軌道車輛技術(shù)TCMS 終端系統(tǒng)仿真裝置設(shè)計(jì)

朱紅崗,于海寧

(昆明鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)車車輛學(xué)院,云南 昆明 650208)

0 引言

國(guó)家級(jí)職業(yè)技能大賽軌道車輛技術(shù)項(xiàng)目其中一個(gè)比賽賽項(xiàng)為車輛整車故障排查與處理。該軌道車輛為地鐵車輛,作為地鐵車輛神經(jīng)中樞的列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱“TCMS系統(tǒng)”)起著至關(guān)重要的作用。列車電氣系統(tǒng)故障的產(chǎn)生、分析及排除關(guān)乎列車是否能激活、控制、牽引、制動(dòng)、車門開關(guān)、空調(diào)正常工作等多方面。要設(shè)計(jì)和安全實(shí)現(xiàn)車輛控制功能,需要一個(gè)TCMS終端裝置仿真測(cè)試平臺(tái),實(shí)現(xiàn)對(duì)列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)接口、邏輯控制、故障診斷及排除等的分析驗(yàn)證。

1 研究現(xiàn)狀

譚驥[1]通過分析終端裝置設(shè)備在CRH2列車網(wǎng)絡(luò)中的主要功能需求,實(shí)現(xiàn)了終端裝置仿真軟件設(shè)計(jì),模擬了向車載設(shè)備傳遞列車控制指令、監(jiān)測(cè)及反饋設(shè)備狀態(tài)、模擬故障工況的功能。劉鵬[2]建立了CRH3型高速列車運(yùn)行情況的仿真平臺(tái),分析了車門系統(tǒng)的狀態(tài)、邏輯關(guān)系與安全性要求,并給出了該系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)。王磊[3]構(gòu)建了CRH3半實(shí)物仿真平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)、牽引、高壓電路、制動(dòng)、空調(diào)、車門、旅客信息等系統(tǒng)的功能仿真。陳寧[4]闡述了列車門控系統(tǒng),并分析了列車開關(guān)門控制邏輯,車門故障排除及隔離等關(guān)鍵功能的實(shí)現(xiàn)。

2 存在的問題

目前,國(guó)內(nèi)雖然有相關(guān)的技術(shù)人員對(duì)列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進(jìn)行研究分析,但大多著重動(dòng)車組、MVB理論及通信驗(yàn)證、純軟件仿真等方面,存在以下不足:對(duì)軌道車輛技術(shù)項(xiàng)目車輛整車故障排查與處理單賽項(xiàng)研究不足,缺乏依托地鐵車輛TCMS系統(tǒng)進(jìn)行整車故障排查與處理的經(jīng)驗(yàn);對(duì)列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研究大部分集中在高速動(dòng)車組方面,在地鐵車輛方面研究相對(duì)較少;對(duì)列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研究,大部分集中在MVB理論研究及通信驗(yàn)證、列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)與其他車載子系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互等方面,停留在實(shí)驗(yàn)室模擬階段,缺乏實(shí)際項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn);對(duì)地鐵車輛列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)與其他車載電氣控制系統(tǒng)的控制邏輯模擬,尚處于起步階段,對(duì)車輛實(shí)際控制邏輯了解不透徹,對(duì)地鐵車輛整車故障排查與處理邏輯不清楚。

3 終端系統(tǒng)仿真裝置設(shè)計(jì)

本文提出以三菱PLC和觸摸屏為核心,搭建了Tc車終端系統(tǒng)控制電路、Mp車終端系統(tǒng)控制電路、M車終端系統(tǒng)控制電路,構(gòu)建了TCMS 終端系統(tǒng)仿真裝置,如圖1所示。通過觸摸屏觸發(fā)PLC的輸入輸出I/O所連接的Tc車、Mp車、M車終端系統(tǒng)控制電路,用于模擬實(shí)際地鐵車輛硬線控制電路故障。該故障產(chǎn)生后由各車RIOM輸入輸出單元負(fù)責(zé)采集。采集后的信號(hào)通過MVB多功能車輛總線上傳至位于Tc車的CCU中央控制單元,CCU將該故障信息上報(bào)HMI車輛屏,地鐵司機(jī)基于故障應(yīng)急處置手冊(cè)對(duì)該故障進(jìn)行模擬處理,為軌道車輛整車故障排查與處理提供了平臺(tái)支撐。

圖1 終端系統(tǒng)仿真裝置測(cè)試平臺(tái)

