高速磁浮交通牽引控制系統(tǒng)原理分析及研究

張前鋒

（上海磁浮交通發(fā)展有限公司，上海 201204）

0 引言

作為一種新型的交通運輸方式，磁浮交通不僅更安全、快捷、舒適，還更加清潔和節(jié)能，對長距離、快運輸有著巨大優(yōu)勢，是人類交通事業(yè)發(fā)展的一個重要研究方向。上海磁浮交通示范運營線基于電磁懸浮、長定子直線同步電機驅(qū)動技術(shù)：車體相當于同步電機的轉(zhuǎn)子，軌道相當于同步電機的定子；將普通電機的旋轉(zhuǎn)運動方式變成了直線運動方式。它主要通過牽引控制系統(tǒng)來精確調(diào)節(jié)、控制磁浮列車的牽引力和制動力的大小，使得磁浮列車能夠快速安全可靠的沿著計算好的速度曲線舒適的加速和制動。

上海磁浮線的牽引控制系統(tǒng)是一套較復(fù)雜的同步電機自動控制調(diào)速系統(tǒng)，是基于現(xiàn)代化大功率電子電路技術(shù)和微處理器集成控制系統(tǒng)技術(shù)。

1 磁浮牽引控制系統(tǒng)

上海磁浮線牽引控制系統(tǒng)主要作用：在磁浮列車運行期間，列車牽引系統(tǒng)的開環(huán)、閉環(huán)控制作用；監(jiān)控和診斷作用。牽引控制系統(tǒng)在OCS（Operation Control System，運行控制系統(tǒng)）設(shè)定的安全控制邊界下，根據(jù)列車運行命令和控制設(shè)定值全自動的工作；在磁浮列車運行期間，牽引控制系統(tǒng)能根據(jù)系統(tǒng)自身狀況和維護要求，隔離或閉鎖部分牽引控制系統(tǒng)子單元，進行調(diào)試、測試、維護或獨立仿真運行等各項工作。

2 磁浮牽引控制系統(tǒng)概述及子系統(tǒng)介紹

牽引控制系統(tǒng)主要包括3個子系統(tǒng)，分別是MCU（Motor Control Unit，牽引電機控制單元）、CCU（Converter Control Unit，變頻器控制單元）和開關(guān)站控制系統(tǒng)：MCU和CCU的核心控制單元均由SIEMENS公司的全集成大型控制器SIMADYN D構(gòu)成；軌旁開關(guān)站控制系統(tǒng)的核心控制器由SIEMENS公司的SIMATIC控制器構(gòu)成。

2.1 子系統(tǒng)分布及構(gòu)成

上海磁浮交通線路正線共有4個牽引控制分區(qū)，維修基地1個牽引控制分區(qū)；每個牽引控制分區(qū)可以單獨控制，相鄰分區(qū)之間也可以通過MCU交接控制運行。每個牽引控制分區(qū)有2個相互冗余的MCU來進行總體控制，CCU和開關(guān)站系統(tǒng)接收MCU的總體控制，協(xié)同控制磁浮車輛的牽引和制動運行（圖1、圖2）。

圖1 牽引控制分區(qū)概念框圖

MCU在牽引控制系統(tǒng)中處于最高等級，進行牽引系統(tǒng)的總體控制。CCU和開關(guān)站控制系統(tǒng)接受MCU的控制命令。

MCU和CCU位于變電所內(nèi)，開關(guān)站控制系統(tǒng)主控制器SIMATIC也位于變電所內(nèi)，但其遠程I/O點分布于沿軌道分布的開關(guān)站內(nèi)，用來執(zhí)行命令信號和反饋信息，其數(shù)據(jù)通過Profibus總線來通信。

MCU之間、MCU與CCU之間均通過OTN（Optical Trans原port Network，光傳送網(wǎng)）傳輸數(shù)據(jù)，設(shè)備間數(shù)據(jù)交換通過光纖進行，MCU和CCU與開關(guān)站控制系統(tǒng)之間也通過沿軌道鋪設(shè)的光纖進行連接和數(shù)據(jù)交換，其工業(yè)控制總線類型為Profibus總線。

2.2 子系統(tǒng)核心控制器

牽引控制系統(tǒng)由SIMADYN D（包括系統(tǒng)軟件）、SIMATIC（包括系統(tǒng)軟件）和OTN網(wǎng)絡(luò)（包括系統(tǒng)軟件）等標準化的功能模塊組成。

