復(fù)興號(hào)智能動(dòng)車(chē)組半實(shí)物仿真試驗(yàn)平臺(tái)研究

鄭恒亮, 李海龍, 呂龍

(中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130062)

復(fù)興號(hào)CR400BF智能動(dòng)車(chē)組采用完全以太網(wǎng)控車(chē)技術(shù)，列車(chē)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)TCMS與各子系統(tǒng)控制器通過(guò)以太網(wǎng)總線實(shí)現(xiàn)電氣連接，基于復(fù)雜的總線傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法、故障診斷與保護(hù)策略.要設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)如此復(fù)雜和龐大的控制系統(tǒng)，并確保安全可靠，無(wú)論是設(shè)計(jì)系統(tǒng)間的通信協(xié)議，開(kāi)發(fā)系統(tǒng)內(nèi)部控制算法，還是在列車(chē)運(yùn)用維護(hù)過(guò)程中分析處理實(shí)際故障，都迫切需要一個(gè)地面仿真試驗(yàn)臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、邏輯控制算法、故障診斷與保護(hù)策略等方面進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證[1-2].本文針對(duì)復(fù)興號(hào)CR400BF智能動(dòng)車(chē)組電氣系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)，通過(guò)軟件編程虛擬整車(chē)電氣系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并與TCMS真實(shí)設(shè)備(如中央控制單元CCU、顯示屏HMI)相結(jié)合，形成閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試TCMS真實(shí)設(shè)備在虛擬整車(chē)環(huán)境下的響應(yīng)特性，驗(yàn)證TCMS各項(xiàng)功能安全可靠.

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

為提高仿真結(jié)果的置信度，需最大限度地模擬實(shí)際車(chē)輛電控系統(tǒng)間交互聯(lián)動(dòng)工作環(huán)境，其中不僅需要考慮外圍電路接線關(guān)系，還要考慮基于總線通信實(shí)現(xiàn)的更加復(fù)雜的信息交互關(guān)系.大量的信號(hào)交互、針對(duì)外部激勵(lì)實(shí)現(xiàn)的多目標(biāo)控制邏輯算法以及相應(yīng)的故障診斷保護(hù)策略，是虛擬列車(chē)數(shù)學(xué)模型應(yīng)該考慮和解決的問(wèn)題[3].另一方面，仿真測(cè)試平臺(tái)還應(yīng)具備通用性、易操作性和經(jīng)濟(jì)性[4-5]，由于不同車(chē)輛電氣原理不盡相同，仿真測(cè)試平臺(tái)應(yīng)具有較強(qiáng)的通用性，避免反復(fù)修改平臺(tái)的電氣接線[5]；應(yīng)具備友好的人機(jī)交互界面便于測(cè)試人員進(jìn)行操作，同時(shí)還應(yīng)考慮縮減設(shè)計(jì)成本[6-7].

1.2 總體架構(gòu)

基于以上需求分析，結(jié)合復(fù)興號(hào)CR400BF智能動(dòng)車(chē)組TCMS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(如圖1)進(jìn)行總體設(shè)計(jì).動(dòng)車(chē)組列車(chē)采用8輛編組，分為2個(gè)牽引單元，每個(gè)牽引單元4輛編組(2動(dòng)2拖).TCMS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用基于IEC61375系列標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)以太網(wǎng)架構(gòu)，按照列車(chē)級(jí)、車(chē)輛級(jí)兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)組織形式，列車(chē)級(jí)骨干網(wǎng)采用鏈路聚合線型架構(gòu)，車(chē)輛級(jí)交換機(jī)之間采用并行冗余直線型連接，子系統(tǒng)設(shè)備通過(guò)雙歸屬以太網(wǎng)接口分別連接至以太網(wǎng)交換機(jī)ECNN通道1和2.列車(chē)級(jí)骨干網(wǎng)ETB負(fù)責(zé)跨牽引單元的數(shù)據(jù)傳輸，編組網(wǎng)ECN負(fù)責(zé)本牽引單元內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸，各子系統(tǒng)控制器作為以太網(wǎng)終端設(shè)備ED，通過(guò)雙歸屬冗余接口分別連接至本車(chē)廂冗余的交換機(jī)鏈路上.本牽引單元內(nèi)部CCU通過(guò)與子系統(tǒng)間的通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)對(duì)子系統(tǒng)控制工作狀態(tài)的收集，通過(guò)輸入輸出模塊IOM采集車(chē)輛硬線電路狀態(tài)，經(jīng)過(guò)邏輯運(yùn)算發(fā)布控制指令，同時(shí)執(zhí)行故障診斷和保護(hù)動(dòng)作，將必要的信息通過(guò)列車(chē)顯示器HMI實(shí)時(shí)推送給司乘人員.

