列车空调控制软件试验系统设计

摘 要 为提高空调产品的可靠性，并对空调控制策略进行验证，设计了一套列车空调控制软件的试验系统。由TCMS仿真系统、测试控制器及空调仿真试验台组成。可实现对空调控制软件通讯功能、控制功能的试验验证。

【关键词】空调控制器 仿真 试验系统

1 概述

伴随着国内轨道交通行业的快速发展，对轨道交通系统设备的可靠性、安全性的要求越来越高。为提高列车空调产品的可靠性，以及对空调控制策略的验证，设计了一套列车空调控制软件的试验系统。

试验系统由TCMS仿真系统、空调控制器、空调仿真试验台三部分组成。TCMS系统是列车的主控系统，是MVB网络的主设备。空调控制器是空调机组的控制单元，与TCMS通过MVB网络进行数据交互，是MVB网络的从设备。空调仿真试验台模拟空调相关元件的动作、状态等，通过相应的连接线路与控制器的I/O板进行连接。

TCMS仿真系统包括VCU、IO模块以及HMI显示屏，VCU与I/O模块通过I/O线进行连接，通过以太网与HMI进行数据交互，测试控制器是1台插件板式的控制器，支持MVB通讯、CAN通讯、RS232通讯、以太网通讯，并实现空调控制的所有功能。空调仿真试验台是1套模拟空调系统各元件动作、状态的试验装置，与测试控制器通过I/O线进行连接。

试验系统包括6套软件，分别为：VCU软件、I/O控制软件、HMI显示软件、控制器应用软件、服务软件、上传工具软件。其中VCU软件、I/O控制软件以及HMI显示软件是TCMS仿真系统相关的软件。而控制器应用软件、服务软件及上传工具软件是与测试控制器相配套的软件。

2 TCMS仿真系统

TCMS，即列车控制和管理系统（Train Control and Management System），是列车控制系统的核心。TCMS仿真系统搭载各种子系统接口，其中也包括空调系统接口。在空调控制软件试验系统的应用中，仅需要搭载与空调子系统的接口，因此，仅开发了与空调相关的功能，针对列车其他子系统的功能预留相应接口。空调控制器与TCMS通过MVB网络进行信息交换。TCMS系统包括VCU、IO模块以及HMI显示屏三部分。

TCMS仿真系统采用的VCU及I/O设备中，运行的系统均为T5 Runtime，将应用程序下载入设备后，均在T5 Runtime下执行。

VCU是为处理并传输MVB与以太网总线的数据而开发的一个铁路PLC，功能是MVB总线管理器以及在以太网及MVB网络中的PLC功能。同时拥有MVB接口与以太网接口，使得VCU在不同应用上可以通用且适用。VCU硬件由一个带2个以太网接口的CPU模块、1个EMD型MVB接口板组成。可通过以太网接口与加载在HMI中的服务程序进行连接，来配置或上传软件。VCU软件采用的开发工具为PRISMA? IDE，是安装在Windows系统下基于IEC61131标准的软件工具。VCU软件通过以太网接口上传至VCU设备。VCU软件中对配置BA功能，以及MVB端口地址、端口数据类型，以及对与空调相关的数据进行计算。

TCMS仿真系统的I/O模块也是一个PLC，功能是提供输入输出，与VCU通过I/O线进行连接。I/O模块控制软件采用的开发工具与VCU相同，即PRISMA? IDE，软件目标文件通过以太网接口上传至I/O设备。

HMI即人机接口设备，加载了TCMS仿真系统的服务软件，可通过服务软件对整套设备的输入输出、数据进行显示，并可进行模拟操作。HMI设备与VCU设备通过以太网进行数据交互，采用10.7英寸显示屏，安装了Windows操作系统，服务软件的编程语言为C#，服务程序可采用在PC机编程后移植的方式加载到HMI设备。

3 测试控制器

3.1 控制器硬件功能

测试控制器是测试工作所依赖的基准控制器，采用19吋6U机箱，配置有功能完好的插件板。主要包括CPU板、电源板、MVB通讯板、数字输入板、数字输出板、模拟量输入输出板、NTC输入板、压力波保护板、HMI板。

（1）CPU板是控制器的核心部件，实现主要的控制与运算功能。前面板包含RS232通信接口，CAN通信接口及以太网接口。它通过内部CAN总线与I/O板及MVB通讯板进行数据交互。通过RS232接口进行操作系统的下载、启动信息显示以及与服务软件的连接，通过以太网接口上传应用软件。

