铁路上运行的HXD1型重载列车由2台HXD1型机车共同牵引,每台机车安装1套LOCOTROL系统。该系统对分布在一列组合列车中的2台机车,以主控或从控的方式完成对列车的制动或牵引,从而实现2台机车由一名司机同步控制。

图1为HXD1的LOCOTROL设备的基本架构和主要构成。

图1 HXD1 LOCOT ROL设备的基本架构和主要构成Fig.1 Framework of HXD1 LOCOT ROL system

该系统主要包括以下9个子模块。

1)集成MVB接口处理器模块:MIPM(MVB Integrated Processor Module)。

2)司机室显示模块:LCDM(Locomotive CAB Display Module)。

3)GSM-R车载通信模块单元:OCU(GSMROnboard Communication Unit)。

4)通信处理模块:CPM(Communication Processor Module)。

5)继电器接口模块:RIM(Relay Interface Module)。

6)电子制动阀:EBV(Electronic Brake Valve)。

7)CCBⅡ(包括电控制动)控制单元:EPCU(Electro-pneumatic Control Unit)。

8)无线数字传输电台设备:RDTE(Radio Data Transmission Equipment)。

9)电源分布模块:PDM(Power Distribution Module)。

各模块之间通过串行通信或数字I/O相互连接,其中MIPM模块是整个系统的核心,它通过MVB总线与CCU相连,构成整车通信网络[5,6]。

本文所设计的测试平台为系统测试平台,即将所有的 LOCOTROL模块按照机车上实际连线进行连接,对于其中需要外部接口信号的模块,如RIM,CPM模块等,则通过测试台机车指令及状态模拟器给定实际机车信号,从而使LOCOT ROL系统脱离机车,在实验室运行,并实现1+1编组模式。

2.2 试验台设计

系统测试平台主要包括3部分:电源系统、测试台控制系统和 LOCOT ROL系统模块。其中测试台控制系统通过上位机来完成对测试平台的监控,指令发送以及MVB网卡通信控制。机车指令与状态模拟器则通过拨码开关或按钮提供开关量与模拟量输出到工控机中的数据采集卡。测试平台结构框图如图2所示。

图2 测试平台结构框图Fig.2 Structure diagram of test platform

系统测试平台根据 LOCOT ROL模块的总体连接要求,把LOCOT ROL系统的各个模块合理地安装在测试台内,测试台面板上设置拨码开关或旋转按钮,做为CCU模块和RIM模块的外部输入,为各模块提供正常运行所需的数字或模拟信号,用来模拟机车实际运行时的各种状态。每个测试台配有一台工控机,可对所有指令进行监控,对操作逻辑进行判断,同时提供与MVB网卡的通讯。

2.2.1 电源系统设计

系统测试台采用交流220 V供电,通过隔离变压器分别接至工控机,AC 220 V/DC 110 V模块和小功率AC/DC变换器,其中AC 220 V/DC 110 V模块为测试台提供各模块工作所需的110V直流电源,小功率AC/DC变换器为测试台内各个接口模块提供电源。系统测试台电源系统结构如图3所示。

图3 系统测试台电源系统结构Fig.3 Structure of power system for test platform

2.2.2 测试台控制系统设计

该测试台通过使用上位机与试验台开关的使用模拟LOCOTROL系统中的子模块CCU,从而使整个LOCOTROL系统可以在实验室正常运行。其中,模拟CCU是基于MVB网络协议基础上的中央控制系统,它与LOCOT ROL系统之间的数据传输符合IEEE61375-1的MVB协议。

控制系统的核心是工控机,内部安装MVB卡,32通道带隔离数字I/O板卡,16通道模拟量采集卡。上位机用来模拟CCU操作,发送各种机车状态指令。MVB卡用来实现工控机与MIPM之间通信的桥梁,通过MVB卡对MIPM模块进行控制。32通道数字I/O板卡主要用来对试验台上的开关量进行监控。模拟量采集板主要是用来采集试验台上的模拟信号,为试验台的操作和控制提供直观数据。

2.2.3 LOCOT ROL系统模块的连接

根据 LOCOT ROL系统原理图与机车上LOCOTROL系统的实际连接,将各个模块进行连接,其中CCU子模块由所设计的模拟CCU模块代替,由上位机进行指令的发送与数据的读写。

