TCMS在鋼軌銑磨車中的應用

于明波，于明凱，孫 博

（太原中車時代軌道工程機械有限公司，山西 太原030000）

1 鋼軌銑磨車與TCMS

1.1 XM-1500MBG型鋼軌銑磨車

XM-1500MBG型鋼軌銑磨車是一種高效、節(jié)能、環(huán)保的鋼軌修復設備。鋼軌銑磨車的主要任務是在車輛運行中對線路上的鋼軌進行銑削和打磨，消除鋼軌的側磨、波磨、碾壓層、裂縫、剝離等缺陷，降低噪聲，從而恢復鋼軌工作部分的設計形狀，如圖1所示。

圖1 XM-1500MBG型鋼軌銑磨車外觀圖

鋼軌銑磨車是兩輛編組，分別稱為動力車（A車）和作業(yè)車（B車），兩節(jié)車通過剛性連接桿連接。A車為整車走行、銑磨作業(yè)及其他輔助用電設備提供動力，同時具有砂帶打磨功能。B車不帶動力，主要功能是進行銑削作業(yè)并配備有軌廓檢測裝置。

1.2 TCMS

TCMS（Train Control and Management System，即列車控制和管理系統）是負責整合車輛車載設備數據的標準系統，符合IEC61375標準。功能上一般執(zhí)行以下任務：行車控制；車載設備數據監(jiān)控和控制；故障診斷和運行管理；數據網絡管理以及其他輔助功能。目前主要裝備于地鐵、高鐵及動車組，國外軌道工程機械列車也有應用經驗，而國內軌道工程機械領域應用不多。TCMS一般由列車控制單元VCU，遠程輸入輸出模塊RIOM，人機設備DDU以及其他一些輔助設備等組成。在鋼軌銑磨車中，TCMS與多種較為復雜的車載控制單元共同組成列車網絡系統，實現車輛牽引、走行以及其他功能控制。

2 列車網絡系統

2.1 列車網絡組成

鋼軌銑磨車車載設備較多，控制單元配置情況也較為復雜，但它們都需要與TCMS（主要是VCU）進行數據交換，詳見表1。

表1 列車主要控制單元

據此構建以TCMS為核心的鋼軌銑磨車網絡系統組成如圖2。

圖2 鋼軌銑磨車網絡拓撲

可以得知，第1路CAN作為貫穿整車的車輛總線，連接RIOM5（A車），RIOM6（B車），TCU，ACU，實現總線管理功能，以CANopen協議進行通信。

第2路CAN通過J1939協議用于讀取發(fā)動機運行狀態(tài)數據。

第3路連接的是具有RS485串口的GCU、CCU1和CCU2等設備，通過ModbusRTU協議與VCU進行通信。

第4路是銑削作業(yè)核心單元MCU，由于MCU的控制器是S7-300PLC并不支持CAN通信轉而采用以太網，同時人機界面DDU和VCU之間也通過以太網實施大容量數據的快速傳輸，可以降低CAN總線的通信負載率。

2.2 各單元功能作用

2.2.1 列車控制單元VCU

VCU控制列車網絡的過程控制、通信管理、故障對策、顯示數據傳輸等任務?？梢哉f，VCU是TCMS的大腦，是銑磨車邏輯控制和網絡協議管理功能實現的核心。也因此，設置雙VCU熱備冗余，在強主VCU異常時弱主VCU自動接替工作，為列車正常運行提供了安全保證。

2.2.2 人機界面DDU

DDU是銑磨車行車功能控制屏，主要功能是列車狀態(tài)數據和故障報警信息顯示，應急橋接控制，參數設定等。DDU是司機和維護人員操作列車的交互窗口，人員也可以通過DDU設置必要的控制命令，如橋接功能，輪徑設定等，如圖3所示。

圖3 人機界面

2.2.3 遠程輸入輸出模塊RIOM

RIOM5（A車）和RIOM6（B車）通過CAN總線與VCU進行通信，其主要功能是采集整車非微機控制單元的運行狀態(tài)和動作控制。具體功能見表2。

表2 列車非微機控制單元功能

2.2.4 牽引變流器控制單元TCU

銑磨車電傳動系統由供應商整體外供，TCU的主要作用是反饋電傳動系統的工作狀態(tài)，并根據整車指令通過逆變模塊控制牽引電機，是電傳動系統的控制核心。

電傳動系統的主要狀態(tài)數據會實時顯示在DDU中，當出現故障時，DDU實時顯示故障名稱以及連鎖動作，蜂鳴器報警。當故障嚴重時，TCMS可以通過自動判斷和手動選擇兩種方式卸載故障牽引變流器，此時列車進入故障運行工況。

2.2.5 砂帶打磨控制單元GCU

GCU是模塊化砂帶打磨系統的PLC控制系統，它主要控制砂帶打磨裝置和集塵裝置、清掃電機等輔助設備。

GCU在銑磨車作業(yè)工況下啟動，主要受TCMS的動作指令控制和反饋打磨系統的工作狀態(tài)和報警；同時受到銑削作業(yè)單元MCU的間接控制，實現銑磨聯合作業(yè)。

