智軌電車(chē)低壓配電與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究

陳超錄，羅 煌，董其愛(ài)，謝 斌

（中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

智軌電車(chē)電氣系統(tǒng)包括儲(chǔ)能、牽引、輔助電源、網(wǎng)絡(luò)控制、智能駕駛、無(wú)軌導(dǎo)向及制動(dòng)等22個(gè)子系統(tǒng)，其中的電氣元件被廣泛分布在列車(chē)的不同位置。低壓配電與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)這些電氣元件進(jìn)行低壓供電與數(shù)據(jù)采集，是影響產(chǎn)品最終質(zhì)量和可靠性的關(guān)鍵系統(tǒng)。目前，絕大多數(shù)低壓配電系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)仍是基于繼電器、斷路器、空氣開(kāi)關(guān)等傳統(tǒng)的電氣元件，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載電源狀態(tài)信息的監(jiān)測(cè)及管理。因此，研究基于網(wǎng)絡(luò)化管理和智能化控制的低壓配電與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[1-2]，對(duì)實(shí)現(xiàn)配電狀態(tài)的智能化管理和提升列車(chē)的可靠性具有十分重要的意義。

分布式配電系統(tǒng)[3]與功率型半導(dǎo)體模塊[4-5]的相關(guān)研究為實(shí)現(xiàn)低壓配電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化管理和智能控制提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。分布式配電系統(tǒng)采用配電盒[6]設(shè)計(jì)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)并控制電源分配，配電盒采用印制電路板進(jìn)行電氣元件間的硬線(xiàn)連接，繼電器和熔斷器等元件被集成在印制電路板上，與傳統(tǒng)配電柜設(shè)計(jì)相比，這極大地提升了系統(tǒng)的集成度，減小了對(duì)安裝空間的需求。配電盒可以依照不同車(chē)廂或不同位置的配電需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而達(dá)到分布式電源分配及控制目的，但配電盒設(shè)計(jì)仍是基于傳統(tǒng)的繼電器、熔斷器等電氣元件，依舊無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)各電氣部件電源狀態(tài)信息的監(jiān)測(cè)及管理。一旦電氣部件安裝位置、數(shù)量發(fā)生變化或配電控制策略更改，就需要重新開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，降低了配電盒的通用性和復(fù)用性。功率型半導(dǎo)體模塊不僅具有電流保護(hù)閾值、動(dòng)作時(shí)間、輸出邏輯均可編程控制[7-8]的特點(diǎn)，同時(shí)也具備互聯(lián)通信功能，可將各類(lèi)控制信號(hào)和運(yùn)行信息上傳給列車(chē)控制系統(tǒng)進(jìn)行集中處理，很好地解決了傳統(tǒng)電氣元件難以實(shí)現(xiàn)的智能控制和信息管理問(wèn)題。但智能型功率半導(dǎo)體模塊目前主要集中應(yīng)用在小電流 （小于10 A）領(lǐng)域，一般作為繼電器輸出控制，其直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力較弱，因此還未被廣泛應(yīng)用于低壓配電系統(tǒng)。

綜上所述，研究基于大電流智能型功率半導(dǎo)體模塊的分布式配電系統(tǒng)[9]是實(shí)現(xiàn)低壓配電與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)智能控制和信息管理[10]的關(guān)鍵所在。本文介紹了低壓配電與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成和基于以太網(wǎng)通信和CAN通信雙網(wǎng)冗余的分布式配電與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)以及在該架構(gòu)下的系統(tǒng)功能，最后介紹了該網(wǎng)絡(luò)化配電與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)故障診斷與遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

1 配電與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成

智軌電車(chē)低壓配電與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由CAN/ETH網(wǎng)關(guān)、配電與數(shù)據(jù)采集主模塊、配電與數(shù)據(jù)采集從模塊組成。

CAN/ETH網(wǎng)關(guān)是一種能將CAN總線(xiàn)數(shù)據(jù)與以太網(wǎng)（Ethernet）數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)換的中轉(zhuǎn)模塊，其實(shí)物如圖1所示。該模塊集成多路CAN總線(xiàn)和以太網(wǎng)通信接口，通過(guò)解包和重新打包數(shù)據(jù)，將有效的狀態(tài)和診斷信息上傳給列車(chē)上層網(wǎng)絡(luò)，使其能夠滿(mǎn)足配電與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和智軌電車(chē)主控網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和通信融合的需求。

