广州地铁五号线国产化列车网络控制及诊断系统

2014-02-07李永全

机电工程技术 2014年6期

李永全

（广州市地下铁道总公司，广东广州 511430）

0 引言

广州地铁五号线国产化列车为广州地铁公司、南车时代电气和南车青岛四方公司联合研制的首列采用国内技术的直线电机列车，该车采用了由国内株洲南车时代电气自主研发，符合TCN标准的车载列车控制及诊断系统，通过与列车各子系统的通讯及传输，实现了故障的准确定位、判断及实时反映子系统的状态。

1 列车网络控制设计

1.1 DTECS网络控制系统平台

DTECS是专为轨道车辆的列车控制和通信而设计的一套车载计算机系统，包括车载硬件、操作系统、控制软件、诊断软件、监视软件和维护工具，它控制并监视整个列车。

DTECS是一个分布式控制系统，它将分布于整个列车的各个智能单元联结成一个列车网络，这些单元可分别安装于车下设备箱中、司机台或车厢内的控制柜中，各不同的分布式单元将使用TCN总线连接起来。这种系统的最大的优点是：显著减少各箱柜之间的连线，方便将来对系统功能的扩展。总线的扩展比较简单，只须增加一根连接到该单元的电缆线，并更新应用软件就能和新的单元进行通信。

DTECS的模块包括车辆控制模块（VCM）、事件记录模块（ERM）、数字量输入输出模块（DXM）、数字量输入模块（DIM）、模拟量输入输出模块（AXM）、RS485通信管理模块（HCM）、总线耦合模块（BCM）、智能显示单元（IDU）。

车辆控制程序是下载到VCM里的程序，DXM、DIM、AXM用来采集硬线电路的数字量、模拟量信号，DXM和AXM用来输出VCM发给外部硬线电路的控制信号，IDU显示相应的信息给司机。VCM、DXM、DIM、AXM及IDU各模块自带底层软件，并遵循统一的通讯标准IEC61375，相互之间通过MVB总线进行通信。DTECS列车网络控制平台的车辆总线为基于EMD/ESD+介质的WTB/MVB网络控制技术。

1.2 网路拓扑结构

图1为整车的网络拓扑图，列车控制及诊断系统采用分布式控制技术，符合IEC 61375标准，网络体系结构采用三级：列车控制级、车辆控制级和功能控制级。列车控制级总线为EMD通信介质的MVB，车辆控制级总线ESD通信介质的MVB，功能控制级总线为RS485。

采用分布式技术，即分布采集及执行，中央集中控制与管理的模式。各个功能模块分别安装于不同车型的控制柜中，模块之间通过列车总线和车辆总线连接。不论是列车总线还是MVB车辆总线，均采用通信双通道冗余设计，当某一路通信通道出现故障时，系统可以自动切换到另一路通信通道。对于关键的车辆控制模块VCM，由于其主要实现重要的车辆控制、总线管理功能，因此在整车内对VCM做了热备冗余配置，在当前主VCM出现故障的时候，备用VCM将接管主要VCM的职责，行使所有的控制功能。

整个网络系统负责完成控制和监视、故障诊断、数据记录、信号采集、通信控制、通信冗余等功能。

2 系统各部件功能

2.1 车辆控制模块

VCM模块安装在列车两端司机室内，每列车共安装了2个VCM，通过MVB EMD总线与其他设备进行通信，是整个网络系统的核心部件，具备以下几项功能：

（1）列车和车辆级的过程控制，如列车牵引制动控制、空调启动时序控制及电空混合制动控制等功能；

（2）通信管理：具备MVB的通信管理能力，实现车辆级的通信控制功能；

（3）显示控制：通过多功能车辆总线与HMI显示屏的接口，输出各种显示信息；

（4）故障诊断：可采集处理列车的状态数据、故障数据，并通过HMI显示屏真实的反映出来。

2.2 事件记录模块ERM

每列车共安装了2个ERM模块，分别安装在两端A车司机台下方，通过MVB与其他设备进行通信，可记录列车故障履历数据及各类数字量、模拟量的变化情况，是列车存储数据的重要部件，具备功能如下：

（1）数据记录功能：记录司机操作数据（如操作各种开关、按钮动作情况）、故障履历数据，将VCM模块的故障数据具体化；

（2）数据存储功能：可通过车载信息网（工业以太网）将ERM模块所记录的数据下载至PTU电脑，便于在地面分析列车故障数据。

2.3 RS485通信管理模块HCM

部分系统自身不具备与MVB总线进行通信的功能，如乘客信息系统、车门系统、列车车载信号系统、视频监控系统等，需借助此模块实现与MVB总线之间的数据交换。每个HCM模块可实现与两组MVB与RS485之间的数据转换，同时由于每节车厢分布的系统不一致，目前五号线国产化增购列车HCM模块的分布情况为A车3个，定义为HCM1、HCM2、HCM3，B、C车各安装了1个HCM模块。HCM模块电气接口如图2所示。

图2 HCM模块电气接口图

2.4 总线耦合模块BCM

每节车厢安装了2个总线耦合模块，定义为BCMA及BCMB模块，即网络系统的A、B传输通道，可提供多功能车辆总线的电气短距离到电气中距离传输的接口，实现多功能车辆总线MVB的电气短距离传输介质ESD到电气中距离传输介质EMD的转换，将单个车组单元的智能设备通过MVB总线互连成列车通信网。

