基于MVB 列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的半實(shí)物仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

魯振山，金學(xué)田

（中車大連電力牽引研發(fā)中心有限公司，遼寧 大連 116023）

列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)屬于列車關(guān)鍵系統(tǒng)，作為列車的“大腦”負(fù)責(zé)整車邏輯控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及故障診斷，是與整車交互關(guān)系最為密切的系統(tǒng)。目前，基于MVB 總線的列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是當(dāng)今主流的列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，被大多數(shù)列車所采用。

在實(shí)際工程項(xiàng)目中，針對(duì)MVB 列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的調(diào)試主要包括2 方面內(nèi)容：一是MVB 通信調(diào)試，包括網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)各部件之間以及與其他系統(tǒng)之間的通信調(diào)試；二是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)功能調(diào)試，由于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)與整車硬線及其他車載系統(tǒng)存在大量的數(shù)據(jù)及功能交互，因此單靠網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)自身難以實(shí)現(xiàn)完備的功能驗(yàn)證。目前，大多采用的方式是逐個(gè)與車載系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)物對(duì)接，或利用具有MVB 通信接口的嵌入式設(shè)備去模擬其他車載系統(tǒng)［1］，對(duì)測(cè)試人員專業(yè)性要求較高，且人機(jī)交互性差，因此，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的功能驗(yàn)證主要依賴于裝車實(shí)測(cè)。文中依據(jù)實(shí)際項(xiàng)目背景，綜合考慮網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)開發(fā)調(diào)試所需的外部環(huán)境，完成MVB 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的半實(shí)物仿真平臺(tái)研制，提高開發(fā)效率，降低調(diào)試成本。

1 半實(shí)物仿真平臺(tái)功能需求

針對(duì)160 km/h 動(dòng)力集中動(dòng)車組動(dòng)力車MVB網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)實(shí)物，進(jìn)行半實(shí)物仿真平臺(tái)的功能需求分析，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)功能及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，半實(shí)物仿真平臺(tái)研制主要考慮以下幾點(diǎn)需求：

（1）設(shè)備種類：所研制半實(shí)物仿真平臺(tái)包含實(shí)物和仿真2 部分：實(shí)物部分為微機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，主要包括：中央控制單元CCU、司機(jī)室顯示單元DDU、輸入輸出單元CIO 和MIO 等［2］；仿真部分為牽引控制單元TCU、制動(dòng)控制單元BCU、輔助控制單元ACU 及列供控制單元ETS 等。

（2）接口要求：車輛級(jí)MVB 總線采用固定配置，車輛級(jí)各子系統(tǒng)通過MVB 接口直接連至車輛總線，因此，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及牽引、制動(dòng)等車載系統(tǒng)應(yīng)具有MVB 接口，連接到MVB 總線上進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，此外，還應(yīng)包含與網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)輸入輸出單元CIO/MIO 連接的硬線信號(hào)。

（3）功能要求：網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)具備完成對(duì)包括牽引系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、高壓系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、列車供電系統(tǒng)等在內(nèi)的整車系統(tǒng)的邏輯控制、狀態(tài)監(jiān)視及故障診斷。其他關(guān)鍵系統(tǒng)應(yīng)能接收網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)發(fā)送的控制指令，根據(jù)子系統(tǒng)仿真模型執(zhí)行控制任務(wù)并反饋控制結(jié)果、狀態(tài)和故障信息，協(xié)同網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)完成整車控制功能。

2 半實(shí)物仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

文中針對(duì)MVB 列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)實(shí)物，結(jié)合與其具有交互功能的外部關(guān)鍵系統(tǒng)的模擬仿真，從而研制能提高網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)開發(fā)和調(diào)試效率的半實(shí)物仿真平臺(tái)。平臺(tái)架構(gòu)主要包括實(shí)物和仿真2 部分：實(shí)物部分為車載網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及I/O 輸入輸出信號(hào)箱，仿真部分包含與網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)關(guān)系緊密的牽引系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等仿真模型。平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 半實(shí)物仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

為提高人機(jī)交互性，仿真部分還包括對(duì)司機(jī)室操作臺(tái)的模擬仿真。根據(jù)半實(shí)物仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖，實(shí)物部分與仿真部分只需通過MVB 總線接口進(jìn)行級(jí)聯(lián)，即可完成數(shù)據(jù)和功能上的交互，實(shí)物部分采用I/O 輸入輸出測(cè)試箱，完成列車硬線信號(hào)模擬。

2.2 硬件方案設(shè)計(jì)

根據(jù)半實(shí)物仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)分析，仿真部分硬件采用1 臺(tái)集成MVB 通信接口的工控機(jī)，工控機(jī)是專門用于工業(yè)領(lǐng)域的個(gè)人電腦，具有工業(yè)級(jí)機(jī)箱，防塵，防水，防電磁干擾能力強(qiáng)［3］，工控機(jī)包含的基本配置：CPU 主板、顯示器及PCI 總線擴(kuò)展插槽，PCI 用于與MVB 接口電路連接，接口電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 MVB 接口硬件結(jié)構(gòu)圖