圖 1 CAN/ETH網(wǎng)關(guān)實(shí)物Fig.1 CAN/ETH gateway

配電與數(shù)據(jù)采集主模塊集數(shù)據(jù)采集、大功率輸出和邏輯控制等多種功能于一體，通過(guò)通信接口相互連接，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)交互、數(shù)據(jù)處理、故障診斷及遠(yuǎn)程控制[11]等功能，其實(shí)物如圖2所示。該模塊主要負(fù)責(zé)為列車(chē)大功率負(fù)載供電，同時(shí)具備邏輯控制功能，在整車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)失效的情況下，能夠接管相關(guān)控制功能，確保低壓配電及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)仍能正常工作。配電與數(shù)據(jù)采集主模塊的功率輸出通道由多種高邊開(kāi)關(guān)組成，包括200 A，100 A，50 A和30 A這4種類(lèi)型共計(jì)42路輸出，其每一路輸出通道的電流保護(hù)閾值、動(dòng)作時(shí)間、輸出邏輯均可編程控制，完全替代傳統(tǒng)的保險(xiǎn)絲與繼電器組合，可以直接驅(qū)動(dòng)各種類(lèi)型負(fù)載；信號(hào)采集通道包含12路數(shù)字量輸入。

配電與數(shù)據(jù)采集從模塊具備同主模塊完全相同的功能特性，其實(shí)物如圖3所示。功率輸出通道包括25 A和15 A兩種類(lèi)型，共計(jì)21路高邊輸出，主要為列車(chē)常規(guī)功率負(fù)載供電；信號(hào)采集通道包括電流型、電壓型和數(shù)字量3種類(lèi)型，共計(jì)32路輸入采集。配電與數(shù)據(jù)采集從模塊僅在輸入與輸出通道類(lèi)型和數(shù)量上與主模塊存在區(qū)別；其作為主模塊的擴(kuò)充單元，便于與主模塊進(jìn)行組網(wǎng)使用。

配電與數(shù)據(jù)采集主模塊和從模塊在開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)前期綜合考慮了智軌電車(chē)功率負(fù)載范圍跨度大以及負(fù)載類(lèi)型多樣性的特點(diǎn)，同時(shí)也考慮了智軌電車(chē)各類(lèi)信號(hào)的采集需求，是基于智軌電車(chē)產(chǎn)品特性而深度定制開(kāi)發(fā)的智能配電模塊。

圖 2 配電與數(shù)據(jù)采集主模塊實(shí)物Fig.2 Main module of power distribution and data acquisition

圖 3 配電與數(shù)據(jù)采集從模塊實(shí)物Fig.3 Slave module of power distribution and data acquisition

圖 4低壓配電與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銯ig.4 Network topology of the low-voltage power distribution and data acquisition system

2 配電與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)與功能

智軌電車(chē)低壓配電與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖4所示，采用三編組結(jié)構(gòu)形式，每節(jié)車(chē)由1個(gè)CAN/ETH網(wǎng)關(guān)、1個(gè)配電與數(shù)據(jù)采集主模塊和若干個(gè)配電與數(shù)據(jù)采集從模塊組成，從模塊的數(shù)量可以根據(jù)每節(jié)車(chē)的配置情況進(jìn)行相應(yīng)增減。應(yīng)用于各節(jié)車(chē)上的CAN/ETH網(wǎng)關(guān)和主、從模塊具有相同屬性，可以在同類(lèi)之間進(jìn)行互換，不需要特殊配置。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為兩層：各配電與數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò)CAN總線(xiàn)連接，形成內(nèi)網(wǎng)通信；各節(jié)車(chē)的CAN內(nèi)網(wǎng)通過(guò)CAN/ETH網(wǎng)關(guān)連接智軌電車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，形成外網(wǎng)通信，從而實(shí)現(xiàn)配電與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與智軌電車(chē)主控網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交互并滿(mǎn)足通信融合需求。通過(guò)CAN內(nèi)網(wǎng)與以太網(wǎng)外網(wǎng)冗余通信通道的設(shè)計(jì)，提升了系統(tǒng)通信的可靠性，確保低壓配電與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)即便在列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)失效的情況下仍能正常通信。