SIMADYN D模塊主要應(yīng)用于電機控制系統(tǒng)和變頻器控制系統(tǒng)，是電機控制和變頻器控制的核心單元，負責(zé)牽引的核心控制與計算功能，并負責(zé)與OCS的通信以及電機控制系統(tǒng)和變頻器控制系統(tǒng)之間的通信。

SIMATIC S7（S318）是電機控制系統(tǒng)和變頻器系統(tǒng)的電源監(jiān)視，負責(zé)電機控制系統(tǒng)與OCS之間的數(shù)據(jù)傳輸和協(xié)議的轉(zhuǎn)換，開關(guān)站總線控制，冷卻系統(tǒng)的自動化控制。另外，SIMATIC S7通過Profibus總線與WinCC和 SIMADYN D進行通信。

MCU與MCU及CCU之間的數(shù)據(jù)通信主要依靠OTN環(huán)網(wǎng)，開關(guān)站總線及MCU之間的數(shù)據(jù)通信主要依靠Profibus總線，OTN環(huán)網(wǎng)和Profibus總線上的數(shù)據(jù)通過接口協(xié)議轉(zhuǎn)換傳送到監(jiān)控系統(tǒng)HMI（Human Machine Interface，人機界面）服務(wù)器，客戶端監(jiān)控系統(tǒng)與監(jiān)控服務(wù)器則主要由以太網(wǎng)構(gòu)成。

圖2 牽引HMI資源圖

圖3 牽引控制系統(tǒng)概念圖

2.3 子系統(tǒng)之間邏輯控制關(guān)系

MCU屬于上層控制管理機構(gòu)，CCU和開關(guān)站屬于執(zhí)行機構(gòu)。MCU根據(jù)計算的結(jié)果，分發(fā)命令及參數(shù)到CCU和開關(guān)站；CCU則輸出相應(yīng)頻率的電壓電流值，開關(guān)站適時的將電源饋到列車所在的定位段上，為列車提供牽引力或制動力。

每一個子系統(tǒng)均能通過現(xiàn)場分布大量的數(shù)、模傳感器，傳回現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)，匯集到各個分區(qū)的監(jiān)控服務(wù)器內(nèi)存儲，運行人員可根據(jù)HMI系統(tǒng)進行實時診斷和監(jiān)控，也可調(diào)用一定時間段歷史數(shù)據(jù)進行分析和仿真。

這樣，就形成了磁浮的牽引、供電控制系統(tǒng)原理：①MCU負責(zé)計算速度曲線以及分配資源；②CCU負責(zé)執(zhí)行輸出指定頻率、電壓、電流值的電力資源；③冷卻系統(tǒng)負責(zé)帶走CCU工作時產(chǎn)生的熱量并控制溫差；④軌旁控制系統(tǒng)負責(zé)隨列車移動給軌道區(qū)段供電并為沿線設(shè)備提供保護。

2.4 牽引電機控制系統(tǒng)作用

整個系統(tǒng)分為5個牽引控制分區(qū)，每個分區(qū)配置2套MCU，共有10套MCU控制系統(tǒng)（圖3）。MCU的主要功能有3個。

2.4.1 較高層次的控制任務(wù)

（1）與外部子系統(tǒng)的通信：①通過以太網(wǎng)（Ethernet）與分區(qū)運行控制系統(tǒng)（Distributed Operation Control System，DOCS）的數(shù)據(jù)交換，接收確定車輛運行方式、速度等數(shù)據(jù)：②通過運行控制系統(tǒng)的無線電傳輸系統(tǒng)（Distributed Radio Control Unit，DR原CU），以RS485方式接收來自車輛位置的數(shù)據(jù)。

（2）運行模式的選擇。根據(jù)運行控制系統(tǒng)的要求，為牽引系統(tǒng)設(shè)定幾個運行模式，可根據(jù)不同的需求設(shè)定系統(tǒng)運行模式。具體運行模式有PIS（Propulsion Initial State，牽引初始模式）、PBS（Propulsion Basic Setting，牽引基本模式）、PWSP（Propulsion wait setting with power，牽引帶電等待模式）、PTO（Propulsion Train Operation，牽引列車模式）、PPT（Propulsion Preparation Test，牽引準備測試模式）、PT（Propulsion Test without power，牽引不帶電測試模式）、PTP（Propulsion Test with Power，牽引帶電測試模式）和PSO（Propulsion Simulation Operation，牽引仿真模式）。

