HXD1機(jī)車LOCOTROL系統(tǒng)操作及測試系統(tǒng)研制

宗波,郝瑞祥,游小杰

(北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,北京 100044)

1 引言

國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)IEC61375-1:1999,即TCN(列車通信網(wǎng)絡(luò))標(biāo)準(zhǔn),被廣泛應(yīng)用于各種電力機(jī)車,電動車組上[1]。隨著高速鐵路的快速發(fā)展,許多列車制造商已經(jīng)開發(fā)了諸多基于TCN的機(jī)車中心控制系統(tǒng),如ABB,Siemens,Bombardier,Ansaldo,Firema或者 CAF等[2]。而GE公司生產(chǎn)的 LOCOTROL系統(tǒng)是當(dāng)今世界最先進(jìn)的動力分布系統(tǒng)之一,主要應(yīng)用于重載鐵路運輸領(lǐng)域,能顯著提高鐵路運輸能力并有效優(yōu)化運營加長加大型貨車。

為配合中國經(jīng)濟(jì)大力增長,大秦線采用分布式機(jī)車控制技術(shù)LOCOTROL延伸機(jī)車長度,開行2萬t組合列車[3]。LOCOTROL技術(shù)的使用,不僅使列車運行更為安全,同時也大大提高了大秦線運輸能力[4]。目前,太原鐵路局湖東機(jī)務(wù)段共有 HXD1型電力機(jī)車 180余臺,因此研制HXD1機(jī)車LOCOT ROL系統(tǒng)操作及測試裝置,實現(xiàn)對 HXD1機(jī)車操作模擬以及LOCOT ROL系統(tǒng)檢測與維護(hù)具有重要的現(xiàn)實意義。

本文主要對HXD1型電力機(jī)車上應(yīng)用的LOCOTROL系統(tǒng)中RIM(繼電器接口模塊),CPM(通信處理模塊),MIPM(集成MVB接口處理器模塊)和PDM(電源分布模塊)等模塊按照機(jī)車上實際的接線方式組成試驗臺,采用VC++編寫CCU模擬操作軟件,通過MVB網(wǎng)卡實現(xiàn)模擬CCU與LOCOTROL之間的通信,兩個試驗臺之間通過電臺 RDTE或GSM-R通信實現(xiàn)模擬HXD1機(jī)車2萬 t 1+1編組模式,實現(xiàn)LOCOT ROL系統(tǒng)分布式動力控制功能和CCBII空氣制動控制功能測試,從而為大同湖東機(jī)務(wù)段LO-COTROL系統(tǒng)維護(hù)和測試提供保障。

2 HXD1機(jī)車LOCOTROL系統(tǒng)操作及測試系統(tǒng)

2.1 測試系統(tǒng)組成原理

目前在大秦鐵路上運行的HXD1型重載列車由2臺HXD1型機(jī)車共同牽引,每臺機(jī)車安裝1套LOCOTROL系統(tǒng)。該系統(tǒng)對分布在一列組合列車中的2臺機(jī)車,以主控或從控的方式完成對列車的制動或牽引,從而實現(xiàn)2臺機(jī)車由一名司機(jī)同步控制。

圖1為HXD1的LOCOTROL設(shè)備的基本架構(gòu)和主要構(gòu)成。

圖1 HXD1 LOCOT ROL設(shè)備的基本架構(gòu)和主要構(gòu)成Fig.1 Framework of HXD1 LOCOT ROL system

該系統(tǒng)主要包括以下9個子模塊。

1)集成MVB接口處理器模塊:MIPM(MVB Integrated Processor Module)。

2)司機(jī)室顯示模塊:LCDM(Locomotive CAB Display Module)。

3)GSM-R車載通信模塊單元:OCU(GSMROnboard Communication Unit)。

4)通信處理模塊:CPM(Communication Processor Module)。

5)繼電器接口模塊:RIM(Relay Interface Module)。

6)電子制動閥:EBV(Electronic Brake Valve)。

7)CCBⅡ(包括電控制動)控制單元:EPCU(Electro-pneumatic Control Unit)。

8)無線數(shù)字傳輸電臺設(shè)備:RDTE(Radio Data Transmission Equipment)。

9)電源分布模塊:PDM(Power Distribution Module)。

各模塊之間通過串行通信或數(shù)字I/O相互連接,其中MIPM模塊是整個系統(tǒng)的核心,它通過MVB總線與CCU相連,構(gòu)成整車通信網(wǎng)絡(luò)[5,6]。