該平臺(tái)對(duì)地鐵車輛典型電氣系統(tǒng)與TCMS系統(tǒng)之間的通信原理進(jìn)行研究、分析、總結(jié),建立了對(duì)列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的理論研究及通信驗(yàn)證;對(duì)地鐵車輛典型電氣系統(tǒng)工作原理進(jìn)行研究、分析、總結(jié),并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真設(shè)計(jì),建立了列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)與終端系統(tǒng)仿真裝置的控制邏輯;對(duì)地鐵車輛典型電氣系統(tǒng)與TCMS系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究、分析、總結(jié),建立了列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)與終端系統(tǒng)仿真裝置的數(shù)據(jù)交互、硬線連接。

以Tc車為例,搭建終端系統(tǒng)列車控制電路部分電路如圖2所示,完成司機(jī)室激活列車線、TCMS緊急制動(dòng)列車線、零速列車線、車門關(guān)好列車線、警惕列車線、列車緊急制動(dòng)列車線等信號(hào)的控制及故障模擬觸發(fā),直觀分析城軌車輛電氣系統(tǒng)控制電路的邏輯,實(shí)現(xiàn)IO硬線故障。

在正常情況下,由列車控制供電線DC110V→司機(jī)室激活繼電器K101常開觸點(diǎn)→方向手柄前或后位→門關(guān)好繼電器K104常開觸點(diǎn)或零速繼電器K103常開觸點(diǎn)→警惕繼電器K105常開觸點(diǎn)或零速繼電器K103常開觸點(diǎn)→VCU緊急制動(dòng)繼電器K102常閉觸點(diǎn)→司控器緊急制動(dòng)蘑菇按鈕→緊急制動(dòng)繼電器K106供電。當(dāng)上述電路電流因?yàn)閷?shí)際硬線故障或者PLC軟觸發(fā)電路開路都可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)故障觸發(fā),司機(jī)在HMI顯示屏上可以看到并進(jìn)行相應(yīng)故障處理。

項(xiàng)目采用三菱PLC FX3U-48 MR作為終端系統(tǒng)仿真裝置控制器。以Tc車為例,搭建編寫終端系統(tǒng)列車控制電路PLC梯形圖部分程序如圖3所示,完成司機(jī)室激活、TCMS緊急制動(dòng)、零速、車門關(guān)好、警惕、列車緊急制動(dòng)等信號(hào)的控制及故障模擬觸發(fā),通過觸摸屏控制PLC,PLC I/O輸出硬線控制指令驅(qū)動(dòng)列車相關(guān)控制電路繼電器得電或失電,以此模擬列車控制電路中的硬線或繼電器故障,故障信息通過列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中遠(yuǎn)程輸入輸出模塊進(jìn)行信號(hào)采集,采集后經(jīng)MVB多功能車輛總線,將該信息傳遞給CCU中央控制單元,CCU集中處理將信號(hào)傳遞給HMI車輛屏,HMI提示司機(jī)或車輛維保人員進(jìn)行故障或事件警告報(bào)送,依據(jù)HMI相關(guān)提示信息進(jìn)行控制電路故障查找、分析及排除。

圖3 終端系統(tǒng)仿真裝置PLC程序

項(xiàng)目采用三菱觸摸屏GS2107作為終端系統(tǒng)仿真裝置觸摸屏顯示器,基于GS2107開發(fā)了各類系統(tǒng)故障觸發(fā)及故障復(fù)位界面:車門系統(tǒng)“M車、Mp車、列車左側(cè)車門關(guān)好,車門關(guān)門燈不亮”“M車、Mp車、列車右側(cè)車門關(guān)好,車門關(guān)門燈不亮”“列車所有車門關(guān)好,車門關(guān)門燈不亮”3類故障;輔助供電系統(tǒng)“M車、Mp車SIV輸出AC380V異常”;制動(dòng)系統(tǒng)“M車、Mp車制動(dòng)隔離塞門1、2異常”;牽引系統(tǒng)“正常位聯(lián)鎖”;空調(diào)系統(tǒng)“M車、Mp車緊急通風(fēng)逆變器異常”;充電機(jī)系統(tǒng)“M車、Mp車DD110輸出異常”等。觸摸屏程序設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 終端系統(tǒng)仿真裝置觸摸屏程序

4 終端系統(tǒng)仿真裝置驗(yàn)證

軌道車輛技術(shù)項(xiàng)目車輛整車故障排查與處理地鐵車輛仿真測(cè)試平臺(tái)主要包括3大部分:司機(jī)控制臺(tái)、地鐵車輛列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和TCMS終端系統(tǒng)仿真裝置,三者之間準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、有效、可靠的工作是平臺(tái)正常運(yùn)行的基本要求。

