復興號智能動車組半實物仿真試驗平臺研究

鄭恒亮, 李海龍, 呂龍

(中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062)

復興號CR400BF智能動車組采用完全以太網控車技術，列車網絡系統TCMS與各子系統控制器通過以太網總線實現電氣連接，基于復雜的總線傳輸協議實現復雜的控制算法、故障診斷與保護策略.要設計和實現如此復雜和龐大的控制系統，并確保安全可靠，無論是設計系統間的通信協議，開發系統內部控制算法，還是在列車運用維護過程中分析處理實際故障，都迫切需要一個地面仿真試驗臺，實現對網絡通信協議、邏輯控制算法、故障診斷與保護策略等方面進行測試和驗證[1-2].本文針對復興號CR400BF智能動車組電氣系統技術特點，通過軟件編程虛擬整車電氣系統數學模型，并與TCMS真實設備(如中央控制單元CCU、顯示屏HMI)相結合，形成閉環測試系統，測試TCMS真實設備在虛擬整車環境下的響應特性，驗證TCMS各項功能安全可靠.

1 總體設計

1.1 需求分析

為提高仿真結果的置信度，需最大限度地模擬實際車輛電控系統間交互聯動工作環境，其中不僅需要考慮外圍電路接線關系，還要考慮基于總線通信實現的更加復雜的信息交互關系.大量的信號交互、針對外部激勵實現的多目標控制邏輯算法以及相應的故障診斷保護策略，是虛擬列車數學模型應該考慮和解決的問題[3].另一方面，仿真測試平臺還應具備通用性、易操作性和經濟性[4-5]，由于不同車輛電氣原理不盡相同，仿真測試平臺應具有較強的通用性，避免反復修改平臺的電氣接線[5]；應具備友好的人機交互界面便于測試人員進行操作，同時還應考慮縮減設計成本[6-7].

1.2 總體架構

基于以上需求分析，結合復興號CR400BF智能動車組TCMS拓撲結構(如圖1)進行總體設計.動車組列車采用8輛編組，分為2個牽引單元，每個牽引單元4輛編組(2動2拖).TCMS拓撲結構采用基于IEC61375系列標準的工業以太網架構，按照列車級、車輛級兩級網絡組織形式，列車級骨干網采用鏈路聚合線型架構，車輛級交換機之間采用并行冗余直線型連接，子系統設備通過雙歸屬以太網接口分別連接至以太網交換機ECNN通道1和2.列車級骨干網ETB負責跨牽引單元的數據傳輸，編組網ECN負責本牽引單元內部數據傳輸，各子系統控制器作為以太網終端設備ED，通過雙歸屬冗余接口分別連接至本車廂冗余的交換機鏈路上.本牽引單元內部CCU通過與子系統間的通信協議，實現對子系統控制工作狀態的收集，通過輸入輸出模塊IOM采集車輛硬線電路狀態，經過邏輯運算發布控制指令，同時執行故障診斷和保護動作，將必要的信息通過列車顯示器HMI實時推送給司乘人員.

圖1 復興號CR400BF智能動車組TCMS拓撲圖

2 詳細設計

搭建半實物仿真平臺旨在利用虛擬仿真方法測試真實列車網絡系統軟硬件功能.因此平臺搭建原則為列車網絡系統重要設備采用與車輛實際型號相同的硬件產品，對于地面難以搭建的硬線原理以及其他子系統采用虛擬仿真的方式實現[8].仿真試驗臺系統結構如圖2所示.

圖2 半實物仿真試驗臺系統結構

2.1 硬件設計

硬件平臺原理如圖3所示，平臺未按照實際車廂號進行劃分，而是按照2個牽引單元進行硬件設備布局.考慮到試驗臺2個牽引單元之間ETBN實際距離較短，且終端設備所需的以太網接口較少，因此取消中間車EREP和ECNN.考慮到試驗臺成本取消部分冗余設置：ETB總線取消了冗余、雙通道交換機取消冗余改成單一通道，子系統控制器雙歸屬冗余接口僅使用其中一個與交換機進行連接.

圖3 仿真試驗平臺拓撲圖

TCMS待測設備CCU、HMI以及以太網通信載體(ETBN和ECNN)采用實際硬件設備，仿真工控機IPC搭載實時以太網板卡，通過以太網接口與CCU進行硬件連接，借助顯示器HMI進行必要的狀態顯示和故障提示等.

2.2 軟件設計

基于復興號CR400BF智能動車組整車電氣原理和各子系統控制器實現的電氣功能，在ControlBuild開發環境下進行軟件編程，搭建虛擬列車數學模型.以系統為單位進行模塊化設計，具體包括：整車電氣原理仿真模型和子系統控制器仿真模型.電氣原理仿真模型，完全按照真實車輛電氣接線關系進行開發，實現各系統外圍硬線控制電路信號傳輸；子系統控制器仿真模型，基于子系統與TCMS的通信協議進行軟件開發，實現子系統對內部設備的監控和管理，并將系統實際工作狀態反饋至TCMS.

2.2.1 整車電氣原理仿真建模

考慮到應用的廣泛性和復雜性，ControlBuild為電路仿真提供了多種手段，其中應用比較廣泛的是Structured Text和Low Voltage Diagram，本文采用Low Voltage Diagram進行電氣原理仿真建模.