圖1 復(fù)興號(hào)CR400BF智能動(dòng)車(chē)組TCMS拓?fù)鋱D

2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

搭建半實(shí)物仿真平臺(tái)旨在利用虛擬仿真方法測(cè)試真實(shí)列車(chē)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟硬件功能.因此平臺(tái)搭建原則為列車(chē)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)重要設(shè)備采用與車(chē)輛實(shí)際型號(hào)相同的硬件產(chǎn)品，對(duì)于地面難以搭建的硬線原理以及其他子系統(tǒng)采用虛擬仿真的方式實(shí)現(xiàn)[8].仿真試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 半實(shí)物仿真試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件平臺(tái)原理如圖3所示，平臺(tái)未按照實(shí)際車(chē)廂號(hào)進(jìn)行劃分，而是按照2個(gè)牽引單元進(jìn)行硬件設(shè)備布局.考慮到試驗(yàn)臺(tái)2個(gè)牽引單元之間ETBN實(shí)際距離較短，且終端設(shè)備所需的以太網(wǎng)接口較少，因此取消中間車(chē)EREP和ECNN.考慮到試驗(yàn)臺(tái)成本取消部分冗余設(shè)置：ETB總線取消了冗余、雙通道交換機(jī)取消冗余改成單一通道，子系統(tǒng)控制器雙歸屬冗余接口僅使用其中一個(gè)與交換機(jī)進(jìn)行連接.

圖3 仿真試驗(yàn)平臺(tái)拓?fù)鋱D

TCMS待測(cè)設(shè)備CCU、HMI以及以太網(wǎng)通信載體(ETBN和ECNN)采用實(shí)際硬件設(shè)備，仿真工控機(jī)IPC搭載實(shí)時(shí)以太網(wǎng)板卡，通過(guò)以太網(wǎng)接口與CCU進(jìn)行硬件連接，借助顯示器HMI進(jìn)行必要的狀態(tài)顯示和故障提示等.

2.2 軟件設(shè)計(jì)

基于復(fù)興號(hào)CR400BF智能動(dòng)車(chē)組整車(chē)電氣原理和各子系統(tǒng)控制器實(shí)現(xiàn)的電氣功能，在ControlBuild開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行軟件編程，搭建虛擬列車(chē)數(shù)學(xué)模型.以系統(tǒng)為單位進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，具體包括：整車(chē)電氣原理仿真模型和子系統(tǒng)控制器仿真模型.電氣原理仿真模型，完全按照真實(shí)車(chē)輛電氣接線關(guān)系進(jìn)行開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)外圍硬線控制電路信號(hào)傳輸；子系統(tǒng)控制器仿真模型，基于子系統(tǒng)與TCMS的通信協(xié)議進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)對(duì)內(nèi)部設(shè)備的監(jiān)控和管理，并將系統(tǒng)實(shí)際工作狀態(tài)反饋至TCMS.

2.2.1 整車(chē)電氣原理仿真建模

考慮到應(yīng)用的廣泛性和復(fù)雜性，ControlBuild為電路仿真提供了多種手段，其中應(yīng)用比較廣泛的是Structured Text和Low Voltage Diagram，本文采用Low Voltage Diagram進(jìn)行電氣原理仿真建模.

依據(jù)復(fù)興號(hào)CR400BF智能動(dòng)車(chē)組電氣接線圖，逐步實(shí)現(xiàn)單個(gè)功能的仿真，圖4為所開(kāi)發(fā)的牽引控制器TCU外部供電電路仿真模型.TCU外部供電條件包括“直流110V電源信號(hào)”和“直流110V控制電信號(hào)”.“直流電源110V信號(hào)”具備條件需通過(guò)閉合空開(kāi)C02_F23_F01實(shí)現(xiàn)；正常工況下“直流110V控制電信號(hào)”具備條件需同時(shí)滿(mǎn)足空開(kāi)C02_F23_F02閉合以及CCU輸出DO指令驅(qū)動(dòng)繼電器觸點(diǎn)(qytcuenabledo35或qytcuenabledo36)閉合(CCU故障工況下，可通過(guò)閉合緊急模式繼電器C02_F22_K72旁路CCU的DO指令)上述條件通過(guò)電氣原理仿真模型實(shí)現(xiàn)，作為T(mén)CU仿真模型輸入，經(jīng)TCU仿真模型判斷后續(xù)是否可正常上電啟動(dòng).

