動車組列車控制功能仿真測試平臺研究*

夏 菲，趙紅衛(wèi)，高 楓，姚 放

（1 北京縱橫機電科技有限公司，北京100094；2 中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京100081）

列車控制系統(tǒng)承擔(dān)著整個動車組的控制、監(jiān)視、診斷與保護(hù)任務(wù)，負(fù)責(zé)完成列車的運行控制、監(jiān)視、診斷功能，通過列車網(wǎng)絡(luò)控制和管理列車的牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、高壓系統(tǒng)、輔助供電、空調(diào)、行車安全設(shè)備、車門、照明等幾乎所有子系統(tǒng)，其中牽引系統(tǒng)是與列車網(wǎng)絡(luò)控制關(guān)系最密切的子系統(tǒng)，牽引控制單元是列車控制網(wǎng)絡(luò)的重要組成設(shè)備。牽引控制的優(yōu)劣不僅直接影響到列車牽引性能的好壞，同時對列車邏輯控制和設(shè)備管理也會造成影響。

現(xiàn)有動車組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真測試平臺中的牽引系統(tǒng)多是虛擬建立的理想模型，并不能更真實地反映牽引系統(tǒng)控制響應(yīng)，不能更好地進(jìn)行列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)與牽引控制的邏輯關(guān)系研究。針對上述問題，文中建立的某型動車組列車控制功能仿真測試平臺，基于RT-LAB實時仿真機，由4臺真實中央控制單元設(shè)備和4臺真實牽引控制單元設(shè)備組成，模擬了全列車4個牽引控制單元共同運行的情況。

介紹了基于RT-LAB的某型動車組列車控制功能仿真測試平臺，介紹了其結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)方式，最后進(jìn)行了仿真應(yīng)用研究。

1 動車組列車控制功能仿真測試平臺實現(xiàn)

1.1 動車組結(jié)構(gòu)介紹

某型動車組是由2個對稱布置的牽引動力單元組成，即1～4號車組成1個牽引動力單元和5～8號車組成1個牽引動力單元，動車組中牽引系統(tǒng)部件布置在車下，在2個牽引單元上成對稱分布如圖1所示。

圖1 某型8編組動車組配置結(jié)構(gòu)

安裝在動車組車下的牽引變流器主要由2個并聯(lián)的網(wǎng)側(cè)四象限整流器和電機側(cè)逆變器組成。四象限整流器主電路采用的是兩相兩重整流器結(jié)構(gòu)。電機側(cè)逆變器主電路采用兩電平三相橋式結(jié)構(gòu)，逆變器控制并聯(lián)的4個牽引電機，牽引變流器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 某型8編組牽引變流器結(jié)構(gòu)

1.2 動車組列車控制仿真測試平臺結(jié)構(gòu)

動車組列車控制仿真測試平臺采用適合于邏輯仿真的ControlBuild（以下簡稱CB）仿真軟件建立列車網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和除了牽引控制單元外的其他列車網(wǎng)絡(luò)設(shè)備仿真模型，采用實時仿真系統(tǒng)RT-LAB為牽引控制單元提供仿真工作環(huán)境。

動車組列車控制功能在線測試平臺結(jié)構(gòu)如圖3所示，它由4臺真實牽引控制單元設(shè)備、真實的中央控制單元設(shè)備和司機顯示屏組成。工控機及CB仿真軟件為中央控制單元提供整車電氣和網(wǎng)絡(luò)運行環(huán)境，實時仿真系統(tǒng)RT-LAB為TCU提供牽引系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)的仿真。中央控制單元及其仿真環(huán)境構(gòu)成了列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，牽引控制單元及實時仿真構(gòu)成了2個牽引單元的牽引系統(tǒng)。

圖3 動車組列車控制仿真測試平臺結(jié)構(gòu)

動車組列車控制仿真測試平臺結(jié)構(gòu)組成主要分為2大部分，第一部分是列車控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)仿真，這部分由4臺真實的列車網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備中央控制單元和4臺司機顯示屏組成。由于列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)對仿真的實時性要求不是太高，我們采用適合于控制邏輯仿真的CB仿真軟件為搭建網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)模型，包括整車低壓電氣線路仿真和列車其他的受控子系統(tǒng)的仿真，例如制動系統(tǒng)、輔助供電系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、門控系統(tǒng)等的仿真。另一部分是牽引控制單元的執(zhí)行機構(gòu)牽引系統(tǒng)的仿真［1］，例如主變壓器、牽引變流器、牽引電機及牽引傳動系統(tǒng)的仿真建立。這些執(zhí)行機構(gòu)的仿真對實時性要求非常高，因而我們選用實時仿真系統(tǒng)RT-LAB來實現(xiàn)牽引系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)的仿真，使其能夠在列車控制網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境下，進(jìn)入列車牽引/制動的正常工作狀態(tài)。

