神華交流傳動電力機(jī)車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)優(yōu)化研究

吳昌友，郭 亮，鐘 盛，劉燁軒

（株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲412001）

0 引言

神華交流機(jī)車隸屬于HXD1型交流傳動電力機(jī)車，HXD1型神華八軸機(jī)車運(yùn)用于神華集團(tuán)，是適用于中國干線鐵路重載貨運(yùn)的新型機(jī)車[1]，自2011年12月上線運(yùn)營以來，已逐步成為神華集團(tuán)運(yùn)煤的主力軍。目前上線運(yùn)營機(jī)車達(dá)150余臺，運(yùn)用在神朔鐵路、包神鐵路、朔黃鐵路等鐵路干線，各線路的總計(jì)運(yùn)煤總量達(dá)萬億噸，產(chǎn)品性能得到用戶的一致認(rèn)可。

但是長期以來，神華號八軸交流機(jī)車在朔黃段上線運(yùn)行后，從2013年6月份開始出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)不明原因異常中斷現(xiàn)象，導(dǎo)致機(jī)車自動降弓，對機(jī)車運(yùn)用的穩(wěn)定性造成不良影響。雖然此前采取的措施取得了比較理想的成效，但在LTE無線重聯(lián)列車開通，GDTE裝置投入使用后，網(wǎng)絡(luò)干擾問題再次在機(jī)車運(yùn)行中頻發(fā)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中斷，導(dǎo)致機(jī)車自動降弓。為了從根本上解決神華八軸機(jī)車網(wǎng)絡(luò)干擾問題，首先解決受電弓硬件故障問題，其次提高網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備的可靠性，最后從系統(tǒng)的角度必須將目前的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，避免類似問題的產(chǎn)生。

1 優(yōu)化分析及思路

1.1 原因分析

自從出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)不明原因異常中斷而導(dǎo)致神華號八軸交流機(jī)車降弓現(xiàn)象以后，通過對下載的ERM數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行分析、實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場數(shù)據(jù)測試以及檢測試驗(yàn)中心的一致性試驗(yàn)等有效措施，總結(jié)出導(dǎo)致自動降弓的原因?yàn)橐韵聨讉€方面：

（1）控制系統(tǒng)正常保護(hù)降弓

通過部件故障確認(rèn)，為保護(hù)部件防止故障進(jìn)一步擴(kuò)大，控制系統(tǒng)進(jìn)行有效的保護(hù)，從而產(chǎn)生機(jī)車降弓的主要原因有TCU充電超時而導(dǎo)致兩個變流器被隔離、電壓傳感器故障而導(dǎo)致兩個變流器被隔離和變流器整流模塊故障而導(dǎo)致兩個變流器被隔離。

（2）受電弓硬件原因

通過數(shù)據(jù)分析和檢修確認(rèn)，導(dǎo)致的自動降弓的受電弓硬件原因主要有滑板部分脫落、受電弓滑條掉塊、受電弓碳板故障、受電弓滑板中的風(fēng)管破損等。

（3）MVB網(wǎng)絡(luò)通信受到干擾

通過數(shù)據(jù)分析，在機(jī)車發(fā)生降弓的時間段，ERM記錄的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)清晰地顯示了MVB通信網(wǎng)絡(luò)受到了嚴(yán)重干擾。發(fā)生自動降弓時的事件記錄數(shù)據(jù)解析圖中顯示的信號出現(xiàn)跳變表明MVB網(wǎng)絡(luò)通信出現(xiàn)異常，單個或者多個設(shè)備故障引起整個網(wǎng)絡(luò)故障。

因?yàn)镸VB網(wǎng)絡(luò)是總線式結(jié)構(gòu)，在任意時刻只允許某個設(shè)備獨(dú)自使用網(wǎng)絡(luò)（往總線上發(fā)送數(shù)據(jù)），如同時存在多個設(shè)備同時發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送的波形會進(jìn)行疊加或?qū)е虏ㄐ五e誤，這時網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備也無法接收網(wǎng)絡(luò)上的任何數(shù)據(jù)。

同時，第三方設(shè)備在啟動過程中，或重啟過程中，會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信中斷或總線存在大量的錯幀。主要由于網(wǎng)絡(luò)中所有的設(shè)備共用MVB總線，總線空閑采用偏置電阻來控制總線電平，總線采用端末并聯(lián)2個120 Ω的電阻進(jìn)行阻抗匹配。

其中和網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)架相關(guān)的主要原因是MVB網(wǎng)絡(luò)通信受到干擾，因此必須將目前的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，避免類似問題的產(chǎn)生。

1.2 優(yōu)化原則

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的構(gòu)架優(yōu)化主要基于以下兩個原則：

（1）根據(jù)設(shè)備和信號的冗余分類，保證劃分后的網(wǎng)絡(luò)具有更高的冗余度；

（2）一致性較高的設(shè)備在同一網(wǎng)段，第三方設(shè)備在同一網(wǎng)段。

1.3 利弊分析

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的構(gòu)架優(yōu)化的優(yōu)點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：

