張彭,劉艷龍,黃品忠
(中車大連電力牽引研發(fā)中心有限公司,遼寧大連,116052)
目前,擔(dān)當(dāng)國內(nèi)干線貨運(yùn)牽引任務(wù)的內(nèi)燃機(jī)車以直流傳動為主,大部分機(jī)車已經(jīng)進(jìn)入報廢期或者產(chǎn)品壽命后期,存在機(jī)車排放較高、經(jīng)濟(jì)性差、維保工作量大等問題。
從2005年開始研制技術(shù)引進(jìn)的交流傳動內(nèi)燃機(jī)車,共計(jì)生產(chǎn)1066臺,交流傳動具有的牽引力大、恒功控制范圍廣的特點(diǎn)受到用戶歡迎。
根據(jù)國家的鐵路發(fā)展規(guī)劃要求和用戶的需求,目前國內(nèi)鐵路市場上急需新一代的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的交流傳動貨運(yùn)內(nèi)燃機(jī)車,是DF4D、DF8B等直流傳動內(nèi)燃機(jī)車的升級換代產(chǎn)品。
該交流傳動內(nèi)燃機(jī)車首次采用編組以太網(wǎng)ECN作為車輛通信網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)單純的以太網(wǎng)控車,各網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備全部采用冗余配置,充分保證該車的高冗余性、高可靠性。
該車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(TCMS,Train Control and Monitoring System)采用列車級總線WTB(Wire Train Bus)及車輛級總線以太網(wǎng)進(jìn)行控車,取代了以往TCN(Train Communication Network)網(wǎng) 絡(luò) 中 的MVB(Multifunction Vehicle Bus)總 線,各終端設(shè)備符合IEC61375-3-4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的通信規(guī)范,整個以太網(wǎng)編組網(wǎng)絡(luò)采用環(huán)形結(jié)構(gòu),列車級網(wǎng)絡(luò)采用WTB總線,用于兩臺機(jī)車之間的列車級控制指令、故障信息等數(shù)據(jù)的傳送及動態(tài)編組的實(shí)現(xiàn)。實(shí)時以太網(wǎng)不僅大大提高了整車通信的實(shí)時性,還可以滿足海量數(shù)據(jù)通信,對比采用MVB通信的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)平臺,有了明顯的改進(jìn)和提升。
TCMS網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1所示。
圖1 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D
TCMS主要包括2個中央控制單元CCU(Central Control Unit),2個 重 聯(lián) 網(wǎng) 關(guān)GW(Gateway),其 中CCU和GW集成在一個機(jī)箱內(nèi),2個機(jī)箱硬件相同相互冗余,6個遠(yuǎn)程輸入輸出單元RIOM(Remote Input & Output Module),1個數(shù)據(jù)記錄單元ERM(Event Record Modem),其他設(shè)備顯示單元DDU(Driver Display Unit)、牽引控制單元、勵磁控制單元等由其他廠商提供。
中央控制單元機(jī)箱為3U42TE結(jié)構(gòu),由電源板、CCU板、CPU板和WTB板組成。
圖2 中央控制單元機(jī)箱
CCU板卡實(shí)現(xiàn)車輛級控制、列車級控制及設(shè)備通信狀態(tài)的診斷、故障診斷等功能。該車裝有2個中央控制單元機(jī)箱,2個CCU處于熱備冗余狀態(tài),當(dāng)主CCU故障時,從CCU立即升級為主,使機(jī)車運(yùn)行不受影響或?qū)虬踩?/p>
重聯(lián)網(wǎng)關(guān)由CPU板與WTB板組成,實(shí)現(xiàn)WTB協(xié)議與TRDP協(xié)議的轉(zhuǎn)換。當(dāng)機(jī)車重聯(lián)編組發(fā)生改變時,網(wǎng)關(guān)會初運(yùn)行,自動計(jì)算出編組中各節(jié)點(diǎn)的地址和節(jié)點(diǎn)方向,且能相互轉(zhuǎn)發(fā)和接收各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息。機(jī)車運(yùn)行中兩個重聯(lián)網(wǎng)關(guān)處于雙激活狀態(tài),CCU根據(jù)網(wǎng)關(guān)首選、備選標(biāo)識狀態(tài),確定哪個網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)有效可用。