動車組列車控制仿真測試平臺在列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)上加入了牽引控制系統(tǒng)的實時仿真，使列車網(wǎng)絡(luò)控制的仿真環(huán)境更加真實，可以在整車的工作環(huán)境下很好的研究和驗證牽引控制與列車網(wǎng)絡(luò)控制之間以及其他設(shè)備之間的相互關(guān)系，測試和驗證列車網(wǎng)絡(luò)的控制邏輯和控制功能。

1.3 列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真

列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真首要解決的問題就是實現(xiàn)真實的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中央控制單元與仿真系統(tǒng)的通訊問題。為了實現(xiàn)與列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊接口，在工控機上集成了MVB通訊網(wǎng)卡，可以連接該牽引單元的MVB網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)除了牽引控制單元外的其他仿真受控子系統(tǒng)與其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的MVB網(wǎng)絡(luò)通訊，例如制動控制系統(tǒng)BCU，輔助控制系統(tǒng)等。在CB仿真環(huán)境中，MVB驅(qū)動中的數(shù)據(jù)通過共享內(nèi)存與CB仿真程序進(jìn)行交換。CB仿真環(huán)境下MVB數(shù)據(jù)通信的軟件框圖如圖4所示。

圖4 CB的通信驅(qū)動程序

解決了列車網(wǎng)絡(luò)的通訊問題后，利用CB仿真軟件實現(xiàn)對除了牽引系統(tǒng)外的其他各受控子系統(tǒng)的功能仿真，包括制動系統(tǒng)、輔助供電系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、門子系統(tǒng)等列車受控子系統(tǒng)，同時通過CB仿真軟件的低壓電氣圖實現(xiàn)了整車的硬件電氣線路仿真，從而建立了整車網(wǎng)絡(luò)控制仿真。通過CB仿真軟件實現(xiàn)了司機控制臺的仿真，包括升/降弓、主斷閉合/斷開開關(guān)，牽引手柄、制動手柄和自動速度控制手柄等司機臺操作部件。司機仿真控制臺的司機手柄界面如圖5所示。CB仿真模型的建立可以實現(xiàn)對列車的正常操作，完成占用司機室、方向開關(guān)設(shè)定、受電弓升起/降下、主斷路器閉合/斷開等操作。

圖5 司控臺控制手柄CB仿真界面

1.4 實時仿真實現(xiàn)

如前所述，我們采用實時仿真系統(tǒng)RT-LAB建立4個牽引變流器及高壓供電、牽引傳動裝置的實時仿真模型［2］，為全列牽引控制單元提供牽引系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)的仿真。

RT-LAB實時仿真器是整個實時仿真系統(tǒng)和核心組成部分，該仿真器硬件包含1臺主機、1臺目標(biāo)機、1套仿真管理軟件。主機運行windows操作系統(tǒng)，用于仿真模型的開發(fā)和運行仿真管理軟件。實時仿真目標(biāo)機OP5600運行QNX實時操作系統(tǒng)，用于主機的代碼和執(zhí)行實時代碼，可以通過實時代碼來代替牽引變流器、牽引電機等執(zhí)行機構(gòu)。

動車組列車控制仿真測試平臺的牽引系統(tǒng)實時仿真部分的整體結(jié)構(gòu)如圖6所示，其中1臺牽引變流器實時仿真的詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

圖6 TCU在線測試臺實時仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖7 一臺TCU實時仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 動車組列車控制功能仿真測試平臺仿真應(yīng)用

動車組列車控制功能仿真測試平臺可以測試并驗證中央控制單元與列車網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的信息交互，研究和測試列車網(wǎng)絡(luò)控制功能，特別是可以更好的測試列車網(wǎng)絡(luò)控制與牽引控制之間的控制邏輯關(guān)系，驗證牽引控制單元在整個網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中完成的功能，同時可以對現(xiàn)場發(fā)生的故障進(jìn)行再現(xiàn)模擬，找出故障原因，提供故障解決方案。

2.1 通信協(xié)議的測試驗證

動車組列車控制功能仿真測試平臺可以對中央控制單元與網(wǎng)絡(luò)各個子系統(tǒng)之間的通訊協(xié)議進(jìn)行測試和驗證。尤其是牽引控制單元是真實的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，可以驗證網(wǎng)絡(luò)變量設(shè)置、輪詢周期等方面是否符合設(shè)計指標(biāo)和功能要求。

