和谐号动车组电子制动控制单元

2011-08-03曹宏发樊贵新姜岩峰

铁道机车车辆 2011年5期

曹宏发，樊贵新，章阳，姜岩峰，陈伟

（中国铁道科学研究院机车车辆研究所，北京100081）

和谐号动车组制动系统均采用微机控制的直通式电空制动系统，由贯穿全列车的总风管向各车辆的制动设备供风，各车的电子制动控制单元通过列车网路与硬线等响应列车控制指令，实现列车常用制动、紧急制动、停放制动、备用制动、空压机管理等诸多功能，并在列车制动过程中，实时的进行车轮滑行监测、保护与控制。对于制动系统可能发生的故障、失效等情况，系统具备完善的诊断体系，保证行车安全。

随着列车速度的提高，制动系统日趋复杂，模块化、智能化程度更高，电子技术和自动控制技术在动车组上得到广泛应用。现代化的和谐号动车组电子制动控制单元，是一个共享串行总线的分布式计算机控制系统，该系统在硬件上采用模块化设计，各模块间通过串行总线进行数据的分时高速传送，使接口大为简化。

对于和谐号动车组制动系统的应用软件开发，建立了具有国际先进水平的基于V模型的软件开发平台，这个平台能够覆盖从系统设计到控制、算法、数据的可视化，再到控制系统的实现与在线监测、试验与产品维护管理等整个产品开发过程。在整个过程中，通过不断的验证与确认，确保开发的产品从顶层设计到最终实现始终保持一致。

1 功能完善而先进的应用软件平台

和谐号动车组制动系统是一个功能完备、技术先进、充分考虑安全的制动系统。制动系统的所有复杂而完善的控制策略和逻辑功能，能够确保列车在规定的制动距离安全停车；良好的故障诊断和故障导向安全控制功能能够使列车制动系统出现故障时，保证列车安全停车或在可控状态下安全运行。该应用软件平台覆盖了常用制动、紧急制动、停放制动、备用制动、车轮滑行保护等功能。在列车复合制动过程中，全列车的复合制动控制方式能够优先充分利用再生制动，把摩擦制动产生的排放减少到最小。应用软件平台的设计充分采用了模块化和参数化的设计理念，通过不同的软件模块组合可以实现不同的控制功能。参数化的设计可以实现不同的控制性能要求。

1.1 制动系统的分级管理与控制

制动系统分为三级管理与控制，TBM负责列车级的制动管理，SBM负责本单元的制动管理，局部BCU负责本车的制动控制、防滑控制、防抱死监测、制动诊断等，各级之间的管理与控制通过TCN网络（MVB＋WTB）进行数据传递，并与CCU、TCU进行实时信息交互。

图1 制动管理与指令传输

1.2 常用制动控制

和谐号动车组采用了先进合理的减速度控制方式和全列车电空制动力复合的控制模式，在充分发挥全列车的电制动作用的同时，能够充分的利用轮轨间的黏着力。减速度和制动力会跟随列车制动指令、速度和车重、制动能力等实时调整，司机实施4级及以下制动时，电制动即可满足列车的制动力要求，而无需使用空气制动。

图2 常用制动减速度曲线

1.3 紧急制动控制

紧急制动是安全等级最高的制动，紧急制动时将施加最大制动力并达到最大减速度，以满足安全制动距离要求（如350km／h的列车制动距离小于6 500m，300 km／h小于3 800m）。紧急制动采用电空复合制动控制，并且针对轮轨间的黏着限制进行了制动力的分阶段控制。

图3 紧急制动减速度曲线

动车组紧急制动可以通过3种冗余模式可靠施加：

（1）紧急制动采用安全环路控制，连接在紧急制动安全环路下的紧急电磁阀触发紧急制动；

（2）BCU获得紧急制动安全环路的状态信息，实施冗余紧急制动控制；

（3）对于有备用制动的列车，列车管压力排空，备用制动系统施加冗余紧急制动。

1.4 停放制动控制

和谐号动车组的停放制动控制通过停放制动施加和缓解列车线控制实现，以保证列车能够安全停放在规定的坡道上。在列车非静止状态下停放制动施加时，列车将同时施加最大常用制动，以保证基础制动不被损坏和列车的安全。

1.5 车轮滑行保护控制

列车制动力的实施取决于轮轨黏着状态，而轮轨黏着系数随着速度的提高呈下降趋势，这使得高速制动时出现滑行可能性更大。和谐号动车组制动防滑控制技术，保证列车在各种速度制动时迅速适应轮轨状态的变化，既能有效进行车轮滑行保护控制，又能充分的利用轮轨间的黏着力。对于空电复合制动出现滑行时，动车首先实施电制动防滑，但电制动连续降低超过一定时间时，则将减小或切除电制动而实施空气制动防滑，以防止轮对擦伤。