完全自主的具有TCN-UIC自適應(yīng)能力的網(wǎng)關(guān),既可以與不同廠家平臺網(wǎng)關(guān)互聯(lián)互通,也可以與既有采用UIC協(xié)議的HX機(jī)車或CRH動車組互聯(lián)互通。通過硬件優(yōu)化設(shè)計(jì)增強(qiáng)網(wǎng)關(guān)板卡抗干擾能力,軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)完善冗余功能,改善WTB線路屏蔽效果等措施解決了重聯(lián)編組運(yùn)行時,由于線路外部干擾導(dǎo)致的設(shè)備故障。
CCU啟動過程冗余方案:2個CCU機(jī)箱撥碼為5(CCU1)和9(CCU2),初始上電時都默認(rèn)為從設(shè)備,CCU2設(shè)置延長啟動,待CCU1啟動后,如果沒接收到CCU2的狀態(tài)信號,那么CCU1自動升級成主設(shè)備,CCU2啟動后發(fā)現(xiàn)CCU1已經(jīng)為主,CCU2繼續(xù)保持為從設(shè)備,處于熱備冗余狀態(tài)。
CCU啟動過程如圖3所示。
圖3 CCU啟動過程
運(yùn)行中CCU冗余切換方案:當(dāng)主CCU出現(xiàn)故障時,從CCU接收不到主CCU狀態(tài)信號,則從CCU升級為主,接替主CCU控制功能,同時發(fā)送自己為主設(shè)備的信號。當(dāng)原主CCU故障恢復(fù)后,發(fā)現(xiàn)原從CCU已經(jīng)升為主設(shè)備,則保持主從狀態(tài)繼續(xù)作為從設(shè)備。
當(dāng)從CCU發(fā)生故障時及故障恢復(fù)后,主CCU和從CCU的主從狀態(tài)保持不變。
當(dāng)從CCU物理連接不良時,會導(dǎo)致自己升級為主設(shè)備,一旦連接恢復(fù)正常,總線上會出現(xiàn)雙主現(xiàn)象。此時原主CCU會自動降為從設(shè)備,交出總線控制權(quán)。雙主切換過程如圖4所示。
圖4 CCU雙主切換過程
兩端司機(jī)室各裝有兩個互相冗余的RIOM機(jī)箱I型,如圖5所示。機(jī)械間安裝兩個冗余的RIOM機(jī)箱II型,如圖6所示。RIOMI型為3U26TE,具有2個板位;RIOMII為3U84TE,最多具有15個板位,各板卡通道響應(yīng)速度為120ms。RIOM機(jī)箱主要包括DI、DO、AX板卡,不同機(jī)箱板卡配置不同,DI板用于車輛數(shù)字量信號的采集,單板支持24路110V數(shù)字量采集,DO板具有數(shù)字量輸出功能,單板支持16路輸出,AX板用于模擬量的輸入和輸出,包括電壓、電流、壓力及溫度等信號,AX1型單板最多支持5路模擬量輸入采集,AX2型單板最多支持12路模擬量采集。板卡內(nèi)部采用CAN通信,通過RIOM網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換為TRDP協(xié)議,與CCU進(jìn)行信息交互,完成對信號的輸入輸出邏輯控制。
圖5 RIOM機(jī)箱I型
圖6 RIOM機(jī)箱II型
CCU對冗余RIOM機(jī)箱信號有效判斷邏輯如圖7所示,DI、DO板卡具有自檢功能,實(shí)時將各個通道自檢狀態(tài)發(fā)到以太網(wǎng)總線上。RIOM機(jī)箱撥碼分別為1(RIOM1)、2(RIOM2),兩個機(jī)箱互為冗余,CCU對RIOM機(jī)箱IO輸入輸出進(jìn)行邏輯判斷,若RIOM1網(wǎng)關(guān)狀態(tài)正常,DI板卡狀態(tài)正常,板卡上通道自檢正常,且有信號輸入,則CCU信任該信號。
圖7 RIOM機(jī)箱冗余判斷邏輯
數(shù)據(jù)記錄單元ERM配備非易失性存儲器,機(jī)車管理系統(tǒng)斷電后數(shù)據(jù)不丟失,主要實(shí)現(xiàn)對機(jī)車車載設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和故障進(jìn)行自動信息采集、記錄,并可通過便攜式測試單元PTU將數(shù)據(jù)讀出和打印,如圖8所示。記錄功能包括運(yùn)行記錄和故障記錄,借助PTU軟件可以對運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理,如圖9所示。
圖8 ERM單元
圖9 PTU軟件解析
故障為觸發(fā)式記錄,故障診斷記錄包括車輛發(fā)生故障時的概要信息。概要信息以列表的形式顯示出來,主要包括故障發(fā)生的日期時間、故障代碼、故障子系統(tǒng)、故障名稱、故障描述、故障等級、故障級位、速度、列車編號、距離和故障發(fā)生解除等信息。
列車采用以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制,符合IEC 61375-3-4標(biāo)準(zhǔn)的列車工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)整車編組、控制和通信。通過優(yōu)化底層軟件通信機(jī)制,及優(yōu)化各廠家設(shè)備的以太網(wǎng)兼容性等措施解決以太網(wǎng)通信不穩(wěn)定問題,增強(qiáng)整車以太網(wǎng)通信可靠性。解決大數(shù)據(jù)量、高實(shí)時性條件下,安全可靠的對整車進(jìn)行控制。
