基于MVB控制器的高速動車組門控系統(tǒng)設(shè)計

郭 凱，邰萬文，李 偉，陳楊謹瑜

（華東交通大學電氣與自動化工程學院，南昌330013）

0 引 言

伴隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在軌道交通領(lǐng)域，國內(nèi)高鐵列車作為軌道交通領(lǐng)域技術(shù)的代表，其控制系統(tǒng)具有極高的可靠性要求。在高鐵運營過程中，列車門控系統(tǒng)是搭載在列車通訊網(wǎng)絡(luò)的被控設(shè)備，肩負著乘客上下車及行車安全的責任，其安全性及可靠性顯得尤為重要。近年來，動車組列車車門故障趨勢有所增加，而目前針對動車組門控系統(tǒng)的理論分析和研究仍較為缺乏，國內(nèi)高鐵列車尚有相當一部分門控系統(tǒng)設(shè)備仍舊依賴國外技術(shù)。本文以CRH3型動車組為例，通過對門控系統(tǒng)的現(xiàn)場調(diào)研，設(shè)計出基于MVB現(xiàn)場總線技術(shù)的高速動車組門控系統(tǒng)設(shè)備，在提高中國門控系統(tǒng)的國產(chǎn)化率方面具有重要意義。

1 列車通信網(wǎng)絡(luò)簡介

國際電工委為鐵路列車設(shè)備的數(shù)據(jù)通信制定了國標IEC61375［1-2］，提出符合國際標準的列車通信網(wǎng)絡(luò)（Train Communication Network， TCN），實現(xiàn)了鐵路列車不同電氣設(shè)備的互相通信。TCN包括絞線式列車總線WTB（Wired Train Bus）和多功能車輛總線 MVB（Multifunction Vehicle Bus）。 其中，WTB總線主要承載列車車輛間的通信，MVB總線主要傳送各車廂內(nèi)部設(shè)備間的通信。這兩級總線系統(tǒng)分別帶有冗余傳輸線的串行數(shù)據(jù)總線。兩級總線之間通過網(wǎng)關(guān)進行協(xié)議轉(zhuǎn)換［3-4］。研究構(gòu)建的8編組高速列車TCN網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)即如圖1所示。

圖1中描述了8編組列車通信網(wǎng)絡(luò)中的部分電氣設(shè)備。列車總共分為8節(jié)車廂（虛線所示）。每節(jié)車廂根據(jù)功能的不同可以分為：EC01（頭車01）、TC02（變壓器車 02）、IC03（中間車 03）、BC04（酒吧車 04）、FC05（一等車 05）、IC06（中間車 06）、TC07（變壓器車07）、EC08（頭車08）。 在每節(jié)車廂中，各電氣設(shè)備使用MVB總線（實線）進行通信，拓撲結(jié)構(gòu)為總線型。REP（Repeater）為中繼轉(zhuǎn)發(fā)裝置，可以將數(shù)據(jù)傳送至其它車廂。DCU（Door Control Unit）為掛載在網(wǎng)絡(luò)當中的門控單元。BCU（Brake Control Unit）為制動控制單元。CCU（Center Control Unit）作為中央控制單元，具有對來自MVB及WTB總線上的數(shù)據(jù)診斷功能。每輛頭車的司機室內(nèi)有2個中央控制裝置（CCU）［5］，其中一個 CCU 在主CCU方式下工作，另一個在從CCU方式下運行。在本務(wù)司機室的主CCU叫做列車主控CCU。除了主CCU的工作外，還將進行整個車組更高等級的控制。 GW（Gateway）為網(wǎng)關(guān)裝置［3］，實現(xiàn) MVB 總線和WTB總線間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。

圖1 TCN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of TCN network system

2 門控器通信網(wǎng)絡(luò)

門控器是整個客室門的控制系統(tǒng)。門控器是安裝在客室門機構(gòu)上，響應(yīng)各種指令，控制著車門動作、蜂鳴器和指示燈等。門控器上設(shè)有數(shù)碼管，可以通過數(shù)碼管的顯示，判斷出門控器在響應(yīng)何種指令，及車門處于什么狀態(tài)或故障代碼。在8編組高速動車組中，車頭兩側(cè)各有一個車門，其它車廂均配有4個車門，位于車廂兩頭位置。每個門體上部都安裝門控器、指示燈、電機、車門制動器等設(shè)備。各門控器之間通過CAN總線進行連接，系統(tǒng)設(shè)置主門控器和從門控器，負責收集本車廂車門的狀態(tài)信息及接收網(wǎng)絡(luò)發(fā)出的門控信號。本次設(shè)計得到的動車組車廂內(nèi)車門通信結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 車廂門控結(jié)構(gòu)Fig.2 Door control structure of the carriage

