基于機車半實物仿真平臺應(yīng)用層的設(shè)計及實現(xiàn)

張雁勛 趙貝 安志勝

摘 ?要： 機車控制系統(tǒng)存在部分硬件選型不確定、功能或更改等因素，故對部分模塊進行圖形化建模，結(jié)合故障注入系統(tǒng)，搭建了機車半實物仿真平臺，完成了半實物仿真平臺應(yīng)用層的設(shè)計。應(yīng)用層包括仿真系統(tǒng)的搭建、故障注入、機車邏輯功能控制及顯示屏界面展示。研究表明，半實物仿真平臺的設(shè)計能對機車控制邏輯進行全面的測試;能提前暴露邏輯測試存在的缺陷及問題，驗證了不同供應(yīng)商通信網(wǎng)絡(luò)一致性和硬件的可靠性。

關(guān)鍵詞： 半實物仿真;應(yīng)用層;仿真系統(tǒng);故障注入;機車邏輯;顯示屏

中圖分類號： TP391 ? ?文獻標識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.06.025

本文著錄格式：張雁勛，趙貝，安志勝，等. 基于機車半實物仿真平臺應(yīng)用層的設(shè)計及實現(xiàn)[J]. 軟件，2020，41（06）：117120

【Abstract】： There are some uncertain factors about hardware selection and functions in the locomotive control system， combining with graphically modeled of some devices and the fault injection system， the locomotive hardware and the application layer of the hardware in the loop simulation platform are built. The application layer includes the construction of simulation system， fault injection， locomotive logic function control and display screen interface. The research shows that the design of hardware in the loop simulation platform can test the locomotive control logic comprehensively， expose the defects and problems of logic test in advance， and verify the consistency of communication network and the reliability of hardware of different suppliers.

【Key words】： Loop simulation; Application layer; Simulation system; Fault injection; Locomotive control logic; Display screen

0 ?引言

半實物仿真平臺是中車大同電力機車有限公司自主研發(fā)，用于展示機車控制邏輯功能、模擬故障輸入輸出等的一套地面測試體系。試驗臺的搭建，有助于提高公司車載微機網(wǎng)絡(luò)方面的研發(fā)能力;有助于解決新型機車研制過程中及批量配屬機車中微機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)技術(shù)核心問題、慣性質(zhì)量問題;車載微機的自主研發(fā)和生產(chǎn)可以有效縮短項目研發(fā)周期。

1 ?半實物仿真平臺功能概述

半實物仿真采用的是軟件與實物硬件聯(lián)合仿真的方法，與純軟件仿真相比更加接近于實際網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備工況，更加真實的反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)參數(shù)、性能[1]。

1.1 ?半實物仿真平臺的組成

機車半實物仿真平臺以HXD21000型八軸電力機車為原型，采用分布式網(wǎng)絡(luò)布置，通過對牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)等建模，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)控制單元、機車操縱臺、HiGale仿真機、故障注入系統(tǒng)等搭建而成。半實物仿真平臺的構(gòu)成如圖1所示。

網(wǎng)絡(luò)控制單元包括CCU（中央控制單元）、RIOM（遠程輸入輸出模塊）、GW（網(wǎng)關(guān)）、ACU（輔助控制單元）、TCU（牽引控制單元）、BCU（制動控制單元）等。其中ACU、TCU及BCU為仿真模型，CCU、RIOM、GW為真件。機車操縱臺為八軸電力機車實際操縱臺，包括兩個互為冗余的HMI（司機顯示單元）、司控器、扳鍵開關(guān)組、電笛、風笛等。故障注入系統(tǒng)包括WTB故障注入模塊，還包括了與真實機車司機室操縱臺上相同的所有開關(guān)量、電壓模擬量和電流模擬量[2]。