（1）提高網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力，確保個別設(shè)備的故障不影響整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓，將故障影響降到最低；（2）各網(wǎng)段的電纜總長度遠(yuǎn)小于原來電纜長度；（3）提高網(wǎng)絡(luò)冗余度，部分設(shè)備故障不影響機(jī)車運(yùn)用；

（4）不明原因的故障可以明確定位；

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的構(gòu)架優(yōu)化的劣勢主要有以下幾點(diǎn)：

1）增加成本和安裝空間，包括新增設(shè)備和電纜以及協(xié)調(diào)主機(jī)廠增加設(shè)備安裝空間；

2）增加布線長度和布線難度，總體的電纜布線距離變長，電纜多次穿過司機(jī)室墻體，由原單一的總線結(jié)構(gòu)變?yōu)榭偩€+星型混合結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；

3）新增網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，增加該設(shè)備的故障點(diǎn)。

2 優(yōu)化方案

2.1 優(yōu)化方案探索

問題解決和優(yōu)化方案制定是不斷探索的過程。根據(jù)原因分析和現(xiàn)場運(yùn)用的情況，最優(yōu)方案制定之前，分別采用了三個臨時性的處理措施。以下詳細(xì)介紹優(yōu)化前的初步處理措施。首先，現(xiàn)場售后人員通過與段方技術(shù)科進(jìn)行溝通和協(xié)調(diào)，關(guān)閉一臺機(jī)車的CTU電源開關(guān)上線運(yùn)行，該臺機(jī)車自上線至現(xiàn)場改造前從未出現(xiàn)因網(wǎng)絡(luò)干擾而導(dǎo)致的自動降弓現(xiàn)象。其次，通過將不同車（一臺常出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)干擾機(jī)車和一臺從未出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)干擾的機(jī)車）上的GWM模塊互換，出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)干擾而自動降弓的機(jī)車多次出現(xiàn)相同現(xiàn)象，另外未出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)干擾的機(jī)車還是從未出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)干擾。再次，考慮到網(wǎng)絡(luò)CCU的主權(quán)會造成WTB初始化進(jìn)而出現(xiàn)自動降弓，因而考慮切除一個GWM模塊上線運(yùn)行。出現(xiàn)自動降弓的機(jī)車仍然發(fā)生與之前相同的故障現(xiàn)象，即MVB網(wǎng)絡(luò)通信受到干擾而自動降弓。最后，通過中繼器形式將MVB網(wǎng)絡(luò)整體進(jìn)行分段劃分的改造方案，保證了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和機(jī)車運(yùn)用的穩(wěn)定性。

2.2 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)簡介

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（TCMS）作為整車控制系統(tǒng)，通過信號采集模塊，采集司機(jī)的操作指令、機(jī)車各個工況下的狀態(tài)等信號，經(jīng)過運(yùn)算及邏輯處理，給出操作機(jī)車各部件的控制指令，并通過MVB總線實(shí)現(xiàn)與牽引變流器、空氣制動系統(tǒng)、無線重聯(lián)裝置等部件的數(shù)據(jù)交換。列車處于重聯(lián)牽引時，主控機(jī)車與從控機(jī)車之間的數(shù)據(jù)交換通過絞線式列車總線WTB[2]或者無線重聯(lián)實(shí)現(xiàn)，關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖1所示。

圖1 關(guān)聯(lián)關(guān)系圖

2.3 總體結(jié)構(gòu)描述

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用二層總線結(jié)構(gòu)：列車級和車輛級控制，列車控制級采用絞線式列車總線WTB，車輛控制級采用多功能車輛總線MVB_EMD[3]。由于多功能車輛總線MVB_EMD網(wǎng)段涉及大量設(shè)備（其中包含第三方設(shè)備），為進(jìn)一步劃分網(wǎng)段，同時在一致性試驗(yàn)未充分驗(yàn)證的前提下，充分的利用總線+星型混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最大限度的隔離故障設(shè)備，因而提高網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力，更有效的管理網(wǎng)絡(luò)。

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)使用分布式控制技術(shù)，即分布采集及執(zhí)行，中央集中控制與管理的模式[4]。機(jī)車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)硬件由網(wǎng)關(guān)模塊GWM、事件記錄模塊EDRM、中繼器REP、數(shù)字量輸入輸出模塊DXM、數(shù)字量輸入模塊DIM、模擬量輸入輸出模塊AXM和智能顯示單元DDU等組成，通過MVB與主變流器控制單元TCU、制動控制單元BCU、列車供電系統(tǒng)ETS和無線重聯(lián)裝置OCE等智能設(shè)備進(jìn)行通信。各單元之間通過MVB_EMD接口完成數(shù)據(jù)通信，各模塊通信接口定義符合IEC61375標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 改造方案說明