由圖2可見，以中間車廂為例，共4個門控單元，其中 MDCU（Master Door Control Unit）為主門控器，SDCU（Slave Door Control Unit）為從門控器。 主門控器和從門控器輪流控制該車廂門控系統(tǒng)。門控器之間使用CAN總線［6］（虛線所示）連接。系統(tǒng)采用雙線冗余設(shè)計。主從門控器使用MVB總線（實線所示）經(jīng)中繼轉(zhuǎn)發(fā)裝置與列車中央控制單元進行通信［7］。與傳統(tǒng)列車門控網(wǎng)絡(luò)不同，增加從門控器的MVB通信可以避免主門控器失效而造成整個車廂門的故障，有助于提高列車車門系統(tǒng)的可靠性。

3 門控器硬件設(shè)計

在分析了門控系統(tǒng)操作方案的基礎(chǔ)上，結(jié)合可能的硬件條件，依據(jù)當前條件及現(xiàn)有技術(shù)，考慮采用XILINX公司的 SPARTAN6系列芯片，型號為XC6SLX9-2FTG256C來實現(xiàn)。使用FPGA開發(fā)基于MVB的門控器硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

由圖3可知，設(shè)計了MVB主門控器的硬件結(jié)構(gòu)，門控器使用STM32作為門控器的微處理器［8］。MVB控制器使用FPGA實現(xiàn)并具有西門子PC104總線接口［9-10］，以此保障與微處理器之間進行通信。主門控器和其它門控器之間使用CAN通信。

4 數(shù)據(jù)報文

MVB網(wǎng)絡(luò)是一個主從控制網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中，MVB總線管理器充當總線主，發(fā)出主幀，從設(shè)備對主幀做 出響應(yīng)，主從幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 MVB門控器硬件結(jié)構(gòu)Fig.3 Hardware structure of MVB door controller

圖4 主從幀結(jié)構(gòu)Fig.4 Master slave frame structure

在圖4中，主幀和從幀共同構(gòu)成一個報文，主幀中MSD（Master Start Delimiter）為主起始分界符，F(xiàn)_code是功能碼，CS（Check Sequence）為校驗序列。主幀時間為22 us，主從幀等待時間最大為43 us。從幀由于數(shù)據(jù)類型的不同可以分為過程數(shù)據(jù)、監(jiān)視數(shù)據(jù)和消息數(shù)據(jù)［11］，過程數(shù)據(jù)為16～256位，監(jiān)視數(shù)據(jù)固定為16位，消息數(shù)據(jù)為256位［10-11］。消息數(shù)據(jù)較為復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)見表1。

表1 消息數(shù)據(jù)從幀結(jié)構(gòu)Tab.1 Slave frame structure of message data

表1中，Mode是數(shù)據(jù)的傳送方式，傳送方式主要分為 2種：單播傳送（0001B）和多播傳送（1111B）。具體來說，DD標識目的設(shè)備的地址；SD標識源設(shè)備的地址；PT表明數(shù)據(jù)傳送過程中所采用的協(xié)議類型，一般為固定值，即為 TCN協(xié)議（1000B）；Final標識終點節(jié)點地址；Origin標識起始節(jié)點地址；MTC（Message Transport Control）是消息傳送控制，表明該從幀屬于消息數(shù)據(jù)；Transport Data是從幀實際需要傳送的數(shù)據(jù)。

主節(jié)點會定期輪詢其它節(jié)點來處理過程數(shù)據(jù)，對于每個節(jié)點的周期取決于車輛類型。對于相對安全等級較高的車廂，例如：牽引車輛等，該車輛內(nèi)的節(jié)點被輪詢次數(shù)要比一般車廂多?？偩€主體循環(huán)工作可以將總線的活動分為基本周期，每個基本周期分為周期相和偶發(fā)相，基本周期寬度為1.0 ms。其中，周期相主要傳送數(shù)據(jù)量較大的過程數(shù)據(jù)，偶發(fā)相主要傳送消息數(shù)據(jù)和監(jiān)視數(shù)據(jù)，監(jiān)視數(shù)據(jù)是指與總線的配置管理有關(guān)的數(shù)據(jù)。MVB的輪詢周期如圖5所示。

