列車空調控制軟件試驗系統設計

摘 要 為提高空調產品的可靠性，并對空調控制策略進行驗證，設計了一套列車空調控制軟件的試驗系統。由TCMS仿真系統、測試控制器及空調仿真試驗臺組成?？蓪崿F對空調控制軟件通訊功能、控制功能的試驗驗證。

【關鍵詞】空調控制器 仿真 試驗系統

1 概述

伴隨著國內軌道交通行業的快速發展，對軌道交通系統設備的可靠性、安全性的要求越來越高。為提高列車空調產品的可靠性，以及對空調控制策略的驗證，設計了一套列車空調控制軟件的試驗系統。

試驗系統由TCMS仿真系統、空調控制器、空調仿真試驗臺三部分組成。TCMS系統是列車的主控系統，是MVB網絡的主設備。空調控制器是空調機組的控制單元，與TCMS通過MVB網絡進行數據交互，是MVB網絡的從設備。空調仿真試驗臺模擬空調相關元件的動作、狀態等，通過相應的連接線路與控制器的I/O板進行連接。

TCMS仿真系統包括VCU、IO模塊以及HMI顯示屏，VCU與I/O模塊通過I/O線進行連接，通過以太網與HMI進行數據交互，測試控制器是1臺插件板式的控制器，支持MVB通訊、CAN通訊、RS232通訊、以太網通訊，并實現空調控制的所有功能。空調仿真試驗臺是1套模擬空調系統各元件動作、狀態的試驗裝置，與測試控制器通過I/O線進行連接。

試驗系統包括6套軟件，分別為：VCU軟件、I/O控制軟件、HMI顯示軟件、控制器應用軟件、服務軟件、上傳工具軟件。其中VCU軟件、I/O控制軟件以及HMI顯示軟件是TCMS仿真系統相關的軟件。而控制器應用軟件、服務軟件及上傳工具軟件是與測試控制器相配套的軟件。

2 TCMS仿真系統

TCMS，即列車控制和管理系統（Train Control and Management System），是列車控制系統的核心。TCMS仿真系統搭載各種子系統接口，其中也包括空調系統接口。在空調控制軟件試驗系統的應用中，僅需要搭載與空調子系統的接口，因此，僅開發了與空調相關的功能，針對列車其他子系統的功能預留相應接口?？照{控制器與TCMS通過MVB網絡進行信息交換。TCMS系統包括VCU、IO模塊以及HMI顯示屏三部分。

TCMS仿真系統采用的VCU及I/O設備中，運行的系統均為T5 Runtime，將應用程序下載入設備后，均在T5 Runtime下執行。

VCU是為處理并傳輸MVB與以太網總線的數據而開發的一個鐵路PLC，功能是MVB總線管理器以及在以太網及MVB網絡中的PLC功能。同時擁有MVB接口與以太網接口，使得VCU在不同應用上可以通用且適用。VCU硬件由一個帶2個以太網接口的CPU模塊、1個EMD型MVB接口板組成?？赏ㄟ^以太網接口與加載在HMI中的服務程序進行連接，來配置或上傳軟件。VCU軟件采用的開發工具為PRISMA? IDE，是安裝在Windows系統下基于IEC61131標準的軟件工具。VCU軟件通過以太網接口上傳至VCU設備。VCU軟件中對配置BA功能，以及MVB端口地址、端口數據類型，以及對與空調相關的數據進行計算。

TCMS仿真系統的I/O模塊也是一個PLC，功能是提供輸入輸出，與VCU通過I/O線進行連接。I/O模塊控制軟件采用的開發工具與VCU相同，即PRISMA? IDE，軟件目標文件通過以太網接口上傳至I/O設備。

HMI即人機接口設備，加載了TCMS仿真系統的服務軟件，可通過服務軟件對整套設備的輸入輸出、數據進行顯示，并可進行模擬操作。HMI設備與VCU設備通過以太網進行數據交互，采用10.7英寸顯示屏，安裝了Windows操作系統，服務軟件的編程語言為C#，服務程序可采用在PC機編程后移植的方式加載到HMI設備。

3 測試控制器

3.1 控制器硬件功能

測試控制器是測試工作所依賴的基準控制器，采用19吋6U機箱，配置有功能完好的插件板。主要包括CPU板、電源板、MVB通訊板、數字輸入板、數字輸出板、模擬量輸入輸出板、NTC輸入板、壓力波保護板、HMI板。

（1）CPU板是控制器的核心部件，實現主要的控制與運算功能。前面板包含RS232通信接口，CAN通信接口及以太網接口。它通過內部CAN總線與I/O板及MVB通訊板進行數據交互。通過RS232接口進行操作系統的下載、啟動信息顯示以及與服務軟件的連接，通過以太網接口上傳應用軟件。