一套完整神八機(jī)車的MVB網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)共包含21個設(shè)備，通過電纜將所有設(shè)備串聯(lián)起來。DXM11到AXM13這四個設(shè)備位于司機(jī)室中，其它設(shè)備均在機(jī)械間內(nèi)。其中HMI安裝在司機(jī)臺上，DXM11、DIM12與AXM13位于司機(jī)臺下方的柜體中，從ERM到DXM38共11個設(shè)備安裝低壓柜內(nèi)，OCE與GDTE的機(jī)箱位于機(jī)械間同一個機(jī)柜，CTU安裝在信號柜中，TCU1&TCU2和BCU各自具有獨(dú)立的柜體或機(jī)體。

在此方案中，將原本的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)劃分為兩個網(wǎng)段，其中OCE、GDTE和CTU劃分于一個網(wǎng)段，其它的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備劃分于另一個網(wǎng)段，兩個網(wǎng)段通過中繼單元進(jìn)行數(shù)據(jù)透明轉(zhuǎn)發(fā)。

單節(jié)車的改造量具體如下（一臺車的改造量是2套）：

新增一個BCM模塊、三根EMD線纜（兩根1 m的線纜，一根15 m的線纜）、兩個EMD終端（一公一母）以及一個2芯電源插頭。

2.5 八軸機(jī)車網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架規(guī)范

通過應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的積累，規(guī)劃并制定了八軸機(jī)車網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

CCU單元和REP中繼處于同一個網(wǎng)絡(luò)段，各個REP下的設(shè)備處于一個網(wǎng)絡(luò)段，各REP或者各網(wǎng)段內(nèi)的設(shè)備相互獨(dú)立，當(dāng)某個REP或者某個網(wǎng)段下的設(shè)備故障時不會影響整臺車的邏輯控制。以下將詳細(xì)介紹。

REP1網(wǎng)段的設(shè)備主要是司機(jī)室顯示器、司機(jī)室IO的輸入輸出設(shè)備（冗余設(shè)備的其中一組）、機(jī)械間的IO的輸入輸出設(shè)備（冗余設(shè)備的其中一組）、牽引變流器1（含輔助變流器）。

REP2網(wǎng)段的設(shè)備主要是司機(jī)室IO的輸入輸出設(shè)備（冗余設(shè)備的其中一組）、機(jī)械間的IO的輸入輸出設(shè)備（冗余設(shè)備的其中一組）、牽引變流器2（含輔助變流器）。

REP3網(wǎng)段的設(shè)備主要是制動控制單元、列車供電系統(tǒng)以及無線重聯(lián)設(shè)備等第三方設(shè)備。八軸機(jī)車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 八軸機(jī)車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

八軸機(jī)車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)所需設(shè)備配置（每半車+中間車）如表1所列。

表1 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)備配置表

圖2中和表1中的縮略語含義如下：

AXM-模擬量輸入輸出模塊

BCU-制動控制單元

CAB-司機(jī)室

CCU-中央控制單元

CIO-司機(jī)室輸入輸出

DDU-司機(jī)室顯示單元

DIM-數(shù)字量輸入模塊

DXM-數(shù)字量輸入輸出模塊

EDRM-以太網(wǎng)數(shù)據(jù)記錄單元

ETS-列車供電系統(tǒng)

GWM-網(wǎng)關(guān)模塊

IDU-智能顯示單元

MVB-多功能車輛總線

OCE-無線操作控制單元

REP-中繼器

TCMS-網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

TCU-傳動控制單元

WTB-絞線式列車總線

制定的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌啾容^原車型雖然增加了2個DXM和3個REP，但是在功能和性能上具有很大優(yōu)勢。

3 結(jié)束語

神華八軸交流傳動機(jī)車是國內(nèi)首次運(yùn)用于地方鐵路的無線重聯(lián)重載貨運(yùn)交流傳動機(jī)車，同時是首次運(yùn)用于LTE無線網(wǎng)絡(luò)的無線重聯(lián)機(jī)車，已經(jīng)逐漸替代SS4B型直流電力機(jī)車[5]。通過機(jī)車批量運(yùn)用，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)問題，并通過有效方案進(jìn)行解決，以提高控制系統(tǒng)的抗干擾能力，達(dá)到整個系統(tǒng)最優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高機(jī)車的運(yùn)用性。

朔黃機(jī)輛分公司現(xiàn)場已完成所有神華八軸機(jī)車的現(xiàn)場改造，并上線運(yùn)行，通過現(xiàn)場改造，完全解決了網(wǎng)絡(luò)干擾導(dǎo)致自動降弓等問題，在很大程度上提高了可用性和可靠性。同時為制定八軸機(jī)車的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)架構(gòu)規(guī)范奠定了基礎(chǔ)，并作為該規(guī)范的典型應(yīng)用案例。