HXD1機車LOCOTROL系統操作及測試系統研制

宗波,郝瑞祥,游小杰

(北京交通大學 電氣工程學院,北京 100044)

1 引言

國際電工委員會標準IEC61375-1:1999,即TCN(列車通信網絡)標準,被廣泛應用于各種電力機車,電動車組上[1]。隨著高速鐵路的快速發展,許多列車制造商已經開發了諸多基于TCN的機車中心控制系統,如ABB,Siemens,Bombardier,Ansaldo,Firema或者 CAF等[2]。而GE公司生產的 LOCOTROL系統是當今世界最先進的動力分布系統之一,主要應用于重載鐵路運輸領域,能顯著提高鐵路運輸能力并有效優化運營加長加大型貨車。

為配合中國經濟大力增長,大秦線采用分布式機車控制技術LOCOTROL延伸機車長度,開行2萬t組合列車[3]。LOCOTROL技術的使用,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,太原鐵路局湖東機務段共有 HXD1型電力機車 180余臺,因此研制HXD1機車LOCOT ROL系統操作及測試裝置,實現對 HXD1機車操作模擬以及LOCOT ROL系統檢測與維護具有重要的現實意義。

本文主要對HXD1型電力機車上應用的LOCOTROL系統中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網卡實現模擬CCU與LOCOTROL之間的通信,兩個試驗臺之間通過電臺 RDTE或GSM-R通信實現模擬HXD1機車2萬 t 1+1編組模式,實現LOCOT ROL系統分布式動力控制功能和CCBII空氣制動控制功能測試,從而為大同湖東機務段LO-COTROL系統維護和測試提供保障。

2 HXD1機車LOCOTROL系統操作及測試系統

2.1 測試系統組成原理

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

圖1為HXD1的LOCOTROL設備的基本架構和主要構成。

圖1 HXD1 LOCOT ROL設備的基本架構和主要構成Fig.1 Framework of HXD1 LOCOT ROL system

該系統主要包括以下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)無線數字傳輸電臺設備: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字I/O相互連接,其中MIPM模塊是整個系統的核心,它通過MVB總線與CCU相連,構成整車通信網絡[5,6]。

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

2.2 試驗臺設計

系統測試平臺主要包括3部分:電源系統、測試臺控制系統和 LOCOT ROL系統模塊。其中測試臺控制系統通過上位機來完成對測試平臺的監控,指令發送以及MVB網卡通信控制。機車指令與狀態模擬器則通過撥碼開關或按鈕提供開關量與模擬量輸出到工控機中的數據采集卡。測試平臺結構框圖如圖2所示。

圖2 測試平臺結構框圖Fig.2 Structure diagram of test platform

系統測試平臺根據 LOCOT ROL模塊的總體連接要求,把LOCOT ROL系統的各個模塊合理地安裝在測試臺內,測試臺面板上設置撥碼開關或旋轉按鈕,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字或模擬信號,用來模擬機車實際運行時的各種狀態。每個測試臺配有一臺工控機,可對所有指令進行監控,對操作邏輯進行判斷,同時提供與MVB網卡的通訊。

2.2.1 電源系統設計

系統測試臺采用交流220 V供電,通過隔離變壓器分別接至工控機,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變換器為測試臺內各個接口模塊提供電源。系統測試臺電源系統結構如圖3所示。

圖3 系統測試臺電源系統結構Fig.3 Structure of power system for test platform

2.2.2 測試臺控制系統設計

該測試臺通過使用上位機與試驗臺開關的使用模擬LOCOTROL系統中的子模塊CCU,從而使整個LOCOTROL系統可以在實驗室正常運行。其中,模擬CCU是基于MVB網絡協議基礎上的中央控制系統,它與LOCOT ROL系統之間的數據傳輸符合IEEE61375-1的MVB協議。

控制系統的核心是工控機,內部安裝MVB卡,32通道帶隔離數字I/O板卡,16通道模擬量采集卡。上位機用來模擬CCU操作,發送各種機車狀態指令。MVB卡用來實現工控機與MIPM之間通信的橋梁,通過MVB卡對MIPM模塊進行控制。32通道數字I/O板卡主要用來對試驗臺上的開關量進行監控。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據。

2.2.3 LOCOT ROL系統模塊的連接

根據 LOCOT ROL系統原理圖與機車上LOCOTROL系統的實際連接,將各個模塊進行連接,其中CCU子模塊由所設計的模擬CCU模塊代替,由上位機進行指令的發送與數據的讀寫。

3 軟件設計

本開發系統采用了VC++2005編制了工控機開發平臺程序。微軟Visual Studio2005是Microsoft公司推出的面向對象可視化快速應用程序開發工具。通過使用預制的組件和可視化編程界面大大簡化了Window s應用程序的設計和實現。

整個系統的軟件采用功能模塊化設計結構,便于軟件的功能擴展和維護。軟件的系統框圖如圖4所示,主要包括:圖形界面模塊,CRC32位校驗模塊,6405開關量模塊,8325數據采集模塊和MVB通信模塊。

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

程序的界面設計包括主界面與CCU命令控制對話框。其中,主界面用于顯示系統時間,當前操作狀態(主控,從控),網壓,牽引力狀態,列車行進狀態,如:前進方向,速度信息等。CCU命令控制對話框,用來模擬CCU系統的外部輸入,包括升弓、降弓、撒沙等,實現對 LOCOTROL全系統的實際模擬。

程序的功能設計程序流程圖如圖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。程序在所有設備進行初識化之后,進入主界面,此時創建一個偵聽所有板卡通信時間線程,由此線程監測MVB總線狀態和6405卡與8325卡發送來的命令消息等各種通信事件,再調用相應的函數對事件進行處理。

由于通信系統需要同時對6405開關量模塊與8325數據采集卡模塊進行響應,并需要同時將操作命令通過MVB總線進行發送,故而對需要在MVB總線上發送的數據和命令進行CRC校驗,提高數據發送的正確率。

功能模塊實現的重點在于MVB通信模塊的實現。其中,MVB網卡的通信讀寫的實現及MVB數據結構的具體設置是其中的關鍵,下面從這幾個方面進行介紹。

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列車初始化狀態寫入相應的控制字,進行初始化,從而確定MVB卡的工作方式。

MVB卡源端口初始化數據:

3.2 頭文件及通信子程序

根據MVB總線的通信協議及通信需求,定義以下頭文件和幾個子程序。

頭文件

通信子程序

系統軟件部分源代碼,限于篇幅節錄如下:

3.3 上位機程序特點

采用了Visual C++面向對象的設計方法編寫通信軟件程序,模擬LOCOTROL系統中CCU實現基于MVB協議的機車重連控制系統,操作方便;采用多線程技術和消息驅動的工作方式,可以充分利用計算機系統的資源,避免瓶頸的產生,達到將系統合理組織的目的,有效避免了網絡數據的沖突,使得數據通訊安全可靠。

4 結論

本文給出了一種 LOCOTROL系統操作與測試的設計方案,此方案通過試驗臺的互聯,模擬HXD1機車2萬 t 1+1編組模式,實現LOCOT ROL系統分布式動力控制功能和CCBII空氣制動控制功能測試,實現了對實際機車LOCOT ROL分布式控制的模擬,降低LOCOTROL模塊的檢測與維護費用,為HXD1機車關鍵技術的消化、吸收、再創新提供必要的技術支持。

[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車概述[J].電力機車與城軌車輛,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.