（3）主—從協(xié)調(diào)。每個牽引控制區(qū)域內(nèi)有2個MCU，但每一時刻只有1個MCU（主）負責(zé)車輛牽引，隨著列車位置的改變，牽引控制區(qū)域內(nèi)的主、從MCU進行切換。因此，在每個控制范圍內(nèi)，有1個冗余的MCU（從）。在正常運行方式下，從系統(tǒng)MCU被分配給主系統(tǒng)MCU，并且它與主系統(tǒng)以相同的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)進行運算工作，但是主系統(tǒng)在閉環(huán)控制起作用的情況下，從系統(tǒng)并不牽引車輛。在主系統(tǒng)失效的情況下，從系統(tǒng)才能夠從主系統(tǒng)這里承擔(dān)起車輛的牽引任務(wù)。

（4）軌道控制。根據(jù)車輛的位置控制開關(guān)站的饋線開關(guān)和星型開關(guān)，以及軌旁開關(guān)設(shè)備的開關(guān)。

2.4.2 車輛牽引任務(wù)

（1）距離/速度控制。根據(jù)運行控制系統(tǒng)的要求計算實際的距離與速度值用于閉環(huán)控制。按照運行控制系統(tǒng)的要求計算車輛經(jīng)過的每一個位置上的實際速度，即車輛運行的速度曲線。

（2）車輛位置檢測。為了滿足牽引同步電動機的要求，閉環(huán)相位與電流控制需使用轉(zhuǎn)子角度（相對車輛位置）的實際值。如上所述，通過無線電傳輸系統(tǒng)，轉(zhuǎn)子角度傳感器信號從車輛上被傳遞到牽引電機控制系統(tǒng)，由此計算出車輛位置。

（3）牽引力轉(zhuǎn)換。根據(jù)所擬訂的車輛速度、加速度/制動加速度以及舒適度要求而計算牽引力。

2.4.3 閉環(huán)功率控制任務(wù)

（1）相位與幅值控制。

（2）根據(jù)車輛的牽引力和位置，計算需要的定子電流的相位與幅值并作為定子電流閉環(huán)控制的輸入值。據(jù)此計算變頻器的輸出電壓。

2.5 變頻器控制系統(tǒng)和子裝置的作用

CCU主要分布在3個變電所：龍陽變電所有2個高功率模塊，浦東變電所有2個高功率模塊和1個中功率模塊，低功率變電所有1個低功率模塊。

每個高功率模塊由3個變頻器系統(tǒng)組成，中、低功率模塊各由2個變頻器組成。每個變頻器配置1套獨立的CCU，因此龍陽路變電所有6套CCU柜，維修基地變電所有8套CCU柜，低功率變電所有2套CCU柜。CCU根據(jù)供電方式和列車所處位置接受不同牽引控制分區(qū)MCU的控制。

變頻器由輸入開關(guān)、功率單元、輸出開關(guān)和冷卻系統(tǒng)構(gòu)成，與這4個子系統(tǒng)相對應(yīng)。4套CCU的子裝置分散布置在子系統(tǒng)中，CCU與子裝置之間通過Profibus DP總線通信數(shù)據(jù)。

CCU及其子裝置的主要功能有5個。

（1）變頻器控制系統(tǒng)：①計算變頻器功率單元輸出的電壓空間矢量，并且轉(zhuǎn)換為位于變頻器功率單元內(nèi)子裝置的控制命令；②選擇變頻器輸出模式(列車低速時直接輸出，高速是變壓器輸出)；③制動斬波器的開環(huán)控制以及轉(zhuǎn)換為位于變頻器功率單元內(nèi)子裝置的控制命令；④直流環(huán)節(jié)電壓的閉環(huán)控制，包括加在變頻器功率單元描述中所提到的過電壓保護；⑤優(yōu)化軌旁電纜產(chǎn)生的諧波點電流。

（2）變頻器輸入開關(guān)的子裝置：①測量20 kV系統(tǒng)的實際電壓值和電流值，并通過系統(tǒng)軟件計算出有功功率，有功電度，有功因數(shù)等值；②20 kV開關(guān)設(shè)備的開環(huán)控制；③20 kV開關(guān)設(shè)備的繼電保護；④變頻器輸入開關(guān)設(shè)備的子裝置與CCU的通信方式有2種，一種是開環(huán)控制——Profibus（L2），另一種是測量和保護——LX40。