（2）電源板有2種，分別用于DC110V和DC24V供電場合。由于不同車型對空調控制器的供電電壓有所差異，目前主要有兩種：DC110V和DC24V，因此測試控制器可支持2種測試配置，分別滿足DC110V和DC24V供電測試需求。

（3）MVB通訊板是與VCU進行通訊的板卡，支持MVB接口及CAN接口，通過MVB接口與列車主控系統進行數據交互，通過CAN接口與控制器內部進行通訊。

（4）數字輸入板用于數字輸入信號的接收，輸入信號主要包括空調元件狀態反饋及空調元件故障信息反饋信號。

（5）數字輸出板主要用于驅動信號的數字輸出，主要驅動空調機組的風門、風機等設備。

（6）模擬量輸入輸出板用于檢測壓力傳感器與看門狗喂狗信號，回風風門位置反饋以及電壓驅動信號。

（7）NTC板用于接收溫度傳感器信號及風門位置反饋信號。

（8）壓力波保護板用于接收列車的壓力信號，并進行數據處理，根據條件啟動壓力波保護，使車廂內氣壓免受劇烈變化，提高乘客的舒適度。

（9）HMI板是控制器的簡易人機交互模塊。在它的前面板上帶有2個七段數碼管和3個按鈕用于人機交互。

3.2 控制器軟件功能

控制器軟件包括三部分：控制器應用軟件、服務軟件及輔助上傳工具。

3.2.1 控制器應用軟件

控制器應用軟件是上傳到CPU板的軟件，實現全部空調控制的功能。開發環境為基于IEC611311標準的CoDeSys軟件。軟件模塊主要包括：MVB通訊模塊、輸入及輸入處理模塊、CAN通訊模塊、空調控制模塊、輸出模塊、故障診斷模塊、與服務軟件接口模塊。

MVB通訊模塊實現與VCU之間的通訊協議，包括配置MVB設備地址、端口地址、端口大小、端口數據傳輸的功能。

輸入及輸入處理模塊實現接收數字輸入、模擬量輸入、MVB輸入數據的處理。

CAN通訊模塊實現CPU板與I/O板、MVB板之間的內部通訊功能。

空調控制模塊實現空調多種工作模式的運行以及模式切換功能?？照{工作模式主要有：停機模式、通風模式、手動模式、自動調節模式、擴展供電模式、緊急通風模式。

輸出模塊實現驅動信號的輸出。

故障診斷模塊實現空調的故障診斷功能。

與服務軟件接口模塊可將控制器所有的輸入輸出點、MVB通訊數據、故障信息通過RS232接口發送至服務軟件。

3.2.2 服務軟件及輔助上傳工具

服務軟件是可監視控制器工作狀態，并進行相關仿真操作的軟件，安裝在筆記本電腦端。開發語言為C#，支持RS232接口，與控制器進行數據交互。服務軟件包括客室及司機室兩部分，可同時支持同英文。

為使用戶可在現場方便的上傳空調應用軟件，開發了1種上傳工具，安裝在筆記本電腦端，可通過以太網與控制器連接，開發語言為C#。

4 空調仿真試驗臺

為模擬空調元件的動作及狀態、制作了1臺空調仿真試驗臺，通過I/O線與空調控制器的連接器進行連接。試驗臺主要包括以下三部分：數字輸入開關及NTC電阻型輸入旋鈕、模塊量輸入輸出顯示屏及線路切換旋鈕、數字輸出指示燈。試驗臺的輸入輸出點與測試控制器的各I/O板一一對應。

通過試驗臺來仿真空調設備的動作，并進行狀態反饋，可對空調控制器的控制功能進行驗證。同時，可設定相關模擬量控制參數。試驗臺模擬的設備包括壓縮機動作及狀態反饋、風門位置反饋信號、風機動作及狀態反饋、列車各區域溫度模擬、加熱器動作及狀態反饋、壓力波曲線等。空調仿真試驗臺不僅在各動車組空調項目的應用中發揮了重要作用，在相關項目的例行試驗中也有大量應用。

5 結論

列車空調控制軟件試驗系統的應用，在對控制軟件的運行狀態監控、控制策略的驗證中起到重要作用?？赏ㄟ^TCMS仿真系統直觀的驗證控制軟件的MVB設備地址、端口配置及數據解析是否正確，并可根據空調子系統的特征計算相關參數，對空調控制器發出相應指令。測試控制器可加載不同車型的空調應用軟件，通過一定的判斷方式來確定車型?？照{仿真試驗臺可模擬空調各設備及元件的動作及狀態。

目前，列車空調控制軟件試驗系統已成功應用于CRH3、CRH380B系列、CRH5系列等多種列車空調控制軟件的試驗驗證，提高了軟件產品設計的可靠性、安全性以及客戶滿意度。

作者簡介

馬麗麗（1983-），女，河北省滄縣人。碩士研究生。工程師，軟件工程師。研究方向為軌道交通行業控制器軟件。

作者單位

新譽集團有限公司 江蘇省常州市 213166