長春輕軌北湖線列車控制及監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

何勇 王永剛 羅延具 劉鵬

摘要：本文主要介紹了長春輕軌北湖線列車控制及監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：有軌電車;網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng);CANopen

0? 引言

長春輕軌北湖線列車是由中車長春軌道客車股份有限公司研制的70%低地板有軌電車。列車控制及監(jiān)控系統(tǒng)用于監(jiān)視車載制動(dòng)系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)以及其他主要設(shè)備的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)列車內(nèi)的功能控制和故障記錄。

1? 列車控制與監(jiān)視

系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)概述

長春輕軌北湖線項(xiàng)目列車管理系統(tǒng)（TCMS）網(wǎng)絡(luò)分為二級(jí)總線，列車通信網(wǎng)絡(luò)采用符合CIA標(biāo)準(zhǔn)的CANopen網(wǎng)絡(luò)，用于牽引系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)和列車內(nèi)各主要設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸。制動(dòng)和牽引的車輛控制、車輛運(yùn)行信息以及車輛診斷系統(tǒng)和其他主要設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)視采用總線控制方式，車輛總線則采用符合IEC61375標(biāo)準(zhǔn)[1]的CANopen總線，設(shè)備總線采用CAN總線、RS485總線?？傮w設(shè)計(jì)原則是車輛硬線控制為主、網(wǎng)絡(luò)控制為輔。列車管理系統(tǒng)主要進(jìn)行車輛運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視及故障診斷的工作，同時(shí)參與相當(dāng)一部分的車輛控制，還要保證在網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)可以采取降級(jí)模式，車輛可以自行下線。

1.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

具體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

如圖1所示，TCMS系統(tǒng)主要包括中央控制單元VCU，實(shí)現(xiàn)了車輛的CANopen總線管理和車輛控制功能;運(yùn)行數(shù)據(jù)與故障數(shù)據(jù)的記錄功能由數(shù)據(jù)記錄儀ERM實(shí)現(xiàn);RIOM機(jī)箱實(shí)現(xiàn)了數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)的輸入輸出功能;IDU顯示單元是與駕駛?cè)藛T和維護(hù)人員進(jìn)行交互的人機(jī)交互裝置。

1.3 系統(tǒng)配置

按照硬件組成及各個(gè)硬件在車輛中的安裝位置不同，TCMS系統(tǒng)設(shè)備主要包含4個(gè)部分： VCU單元、IDU顯示單元、 RIOM機(jī)箱、ERM單元。各個(gè)部件在車上的分布如表1所示。

2? 系統(tǒng)功能

TCMS對(duì)列車牽引系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、輔助電源系統(tǒng)、車門系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、乘客信息等系統(tǒng)進(jìn)行控制、監(jiān)視、運(yùn)行記錄和故障診斷。

2.1 控制功能

2.1.1 牽引系統(tǒng)

①牽引制動(dòng)指令傳輸：TCMS采集司機(jī)控制器牽引控制信號(hào)，包括牽引/制動(dòng)指令、級(jí)位令和運(yùn)行方向指令;

②運(yùn)行操作模式控制（洗車模式、高加速模式、反向運(yùn)行等）等;

③輪徑設(shè)定;

④監(jiān)視牽引系統(tǒng)狀態(tài)：接收牽引控制器發(fā)送的狀態(tài)信號(hào);

⑤監(jiān)視牽引系統(tǒng)故障顯示;

⑥時(shí)鐘同步;

⑦監(jiān)視與TCU的通訊狀態(tài)。

2.1.2 制動(dòng)系統(tǒng)

①牽引制動(dòng)指令傳輸：TCMS發(fā)送給BCU的控制信號(hào)：制動(dòng)級(jí)位和牽引/制動(dòng)指令（牽引、制動(dòng)）;

②發(fā)起制動(dòng)系統(tǒng)自檢;

③制動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視：接收制動(dòng)系統(tǒng)控制器發(fā)送的狀態(tài)信號(hào)，包括載荷信號(hào)、軸速、制動(dòng)和緩解狀態(tài)、保持制動(dòng)狀態(tài)、緊急制動(dòng)狀態(tài)、轉(zhuǎn)向架隔離狀態(tài)、空轉(zhuǎn)和滑動(dòng)狀態(tài)、硬線控制信號(hào)反饋等;

④監(jiān)視與制動(dòng)系統(tǒng)的通訊狀態(tài);

⑤時(shí)鐘同步。

2.1.3 輔助系統(tǒng)

①監(jiān)視與ACU的通訊狀態(tài);

②時(shí)鐘同步;

③TCMS接收ACU的狀態(tài)信號(hào)：輸入電壓、輸出電壓、輸出頻率、輸出電流、蓄電池電壓、故障類型代碼;

④TCMS接收ACU的故障信號(hào)：濾波電容過壓、輸出過壓、輸出過流等。

2.1.4 旅客信息系統(tǒng)

①站點(diǎn)設(shè)置，起始站、終點(diǎn)站、當(dāng)前站設(shè)置;

②監(jiān)視PIS系統(tǒng)通訊狀態(tài);