（3）變頻器功率單元的子裝置：①測量變頻器功率單元實際電壓值和電流值；②變頻器功率單元的所有電子元件的開環(huán)控制（通過傳輸來自CCU的數(shù)據(jù)脈沖）；③短路的開環(huán)控制；④變頻器功率單元的過電流保護、過電壓保護；⑤變頻器功率單元子裝置與CCU的通信方式有2種，一種是開環(huán)控制——Profibus（L2），另一種是測量保護和觸發(fā)脈沖——LX40。

（4）變頻器輸出開關(guān)裝置的子裝置：①測量變頻器輸出的實際電壓值和電流值，這些數(shù)據(jù)是閉環(huán)定子電流控制所必需的；②根據(jù)選擇的變頻器輸出模式，對變頻器輸出開關(guān)裝置進行開環(huán)控制，直接輸出摸式（0～70 Hz），輸出變壓器并聯(lián)工作，軌旁電流被累加；變壓器輸出方式（30～270 Hz），輸出變壓器串聯(lián)工作，軌旁電壓被累加。③變頻器開關(guān)設(shè)備的子裝置與CCU的通信方式有2種，一種是開環(huán)控制——Profibus（L2），另一種是測量——LX40

（5）冷卻系統(tǒng)的子裝置：①冷卻系統(tǒng)的開環(huán)控制；②冷卻系統(tǒng)的診斷與監(jiān)控。冷卻系統(tǒng)的子裝置通過Profibus與CCU進行通信，并由Simatic S7通過profibus總線經(jīng)協(xié)議轉(zhuǎn)換后傳到WinCC（HMI），進行數(shù)據(jù)通信。

2.6 開關(guān)站控制系統(tǒng)的作用

開關(guān)站控制系統(tǒng)裝設(shè)在軌旁開關(guān)站的開關(guān)柜上，包括2套數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)：一套為SIPROTEC 7ST622（主），另一套為Simatic S7（從）；所有開關(guān)站串聯(lián)成一個網(wǎng)。開關(guān)站控制系統(tǒng)通過Profibus（L2）總線與MCU的軌道控制系統(tǒng)之間進行通信。

其主要功能包括：①對開關(guān)站的接觸器進行控制；②對開關(guān)站的外圍設(shè)備進行檢測、控制（如站內(nèi)溫度、饋電電纜溫度檢測；風(fēng)扇，加熱器等開關(guān)控制）；③對開關(guān)站進行診斷和監(jiān)控；④對饋電電纜和定子的接地故障進行檢測，并斷開（閉鎖）受到影響的部件。這一功能可以防止故障擴散，從而避免與受到影響的部件相互連接的元件受到破壞。

3 技術(shù)原理及分析

上海磁浮牽引控制系統(tǒng)，可以看作是多個層級的控制系統(tǒng)模塊分層協(xié)同管理模式，分工明確，功能設(shè)置科學(xué)、完備，響應(yīng)時間極快。MCU作為牽引系統(tǒng)最上層的運行控制管理模塊，根據(jù)運行控制子系統(tǒng)對車輛設(shè)定的路徑、速度、目標停車點等參數(shù)要求，計算出速度曲線；并根據(jù)速度曲線要求發(fā)給CCU和軌旁控制系統(tǒng)指令。CCU再根據(jù)MCU的要求計算出自己需要輸出的電壓、電流、頻率及功率輸出，將匹配要求的電源通過自身的輸出開關(guān)送到饋線電纜；同時軌旁控制系統(tǒng)根據(jù)MCU傳來的列車位置信息，及時向列車所在位置的長定子饋電，并在列車經(jīng)過改長定子后斷電。經(jīng)過這一系列的控制程序后，使列車能通過電源頻率不斷變化，驅(qū)動列車按照計算好的速度曲線加速和制動。從單個系統(tǒng)可以看出，無論是MCU、CCU還是軌旁控制系統(tǒng)，均具備自身獨立的自動運行功能和元器件的自診斷功能，而且也能在MCU的控制下協(xié)同完成指定共同的任務(wù)，既各自獨立又能協(xié)同合作。