TRDP過程數(shù)據(jù)報文格式如圖10所示,TRDP過程數(shù)據(jù)報文體現(xiàn)在UDP數(shù)據(jù)報中的DataSet,而TRDP過程數(shù)據(jù)報文中的DataSet則是我們實(shí)際通信中定義的數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)備都遵循TRDP協(xié)議,以組播IP的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互,通信周期20ms,可高實(shí)時性、可靠的對整車進(jìn)行控制。各個設(shè)備以Comid加以區(qū)分,CCU與終端設(shè)備之間通過組播通信完成數(shù)據(jù)傳輸。CCU每20ms向設(shè)備發(fā)送一幀CDR控制數(shù)據(jù)請求,該設(shè)備返回包含自身信息的CD數(shù)據(jù)幀作為響應(yīng)。
圖10 TRDP報文格式
中央控制單元CCU、重聯(lián)網(wǎng)關(guān)GW、遠(yuǎn)程輸入輸出單元RIOM、顯示屏DDU、牽引控制單元TCM及輔助控制單元ACU全部采用冗余配置,全部連接到2個網(wǎng)管型以太網(wǎng)交換機(jī)上,交換機(jī)相互連接組成環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。CCU熱備冗余,主CCU故障,從CCU切換為主,切換時間小于100ms;重聯(lián)網(wǎng)關(guān)采用雙激活方式,CCU判斷首選和備選來確定信任哪個重聯(lián)網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)的重聯(lián)數(shù)據(jù);遠(yuǎn)程輸入輸出單元機(jī)箱、信號輸入輸出都完全冗余,通道都有自檢功能,由CCU判斷網(wǎng)關(guān)心跳、板卡心跳、通道自檢狀態(tài)來確定信號狀態(tài)的有效性,對外以太網(wǎng)通信接口冗余,一路以太網(wǎng)故障,另一路可繼續(xù)實(shí)現(xiàn)通信。關(guān)鍵設(shè)備冗余配置分別接到不同交換機(jī),設(shè)備或交換機(jī)故障,整個網(wǎng)絡(luò)可繼續(xù)正常工作網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D11所示。
圖11 環(huán)網(wǎng)拓?fù)鋱D
關(guān)鍵設(shè)備采用冗余配置可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上任何設(shè)備發(fā)生故障時都能保證機(jī)車正常運(yùn)行。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都采用單獨(dú)配置,此時整個網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性為RC。設(shè)備采用冗余配置時,整個網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于冗余通信,可靠性為RS。
通過圖12的對比可以發(fā)現(xiàn),關(guān)鍵設(shè)備采用冗余配置可以極大地提高列車通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性。
圖12 冗余與非冗余配置可靠性對比
重聯(lián)網(wǎng)關(guān)GW和遠(yuǎn)程輸入輸出單元RIOM的冗余由CCU判斷信任哪一個,網(wǎng)絡(luò)上各個設(shè)備通信周期為20ms,CCU同時接收兩個冗余設(shè)備的TRDP數(shù)據(jù)包,實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)包中的心跳狀態(tài),若CCU默認(rèn)信任的設(shè)備在10個周期內(nèi)心跳不變化,則認(rèn)為該設(shè)備出現(xiàn)問題,切換到信任另一個冗余設(shè)備。
CCU作為主控設(shè)備,對其冗余的可靠性、切換時間有較高的要求,因此對系統(tǒng)中CCU切換過程中TRDP數(shù)據(jù)進(jìn)行抓包處理,CCU冗余切換時間小于100ms。
該網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)方案已經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合調(diào)試、實(shí)際車上測試、環(huán)鐵線上動態(tài)試驗(yàn)及試運(yùn)行,目前正在進(jìn)行運(yùn)用考核試驗(yàn),運(yùn)行狀態(tài)良好,具備較高的可靠性和實(shí)時性,完全滿足列車數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?,達(dá)到全面采用以太網(wǎng)實(shí)時通信控車。隨著以太網(wǎng)技術(shù)在車上的應(yīng)用與實(shí)踐,網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造及維護(hù)成本也將會大大降低。