在此基礎(chǔ)上，研究給出了根據(jù)端口大小配置的每個報文（輪詢+響應(yīng)）的持續(xù)時間見表2。

表2 報文持續(xù)時間Tab.2 Duration of messages

5 門控系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)及功能實現(xiàn)

在高速動車組中，門控系統(tǒng)通過列車通信網(wǎng)絡(luò)連接到司控臺及其它子系統(tǒng)。門控網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖6所示。而門控系統(tǒng)各種復(fù)雜功能的研發(fā)設(shè)計可闡釋解析如下。

圖5 MVB介質(zhì)分配Fig.5 MVB media distribution

圖6 門控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.6 Door control network structure

圖6 中，列車車門可以通過網(wǎng)絡(luò)、硬線和本地進行操作，網(wǎng)絡(luò)和硬線均由司機發(fā)送信號，兩者互為冗余設(shè)計。車門緊急操作按鈕可以提供本地控制，在列車發(fā)生危險時，乘客可以通過操作緊急按鈕進行開門。司控臺按鈕、HMI顯示屏按鈕共同構(gòu)成司控臺的操作部分。門控單元通過車門上安裝的傳感器接收車門狀態(tài)并反饋給中央控制單元。車門驅(qū)動器是系統(tǒng)的受控部分，控制電機旋轉(zhuǎn)，進而滿足車門的開閉需要。車門開關(guān)狀態(tài)的檢測利用限位開關(guān)及電機脈沖編碼來實現(xiàn)。

列車車門狀態(tài)較多，主要包括開門、關(guān)門、鎖閉和釋放。處于鎖閉狀態(tài)下時必須先通過釋放才能打開車門。門控系統(tǒng)功能較為復(fù)雜，其重點設(shè)計功能可分述如下。

（1）緊急解鎖功能。通常在列車發(fā)生緊急故障時乘客可以操作車門。

（2）零速保護功能。在列車速度大于5 km／h時，車門鎖閉，即便車門釋放，也不能通過乘客按鈕打開車門；在列車車速大于10 km／h時，門控器不響應(yīng)任何車門操作，進而保護乘客安全。

（3）安全互鎖功能。安全互鎖把車上門到位開關(guān)和鎖閉開關(guān)的常開觸點及緊急解鎖開關(guān)常閉觸點串聯(lián)后和隔離開關(guān)常開觸點并聯(lián)在一起，只要有一個門沒鎖閉到位，門未關(guān)好指示燈就會亮。

（4）牽引互鎖功能。車門打開狀態(tài)下牽引互鎖實現(xiàn)牽引單元不斷電。

（5）緊急切除功能。在車門發(fā)生故障時，司機可以將車門隔離，從而保證列車正常運行。

（6）障礙物探測防夾功能。通過電機電流變化、門板傳感器膠條及紅外傳感器實現(xiàn)防夾功能。

（7）故障顯示功能。在發(fā)生故障后通過數(shù)碼管顯示故障代碼，進而為維修人員提供便利。

在安全性方面，正常電控開門的執(zhí)行必須處于零速信號有效狀態(tài)（＜5 km／h）。試驗測試中，利用控制變量法，以零速信號、使能信號、開門信號和關(guān)門信號作為輸入，并以門狀態(tài)結(jié)果作為輸出，開展門控功能測試，系統(tǒng)工作方式表決結(jié)果見表3。

表3 門控系統(tǒng)工作方式表決Tab.3 Voting on the modus operandi of the door control system

6 結(jié)束語

本文提出高速動車組門控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計了MVB門控系統(tǒng)的通訊結(jié)構(gòu)，全面分析了門控器內(nèi)部通訊結(jié)構(gòu)及報文數(shù)據(jù)。通過研究MVB現(xiàn)場總線，并結(jié)合門控系統(tǒng)功能，設(shè)計出適用于動車組門控器的MVB控制器，這就為提升國內(nèi)動車組門控系統(tǒng)的設(shè)計運行性能提供了研究基礎(chǔ)，實際上在提高其它工業(yè)控制系統(tǒng)可靠性方面也具有一定的應(yīng)用參考價值。