圖4 開關(guān)站總線連接

4 技術(shù)難點

磁浮牽引控制系統(tǒng)是一個大型綜合性的自動化控制集成系統(tǒng)，每一個子單元相互關(guān)聯(lián)、且又接口界面簡潔清晰，各個子單元既能獨立運行及維護調(diào)、測試，又能協(xié)同工作，分工合理，冗余科學(xué)；且冗余系統(tǒng)運行精確穩(wěn)定，切換流暢，故障率極低，在同一時鐘系統(tǒng)內(nèi)，通信系統(tǒng)能保障數(shù)據(jù)傳遞與反饋快速準確，報警及故障信息能及時準確的按先后順序顯示，體現(xiàn)了工業(yè)自動化控制領(lǐng)域較高的系統(tǒng)集成技術(shù)。

5 改進與措施

（1）完善與提升軟件智能化。在上海磁浮牽引控制系統(tǒng)的運行中，發(fā)現(xiàn)部分冗余控制系統(tǒng)（例如有某些最小可維護設(shè)備元件）處于非穩(wěn)定故障時（瞬時故障與瞬時正常狀態(tài)頻繁切換），冗余控制系統(tǒng)會來回不停切換：即元件故障的一瞬間，冗余控制系統(tǒng)為了安全，主控制系統(tǒng)切換到從控制系統(tǒng)；但這個故障是瞬時的，當元件故障自動消失后，從控制系統(tǒng)又切回主控制系統(tǒng)。冗余系統(tǒng)低頻切換時對系統(tǒng)沒有影響，高頻率的冗余系統(tǒng)切換會影響到磁浮列車的數(shù)據(jù)通信和牽引控制；所以可在類似系統(tǒng)控制軟件設(shè)計時考慮，當元件故障引起較高頻率冗余控制系統(tǒng)切換時，閉鎖掉故障元件或相應(yīng)冗余系統(tǒng)。目前措施是：現(xiàn)場關(guān)閉故障冗余設(shè)備電源、人工隔離故障元件或更換故障元件。該措施的缺點是：隔離時間長，容易產(chǎn)生操作錯誤等。

（2）增加現(xiàn)場監(jiān)視及智能識別設(shè)備。隨著網(wǎng)絡(luò)通信速度及高清視頻技術(shù)的發(fā)展，可考慮現(xiàn)場關(guān)鍵設(shè)備處安裝高清視頻監(jiān)控及智能識別設(shè)備，故障發(fā)生時能第一時間觀察設(shè)備指示狀態(tài)，方便遠程及時診斷故障，并指導(dǎo)現(xiàn)場人員處置故障。

（3）提高控制電源冗余度?？刂葡到y(tǒng)或設(shè)備電源的供電線路大多有2路，并且其中一路還配備有UPS（Uninterruptible Power Supply，不間斷電源）電源系統(tǒng)，但現(xiàn)場有許多的設(shè)備本身并不是雙電源，隨著時間的推移，電源設(shè)備老化后故障率升高，故障率高于控制單元板卡及元件，冗余丟失隱患增高。對策是設(shè)備本身改用雙電源智能控制系統(tǒng)，并提升UPS電池組容量及性能，隨著技術(shù)的發(fā)展，成本并不高，可較大幅度提高系統(tǒng)冗余的穩(wěn)定性。

（4）增加核心控制設(shè)備遠程冷啟動功能。該功能可解決控制設(shè)備死機后必須到現(xiàn)場冷啟動的問題，節(jié)省時間，提高解決故障效率。

（5）改變GPS（時鐘信號）連接方式。原時鐘信號連接方式——每個分區(qū)有1個GPS（Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)）接收器，同一分區(qū)內(nèi)2臺MCU的GPS信號連接同一個信號接收器，改為同一分區(qū)內(nèi)2臺MCU的GPS信號連接不同分區(qū)的信號接收器，即相鄰分區(qū)MCU的GPS信號交叉連接；提高冗余度（注：本方案已實施完成，效果良好）。

6 結(jié)論

以上即為上海磁浮交通牽引控制系統(tǒng)的原理及設(shè)計方式。著重介紹了其獨特的大型自動化集成控制系統(tǒng)的復(fù)雜性和科學(xué)性，并提出部分改進建議和研究方向。從上海磁浮交通線正式對外商業(yè)運行至今，十多年過去了，可驗證的是磁浮牽引控制系統(tǒng)的冗余設(shè)計及全集成自動控制系統(tǒng)運行非常穩(wěn)定，故障率較低，維護便捷，能滿足磁浮列車的日常安全運行、維護需求。