圖4 電氣原理仿真模型

對(duì)單一功能進(jìn)行仿真結(jié)束后，可逐漸完成整個(gè)功能組電氣原理仿真模型的開(kāi)發(fā)，最終將功能組電氣原理模型整合成整車(chē)電氣原理仿真模型.

考慮到平臺(tái)的易操作性，設(shè)計(jì)了可視化司機(jī)操縱臺(tái)界面，列車(chē)司機(jī)臺(tái)和電氣柜內(nèi)部可操作電器元件(如：開(kāi)關(guān)、繼電器、接觸器)均可通過(guò)可視化界面方便地進(jìn)行操作.如圖5模擬復(fù)興號(hào)CR400BF智能動(dòng)車(chē)組司機(jī)臺(tái)開(kāi)發(fā)了可視化操作界面，其中主要包括司機(jī)鑰匙、方向開(kāi)關(guān)、升弓開(kāi)關(guān)、主斷開(kāi)關(guān)、司控器手柄、開(kāi)關(guān)門(mén)按鈕等.同時(shí)開(kāi)發(fā)了司機(jī)室二級(jí)操作區(qū)可視化操作界面，主要包括ATP隔離開(kāi)關(guān)、GFX過(guò)分相開(kāi)關(guān)、緊急制動(dòng)旁路開(kāi)關(guān)、拖拽/救援選擇開(kāi)關(guān)、保持制動(dòng)隔離等；開(kāi)發(fā)了客室各電氣柜可視化操作界面，主要包括各系統(tǒng)控制器供電空開(kāi)、繼電器等.

圖5 仿真試驗(yàn)臺(tái)可視化操作界面

2.2.2 子系統(tǒng)控制器仿真建模

子系統(tǒng)仿真模型應(yīng)涵蓋車(chē)輛所有關(guān)鍵系統(tǒng)，包括牽引系統(tǒng)、高壓系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、輔助供電、安全監(jiān)控、車(chē)門(mén)等眾多子系統(tǒng)，子系統(tǒng)控制器仿真模型接收CCU控制指令，通過(guò)仿真算法虛擬實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部控制功能，并將系統(tǒng)工作狀態(tài)反饋給CCU.

由于車(chē)輛子系統(tǒng)較多，在ControlBuild開(kāi)發(fā)環(huán)境下應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)功能進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，首先選取關(guān)鍵子系統(tǒng)逐一分解控制器的功能，本例選取牽引系統(tǒng)關(guān)鍵功能進(jìn)行軟件模塊化設(shè)計(jì)：TCU上電啟動(dòng)流程,如圖6.

圖6 TCU上電啟動(dòng)流程

TCU上電實(shí)現(xiàn)流程如下：①TCU供電啟動(dòng)需同時(shí)具備直流110V電源信號(hào)和110V控制電信號(hào)，如蓄電池電量較低，CCU檢測(cè)受電弓升起后通過(guò)DO輸出TCU控制電信號(hào)，受電弓降下CCU延時(shí)取消TCU控制電信號(hào)，因此TCU需獲取的車(chē)輛狀態(tài)包括110V電源信號(hào)、CCU通過(guò)DO輸出的110V控制電信號(hào)；②推理機(jī)內(nèi)預(yù)先設(shè)置軟件控制規(guī)則，當(dāng)同時(shí)具備110V電源信號(hào)和110V控制電信號(hào)，TCU上電啟動(dòng)進(jìn)行自檢；③若自檢失敗應(yīng)記錄故障并保持封鎖狀態(tài)，若無(wú)故障TCU正常啟動(dòng)，轉(zhuǎn)入牽引/電制動(dòng)實(shí)現(xiàn)流程.