2.2.6 銑削作業(yè)控制單元MCU

MCU是指Sinumerik 840D SL銑削作業(yè)數控系統，它的下位機控制由Simens S7-300PLC執(zhí)行，上位機的嵌入式軟件負責執(zhí)行算法和數據處理。MCU主要功能包括高精度銑削作業(yè)控制、數據處理儲存與安全聯鎖保護功能。在銑削作業(yè)中，MCU的核心性能為數據采集和傳遞的實時性，以及同TCMS等多設備間的實時通信。

2.2.7 發(fā)動機控制器ECU

發(fā)動機控制器ECU的任務是將采集的發(fā)動機數據和故障診斷代碼發(fā)送給TCMS，用于行車信息監(jiān)控和報警。發(fā)動機數據一般包括：柴油機轉速、水溫、冷卻液位、機油壓力、轉矩、進氣溫度、增壓壓力、蓄電池電壓、工作小時等。此外，TCMS通過RIOM采集柴油機怠速/額定轉速信號、開關信號以及燃油箱液位信息。綜合上述參數，TCMS可以對發(fā)動機運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，并對不合理的參數報警。

3 鋼軌銑磨車TCMS解決方案舉例

3.1 多控制單元的銑磨聯合作業(yè)協同

設計聯絡中，用戶要求銑磨聯合作業(yè)工況下，單人操作要完成行車控制和銑磨作業(yè)。司機可在銑削控制臺上設定行車速度，控制列車啟動。按下作業(yè)開始按鈕，銑刀盤即時切入鋼軌作業(yè)，列車行至切入位時開始砂帶打磨作業(yè)。按下作業(yè)終止按鈕后，銑削裝置順坡切出，待砂帶打磨裝置到達銑削順坡切出位時停止打磨作業(yè)，同時停車。

因此，最終設計了如下的控制流程，見圖4。

圖4 銑磨作業(yè)過程控制示意圖

作業(yè)開始，由MCU設定行車速度信息，列車啟動信號，這些信號經由TCMS轉發(fā)給TCU，并控制牽引變流器動作；MCU發(fā)出的列車停止信號，由TCMS控制空氣系統的直通制動電磁閥來實現。MCU發(fā)出作業(yè)開始和作業(yè)終止信號，TCMS負責記錄銑削切入位和切出位，結合列車實時速度計算得出砂帶打磨的作業(yè)起始點和終止點，同時負責發(fā)送給GCU打磨作業(yè)開始/終止信號。

當行車、打磨以及其他輔助作業(yè)系統出現異常不能繼續(xù)作業(yè)時，TCMS生成作業(yè)急停信號并發(fā)送給MCU。MCU執(zhí)行銑削作業(yè)裝置緊急提升動作，提升到位后發(fā)出停車信號給TCMS，其他設備即時停止工作。

在這個方案中，TCMS、MCU和GCU共同控制最終完成了銑磨聯合作業(yè)，這也是國內第一種基于TCMS、數控機床系統和PLC三套系統實時通信的高精度機具作業(yè)控制方案。TCMS、MCU和GCU在承擔各自行車、銑削、打磨控制功能的同時完成了信息中轉、邏輯運算、數據記錄與處理和安全功能等任務，且能夠保證任一設備出現異常時銑削裝置能夠完成起復并在安全位置卸載停車，為探索作業(yè)控制方案設計提供了參考價值。

3.2 適應模塊化設計的網絡系統集成

XM-1500MBG型鋼軌銑磨車是國內第一臺系統模塊化設計的鋼軌銑磨車，因此在整車集成設計的最大難度之一就是實現網絡系統的實時互通。而TCMS兼容性強，不需借由網關或轉換器等設備就可以同時支持多種不同的實時通信，如CAN（CAN-Open和J1939）、以太網和RS485等，也能滿足車輛靈活編組的需求，正好對應解決軌道工程機械車載子系統種類較多，難以統型組網的特點，并且基本滿足國內大多作業(yè)裝置控制系統的通信要求。

此外，TCMS軟件中的行車控制邏輯、通信管理、以及車輛管理等功能也有相當的普適性，一次開發(fā)后續(xù)車型都可以借鑒，有助于快速形成產品線的標準化、系列化。

4 鋼軌銑磨車TCMS網絡方案的對比和評價

目前國內軌道工程機械網絡控制方案主要有兩類：一類是行車控制系統直接控制作業(yè)裝置的控制網絡方案，多應用于小型工程車輛。在大型養(yǎng)路機械中一般采用分布式布置，這樣一來其總線負荷率會很高，缺乏系統冗余設計，一旦發(fā)生故障，比較依賴硬線控制實現應急功能。

另一類是以“牽引+作業(yè)”組合系統，是由相對獨立的兩套控制系統組合的控制網絡方案。以GMC-96B打磨車控制網絡為例，走行控制系統控制車輛走行及輔助供電，打磨控制系統只負責打磨作業(yè)。這種方案優(yōu)點是在設計階段可并行開發(fā)，設計周期短，系統間不會互相影響，但缺點是系統間無法進行數據交互，無法滿足智能化打磨、高精度打磨的需求。

將TCMS引入工程機械領域控制網絡是對前兩類方案的優(yōu)勢融合。在這種設計中，TCMS不僅是行車控制系統，也是整車通信和監(jiān)控的樞紐，還是作業(yè)控制的監(jiān)控系統，既能實現不同作業(yè)系統的協同控制，也能對故障部分進行切除，以滿足調試、作業(yè)和應急收車的需求。

綜上所述，將TCMS應用于鋼軌銑磨車等軌道工程機械產品具有良好的前景。