由所在車(chē)廂的配電與數(shù)據(jù)采集主模塊實(shí)現(xiàn)負(fù)載電源的分配與數(shù)據(jù)采集控制；從模塊作為執(zhí)行單元，不參與運(yùn)算控制，只作為輸入采集和輸出電源分配使用。同時(shí)，也可以通過(guò)列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)各模塊的集中控制，在通信鏈路冗余的基礎(chǔ)上做到控制功能的冗余設(shè)計(jì)，具體實(shí)現(xiàn)方案如下：

（1）單節(jié)車(chē)廂配電與數(shù)據(jù)采集控制。在該情況下，不涉及跨車(chē)廂間的數(shù)據(jù)交互，由該節(jié)車(chē)廂的主模塊作為主控單元，通過(guò)該車(chē)廂的內(nèi)網(wǎng)CAN總線(xiàn)控制和實(shí)現(xiàn)該車(chē)廂的從模塊及其自身的工作。同時(shí)，所在車(chē)廂的主模塊與各從模塊間也可以通過(guò)CAN/ETH網(wǎng)關(guān)與列車(chē)控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，列車(chē)控制系統(tǒng)的相關(guān)指令可以直接控制相應(yīng)的主模塊與從模塊。

（2）跨車(chē)廂配電與數(shù)據(jù)采集控制。在該情況下，涉及跨車(chē)廂間的數(shù)據(jù)交互，即某節(jié)車(chē)廂的輸出控制受其他車(chē)廂模塊采集的數(shù)據(jù)信息影響。此時(shí)，各車(chē)廂之間的主模塊通過(guò)內(nèi)網(wǎng)CAN總線(xiàn)或列車(chē)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，由需要執(zhí)行相關(guān)指令車(chē)廂的主模塊作為主控單元進(jìn)行相關(guān)邏輯控制，并通過(guò)該車(chē)廂的內(nèi)網(wǎng)CAN總線(xiàn)控制和實(shí)現(xiàn)該車(chē)廂的從模塊及其自身的工作。同時(shí)，列車(chē)控制系統(tǒng)根據(jù)各節(jié)車(chē)廂模塊上傳的數(shù)據(jù)也可以作集中控制，并將相關(guān)控制指令發(fā)送到相應(yīng)的主模塊或從模塊，實(shí)現(xiàn)列車(chē)控制系統(tǒng)對(duì)各模塊的冗余控制。

低壓配電與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在智軌電車(chē)上的應(yīng)用如圖5所示。輔助DC/DC電源為列車(chē)低壓負(fù)載設(shè)備供電并對(duì)蓄電池組充電，當(dāng)輔助DC/DC電源未啟動(dòng)時(shí)，由蓄電池組臨時(shí)為列車(chē)供電。列車(chē)DC 24 V母線(xiàn)連接蓄電池組、輔助DC/DC電源與主模塊，并通過(guò)Mc1、Mc2與Tp車(chē)主模塊實(shí)現(xiàn)主電源母線(xiàn)的均衡貫通，當(dāng)任意一組低壓蓄電池饋電或輔助DC/DC電源充電故障時(shí)，另一組低壓蓄電池或輔助DC/DC電源還能給列車(chē)供電。主模塊為所在車(chē)廂大功率負(fù)載及各從模塊供電，作為一級(jí)配電單元，其實(shí)現(xiàn)了對(duì)該節(jié)車(chē)廂總電流的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與管理。從模塊依據(jù)電氣設(shè)備的布局就近安裝，降低了模塊與電氣設(shè)備之間連線(xiàn)的復(fù)雜程度。從模塊依據(jù)安裝位置可以分為頂模塊（車(chē)頂區(qū)域配電與數(shù)據(jù)采集）、底模塊（車(chē)底區(qū)域配電與數(shù)據(jù)采集）、司控臺(tái)模塊（司控臺(tái)區(qū)域配電與數(shù)據(jù)采集）以及客室模塊（客室內(nèi)區(qū)域配電與數(shù)據(jù)采集）4種類(lèi)型，每種類(lèi)型模塊數(shù)量根據(jù)所在區(qū)域位置的電氣設(shè)備及所需要采集的相關(guān)數(shù)據(jù)可以進(jìn)行靈活配置。該系統(tǒng)的其他配電控制功能及邏輯實(shí)現(xiàn)方案如下：