1.2 ?半實物仿真平臺的設(shè)備功能

HiGale仿真機完成機車行為模型，即車輛動力學模型、空氣制動系統(tǒng)模型（BCU）、牽引系統(tǒng)模型（TCU）和輔助系統(tǒng)模型（ACU）等[3]。

故障注入系統(tǒng)可根據(jù)需求實時注入各種故障，主要設(shè)備包括WTB故障注入設(shè)備、110 V開關(guān)量故障注入設(shè)備、0～24 V模擬量故障注入設(shè)備等。

互為冗余的兩個CCU實現(xiàn)機車車輛控制功能，包括設(shè)備監(jiān)視、總線管理、機車邏輯控制、機車牽引/制動特性控制等;RIOM接受信息采集和傳遞;GW用于網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳輸;HMI用于機車控制及運行狀態(tài)監(jiān)控實時顯示。網(wǎng)絡(luò)控制單元（即CCU、RIOM、GW）及顯示屏采用Selectron公司的設(shè)備，Selectron公司的產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于地鐵、機車、城軌車輛等。

結(jié)合仿真系統(tǒng)及故障注入系統(tǒng)，接入網(wǎng)絡(luò)單元及顯示屏設(shè)備，進行微機網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（TCMS）的邏輯仿真測試和故障注入測試，用于TCMS系統(tǒng)功能測試及故障節(jié)點的預(yù)測等。

2 ?軟件介紹

（1）Matlab（包含HiGaleTarget自動代碼生成軟件+RTD驅(qū)動軟件）：Matlab Simulink實現(xiàn)列車主控制器、各個子控制系統(tǒng)、被控對象的圖形化建模;HiGale Target：實現(xiàn)模型的一鍵編譯、下載到仿真機;RTD：實現(xiàn)仿真模型與其他設(shè)備間的MVB通信。

（2）HiFIDS故障注入軟件：實現(xiàn)110 V開關(guān)量、0～24 V模擬量、MVB/WTB總線、以太網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)層、電氣層和物理層的故障注入。

（3）Selectron公司CAP1131編程工具：完成對網(wǎng)絡(luò)控制單元的軟硬件配置。

（4）Selectron公司Maestro Designer軟件：完成對顯示屏的編程設(shè)計。Maestro Designer軟件是一款基于QT的組態(tài)設(shè)計軟件。

其中，CAP1131和Maestro Designer軟件之間共享變量名。

3 ?應(yīng)用層的實現(xiàn)

應(yīng)用層包括仿真系統(tǒng)搭建、故障注入系統(tǒng)搭建、網(wǎng)絡(luò)控制單元的邏輯設(shè)計、顯示屏界面設(shè)計。

3.1 ?仿真系統(tǒng)搭建

通過Matlab Simulink可實現(xiàn)圖形化建模[4]。以牽引系統(tǒng)為例，牽引系統(tǒng)Simulink模型由三部分組成：牽引電機功能模型、TCU模型及對外接口部分。牽引電機功能模型接收TCU模型發(fā)送的目標轉(zhuǎn)矩（目標牽引力或電制力）信號，經(jīng)過該模塊內(nèi)部的計算，將與電機本體相關(guān)的電機轉(zhuǎn)速、實際轉(zhuǎn)矩、電壓電流信號發(fā)送給CCU或TCU。

3.2 ?故障注入系統(tǒng)搭建

故障注入系統(tǒng)以串行的方式接入到傳輸線路中[5]，對整車的車輛網(wǎng)（采用MVB搭建）、列車網(wǎng)（采用WTB和以太網(wǎng)搭建）和機車數(shù)字輸入信號、模擬輸入信號燈信號做系統(tǒng)級的容錯性設(shè)計。其協(xié)議層是基于總線協(xié)議對故障進行注入。通過故障注入管理軟件HiFIDS控制故障注入設(shè)備實現(xiàn)不同的故障注入功能。故障注入管理軟件運行于電腦或者工控機中。