本文所設(shè)計的測試平臺為系統(tǒng)測試平臺,即將所有的 LOCOTROL模塊按照機(jī)車上實際連線進(jìn)行連接,對于其中需要外部接口信號的模塊,如RIM,CPM模塊等,則通過測試臺機(jī)車指令及狀態(tài)模擬器給定實際機(jī)車信號,從而使LOCOT ROL系統(tǒng)脫離機(jī)車,在實驗室運行,并實現(xiàn)1+1編組模式。

2.2 試驗臺設(shè)計

系統(tǒng)測試平臺主要包括3部分:電源系統(tǒng)、測試臺控制系統(tǒng)和 LOCOT ROL系統(tǒng)模塊。其中測試臺控制系統(tǒng)通過上位機(jī)來完成對測試平臺的監(jiān)控,指令發(fā)送以及MVB網(wǎng)卡通信控制。機(jī)車指令與狀態(tài)模擬器則通過撥碼開關(guān)或按鈕提供開關(guān)量與模擬量輸出到工控機(jī)中的數(shù)據(jù)采集卡。測試平臺結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 測試平臺結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure diagram of test platform

系統(tǒng)測試平臺根據(jù) LOCOT ROL模塊的總體連接要求,把LOCOT ROL系統(tǒng)的各個模塊合理地安裝在測試臺內(nèi),測試臺面板上設(shè)置撥碼開關(guān)或旋轉(zhuǎn)按鈕,做為CCU模塊和RIM模塊的外部輸入,為各模塊提供正常運行所需的數(shù)字或模擬信號,用來模擬機(jī)車實際運行時的各種狀態(tài)。每個測試臺配有一臺工控機(jī),可對所有指令進(jìn)行監(jiān)控,對操作邏輯進(jìn)行判斷,同時提供與MVB網(wǎng)卡的通訊。

2.2.1 電源系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)測試臺采用交流220 V供電,通過隔離變壓器分別接至工控機(jī),AC 220 V/DC 110 V模塊和小功率AC/DC變換器,其中AC 220 V/DC 110 V模塊為測試臺提供各模塊工作所需的110V直流電源,小功率AC/DC變換器為測試臺內(nèi)各個接口模塊提供電源。系統(tǒng)測試臺電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)測試臺電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of power system for test platform

2.2.2 測試臺控制系統(tǒng)設(shè)計

該測試臺通過使用上位機(jī)與試驗臺開關(guān)的使用模擬LOCOTROL系統(tǒng)中的子模塊CCU,從而使整個LOCOTROL系統(tǒng)可以在實驗室正常運行。其中,模擬CCU是基于MVB網(wǎng)絡(luò)協(xié)議基礎(chǔ)上的中央控制系統(tǒng),它與LOCOT ROL系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸符合IEEE61375-1的MVB協(xié)議。

控制系統(tǒng)的核心是工控機(jī),內(nèi)部安裝MVB卡,32通道帶隔離數(shù)字I/O板卡,16通道模擬量采集卡。上位機(jī)用來模擬CCU操作,發(fā)送各種機(jī)車狀態(tài)指令。MVB卡用來實現(xiàn)工控機(jī)與MIPM之間通信的橋梁,通過MVB卡對MIPM模塊進(jìn)行控制。32通道數(shù)字I/O板卡主要用來對試驗臺上的開關(guān)量進(jìn)行監(jiān)控。模擬量采集板主要是用來采集試驗臺上的模擬信號,為試驗臺的操作和控制提供直觀數(shù)據(jù)。

2.2.3 LOCOT ROL系統(tǒng)模塊的連接

根據(jù) LOCOT ROL系統(tǒng)原理圖與機(jī)車上LOCOTROL系統(tǒng)的實際連接,將各個模塊進(jìn)行連接,其中CCU子模塊由所設(shè)計的模擬CCU模塊代替,由上位機(jī)進(jìn)行指令的發(fā)送與數(shù)據(jù)的讀寫。

3 軟件設(shè)計

本開發(fā)系統(tǒng)采用了VC++2005編制了工控機(jī)開發(fā)平臺程序。微軟Visual Studio2005是Microsoft公司推出的面向?qū)ο罂梢暬焖賾?yīng)用程序開發(fā)工具。通過使用預(yù)制的組件和可視化編程界面大大簡化了Window s應(yīng)用程序的設(shè)計和實現(xiàn)。