圖 5 低壓配電與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理拓?fù)銯ig.5 Principle of low-voltage power distribution and data acquisition system

（1）低壓激活與斷電時(shí)序控制。為了減小列車(chē)上、下電過(guò)程對(duì)低壓蓄電池的沖擊，可以在模塊中設(shè)置各電氣部件負(fù)載上電與斷電時(shí)序，間隔時(shí)間可在0～5 s范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

（2）配電與數(shù)據(jù)采集冗余功能。對(duì)重要系統(tǒng)設(shè)備電源采用熱備冗余電源輸出設(shè)計(jì)，在單一通道發(fā)生故障時(shí)，模塊能自行關(guān)斷故障通道并發(fā)出故障狀態(tài)信息，冗余通道繼續(xù)為設(shè)備供電；同時(shí)也對(duì)相關(guān)關(guān)鍵信號(hào)進(jìn)行冗余采集，確保信號(hào)采集系統(tǒng)的完備性。

（3）延時(shí)斷電功能?？筛鶕?jù)各電氣設(shè)備的需求配置延時(shí)斷電功能，即在激活輸入信號(hào)丟失后，配電系統(tǒng)仍然可以保持相關(guān)輸出，延時(shí)時(shí)間0~200 s內(nèi)可配置。

（4）故障導(dǎo)向功能。在極度惡劣的情況下，若通信突然中斷，模塊仍然能夠保持之前的輸出狀態(tài)，保證負(fù)載設(shè)備電源不會(huì)被突然切斷。

綜上所述，在基于以太網(wǎng)通信和CAN通信雙網(wǎng)冗余的分布式低壓配電與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，各智能配電模塊之間通過(guò)通信線(xiàn)以及少量的電源母線(xiàn)連接，減少了大量的中間繼電器電源控制及二次接線(xiàn)；改變列車(chē)編組狀態(tài)以及配置時(shí)，只需增減相關(guān)模塊并配置相應(yīng)的程序即可，便于后續(xù)功能的維護(hù)和拓展，真正做到低壓配電與數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)化、模塊化和通用化的系統(tǒng)特性。同時(shí)，通信鏈路與控制系統(tǒng)的雙冗余設(shè)計(jì)，也極大地提升了系統(tǒng)的可靠性。

3 故障診斷與遠(yuǎn)程監(jiān)控

低壓配電與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為智軌電車(chē)眾多重要組成系統(tǒng)之一，其采用大電流智能型功率半導(dǎo)體模塊，所有輸出通道均可編程設(shè)置電流保護(hù)閾值，電流超限時(shí)保護(hù)速度更快；所有輸出通道均有溫度檢測(cè)及過(guò)熱、過(guò)流保護(hù)功能，任何一路通道過(guò)熱或過(guò)流時(shí)均可單獨(dú)斷開(kāi)，特有的電流測(cè)量及診斷功能可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所有接入通道的工作狀態(tài)及工作電流，并將各接口狀態(tài)和診斷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳遞至智軌電車(chē)故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行分析[12]，同時(shí)也可通過(guò)車(chē)地?zé)o線(xiàn)通信系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳遞至運(yùn)營(yíng)中心進(jìn)行遠(yuǎn)程管理。