牽引/電制動(dòng)實(shí)現(xiàn)流程如圖7所示，過(guò)程如下：①TCU上電正常啟動(dòng)后，TCU輸出VCB使能信號(hào)；②CCU根據(jù)VCB使能信號(hào)狀態(tài)，輸出VCB閉合指令，VCB閉合后車(chē)輛具備高壓電；③TCU檢測(cè)到高壓電后，進(jìn)行預(yù)充電過(guò)程控制；④預(yù)充電完成后，進(jìn)行主接觸器閉合控制；⑤主接觸器閉合后，采集到CCU發(fā)出的車(chē)輛具備牽引/電制動(dòng)條件，牽引系統(tǒng)PWM脈沖信號(hào)激活；⑥TCU根據(jù)CCU發(fā)出的牽引/電制動(dòng)力實(shí)際信息，輸出牽引/電制動(dòng)力，維持車(chē)輛整車(chē)運(yùn)行，并將工作狀態(tài)反饋至CCU.

圖7 牽引/電制動(dòng)實(shí)現(xiàn)流程

另外在故障工況下CCU可以根據(jù)故障情況對(duì)故障進(jìn)行安全導(dǎo)向，嚴(yán)重時(shí)刻進(jìn)行牽引系統(tǒng)設(shè)備切除或執(zhí)行整車(chē)限速功能，上述功能可通過(guò)模擬車(chē)輛故障進(jìn)行驗(yàn)證.

同理可對(duì)車(chē)輛其他子系統(tǒng)功能進(jìn)行逐一分解，逐步完善子系統(tǒng)仿真模型，最終形成整車(chē)所有子系統(tǒng)控制器仿真模型.

3 功能測(cè)試

3.1 正常工況測(cè)試

通過(guò)可視化操作界面，檢查“司機(jī)鑰匙”置于開(kāi)位激活司機(jī)室， “司控器手柄” 置于中立位， 空開(kāi)C02_F23_F01和C02_F23_F02處于閉合狀態(tài)，蓄電池長(zhǎng)時(shí)間工作電量已降低至55%，將“受電弓開(kāi)關(guān)”置于升弓位，通過(guò)觀測(cè)CCU內(nèi)部變量查看車(chē)輛狀態(tài)如圖8所示，具體說(shuō)明見(jiàn)表1.

圖8 車(chē)輛狀態(tài)監(jiān)視界面

表1 TCU上電啟動(dòng)階段說(shuō)明

3.2 故障工況測(cè)試

通過(guò)可視化操作界面，將“司機(jī)鑰匙”置于開(kāi)位激活司機(jī)室，“方向開(kāi)關(guān)”置于向前，分別操作“關(guān)門(mén)”和“緩解停放制動(dòng)”，正常操作受電弓閉合和主斷VCB閉合，操作“司控器手柄”設(shè)置列車(chē)恒速運(yùn)行.列車(chē)運(yùn)行期間，模擬5車(chē)1軸大齒輪箱電機(jī)側(cè)超溫，動(dòng)車(chē)組列車(chē)可自動(dòng)封鎖牽引逆變器并通過(guò)HMI提示故障，同時(shí)提示列車(chē)自動(dòng)限速140 km/h以下，如圖9所示.

圖9 仿真試驗(yàn)臺(tái)故障診斷與顯示界面

4 結(jié)論

本文針對(duì)復(fù)興號(hào)CR400BF智能動(dòng)車(chē)組整車(chē)功能測(cè)試需求， 創(chuàng)建了整車(chē)電氣原理仿真模型(含可視化操作界面)和子系統(tǒng)控制器仿真模型，通過(guò)以太網(wǎng)總線實(shí)現(xiàn)仿真工控機(jī)與TCMS真實(shí)設(shè)備的數(shù)據(jù)通信，仿真模擬動(dòng)車(chē)組列車(chē)真實(shí)運(yùn)行環(huán)境，分別在正常工況和故障工況下，檢驗(yàn)整車(chē)控制及故障保護(hù)功能.復(fù)興號(hào)CR400BF智能動(dòng)車(chē)組調(diào)試及運(yùn)用結(jié)果表明，該仿真試驗(yàn)平臺(tái)能夠在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下有效地完成列車(chē)功能測(cè)試，有效縮短了列調(diào)周期，為車(chē)輛正線運(yùn)營(yíng)的安全性和可靠性提供了技術(shù)保障.