MVB 接 口 電 路 主CPU 采 用32 位ARM 處 理器，對(duì)存儲(chǔ)器的訪問支持8 位、16 位和32 位，并帶有10/100 Base-T Ethernet 接 口、DMA 控制 器、2 個(gè)完全獨(dú)立的USART 串行口。通用的外圍電路包括看門狗電路、程序存儲(chǔ)和運(yùn)行電路［4］。對(duì)外接口包括電氣中距離EMD 介質(zhì)的MVB 接口和PCI 接口。FPGA 協(xié)議控制器實(shí)現(xiàn)MVB 協(xié)議中鏈路層以下的功能，具有響應(yīng)MVB 主幀調(diào)度、宿端口刷新超時(shí)檢測(cè)能力；PCI 接口模塊提供板卡的PCI 接口，用于與工控機(jī)集成。

實(shí)物部分除了MVB 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)外，分別提供1 個(gè)具有多通道輸入測(cè)試箱和1 個(gè)多通道輸出測(cè)試箱來模擬列車I/O 信號(hào)，單路輸入和輸出電路原理如圖3 所示。

圖3 輸入/輸出測(cè)試箱電路

2.3 軟件方案設(shè)計(jì)

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering WorkBench）是用圖形符號(hào)來編寫程序的編程環(huán)境，它擁有眾多的圖形用戶界面，又易于編程，使得它對(duì)于仿真、結(jié)果顯示、通用編程甚至講授編程概念都是理想的語言［5］，用戶可以根據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)建所需的虛擬儀器，當(dāng)需求變化時(shí)，還可快速修改虛擬儀器，易于擴(kuò)展。

文中所研制的半實(shí)物仿真平臺(tái)運(yùn)行系統(tǒng)環(huán)境選擇Microsoft Windows XP 環(huán)境下搭建LabVIEW編程系統(tǒng)。平臺(tái)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4 所示。

圖4 軟件結(jié)構(gòu)

2.3.1 MVB 接口通信設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目的通信協(xié)議要求，對(duì)仿真平臺(tái)MVB 通信進(jìn)行配置，基于LabVIEW 的MVB 通信配置接口一般包含2部分：

（1）通用功能接口General Function Interface（GF），提供了設(shè)備的一般初始化功能和MVB 通信功能，接口函數(shù)以gf 開頭。

（2）過程數(shù)據(jù)接口Link Layer Interface for Process Data（LP）提供了MVB 端口寄存器初始化、整個(gè)MVB 數(shù)據(jù)集的發(fā)送、接收以及同步控制，該接口在IEC 61375-1 實(shí)時(shí)協(xié)議中進(jìn)行了規(guī)定。接口函數(shù)以lp 開頭。MVB 通信實(shí)現(xiàn)過程如圖5 所示。

按照?qǐng)D5 程序流程，采用LabVIEW 語言順序結(jié)構(gòu)算法，依次執(zhí)行g(shù)f_open_device，gf_init_device，gf_mvb_init，lp_init，gf_mvb_start 完 成gf 部 分 功 能，在順序結(jié)構(gòu)中，嵌入條件結(jié)構(gòu)，對(duì)每一步初始化結(jié)果進(jìn)行錯(cuò)誤控制。在完成MVB 硬件初始化任務(wù)后，使用LabVIEW 順序結(jié)構(gòu)依次執(zhí)行l(wèi)p_get 和lp_put，完成lp 部分功能。采用while 循環(huán)結(jié)構(gòu)，依次輪詢MVB 端口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)，同時(shí)完成MVB通信數(shù)據(jù)與后臺(tái)仿真模型的數(shù)據(jù)綁定，如圖6所示。

圖5 MVB 通信流程圖

圖6 MVB 數(shù)據(jù)收發(fā)模型

2.3.2 司機(jī)臺(tái)仿真設(shè)計(jì)

司機(jī)臺(tái)是列車最重要的操作部件，進(jìn)行半實(shí)物仿真平臺(tái)的主要目的是在地面能夠完成以往需要裝車實(shí)測(cè)的內(nèi)容，因此司機(jī)臺(tái)模擬仿真是非常必要的。本仿真平臺(tái)中司機(jī)臺(tái)的仿真是在工控機(jī)LabVIEW 開發(fā)環(huán)境下，通過模擬實(shí)際司機(jī)操控臺(tái)來實(shí)現(xiàn)的。

調(diào)試人員通過半實(shí)物仿真平臺(tái)鼠標(biāo)進(jìn)行司機(jī)臺(tái)操作，司機(jī)臺(tái)指令通過前臺(tái)用戶界面與后臺(tái)數(shù)學(xué)模型關(guān)聯(lián)，后臺(tái)仿真模型完成計(jì)算后通過MVB接口傳給網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)綜合計(jì)算后發(fā)出控制指令，子系統(tǒng)仿真模型或執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照控制指令將執(zhí)行動(dòng)作或狀態(tài)信息通過MVB 反饋給網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，同時(shí)，通過司機(jī)臺(tái)進(jìn)行顯示，供調(diào)試人員獲取結(jié)果信息。文中以部分操作部件為例，搭建后臺(tái)模型，通過前臺(tái)用戶界面圖標(biāo)與后臺(tái)模型的關(guān)聯(lián)計(jì)算后，通過MVB 總線發(fā)送給實(shí)物網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進(jìn)行功能控制，模型如圖7 所示。