低壓配電與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的狀態(tài)信息及診斷數(shù)據(jù)被接入到車(chē)輛監(jiān)控及交互系統(tǒng)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖6所示。監(jiān)控及診斷網(wǎng)路結(jié)構(gòu)分為3層，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中包含CAN總線(xiàn)和以太網(wǎng)兩種通信方式。其底層為主模塊，將接收到的各從模塊以及自身的狀態(tài)數(shù)據(jù)和診斷信息通過(guò)重新編碼后轉(zhuǎn)發(fā)給與列車(chē)主控單元連接的中間層CAN/ETH網(wǎng)關(guān)。底層采用CAN總線(xiàn)通信方式，便于連接、組網(wǎng)，其數(shù)據(jù)量不大且不占用接口資源；中間層為CAN/ETH網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)底層CAN總線(xiàn)數(shù)據(jù)與上層以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)換；上層為列車(chē)主控單元及交互顯示單元，列車(chē)主控單元接收底層智能配電模塊的狀態(tài)數(shù)據(jù)和診斷信息后，依據(jù)協(xié)議解碼信息完成配電與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)和診斷信息的監(jiān)視及管理，并依據(jù)診斷信息的嚴(yán)重程度觸發(fā)不同的故障等級(jí)顯示、預(yù)警提示和相關(guān)處理措施，以完成車(chē)輛對(duì)配電與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)狀態(tài)信息的網(wǎng)絡(luò)化和智能化管理。

圖 6低壓配電與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)控及診斷網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.6 Schematic diagram of the monitoring and diagnosis network structure for low-voltage power distribution and data acquisition system

配電與數(shù)據(jù)采集狀態(tài)及診斷數(shù)據(jù)接入地面運(yùn)營(yíng)中心，如圖7所示。智軌電車(chē)主控單元接收各模塊的狀態(tài)數(shù)據(jù)和診斷信息后，通過(guò)車(chē)地?zé)o線(xiàn)通信系統(tǒng)將相關(guān)信息發(fā)送到地面運(yùn)營(yíng)中心，以完成運(yùn)營(yíng)中心對(duì)車(chē)輛配電與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的遠(yuǎn)程管理。運(yùn)營(yíng)中心通過(guò)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的分析，可以監(jiān)測(cè)相關(guān)模塊的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)模塊反饋的電流、電壓以及采集的其他數(shù)據(jù)等相關(guān)信息，可以間接監(jiān)測(cè)相關(guān)電氣部件的工作狀態(tài)。目前，該低壓配電與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在宜賓智軌電車(chē)上，售后維保人員對(duì)系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后可以快速定位故障，解決相關(guān)問(wèn)題，故障平均處理時(shí)間由之前人工排查、分析故障方式下的5.6 h降低至現(xiàn)在的2.3 h，故障處理效率提升了50%以上。隨著運(yùn)營(yíng)過(guò)程中數(shù)據(jù)樣本的積累，后續(xù)可結(jié)合大數(shù)據(jù)分析，對(duì)相關(guān)模塊和電氣部件的工作狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)維的目的，進(jìn)一步提升列車(chē)的智能化程度。

圖 7 低壓配電與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)遠(yuǎn)程管理示意Fig.7 Schematic diagram of the remote management for lowvoltage power distribution and data acquisition system

4 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)低壓配電與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存在諸多不足，而工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)和具備通信及控制功能的智能模塊的不斷發(fā)展，為低壓配電與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化管理和智能控制提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本文構(gòu)建了一種基于以太網(wǎng)通信和CAN通信雙網(wǎng)冗余的分布式低壓配電與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其解決了配電保護(hù)、控制、檢測(cè)以及監(jiān)視缺失的問(wèn)題；通過(guò)通信鏈路與控制系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)以及關(guān)鍵負(fù)載供電通道和關(guān)鍵信號(hào)采集通道的冗余設(shè)計(jì)，極大提升了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。配電與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以單節(jié)車(chē)廂為單位進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，各智能低壓配電模塊同類(lèi)之間可以靈活替換和擴(kuò)充，提升了部件的通用化和系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。該系統(tǒng)目前為三編組設(shè)計(jì)，后續(xù)也可以擴(kuò)展為四編制和五編制等多編組形式。智軌電車(chē)低壓配電與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)目前主要功能是實(shí)現(xiàn)集中配電控制與數(shù)據(jù)采集及智能監(jiān)控，已經(jīng)具備完備的邏輯控制功能。后續(xù)可將列車(chē)硬線(xiàn)邏輯控制功能融入該系統(tǒng)，完全實(shí)現(xiàn)“軟邏輯”控制，從而大大降低車(chē)輛相關(guān)硬線(xiàn)控制邏輯的實(shí)現(xiàn)難度，減小繼電器和硬線(xiàn)連接復(fù)雜程度，從而進(jìn)一步提升車(chē)輛的智能化程度。