整個系統(tǒng)的軟件采用功能模塊化設(shè)計結(jié)構(gòu),便于軟件的功能擴(kuò)展和維護(hù)。軟件的系統(tǒng)框圖如圖4所示,主要包括:圖形界面模塊,CRC32位校驗?zāi)K,6405開關(guān)量模塊,8325數(shù)據(jù)采集模塊和MVB通信模塊。

圖4 LOCOT ROL軟件系統(tǒng)框圖Fig.4 Block diagram of LOCO TROL software

程序的界面設(shè)計包括主界面與CCU命令控制對話框。其中,主界面用于顯示系統(tǒng)時間,當(dāng)前操作狀態(tài)(主控,從控),網(wǎng)壓,牽引力狀態(tài),列車行進(jìn)狀態(tài),如:前進(jìn)方向,速度信息等。CCU命令控制對話框,用來模擬CCU系統(tǒng)的外部輸入,包括升弓、降弓、撒沙等,實現(xiàn)對 LOCOTROL全系統(tǒng)的實際模擬。

程序的功能設(shè)計程序流程圖如圖5所示。

圖5 LOCOT ROL軟件流程圖Fig.5 Flow chart of LOCOT ROL software

程序的通信子程序采取了多線程的工作方式。程序在所有設(shè)備進(jìn)行初識化之后,進(jìn)入主界面,此時創(chuàng)建一個偵聽所有板卡通信時間線程,由此線程監(jiān)測MVB總線狀態(tài)和6405卡與8325卡發(fā)送來的命令消息等各種通信事件,再調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)對事件進(jìn)行處理。

由于通信系統(tǒng)需要同時對6405開關(guān)量模塊與8325數(shù)據(jù)采集卡模塊進(jìn)行響應(yīng),并需要同時將操作命令通過MVB總線進(jìn)行發(fā)送,故而對需要在MVB總線上發(fā)送的數(shù)據(jù)和命令進(jìn)行CRC校驗,提高數(shù)據(jù)發(fā)送的正確率。

功能模塊實現(xiàn)的重點在于MVB通信模塊的實現(xiàn)。其中,MVB網(wǎng)卡的通信讀寫的實現(xiàn)及MVB數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的具體設(shè)置是其中的關(guān)鍵,下面從這幾個方面進(jìn)行介紹。

3.1 初始化程序

初識化程序主要是通過對MVB卡中的源端口和宿端口中的寄存器根據(jù)列車初始化狀態(tài)寫入相應(yīng)的控制字,進(jìn)行初始化,從而確定MVB卡的工作方式。

MVB卡源端口初始化數(shù)據(jù):

3.2 頭文件及通信子程序

根據(jù)MVB總線的通信協(xié)議及通信需求,定義以下頭文件和幾個子程序。

頭文件

通信子程序

系統(tǒng)軟件部分源代碼,限于篇幅節(jié)錄如下:

3.3 上位機(jī)程序特點

采用了Visual C++面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法編寫通信軟件程序,模擬LOCOTROL系統(tǒng)中CCU實現(xiàn)基于MVB協(xié)議的機(jī)車重連控制系統(tǒng),操作方便;采用多線程技術(shù)和消息驅(qū)動的工作方式,可以充分利用計算機(jī)系統(tǒng)的資源,避免瓶頸的產(chǎn)生,達(dá)到將系統(tǒng)合理組織的目的,有效避免了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的沖突,使得數(shù)據(jù)通訊安全可靠。

4 結(jié)論

本文給出了一種 LOCOTROL系統(tǒng)操作與測試的設(shè)計方案,此方案通過試驗臺的互聯(lián),模擬HXD1機(jī)車2萬 t 1+1編組模式,實現(xiàn)LOCOT ROL系統(tǒng)分布式動力控制功能和CCBII空氣制動控制功能測試,實現(xiàn)了對實際機(jī)車LOCOT ROL分布式控制的模擬,降低LOCOTROL模塊的檢測與維護(hù)費用,為HXD1機(jī)車關(guān)鍵技術(shù)的消化、吸收、再創(chuàng)新提供必要的技術(shù)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]廖洪濤.和諧HXD1型大功率交流電力機(jī)車概述[J].電力機(jī)車與城軌車輛,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.