列车模拟运行系统的运行控制

（大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028）

列车模拟运行系统的运行控制

李晛，胡继胜

（大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028）

构建了能够实时模拟列车在不同轴重、不同线路下运行的列车模拟运行系统，利用列车实时仿真的结果对系统进行有效地控制，从而实现了不同运行工况下的模拟，而为电力牵引系统的开发提供了与实际列车运行工况基本吻合的模拟负载。

陪试系统；实时模拟；实时控制；电力牵引

0 引言

为了进行电力牵引系统的开发，需要建立一个能够模拟列车工况的实验系统，该实验系统由被试系统和陪试系统组成。被试系统就是要开发的电力牵引系统，主要包括牵引变流器、牵引电机。陪试系统，即列车模拟运行系统，本文主要对列车模拟运行系统的建立方法及控制模式进行研究。陪试系统为电力牵引系统提供一个模拟负载，该负载模拟的运行环境与实际列车的环境基本相同，应能模拟列车在一个预定轴重和预定线路条件下的运行情况。陪试系统在被试系统的驱动之下运动速度的变化规律以及为被试系统提供的阻力和列车的实际情况基本吻合。

1 列车模拟运行系统主电路的设计

陪试系统在被试系统的驱动下能够模拟出列车的运行速度，所以陪试系统按照速度方式进行控制，被试系统是按力矩方式进行控制的。陪试电机的功率、力矩、速度等级和被试机相对应，为了电力牵引和电气控制整个系统能够实现能量回馈，陪试系统直流侧的电压等级和被试系统是相同的。为了达到这些基本要求，构建系统如图1中列车模拟运行系统所示。

2 列车模拟运行系统控制电路的设计

陪试系统按照速度方式进行控制，其所对应的控制系统能够实时模拟列车在预定轴重、预定线路下的运行情况，并且能够把实时仿真的结果转换为控制信号进而实现对系统的实时控制，控制机组的运行速度。针对此要求，以西门子S120系列变流设备为核心，构建系统如下：

PC机进行实时仿真运算，由于陪试机需要模拟在被试机驱动下的速度变化情况，而影响速度的变化规律包括列车的轴重、线路情况以及驱动力矩，其中列车的轴重与线路情况是预先设定好的，驱动力矩是由实时检测的方法得到的，同时也要能够检测列车目前的运行速度，为了完成检测，PC机需要配置数据采集系统。PC机数据的实时仿真结果要能够转换成对陪试机速度的实时控制信号，为了实现这个实时控制，采用了这套系统。

列车模拟运行系统的控制部分由西门子公司SINAMICS S120变频器、力矩转速传感器，数据采集卡、PLC和PC机组成，所有设备技术参数的选取都是根据相应的功率等级确定的。S120变频器为模块型变频器，由一个控制模块CU320-DP、一个主动型接口模块AIM（Active Interface Module）作为三相电力滤波器、一个主动型电源模块ALM（Active Line Module）作为四象限脉冲整流器和电机模块（Motor Module）组成。电网三相交流电经过AIM滤波后再经ALM整流为可调节电压的直流电，电机模块将直流电逆变为交流电驱动电机。采用西门子S7-300 PLC作为控制器，S7-300 PLC也为模块化结构，该型号PLC上集成了PROFIBUS DP总线接口与变频器进行通讯[1]。控制单元通过S120各个模块上的DRIVE-CLIQ接口完成与它们之间的通信，从而实现对模块的控制及数据的传输。数据采集卡选用的是NI PCI-6229，负责信号的输入输出，含有4路16位模拟输出，32路16位模拟输入，高达48路数字I/O端口，32位计数器。力矩转速传感器选用PTS881。PC机根据列车模型以及采集的结果进行实时仿真，仿真的结果要实时传输给S7-300PLC，传输方式有两种，一种是通过PC机的接口RS232与PLC的MPI接口进行串行通讯，另一种通过PCI-6229数据采集卡的DA转换器，把速度的结果转换为一个电压信号传输给S7-300，S7-300经AD转换接收的数据通过Profibus总线传输给控制单元CU320，由CU320完成对变流器的控制，保证列车的速度变化规律与PC机实时仿真的结果相同，从而实现对陪试机速度的实时控制，进而模拟出列车的速度变化规律。

图1 电力牵引和电气制动系统主电路Fig.1 The main circuit of electric traction and electric braking system

图2 列车模拟运行系统控制电路Fig.2 The control circuit of Train Operation Simulation System

图3 LabVIEW程序中的CLF节点Fig.3 The CLF node in LabVIEW program

图4 陪试机数据采集与控制流程图Fig.4 The data acquisition and control flow chart of the test machine

3 列车模拟运行系统实时控制的实现

3.1系统的编程方法

列车模拟运行系统的程序应该具有很高的运行速度才能够满足实时控制的要求，为此采用LabVIEW和C语言混合编程。LabVIEW（Laboratory virtual instrument engineering workbench）是由美国国家仪器（NI）公司研制开发的一种程序开发环境，使用图形化编辑语言G来编写程序。LabVIEW程序由前面板、程序框图、图标和连线板组成，可以使系统的操作界面以及对数据采集卡的操作方便，能够实现DAQ技术。若只用LabVIEW编程则运行速度比较低，难以保证系统的实时性，通过C语言可以满足较高的速度完成，所以采用混合编程的方法。