2.2 列車控制邏輯測試驗證

動車組列車控制功能仿真測試平臺是在真實的列車控制網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，同時具有4個真實的牽引控制單元設(shè)備的測試仿真平臺，可以深入研究列車控制網(wǎng)絡(luò)與全列多牽引控制單元之間的控制邏輯關(guān)系，以及牽引控制單元之間的信息交互，對列車控制軟件進(jìn)行設(shè)計驗證。牽引控制單元的牽引控制功能和網(wǎng)絡(luò)通訊功能可以在整個列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中得到驗證，還可以測試和驗證牽引控制單元與列車主斷控制環(huán)路的控制關(guān)系、列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對牽引控制單元的控制、對輔助系統(tǒng)的管理等。

2.3 列車故障導(dǎo)向安全測試驗證

動車組列車控制功能仿真測試平臺為牽引控制單元搭建了整車的運行環(huán)境，牽引控制單元和中央控制單元可以同時在測試臺中得到測試和驗證，不僅可以測試牽引系統(tǒng)自身的故障響應(yīng)和保護(hù)措施，也可以測試對列車級網(wǎng)絡(luò)控制的影響。在動車組實際運營中會經(jīng)常會遇到與牽引系統(tǒng)相關(guān)的故障，嚴(yán)重的還會影響列車的正常運行。牽引系統(tǒng)應(yīng)有相關(guān)的安全設(shè)計和系統(tǒng)保護(hù)功能，當(dāng)牽引設(shè)備不正常時，牽引系統(tǒng)能夠迅速保護(hù)，同時自動或提示司機手動隔離故障設(shè)備并導(dǎo)向安全，不會擴大故障影響。牽引系統(tǒng)會根據(jù)發(fā)生故障的部件進(jìn)行合理的保護(hù)，牽引系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)故障部件選擇恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)方式，包括斷開主斷、減少功率輸出、逆變器輸出封鎖等。同時，列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)會根據(jù)故障的情況，牽引系統(tǒng)報告的狀態(tài)，從列車控制層面使故障導(dǎo)向安全。列車控制功能仿真測試平臺既可以模擬正常運行環(huán)境條件下的列車牽引控制響應(yīng)和反饋，也可以模擬各種異常故障工況下牽引控制的響應(yīng)和機制。

例如，牽引逆變器IGBT開關(guān)管發(fā)生故障，會引起本牽引逆變器脈沖封鎖，本牽引變流器1無牽引力輸出。在試驗臺模擬某型動車組在列車正常牽引運行時，牽引逆變器IGBT開關(guān)管故障。修改牽引逆變器模型中的相關(guān)參數(shù)，使得逆變器PWMI開關(guān)管T1發(fā)生開路故障。在逆變器PWMI開關(guān)管開路的情況下，造成逆變器輸出三相電流正負(fù)半波不對稱，電流值增大，引起TCU對電機電流設(shè)定值的限制，最終導(dǎo)致電機電流超過所能允許的最大電流限制，PWI逆變器被封鎖，隨后4QC也被封鎖脈沖。牽引逆變器開關(guān)管T1發(fā)生開路故障時，逆變器PWMI開關(guān)管T1發(fā)生開路故障時中間直流側(cè)電壓波形圖如圖8所示，牽引電機輸出三相電流波形如圖9所示，牽引電機輸出相電壓相電流的關(guān)系如圖10所示，牽引電機輸出電磁轉(zhuǎn)矩如圖11所示。

圖8 中間直流側(cè)電壓波形

圖9 牽引電機三相電流波形

圖10 牽引電機相電壓相電流波形

圖11 牽引電機輸出電磁轉(zhuǎn)矩波形

從圖9～圖11可以看出，改變逆變器PWMI參數(shù)使得逆變器T1開關(guān)管開路的瞬間，牽引電機相電流發(fā)生了畸變、出現(xiàn)單相電流不對稱的情況，與此同時，牽引電機輸出電磁轉(zhuǎn)矩開始較大的波動。牽引電機電流和電磁轉(zhuǎn)矩的振蕩僅僅是由于PW?MI逆變器被封鎖引起的，由于逆變器被封鎖，此變流器失去牽引力輸出，所以列車只能以最高75%的動力運行。

3 結(jié)束語

文中介紹了某型動車組的列車和牽引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上搭建了列車控制功能仿真測試平臺，詳細(xì)討論了測試平臺的結(jié)構(gòu)和建立的方法、實現(xiàn)的功能。此仿真測試平臺是列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)與牽引系統(tǒng)結(jié)合的列車控制功能仿真驗證平臺，不僅可以測試驗證列車網(wǎng)絡(luò)控制功能，還可以測試和驗證牽引控制與列車網(wǎng)絡(luò)控制之間的關(guān)系和控制邏輯，為深入了解列車網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)提供了手段，為研發(fā)新一代高速動車組提供技術(shù)支持和仿真驗證。