故障注入設(shè)備首先采集網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)信息并進行解析，然后根據(jù)上位機的協(xié)議層設(shè)置相關(guān)的故障類型注入故障;最后根據(jù)轉(zhuǎn)換電路輸出相應(yīng)的波形，達到模擬網(wǎng)絡(luò)的物理層故障及模擬機車數(shù)字/模擬輸入故障等的目的。

通過此系統(tǒng)，可實現(xiàn)檢測系統(tǒng)/設(shè)備功能設(shè)計的缺陷，復(fù)現(xiàn)故障，協(xié)助故障定位等功能。

3.3 ?網(wǎng)絡(luò)控制單元邏輯程序

CAP1131完成對網(wǎng)絡(luò)控制單元邏輯程序的編寫，包括接口部分、通信模塊部分、控制程序主體[6]。主要步驟如下：

（1）定義TCMS網(wǎng)絡(luò)節(jié)點配置，包括CPU、擴展I/O模塊、遠程節(jié)點模塊和各個子系統(tǒng)模塊。選擇CPU類型后，根據(jù)選擇的CPU類型系統(tǒng)會自動加載相應(yīng)的接口，如C_Bus接口、CAN接口、LBus通訊擴展接口。

（2）調(diào)用軟件中自帶的通信功能塊實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制單元之間的通信。

（3）應(yīng)用程序組：頭文件定義或者聲明所有變量名稱及初值，聲明所用到的功能塊;程序主體即對各個功能塊（如TCU、ACU等模塊）進行編程設(shè)計。根據(jù)不同的變量的狀態(tài)，完成運行控制、計算功能、設(shè)備控制等功能。下圖4（右圖）即為里程計算的功能邏輯示意圖。

（4）任務(wù)組：定義程序組的執(zhí)行順序。

（5）編譯。如果編譯通過，導(dǎo)出變量表和后綴名為.asc的程序。將程序刷進CCU。

3.4 ?顯示界面的實現(xiàn)

直接調(diào)用CAP1131工程中導(dǎo)出的變量表，完成顯示界面各個頁面的編程。界面主要功能是實時顯示車輛狀態(tài)信息、故障信息、狀態(tài)指示，并根據(jù)指示作出相應(yīng)的調(diào)整。通過按鈕可進入子界面。顯示界面框架樹如圖4所示。將界面程序下載至HMI，通過以太網(wǎng)和CCU進行數(shù)據(jù)交互。

4 ?結(jié)語

以HXD21000型機車為對象構(gòu)建了機車半實物仿真平臺，通過對ACU、TCU、BCU的功能仿真，結(jié)合故障注入系統(tǒng)，實現(xiàn)了對機車控制邏輯的全面測試。近兩年的投入使用，半實物仿真平臺為機車的系統(tǒng)設(shè)計、功能驗證提供了良好的測試平臺。

參考文獻

[1] 李美華， 矯德余， 孫昊雯. 列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)半實物仿真平臺設(shè)計及應(yīng)用[J]. 鐵道機車車輛， 2018， 32（1）： 23-25.

[2] 王強， 楊杰. 列車MVB總線故障注入研究[J]. 鐵道通信信號， 2016， 52（1）： 52-54.

[3] 謝曲波， 胡志鵬， 黃彬. 機車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)半實物仿真平臺的應(yīng)用[J]. 鐵道機車與動車， 2018， 528（2）： 23-25.

[4] 司曉偉. 基于LabVIEW的高速列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)半實物仿真平臺研制[D]. 北京： 北京交通大學， 2012.

[5] 安志勝， 謝曲波， 郭振東. 基于半實物仿真平臺的多功能車輛總線故障研究[J]. 鐵道機車與動車， 2018， 533（7）： 35-37.

[6] 陳文翔. 基于TCN的CRH3型高速列車控制系統(tǒng)半實物仿真平臺設(shè)計[D]. 浙江： 浙江大學系統(tǒng)分析與集成， 2012.