基于虚拟仪器技术，在NI PCI-6229数据采集卡上通过力矩转速传感器实现了对陪试机力矩、转速的采集和控制，利用LabVIEW中DAQmx软件进行了数据采集程序的设计。系统的运行程序由C语言来编制，然后生成动态链接库DLL与LabVIEW程序框图中的CLF节点连接，保留了LabVIEW平台虚拟仪器开发的便捷性，克服其计算瓶颈的问题，又结合了C语言高效性的优化算法，所以通过混合编程的方法能够保证系统的实时性。

3.2列车模型

根据列车模拟运行系统硬件的设计，通过PCI-6229数据采集卡和力矩转速传感器对力矩、转速进行实时采集，而要对陪试系统进行实时控制更关键的问题就是列车模型。

列车在线路上运行时有牵引、惰行和制动三种工况。

牵引运行时，作用在列车上的合力为

其中，F为轮周牵引力(N/t)，Wk为列车运行的总阻力(N)，P为列车计算总重量(t)，G为拖车计算总重量(t)，wk为列车运行时的单位总阻力(N/t)，f为单位轮周牵引力(N)，B为列车制动力(N)，b为列车单位制动力(N/kN)[2]。

列车运动方程，即作用于列车上的合力与加速度之间的函数关系式。由牛顿第二定律有

其中，a为列车加速度(m/s2)，m为整个列车质量(Kg)，其计算方法为

得到列车的加速度

换算加速度单位以Km/h2表示，有

即

实际车轮转动过程中会消耗一部分动能，所以列车的实际平移加速度a’小于a，即

其中，γ称为回转质量系数，即列车回转质量与列车总质量之比，动力分散式动车组回转质量系数一般取0.08～0.11。在进行列车牵引计算时加速度一般取12.2km/ h2，有

列车运行过程中，合力是列车速度与位置的函数，所以要直接求解上述方程还是比较困难的。对牵引计算进行简化，将列车速度分为多个间隔Δv，用有限小的速度增量代替理论上应当无限小的速度增量dv，在这个增量Δv范围内，假定列车受到的合力不变，从而得出列车运行时间与速度的关系为[3]

即

列车运行距离与速度的关系，有

即

上述各方程称为列车运动方程。从列车初始速度v1=0，s1=0开始，可以计算出列车在各位置的速度与所需时间，得到s与t、v与t之间的关系，进而得到站间运行时间，这一工作称为列车牵引计算[4]。

该列车模拟运行系统的程序根据实时采集的转速进行轨道车辆运行时遇到的基本阻力和附加阻力的计算，陪试机提供列车运行过程中的运行阻力，由基本阻力和附加阻力组成。列车基本阻力模型采用如下公式：

其中：R为列车的基本阻力（N），a，b，c是随车型而异的常数，由大量实验并分析归纳而得。列车在通过坡道、曲线、隧道的附加条件下运行时遇到的阻力为附加阻力。附加阻力主要包括坡道附加阻力、曲线附加阻力和隧道阻力等，主要是由线路本身引起的，在牵引计算中，用单位加算附加阻力ωj表示因线路条件产生的单位附加阻力之和[5]，即

其中，ωi为坡道单位阻力，ωr为曲线单位阻力，ωs为隧道单位阻力，有

其中，α为曲线偏角（°），ll为列车长度，lr为曲线长度（m）。

本系统在进行模拟运行时，我们把线路和车辆的基本信息以及载荷情况进行预设，列车的牵引力和当前的速度是通过测量直接得到的，知道当前列车在特定线路的某一位置，根据这个位置由阻力模型可以计算出列车的阻力，再由列车运动方程解算出当前情况下下一个采样点时列车的速度，这样就可以通过迭代的方法模拟出列车的速度变化规律并按照此变化规律确定机组运行的速度，将此速度实时传输给电机模块，就能够确保电机速度的变化规律和实际列车的运行情况基本吻合。

4 结论

列车模拟运行系统的功率、力矩与速度等级不低于被试系统，直流环节采用与被试系统相同的电压等级使其可以实现能量互馈。列车模拟运行系统为电力牵引系统的开发提供了模拟负载，采用LabVIEW与C语言混合编程的方法保证了系统的实时性，并且基于实时仿真的结果对陪试机进行实时控制，从而模拟列车在不同轴重和不同线路下的运行工况，与实际列车运行的速度变化规律基本吻合。

[1]王英,赵俊伟．基于Sinamics S120小功率城轨模拟牵引系统的设计[J]．大连交通大学学报,2012,33(6)：89-92．

[2]王凤臣,任良抒,丁菊霞．电力机车牵引计算[M]．成都：西南交通大学出版社,2010．

[3]曾祥东．城市轨道车辆模拟运行控制系统设计[D]．大连：大连交通大学,2010．

[4]王春艳．轨道车辆电力牵引与电气制动模拟运行控制软件的开发[D]．大连：大连交通大学,2005．

[5]饶忠．列车牵引计算[M]．北京：中国铁道出版社,1999．

Operation Control of Train Operation Simulation System

Li Xian, Hu Jisheng
（School of Transportation Engineering Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China）

The train operation simulation system which is able to simulate in real time train running in different load and line conditions is constructed, To effectively control the system by using the real time simulation results, then realizes the simulation under different operating conditions, And provides the simulated load in accord with the actual train operation for electric traction system development.

paternity test system;real-time simulation;real-time control;electric traction

U260.315

A

1671-1041(2014)06-0035-04

2014-09-09

李晛（1988-），女，辽宁本溪人，硕士，研究方向：轨道车辆电力牵引传动控制及自动化。