圖7 司機(jī)臺(tái)仿真模型

文中研制的仿真司機(jī)臺(tái)，包括電鑰匙、受電弓扳鍵、主斷扳鍵，壓縮機(jī)扳鍵、主司控器手柄、自動(dòng)制動(dòng)手柄等部件，每個(gè)部件與后臺(tái)對(duì)應(yīng)的仿真模型相關(guān)聯(lián)，同時(shí)，司機(jī)臺(tái)提供了列車管壓力、制動(dòng)缸壓力、速度、緊急制動(dòng)等數(shù)據(jù)和狀態(tài)顯示。

2.3.3 子系統(tǒng)仿真模型設(shè)計(jì)

牽引、制動(dòng)等關(guān)鍵系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)緊密相關(guān)，交互關(guān)系一般體現(xiàn)在列車功能需求和通信協(xié)議中，此處篇幅有限，僅以牽引控制中的定速巡航控制和制動(dòng)控制中的空電聯(lián)合制動(dòng)控制為例，介紹仿真模型的搭建。定速巡航控制和空電聯(lián)合制動(dòng)控制示意圖分別如圖8 和圖9所示。

圖8 定速巡航控制結(jié)構(gòu)圖

圖9 空電聯(lián)合制動(dòng)控制結(jié)構(gòu)圖

定速巡航控制是動(dòng)力集中動(dòng)車組的一個(gè)重要控制功能。目標(biāo)設(shè)定速度由司控器手柄級(jí)位乘以10 倍作為給定，該指令由仿真司機(jī)臺(tái)給出，通過MVB 總線傳送給實(shí)物網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)CCU，同時(shí)，仿真平臺(tái)動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算列車當(dāng)前實(shí)際速度，通過TCU 模型發(fā)送給CCU。CCU 計(jì)算巡航速度請(qǐng)求目標(biāo)VSet與實(shí)際速度VActual的差值，計(jì)算的誤差結(jié)果送入PI 控制器，通過牽引特性外包絡(luò)曲線及其他限幅處理，最終計(jì)算出發(fā)送給TCU 模型需要的扭矩。同時(shí)，TCU 模型收到扭矩指令后，輸入仿真平臺(tái)后臺(tái)動(dòng)力模型，最終計(jì)算出列車實(shí)際速度VActual并反饋給CCU，形成閉環(huán)控制。

空電聯(lián)合功能投入后，空氣制動(dòng)和電制動(dòng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)合控制，電制動(dòng)優(yōu)先。仿真司機(jī)臺(tái)操作自動(dòng)制動(dòng)手柄，BCU 仿真模型根據(jù)手柄位置計(jì)算列車管減壓量，同時(shí)根據(jù)列車管減壓量進(jìn)行制動(dòng)力請(qǐng)求值計(jì)算，并通過MVB 總線發(fā)給網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)CCU，如果電制動(dòng)設(shè)定值同時(shí)來自主司控器手柄和BCU，則CCU 按照2 個(gè)設(shè)定值中較高的執(zhí)行。

3 功能驗(yàn)證

將MVB 列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、輸入輸出測(cè)試箱及仿真平臺(tái)按照?qǐng)D1 進(jìn)行連接，進(jìn)入仿真司機(jī)臺(tái)界面，如圖10 所示。

圖1 0 仿真司機(jī)臺(tái)

仿真司機(jī)臺(tái)模擬了機(jī)車的主要操作部件，如電鑰匙、主司控器手柄、受電弓扳鍵、主斷扳鍵等，同時(shí)進(jìn)行列車關(guān)鍵信息顯示，如機(jī)車速度、制動(dòng)缸壓力、列車管壓力等，與網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)DDU 顯示界面形成信息互補(bǔ)。除了仿真司機(jī)臺(tái)，半實(shí)物仿真平臺(tái)還具有MVB 網(wǎng)絡(luò)通信界面、牽引、制動(dòng)等子系統(tǒng)界面。

通過該半實(shí)物仿真平臺(tái)對(duì)下列主要控制功能進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證過程及結(jié)果見表1。

表1 半實(shí)物仿真平臺(tái)對(duì)主要控制功能驗(yàn)證情況

4 結(jié) 論

搭建的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了MVB 網(wǎng)絡(luò)通信、牽引、制動(dòng)等子系統(tǒng)的仿真模型搭建，對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)仿真具有一定的參考意義，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，滿足160 km/h 動(dòng)力集中動(dòng)車組動(dòng)力車的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)仿真需求；該半實(shí)物仿真平臺(tái)易于擴(kuò)展和維護(hù)，可以方便地應(yīng)用于其他MVB 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，提高開發(fā)效率。