（2）电源板有2种，分别用于DC110V和DC24V供电场合。由于不同车型对空调控制器的供电电压有所差异，目前主要有两种：DC110V和DC24V，因此测试控制器可支持2种测试配置，分别满足DC110V和DC24V供电测试需求。

（3）MVB通讯板是与VCU进行通讯的板卡，支持MVB接口及CAN接口，通过MVB接口與列车主控系统进行数据交互，通过CAN接口与控制器内部进行通讯。

（4）数字输入板用于数字输入信号的接收，输入信号主要包括空调元件状态反馈及空调元件故障信息反馈信号。

（5）数字输出板主要用于驱动信号的数字输出，主要驱动空调机组的风门、风机等设备。

（6）模拟量输入输出板用于检测压力传感器与看门狗喂狗信号，回风风门位置反馈以及电压驱动信号。

（7）NTC板用于接收温度传感器信号及风门位置反馈信号。

（8）压力波保护板用于接收列车的压力信号，并进行数据处理，根据条件启动压力波保护，使车厢内气压免受剧烈变化，提高乘客的舒适度。

（9）HMI板是控制器的简易人机交互模块。在它的前面板上带有2个七段数码管和3个按钮用于人机交互。

3.2 控制器软件功能

控制器软件包括三部分：控制器应用软件、服务软件及辅助上传工具。

3.2.1 控制器应用软件

控制器应用软件是上传到CPU板的软件，实现全部空调控制的功能。开发环境为基于IEC611311标准的CoDeSys软件。软件模块主要包括：MVB通讯模块、输入及输入处理模块、CAN通讯模块、空调控制模块、输出模块、故障诊断模块、与服务软件接口模块。

MVB通讯模块实现与VCU之间的通讯协议，包括配置MVB设备地址、端口地址、端口大小、端口数据传输的功能。

输入及输入处理模块实现接收数字输入、模拟量输入、MVB输入数据的处理。

CAN通讯模块实现CPU板与I/O板、MVB板之间的内部通讯功能。

空调控制模块实现空调多种工作模式的运行以及模式切换功能。空调工作模式主要有：停机模式、通风模式、手动模式、自动调节模式、扩展供电模式、紧急通风模式。

输出模块实现驱动信号的输出。

故障诊断模块实现空调的故障诊断功能。

与服务软件接口模块可将控制器所有的输入输出点、MVB通讯数据、故障信息通过RS232接口发送至服务软件。

3.2.2 服务软件及辅助上传工具

服务软件是可监视控制器工作状态，并进行相关仿真操作的软件，安装在笔记本电脑端。开发语言为C#，支持RS232接口，与控制器进行数据交互。服务软件包括客室及司机室两部分，可同时支持同英文。

为使用户可在现场方便的上传空调应用软件，开发了1种上传工具，安装在笔记本电脑端，可通过以太网与控制器连接，开发语言为C#。

4 空调仿真试验台

为模拟空调元件的动作及状态、制作了1台空调仿真试验台，通过I/O线与空调控制器的连接器进行连接。试验台主要包括以下三部分：数字输入开关及NTC电阻型输入旋钮、模块量输入输出显示屏及线路切换旋钮、数字输出指示灯。试验台的输入输出点与测试控制器的各I/O板一一对应。

通过试验台来仿真空调设备的动作，并进行状态反馈，可对空调控制器的控制功能进行验证。同时，可设定相关模拟量控制参数。试验台模拟的设备包括压缩机动作及状态反馈、风门位置反馈信号、风机动作及状态反馈、列车各区域温度模拟、加热器动作及状态反馈、压力波曲线等。空调仿真试验台不仅在各动车组空调项目的应用中发挥了重要作用，在相关项目的例行试验中也有大量应用。

5 结论

列车空调控制软件试验系统的应用，在对控制软件的运行状态监控、控制策略的验证中起到重要作用。可通过TCMS仿真系统直观的验证控制软件的MVB设备地址、端口配置及数据解析是否正确，并可根据空调子系统的特征计算相关参数，对空调控制器发出相应指令。测试控制器可加载不同车型的空调应用软件，通过一定的判断方式來确定车型。空调仿真试验台可模拟空调各设备及元件的动作及状态。

目前，列车空调控制软件试验系统已成功应用于CRH3、CRH380B系列、CRH5系列等多种列车空调控制软件的试验验证，提高了软件产品设计的可靠性、安全性以及客户满意度。

作者简介

马丽丽（1983-），女，河北省沧县人。硕士研究生。工程师，软件工程师。研究方向为轨道交通行业控制器软件。

作者单位

新誉集团有限公司 江苏省常州市 213166