按照?qǐng)D1終端系統(tǒng)仿真裝置測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行搭建測(cè)試,在觸摸屏上車門系統(tǒng)頁面序號(hào)①M(fèi)車左側(cè)車門關(guān)好,車門關(guān)門燈不亮,點(diǎn)“故障觸發(fā)”按鈕,該觸發(fā)按鈕下沉及“觸發(fā)”指示燈變亮,PLC中相應(yīng)輸出信號(hào)失電,M車門關(guān)好繼電器失電,司機(jī)臺(tái)所有車門關(guān)好指示燈滅,HMI車輛屏檢修界面M車DI/DO界面左側(cè)車門關(guān)好DI信號(hào)變灰,運(yùn)行界面顯示牽引封鎖,查看封鎖提示為“車門狀態(tài)正常”顯示紅色。

在觸摸屏上輔助供電系統(tǒng)頁面序號(hào)①M(fèi)車SIV輸出AC380V異常,點(diǎn)“故障觸發(fā)”按鈕,該觸發(fā)按鈕下沉及觸發(fā)指示燈變亮,PLC中相應(yīng)輸出信號(hào)失電,M車SIV輸出AC380V正常繼電器失電,HMI車輛屏檢修界面M車DI/DO界面SIV輸出AC380V正常DI信號(hào)變灰,牽引/輔助界面SIV無電壓輸出。

在觸摸屏上制動(dòng)系統(tǒng)頁面序號(hào)①M(fèi)車制動(dòng)隔離塞門1異常,點(diǎn)“故障觸發(fā)”按鈕,該觸發(fā)按鈕下沉及觸發(fā)指示燈變亮,PLC中相應(yīng)輸出信號(hào)失電,M車制動(dòng)隔離塞門1繼電器失電,HMI車輛屏檢修界面M車DI/DO界面制動(dòng)隔離塞門1 DI信號(hào)變亮,運(yùn)行界面顯示牽引封鎖,查看封鎖提示為“安全制動(dòng)未激活”顯示紅色。

在觸摸屏上牽引系統(tǒng)頁面序號(hào)①正常位聯(lián)鎖點(diǎn)“故障觸發(fā)”按鈕,該觸發(fā)按鈕下沉及觸發(fā)指示燈變亮,PLC中相應(yīng)輸出信號(hào)失電,Tc車正常位聯(lián)鎖繼電器失電,HMI車輛屏檢修界面Tc車DI/DO界面正常位聯(lián)鎖信號(hào)變灰,運(yùn)行界面顯示牽引封鎖,查看封鎖提示為“列車供電正常”顯示紅色。

按照上述測(cè)試邏輯對(duì)空調(diào)系統(tǒng)、充電機(jī)系統(tǒng)依次進(jìn)行測(cè)試,HMI車輛屏均出現(xiàn)不同故障現(xiàn)象。學(xué)員基于以上故障現(xiàn)象進(jìn)行分析、判斷及定位,找到該故障進(jìn)行上報(bào),教員核實(shí)并對(duì)學(xué)員故障排查與處理能力進(jìn)行評(píng)價(jià),之后點(diǎn)“故障復(fù)位”按鈕,該觸發(fā)按鈕下沉及“復(fù)位”指示燈變亮,說明該類故障已復(fù)位,系統(tǒng)仿真裝置支持單一故障和多個(gè)多類故障同時(shí)觸發(fā)。

TCMS終端系統(tǒng)仿真裝置主要完成了地鐵車輛電氣控制仿真系統(tǒng)與列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)接口和通信的設(shè)計(jì)及搭建,實(shí)現(xiàn)了TCMS終端系統(tǒng)仿真裝置的軟硬件設(shè)計(jì),能夠通過列車中央控制單元CCU、遠(yuǎn)程輸入輸出單元RIOM接收司機(jī)控制臺(tái)、車輛屏HMI的命令并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和反饋,模擬列車牽引系統(tǒng)、車門系統(tǒng)、輔助供電系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、充電機(jī)系統(tǒng)發(fā)生故障后,司機(jī)或車輛維保人員應(yīng)該如何判斷及處理故障。

5 結(jié)語

本文基于昆明鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院城軌車輛TCN列車通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)室研制出了一套與其配套的終端系統(tǒng)仿真裝置,通過TCMS終端系統(tǒng)仿真裝置的設(shè)計(jì)、開發(fā)、驗(yàn)證和維護(hù),實(shí)現(xiàn)了對(duì)列車的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)接口、車載電氣控制系統(tǒng)的邏輯控制、故障診斷及排除等方面的分析驗(yàn)證,彌補(bǔ)了車輛故障排查與處理研究的不足,為軌道車輛技術(shù)項(xiàng)目車輛整車故障排查與處理賽項(xiàng)提供平臺(tái)支撐。