图4 防滑控制原理图

1.6 空压机管理

和谐号动车组每8辆编组的列车内配置有两套压缩机，向列车中所有的用风设备持续供风。通过有效的压缩机管理，可以控制列车的总风压力保持在850kPa至1 000kPa之间。如果列车总风压力小于850kPa，压缩机管理程序模块将启动首选的压缩机投入工作；如果列车总风压力小于830kPa，压缩机管理模块将启动第2个压缩机也投入工作；如果列车总风压力小于800kPa，压缩机管理模块应启动列车组中的所有可用压缩机投入工作。

1.7 备用制动管理

当电空制动系统出现故障或者列车需要回送、救援时，列车可用备用制动装置限速运行。备用制动采用间接制动形式，通过备用司控器控制列车管（BP）的压力，使列车制动或缓解。常用制动和备用制动之间的切换可由电子制动控制单元根据车辆操作状态自动识别。

1.8 撒沙控制

和谐号动车组通过撒沙来增加轮轨表面的粗糙度，而轮轨表面粗糙度可以破坏轮轨之间的水膜或油膜，从而改善黏着。撒沙装置通过速度跟随，可以实现撒沙定量控制。

图5 动车组撒沙增黏系统配置图

1.9 升弓供风控制

和谐号动车组配置了辅助升弓供风系统，能够实时监测升弓供风压力，当需列车升弓而风源压力不足时，将启动辅助压缩机向升弓系统供风。

1.10 故障诊断与故障导向安全控制

和谐号动车组制动系统的故障诊断以行车安全作为首要考虑因素，故障诊断系统可确认、评估、报告在所有的操作模式中发生的多数故障约600项，包括故障对系统自身以及对其它系统的影响，便于系统维护、故障定位查找和分析故障成因。

制动系统诊断出故障时，列车将根据故障等级自动进行＂故障导向安全＂控制，保证列车安全、受控的运行。同时列车诊断系统将故障原因、功能限制、提示操作等信息告知司机、列车员，用于采取相关的补救措施。动车组按故障影响程度设定了故障等级。发生各级故障的时候，将通过列车自动限速运行或者安全停车，以保障行车安全。

2 模块化和智能化的硬件平台

和谐号动车组制动系统的电子制动控制单元作为机电一体化的高度自动化和智能化产品，采用了高性能、通用型的微型计算机系统，由4类模块化和智能化的硬件资源（电源类、扩展接口类、核心控制类、网络通讯类）构成了电子制动控制单元的硬件平台，采用系统集成技术，优化配置后可以满足不同类型制动控制系统的全部硬件需求。操作系统与硬件设备配套安装，完成异常／中断处理、时间片管理调度等功能，同时提供控制服务、上载软件、人机通讯和在线查看数据的接口。

2.1 基于模块化和智能化的硬件资源

由于硬件技术的进步和性能的提高，使得我们可以实现日益强大的制动系统控制功能。基于制动控制系统的控制要求和接口要求，以及模块化、智能化、通用化的设计原则，和谐号动车组电子制动控制单元由4类硬件资源共13种功能板组成：

（1）电源类。用于给整个制动控制系统提供稳定可靠的工作电源，满足多种输入／输出电压转换形式，可提供待机休眠和自动唤醒功能。

（2）扩展接口类。不同类型的扩展接口板，可分别满足模拟量输入／输出、数字量输入／输出、频率量输入／输出、占空比可编程的功率驱动等诸多接口功能，用于制动系统与外部系统（如列车管理系统、牵引系统、列车逻辑线等）通过硬线进行状态传递、识别以及数据转换。

（3）核心控制类。核心控制类主板用于实现制动控制、车轮滑行保护、列车制动管理、单元制动管理等核心制动控制功能。核心类控制主板由不同的二进制控制端口、模拟输入／输出端口和频率采集端口等组成。

（4）网络通讯类。用于控制系统与外部通过网络进行信息传递和数据交换，采用不同类型的网络通讯板，可满足如 MVB、HDLC、RS485、RS232、CAN 等各种总线通讯接口要求。

以上4类硬件资源均3U结构形式的标准化、通用化和模块化设计，各控制板之间通过CAN总线进行数据的分时高速传送。针对项目需求进行4类硬件资源的灵活配置后，即可组成一个共享串行总线的分布式计算机控制系统，上载应用软件后即可实现制动系统的控制目标。同时，4类硬件资源的控制板组成电子制动控制单元时，同种类型的控制板可以根据不同的网络ID实现不同的控制功能（图6）。