3 软件设计

本开发系统采用了VC++2005编制了工控机开发平台程序。微软Visual Studio2005是Microsoft公司推出的面向对象可视化快速应用程序开发工具。通过使用预制的组件和可视化编程界面大大简化了Window s应用程序的设计和实现。

整个系统的软件采用功能模块化设计结构,便于软件的功能扩展和维护。软件的系统框图如图4所示,主要包括:图形界面模块,CRC32位校验模块,6405开关量模块,8325数据采集模块和MVB通信模块。

图4 LOCOT ROL软件系统框图Fig.4 Block diagram of LOCO TROL software

程序的界面设计包括主界面与CCU命令控制对话框。其中,主界面用于显示系统时间,当前操作状态(主控,从控),网压,牵引力状态,列车行进状态,如:前进方向,速度信息等。CCU命令控制对话框,用来模拟CCU系统的外部输入,包括升弓、降弓、撒沙等,实现对 LOCOTROL全系统的实际模拟。

程序的功能设计程序流程图如图5所示。

图5 LOCOT ROL软件流程图Fig.5 Flow chart of LOCOT ROL software

程序的通信子程序采取了多线程的工作方式。程序在所有设备进行初识化之后,进入主界面,此时创建一个侦听所有板卡通信时间线程,由此线程监测MVB总线状态和6405卡与8325卡发送来的命令消息等各种通信事件,再调用相应的函数对事件进行处理。

由于通信系统需要同时对6405开关量模块与8325数据采集卡模块进行响应,并需要同时将操作命令通过MVB总线进行发送,故而对需要在MVB总线上发送的数据和命令进行CRC校验,提高数据发送的正确率。

功能模块实现的重点在于MVB通信模块的实现。其中,MVB网卡的通信读写的实现及MVB数据结构的具体设置是其中的关键,下面从这几个方面进行介绍。

3.1 初始化程序

初识化程序主要是通过对MVB卡中的源端口和宿端口中的寄存器根据列车初始化状态写入相应的控制字,进行初始化,从而确定MVB卡的工作方式。

MVB卡源端口初始化数据:

3.2 头文件及通信子程序

根据MVB总线的通信协议及通信需求,定义以下头文件和几个子程序。

头文件

通信子程序

系统软件部分源代码,限于篇幅节录如下:

3.3 上位机程序特点

采用了Visual C++面向对象的设计方法编写通信软件程序,模拟LOCOTROL系统中CCU实现基于MVB协议的机车重连控制系统,操作方便;采用多线程技术和消息驱动的工作方式,可以充分利用计算机系统的资源,避免瓶颈的产生,达到将系统合理组织的目的,有效避免了网络数据的冲突,使得数据通讯安全可靠。

4 结论

本文给出了一种 LOCOTROL系统操作与测试的设计方案,此方案通过试验台的互联,模拟HXD1机车2万 t 1+1编组模式,实现LOCOT ROL系统分布式动力控制功能和CCBII空气制动控制功能测试,实现了对实际机车LOCOT ROL分布式控制的模拟,降低LOCOTROL模块的检测与维护费用,为HXD1机车关键技术的消化、吸收、再创新提供必要的技术支持。

[1]International Electrotechnical Commission(IEC).Electric Railway Equipment-train Bus-part 1:Train Communication Network[Z].IEC61375-1.Ed.01,1999

[2]Moreno J C,Laloya E,Navarro J.A Link-layer Slave Device Design of the MVB-TCN Bus[J].Vehicular T echnology,IEEE T ransactions,2007,56(6):3457-3468.

[3]GE Transportation Sy stems Global Signaling,LLD.Document No.5003798 Rev B[Z].Technical Specification for Alstom DJ4 Locomotive,2006.

[4]廖洪涛.和谐HXD1型大功率交流电力机车概述[J].电力机车与城轨车辆,2007,30(1):7-10.

[5]SIMENS T ransportation Sy stems.SIBAS 32 Central Control Unit Standard Specifications.Document NO.C0100527419[Z].Version:0.1.2006.

[6]ZUR Bonsen G A.The Multifunction Vehicle Bus(MVB),Factory Communication Systems[C]∥WFCS1995,Proceedings,IEEE International Workshop on,1995.