2.5 模拟量输入/输出模块AXM

在两个A车及B1车中均安装了一个AXM模块，主要负责模拟量的输入输出控制功能，通过MVB总线与其他设备进行通讯，具备的功能包括以下几种：

（1）采集司控器的级位并传送给TCMS系统，实时控制列车发挥的牵引、制动力；

（2）可采集来自于ATO系统的模拟信息，可将0～20 mA的电流值转换为0～10 V的电压值并传送给TCMS；

（3）实时采集蓄电池温度，并传送给TCMS，可准确无误地在HMI显示屏中观察到蓄电池的温度情况；

（4）采集列车速度值并直接驱动速度表，通过速度表反映列车运行时速。

2.6 数字量输入/输出模块DXM

该模块是整个列车控制及诊断系统中又一个极其重要的模块，每节A车中安装了2个DXM模块，其他车中每节车安装了一个，其主要负责数字量的输入输出控制，采用了16路110 V光电隔离输入通道及6路110 V的MOS管输出通道，具备以下三种功能：

（1）输入信号采集：将车辆间电气信号转换成数字信号，经由列车控制网络传送给VCM，完成信号监视功能；

（2）数字信号输出：将网络数字信号转换成电气信号，控制诸如指示灯、继电器等设备；

（3）设备地址输入：通过外部跳线配置设备地址，维护简单。

2.7 数字量输入模块DIM

DIM模块主要完成数字量的采集输入功能，每节A车中安装了两个DIM模块，其余每节车各安装了一个DIM模块，采用了32路110 V光电隔离输入通道，与DXM模块相比较，该模块缺少了数字信号的输出功能。

3 系统主要功能介绍

列车控制及诊断系统（TCMS）集中提供了控制和监视车载系统和设备的功能。列车的操作，车载系统的故障诊断、故障数据记录、事件分析和报告等功能都集成在一个分布式智能系统中。TCMS对列车的控制、监控和诊断都是基于与各子系统的通信的，与TCMS进行通信的包括以下子系统：牵引系统；制动系统；辅助供电系统；空调系统；车门系统；列车广播系统及乘客信息系统（PIDS）；列车自动控制系统（ATC）；列车无线通信系统。

3.1 控制功能

3.1.1 系统冗余控制

（1）VCM冗余。正常情况下，系统选择激活端作为主控设备，从控端作为备用。备用设备不断监视主控设备的状态，当主控设备出现故障时，备用设备将自动代替主控设备的一切控制功能，保证列车正常运行[3]。

（2）总线冗余。网络系统采用了双通道互为冗余的列车及车辆总线MVB进行数据传输。正常情况下网络随机选择A或B通道进行数据传输，当某一路出现通信故障时，网络系统能自动切换至另一通道进行数据传输。

3.1.2 牵引、制动控制

列车网路系统接受来自于ATO或者司控器的级位信号后通过MVB总线传输给牵引、制动系统，并以此信号为准执行相应的牵引或制动力。

3.1.3 空压机与空调启动顺序控制

空压机与空调的启动顺序控制为了避免所有空压机同时启动时所造成的冲击电流，TMS对空压机和空调的启动进行顺序控制。

网络系统通过MVB总线发送启动码给空调系统从而实现对空调的启动进行控制。网络系统每隔10秒改变一次启动码。如图3所示，在制动空压机没有启动时，每个空调系统每隔60秒收到一次启动码。只有当空调控制单元（ACU）收到持续时间为2秒的触发信号时，才启动对空调系统的控制。而当已经启动的空调控制单元收到该触发信号时，它将忽略此信号。

同时，当TCMS检测到空压机接触器（compressor motor contactor，CMC）正在启动时，将10秒的时间间隔调整为13秒，以避免空调压缩机与制动空压机的同时启动，如图4所示。

3.1.4 启动联锁功能

联锁功能是指列车在某种特定条件下，网络系统通过其控制功能使列车施加紧急制动、封锁牵引或者控制车门开启，保证列车的安全运行。其联锁功能主要包括：停放制动启动联锁；主风缸压力启动联锁；车门启动联锁，并且为停放制动启动、主风缸压力启动联锁回路提供软件旁路功能。而当网络系统发生故障时，车辆还提供对以上联锁的硬件旁路功能。

（1）停放制动启动联锁

采用停放制动启动联锁功能是为了避免当列车发生停放制动故障时，列车的错误启动。停放制动施加时，网络系统控制停放制动继电器（PKBR）失电，致使列车无法发出牵引指令，因此实现了对停放制动启动联锁功能。

但是如果出现网络系统故障而无法控制PKBR继电器正常得电时，可以通过机械旁路开关（PKBRCOS）来使牵引列车线合上。此时司机缓解停放制动，则对列车没有影响。

图3 无空压机启动时空调启动时序

图4 空压机启动时空调启动时序

（2）主风缸低压启动联锁

采用主风缸低压启动联锁功能是为了避免因为主风缸压力低时的列车不安全运行，是对司机主动监控的补充手段。当任何一个传感器检测到主风缸压力低于6.0 bar时，网络系统通过AXM模块控制主风缸压力低继电器2（MRPR2）失电，切断牵引列车线，封锁牵引。当所有传感器检测到的主风缸压力都不低于6.0 bar时，合上牵引列车线[2]。

当牵引列车线由于网络系统故障而无法正常闭合时，可通过机械旁路开关（MRP2COS）来使牵引列车线闭合。同时，由于网络系统故障导致系统无法正常监视列车气压情况时，正线运营过程中还需密切监视列车气压表情况。

（3）车门启动联锁

车门启动联锁是作为ATO模式的备份而采用的。因为TMS系统对车门系统不进行控制，而只是进行监控。通常情况下，由ATO激活零速列车线，当ATO设备故障，且当列车速度小于3 km/h时，TMS激活零速列车线。列车速度由TMS根据来自VVVF的传感器信息进行计算。对零速的控制转换由司机操作切除开关来实现，同时TMS会显示切除状态，以表示TMS对零速的控制[2]。