图6 4类硬件资源主要功能板

2.2 基于分布式网络和微机控制的电子控制单元

为保证和谐号动车组的运用安全性，制动系统、重要子系统、关键部件在保证自身可靠性的同时，在列车安全性上具有高度冗余性。即使制动系统故障，也能够保证列车安全制动停车，并具有使列车移动到下一站的制动能力。

和谐号动车组制动系统的局部电子制动控制单元EBCUX.1负责本车的制动控制、防滑控制、防抱死监测、制动诊断等功能；因列车制动管理和单元制动管理作为列车制动控制与管理的主要执行机构，在列车的两端采用了冗余配置，由EBCU1.2实现；参照UIC 541－05标准中的要求，车轮不旋转检测须有两套物理上独立的系统完成，为此拖车上配置了EBCU2.2（单元内的2车）和EBCU4.2（单元内的4车）用于冗余的车轮抱死状态监测。每8辆编组的和谐号动车组制动系统共包含14个EBCU，均有标准化和智能化的4类硬件资源组合而成（图7）。

2.3 嵌入式实时操作系统

对于和谐号动车组电子制动控制单元而言，节点数量非常多，有些节点的某些功能非常类似，为了实现应用软件开发的标准化、可读性，实现应用软件的可移植性和不同功能模块之间的可兼容性，有必要采用基于OSEK／VDX规范的嵌入式操作系统。这样不仅可以提供软件任务间的标准接口，增加软件功能模块的可移植性，可重用性，还可以提高电控系统的可靠性，大大减少模块间集成测试的复杂程度，避免不必要的重复开发。

图7 集成的和谐号动车组电子制动控制单元

设计实时系统的基础是分析可调度性。操作系统所提供的分析工具能够仿真调度表并计算可调度性。分析基于每个任务和ISR的优先级、周期、执行时间和时限等信息。可以选择多种在可调度性分析理论界知名的可调度性算法。针对给定信息，会自动选择最适合的算法。使用分析工具，可以避免采用测试方法进行的复杂而耗时的测定工作。它为软件开发者提供了一种在系统中集成知名软件组件的工具，能够在项目开发和测试阶段节省成本和时间。分析工具会计算处理器利用率并给出百分比数值。通过调整应用程序参数，可以优化处理器利用率，从而在现有硬件资源条件下获得高效的设计。图形界面提供了时间特性的直观视图，使应用工程师能够更为形象地了解控制单元内部的处理过程，这样就极大地降低了产生不可靠系统的风险（图8）。

图8 操作系统动态观测

3 软件开发平台

和谐号动车组制动系统软件开发以系统级的设计理念为基础，引入了目前国际上领先的基于V模式的软件开发平台，可以解决在传统的控制系统开发中所遇到的各种问题。在开发过程中可以将在桌面上的控制算法的离线仿真、试验室内的控制原型的测试、以及车辆的实际测试标定过程统一起来，通过不断的验证与确认，确保开发的产品在从顶层设计到最终实现的过程中保持一致，加快开发的进程（图9）。

图9 基于V模式的软件开发平台

3.1 图形化的系统建模和仿真平台

图形化的控制系统建模环境可以进行方便的算法设计及仿真，并提供丰富的模块库用于实时动态系统搭建和有限状态机建模，基于该环境可以通过对模块库中模块的拖拉、连接和配置，方便的实现控制算法的搭建。

3.2 快速原型开发平台

按现代设计方法，无须等待软件工程师的编程和随后的代码硬件集成，而是利用计算机辅助设计工具自动将控制软件转换为代码并自动下载到硬件开发平台，从而快速实现控制系统的原型。之后，就可以利用计算机辅助试验测试管理工具软件进行各种测试，以检验控制方案对实际对象的控制效果，并在线优化控制参数。此时即使模型需要大规模修改，重新形成测试原型也只需要几分钟的时间，避免过多的资源浪费和时间消耗。

3.3 系统代码自动生成平台

基于模型的控制算法可以生成针对特定硬件平台的产品级嵌入式代码；基于数据库的网络通信协议也可以通过生成针对特定硬件平台的网络协议栈代码。相关源码可以在开发环境中进行代码集成，编译，链接，并将生成的二进制文件下载到产品级硬件环境中。

3.4 硬件在回路测试平台

有了控制产品的样机，还必须对其进行全面综合的测试，以对照确认产品与实际指标要求，特别是故障情况和极限条件下的测试。但如果用实际的控制对象进行测试，很多环境条件无法实现的，抑或要付出高昂的代价。现代开发方法中计算机辅助设计工具将再次发挥作用，可以用HILS的方法和工具进行各种条件下的测试，特别是故障和极限条件下的测试。