③監(jiān)視每節(jié)車乘客警報(bào)器狀態(tài);

④時(shí)鐘同步。

2.1.5 列車自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)

①監(jiān)視ATP 通訊狀態(tài);

②時(shí)鐘同步：獲取信號(hào)系統(tǒng)發(fā)送的時(shí)間，并進(jìn)行同步。

2.1.6 空調(diào)系統(tǒng)

①監(jiān)視空調(diào)系統(tǒng)通訊狀態(tài);

②空調(diào)運(yùn)行模式設(shè)定;

③制冷、制熱目標(biāo)溫度設(shè)定;

④維護(hù)人員可通過TCMS的顯示單元傳輸空調(diào)工作模式指令通過給空調(diào)系統(tǒng);

⑤TCMS接收空調(diào)控器的狀態(tài)信號(hào)和故障信號(hào)，在顯示單元特定界面進(jìn)行顯示或提示;

⑥時(shí)鐘同步。

2.1.7 門控系統(tǒng)

①時(shí)鐘同步;

②監(jiān)視車門開關(guān)狀態(tài)和故障狀態(tài);

③監(jiān)視車門控制器通訊狀態(tài)。

2.2 監(jiān)視功能

TCMS監(jiān)視列車網(wǎng)絡(luò)上主要設(shè)備的工作狀態(tài)，同時(shí)通過顯示器顯示出來。比如操作端、列車速度、總風(fēng)壓力、列車方向、牽引制動(dòng)狀態(tài)、網(wǎng)壓等信息在每個(gè)運(yùn)行模式界面上顯示。

2.3 故障診斷功能

ERM單元完成列車故障診斷功能。列車故障信息的識(shí)別和處理，同時(shí)故障信息的輸出功能全部由該診斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，然后將所有診斷信息和列車故障信息反饋給列車系統(tǒng)。各子系統(tǒng)傳來的故障信息以及故障發(fā)生的時(shí)間和相關(guān)數(shù)據(jù)全部由ERM接收。系統(tǒng)具有斷電后數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，存儲(chǔ)期至少為30天。至少可記錄72個(gè)小時(shí)的運(yùn)行情況，當(dāng)存儲(chǔ)容量不足時(shí)，舊的信息被最新的信息覆蓋，采用先進(jìn)先出模式存儲(chǔ)。

作為TCMS系統(tǒng)的重要組成部分，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，TCMS故障診斷系統(tǒng)的診斷能將以文本信息在IDU上顯示給司機(jī)，能夠協(xié)助司機(jī)采取適當(dāng)?shù)牟僮?當(dāng)處理故障時(shí)，可以提供維護(hù)人員故障信息及操作提示，使維護(hù)人員更容易地查找并解決故障。

因此，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將故障發(fā)生時(shí)的信息通過列車總線傳輸?shù)絀DU上，IDU將設(shè)備項(xiàng)的故障代碼連同日期和時(shí)間等故障信息顯示出來。

在IDU上，每條純文本信息都配有故障代碼，根據(jù)不同的故障類別進(jìn)行故障評(píng)估。IDU的界面中的當(dāng)前故障以及歷史故障中均顯示有純文本信息和故障類別。另外，司機(jī)可以從IDU上獲得他所必須實(shí)施的操作的指導(dǎo)說明。

2.3.1 故障分級(jí)

列車控制和診斷系統(tǒng)將故障劃分成三個(gè)級(jí)別，診斷系統(tǒng)對(duì)于不同級(jí)別的故障，提供不同處理方式，具體如下：

①一級(jí)故障：要求列車駕駛員即時(shí)關(guān)注或采取措施的故障視為嚴(yán)重故障。當(dāng)該類故障出現(xiàn)時(shí)，顯示器顯示“故障”并閃爍，且在故障檢查界面顯示確認(rèn)鍵。在列車駕駛員點(diǎn)擊確認(rèn)鍵后，“故障”顯示消失。確認(rèn)后，故障信息會(huì)在在歷史故障信息界面保存并顯示，同時(shí)顯示故障處理提示用于排除故障。

②二等故障：要求列車維護(hù)人員關(guān)注的故障視為中等故障。此類故障不會(huì)影響執(zhí)行乘客服務(wù)運(yùn)行。故障信息在故障界面顯示，并在故障信息界面顯示故障處理提示用于排除故障。

③三級(jí)故障：因列車駕駛員觸發(fā)的故障視為輕微故障。要求列車駕駛員關(guān)注此類故障。但故障并不會(huì)在駕駛員的故障信息界面上顯示，僅在故障日志中保存記錄。

2.3.2 故障顯示

顯示單元顯示當(dāng)前故障和歷史故障。

2.3.3 故障查看和打印

用戶可使用TCMS提供的PTU軟件，以列表或曲線的形式查看和打印記錄。

3? 結(jié)語

長春輕軌北湖線列車已于2018年上線運(yùn)營，經(jīng)過兩年的驗(yàn)證，此車輛網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定可靠，操控簡潔，滿足長春地區(qū)用戶的需求，為當(dāng)?shù)鼐用竦某鲂刑峁┝吮憷麠l件。

參考文獻(xiàn)：

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