依據復興號CR400BF智能動車組電氣接線圖，逐步實現單個功能的仿真，圖4為所開發的牽引控制器TCU外部供電電路仿真模型.TCU外部供電條件包括“直流110V電源信號”和“直流110V控制電信號”.“直流電源110V信號”具備條件需通過閉合空開C02_F23_F01實現；正常工況下“直流110V控制電信號”具備條件需同時滿足空開C02_F23_F02閉合以及CCU輸出DO指令驅動繼電器觸點(qytcuenabledo35或qytcuenabledo36)閉合(CCU故障工況下，可通過閉合緊急模式繼電器C02_F22_K72旁路CCU的DO指令)上述條件通過電氣原理仿真模型實現，作為TCU仿真模型輸入，經TCU仿真模型判斷后續是否可正常上電啟動.

圖4 電氣原理仿真模型

對單一功能進行仿真結束后，可逐漸完成整個功能組電氣原理仿真模型的開發，最終將功能組電氣原理模型整合成整車電氣原理仿真模型.

考慮到平臺的易操作性，設計了可視化司機操縱臺界面，列車司機臺和電氣柜內部可操作電器元件(如：開關、繼電器、接觸器)均可通過可視化界面方便地進行操作.如圖5模擬復興號CR400BF智能動車組司機臺開發了可視化操作界面，其中主要包括司機鑰匙、方向開關、升弓開關、主斷開關、司控器手柄、開關門按鈕等.同時開發了司機室二級操作區可視化操作界面，主要包括ATP隔離開關、GFX過分相開關、緊急制動旁路開關、拖拽/救援選擇開關、保持制動隔離等；開發了客室各電氣柜可視化操作界面，主要包括各系統控制器供電空開、繼電器等.

圖5 仿真試驗臺可視化操作界面

2.2.2 子系統控制器仿真建模

子系統仿真模型應涵蓋車輛所有關鍵系統，包括牽引系統、高壓系統、制動系統、輔助供電、安全監控、車門等眾多子系統，子系統控制器仿真模型接收CCU控制指令，通過仿真算法虛擬實現系統內部控制功能，并將系統工作狀態反饋給CCU.

由于車輛子系統較多，在ControlBuild開發環境下應根據系統功能進行模塊化設計，首先選取關鍵子系統逐一分解控制器的功能，本例選取牽引系統關鍵功能進行軟件模塊化設計：TCU上電啟動流程,如圖6.

圖6 TCU上電啟動流程

TCU上電實現流程如下：①TCU供電啟動需同時具備直流110V電源信號和110V控制電信號，如蓄電池電量較低，CCU檢測受電弓升起后通過DO輸出TCU控制電信號，受電弓降下CCU延時取消TCU控制電信號，因此TCU需獲取的車輛狀態包括110V電源信號、CCU通過DO輸出的110V控制電信號；②推理機內預先設置軟件控制規則，當同時具備110V電源信號和110V控制電信號，TCU上電啟動進行自檢；③若自檢失敗應記錄故障并保持封鎖狀態，若無故障TCU正常啟動，轉入牽引/電制動實現流程.

牽引/電制動實現流程如圖7所示，過程如下：①TCU上電正常啟動后，TCU輸出VCB使能信號；②CCU根據VCB使能信號狀態，輸出VCB閉合指令，VCB閉合后車輛具備高壓電；③TCU檢測到高壓電后，進行預充電過程控制；④預充電完成后，進行主接觸器閉合控制；⑤主接觸器閉合后，采集到CCU發出的車輛具備牽引/電制動條件，牽引系統PWM脈沖信號激活；⑥TCU根據CCU發出的牽引/電制動力實際信息，輸出牽引/電制動力，維持車輛整車運行，并將工作狀態反饋至CCU.

圖7 牽引/電制動實現流程

另外在故障工況下CCU可以根據故障情況對故障進行安全導向，嚴重時刻進行牽引系統設備切除或執行整車限速功能，上述功能可通過模擬車輛故障進行驗證.

同理可對車輛其他子系統功能進行逐一分解，逐步完善子系統仿真模型，最終形成整車所有子系統控制器仿真模型.

3 功能測試

3.1 正常工況測試

通過可視化操作界面，檢查“司機鑰匙”置于開位激活司機室， “司控器手柄” 置于中立位， 空開C02_F23_F01和C02_F23_F02處于閉合狀態，蓄電池長時間工作電量已降低至55%，將“受電弓開關”置于升弓位，通過觀測CCU內部變量查看車輛狀態如圖8所示，具體說明見表1.

圖8 車輛狀態監視界面

表1 TCU上電啟動階段說明

3.2 故障工況測試

通過可視化操作界面，將“司機鑰匙”置于開位激活司機室，“方向開關”置于向前，分別操作“關門”和“緩解停放制動”，正常操作受電弓閉合和主斷VCB閉合，操作“司控器手柄”設置列車恒速運行.列車運行期間，模擬5車1軸大齒輪箱電機側超溫，動車組列車可自動封鎖牽引逆變器并通過HMI提示故障，同時提示列車自動限速140 km/h以下，如圖9所示.

圖9 仿真試驗臺故障診斷與顯示界面

4 結論

本文針對復興號CR400BF智能動車組整車功能測試需求， 創建了整車電氣原理仿真模型(含可視化操作界面)和子系統控制器仿真模型，通過以太網總線實現仿真工控機與TCMS真實設備的數據通信，仿真模擬動車組列車真實運行環境，分別在正常工況和故障工況下，檢驗整車控制及故障保護功能.復興號CR400BF智能動車組調試及運用結果表明，該仿真試驗平臺能夠在實驗室環境下有效地完成列車功能測試，有效縮短了列調周期，為車輛正線運營的安全性和可靠性提供了技術保障.