長春輕軌北湖線列車控制及監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

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。

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)視車載制動系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)以及其他主要設(shè)備的狀態(tài)，實現(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

長春輕軌北湖線項目列車管理系統(tǒng)（TCMS）網(wǎng)絡(luò)分為二級總線，列車通信網(wǎng)絡(luò)采用符合CIA標準的CANopen網(wǎng)絡(luò)，用于牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)和列車內(nèi)各主要設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸。制動和牽引的車輛控制、車輛運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標準[1]的CANopen總線，設(shè)備總線采用CAN總線、RS485總線。總體設(shè)計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)主要進行車輛運行狀態(tài)監(jiān)視及故障診斷的工作，同時參與相當一部分的車輛控制，還要保證在網(wǎng)絡(luò)故障時可以采取降級模式，車輛可以自行下線。

1.2 網(wǎng)絡(luò)拓撲

具體網(wǎng)絡(luò)拓撲結(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，實現(xiàn)了車輛的CANopen總線管理和車輛控制功能;運行數(shù)據(jù)與故障數(shù)據(jù)的記錄功能由數(shù)據(jù)記錄儀ERM實現(xiàn);RIOM機箱實現(xiàn)了數(shù)字信號和模擬信號的輸入輸出功能;IDU顯示單元是與駕駛?cè)藛T和維護人員進行交互的人機交互裝置。

1.3 系統(tǒng)配置

按照硬件組成及各個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個部分： VCU單元、IDU顯示單元、 RIOM機箱、ERM單元。各個部件在車上的分布如表1所示。

2? 系統(tǒng)功能

TCMS對列車牽引系統(tǒng)、制動系統(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)進行控制、監(jiān)視、運行記錄和故障診斷。

2.1 控制功能

2.1.1 牽引系統(tǒng)

①牽引制動指令傳輸：TCMS采集司機控制器牽引控制信號，包括牽引/制動指令、級位令和運行方向指令;

②運行操作模式控制（洗車模式、高加速模式、反向運行等）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;

⑤監(jiān)視牽引系統(tǒng)故障顯示;

⑥時鐘同步;

⑦監(jiān)視與TCU的通訊狀態(tài)。

2.1.2 制動系統(tǒng)

①牽引制動指令傳輸：TCMS發(fā)送給BCU的控制信號：制動級位和牽引/制動指令（牽引、制動）;

②發(fā)起制動系統(tǒng)自檢;

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

④監(jiān)視與制動系統(tǒng)的通訊狀態(tài);

⑤時鐘同步。

2.1.3 輔助系統(tǒng)

①監(jiān)視與ACU的通訊狀態(tài);

②時鐘同步;

③TCMS接收ACU的狀態(tài)信號：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：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站點設(shè)置，起始站、終點站、當前站設(shè)置;

②監(jiān)視PIS系統(tǒng)通訊狀態(tài);

③監(jiān)視每節(jié)車乘客警報器狀態(tài);

④時鐘同步。

2.1.5 列車自動保護系統(tǒng)

①監(jiān)視ATP 通訊狀態(tài);

②時鐘同步：獲取信號系統(tǒng)發(fā)送的時間，并進行同步。

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)運行模式設(shè)定;

③制冷、制熱目標溫度設(shè)定;

④維護人員可通過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)信號和故障信號，在顯示單元特定界面進行顯示或提示;

⑥時鐘同步。

2.1.7 門控系統(tǒng)

①時鐘同步;

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)，同時通過顯示器顯示出來。比如操作端、列車速度、總風壓力、列車方向、牽引制動狀態(tài)、網(wǎng)壓等信息在每個運行模式界面上顯示。

2.3 故障診斷功能

ERM單元完成列車故障診斷功能。列車故障信息的識別和處理，同時故障信息的輸出功能全部由該診斷系統(tǒng)實現(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)存儲功能，存儲期至少為30天。至少可記錄72個小時的運行情況，當存儲容量不足時，舊的信息被最新的信息覆蓋，采用先進先出模式存儲。

作為TCMS系統(tǒng)的重要組成部分，當故障發(fā)生時，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，能夠協(xié)助司機采取適當?shù)牟僮?當處理故障時，可以提供維護人員故障信息及操作提示，使維護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)生時的信息通過列車總線傳輸?shù)絀DU上，IDU將設(shè)備項的故障代碼連同日期和時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)不同的故障類別進行故障評估。IDU的界面中的當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，司機可以從IDU上獲得他所必須實施的操作的指導(dǎo)說明。

2.3.1 故障分級

列車控制和診斷系統(tǒng)將故障劃分成三個級別，診斷系統(tǒng)對于不同級別的故障，提供不同處理方式，具體如下：

①一級故障：要求列車駕駛員即時關(guān)注或采取措施的故障視為嚴重故障。當該類故障出現(xiàn)時，顯示器顯示“故障”并閃爍，且在故障檢查界面顯示確認鍵。在列車駕駛員點擊確認鍵后，“故障”顯示消失。確認后，故障信息會在在歷史故障信息界面保存并顯示，同時顯示故障處理提示用于排除故障。

②二等故障：要求列車維護人員關(guān)注的故障視為中等故障。此類故障不會影響執(zhí)行乘客服務(wù)運行。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年上線運營，經(jīng)過兩年的驗證，此車輛網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的運行穩(wěn)定可靠，操控簡潔，滿足長春地區(qū)用戶的需求，為當?shù)鼐用竦某鲂刑峁┝吮憷麠l件。

參考文獻：

[1]IEC61375-1. Electric Railway Equipment-Train Bus： Train Communication Network （First edition）[S]. Geneva： IEC， 1999.

[2]毛瀚徵，陳清峰，尹飛，曾石強.列控系統(tǒng)速度信號模擬裝置研究[J].內(nèi)燃機與配件，2019（09）：194-195.

[3]張麗杰.基于PLC的礦井風機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].內(nèi)燃機與配件，2017（09）：122-123.