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轨道车辆技术TCMS 终端系统仿真装置设计

时间:2024-05-04

朱红岗,于海宁

(昆明铁道职业技术学院 机车车辆学院,云南 昆明 650208)

0 引言

国家级职业技能大赛轨道车辆技术项目其中一个比赛赛项为车辆整车故障排查与处理。该轨道车辆为地铁车辆,作为地铁车辆神经中枢的列车网络控制系统(以下简称“TCMS系统”)起着至关重要的作用。列车电气系统故障的产生、分析及排除关乎列车是否能激活、控制、牵引、制动、车门开关、空调正常工作等多方面。要设计和安全实现车辆控制功能,需要一个TCMS终端装置仿真测试平台,实现对列车网络系统接口、逻辑控制、故障诊断及排除等的分析验证。

1 研究现状

谭骥[1]通过分析终端装置设备在CRH2列车网络中的主要功能需求,实现了终端装置仿真软件设计,模拟了向车载设备传递列车控制指令、监测及反馈设备状态、模拟故障工况的功能。刘鹏[2]建立了CRH3型高速列车运行情况的仿真平台,分析了车门系统的状态、逻辑关系与安全性要求,并给出了该系统的软硬件实现。王磊[3]构建了CRH3半实物仿真平台,实现了网络、牵引、高压电路、制动、空调、车门、旅客信息等系统的功能仿真。陈宁[4]阐述了列车门控系统,并分析了列车开关门控制逻辑,车门故障排除及隔离等关键功能的实现。

2 存在的问题

目前,国内虽然有相关的技术人员对列车网络控制系统进行研究分析,但大多着重动车组、MVB理论及通信验证、纯软件仿真等方面,存在以下不足:对轨道车辆技术项目车辆整车故障排查与处理单赛项研究不足,缺乏依托地铁车辆TCMS系统进行整车故障排查与处理的经验;对列车网络控制系统研究大部分集中在高速动车组方面,在地铁车辆方面研究相对较少;对列车网络控制系统研究,大部分集中在MVB理论研究及通信验证、列车网络控制系统与其他车载子系统数据交互等方面,停留在实验室模拟阶段,缺乏实际项目经验;对地铁车辆列车网络控制系统与其他车载电气控制系统的控制逻辑模拟,尚处于起步阶段,对车辆实际控制逻辑了解不透彻,对地铁车辆整车故障排查与处理逻辑不清楚。

3 终端系统仿真装置设计

本文提出以三菱PLC和触摸屏为核心,搭建了Tc车终端系统控制电路、Mp车终端系统控制电路、M车终端系统控制电路,构建了TCMS 终端系统仿真装置,如图1所示。通过触摸屏触发PLC的输入输出I/O所连接的Tc车、Mp车、M车终端系统控制电路,用于模拟实际地铁车辆硬线控制电路故障。该故障产生后由各车RIOM输入输出单元负责采集。采集后的信号通过MVB多功能车辆总线上传至位于Tc车的CCU中央控制单元,CCU将该故障信息上报HMI车辆屏,地铁司机基于故障应急处置手册对该故障进行模拟处理,为轨道车辆整车故障排查与处理提供了平台支撑。

图1 终端系统仿真装置测试平台

该平台对地铁车辆典型电气系统与TCMS系统之间的通信原理进行研究、分析、总结,建立了对列车网络控制系统的理论研究及通信验证;对地铁车辆典型电气系统工作原理进行研究、分析、总结,并在此基础上进行仿真设计,建立了列车网络控制系统与终端系统仿真装置的控制逻辑;对地铁车辆典型电气系统与TCMS系统之间的网络互联结构进行研究、分析、总结,建立了列车网络控制系统与终端系统仿真装置的数据交互、硬线连接。

以Tc车为例,搭建终端系统列车控制电路部分电路如图2所示,完成司机室激活列车线、TCMS紧急制动列车线、零速列车线、车门关好列车线、警惕列车线、列车紧急制动列车线等信号的控制及故障模拟触发,直观分析城轨车辆电气系统控制电路的逻辑,实现IO硬线故障。

在正常情况下,由列车控制供电线DC110V→司机室激活继电器K101常开触点→方向手柄前或后位→门关好继电器K104常开触点或零速继电器K103常开触点→警惕继电器K105常开触点或零速继电器K103常开触点→VCU紧急制动继电器K102常闭触点→司控器紧急制动蘑菇按钮→紧急制动继电器K106供电。当上述电路电流因为实际硬线故障或者PLC软触发电路开路都可实现相应故障触发,司机在HMI显示屏上可以看到并进行相应故障处理。

项目采用三菱PLC FX3U-48 MR作为终端系统仿真装置控制器。以Tc车为例,搭建编写终端系统列车控制电路PLC梯形图部分程序如图3所示,完成司机室激活、TCMS紧急制动、零速、车门关好、警惕、列车紧急制动等信号的控制及故障模拟触发,通过触摸屏控制PLC,PLC I/O输出硬线控制指令驱动列车相关控制电路继电器得电或失电,以此模拟列车控制电路中的硬线或继电器故障,故障信息通过列车网络控制系统中远程输入输出模块进行信号采集,采集后经MVB多功能车辆总线,将该信息传递给CCU中央控制单元,CCU集中处理将信号传递给HMI车辆屏,HMI提示司机或车辆维保人员进行故障或事件警告报送,依据HMI相关提示信息进行控制电路故障查找、分析及排除。

图3 终端系统仿真装置PLC程序

项目采用三菱触摸屏GS2107作为终端系统仿真装置触摸屏显示器,基于GS2107开发了各类系统故障触发及故障复位界面:车门系统“M车、Mp车、列车左侧车门关好,车门关门灯不亮”“M车、Mp车、列车右侧车门关好,车门关门灯不亮”“列车所有车门关好,车门关门灯不亮”3类故障;辅助供电系统“M车、Mp车SIV输出AC380V异常”;制动系统“M车、Mp车制动隔离塞门1、2异常”;牵引系统“正常位联锁”;空调系统“M车、Mp车紧急通风逆变器异常”;充电机系统“M车、Mp车DD110输出异常”等。触摸屏程序设计如图4所示。

图4 终端系统仿真装置触摸屏程序

4 终端系统仿真装置验证

轨道车辆技术项目车辆整车故障排查与处理地铁车辆仿真测试平台主要包括3大部分:司机控制台、地铁车辆列车网络控制系统和TCMS终端系统仿真装置,三者之间准确、实时、有效、可靠的工作是平台正常运行的基本要求。

按照图1终端系统仿真装置测试平台进行搭建测试,在触摸屏上车门系统页面序号①M车左侧车门关好,车门关门灯不亮,点“故障触发”按钮,该触发按钮下沉及“触发”指示灯变亮,PLC中相应输出信号失电,M车门关好继电器失电,司机台所有车门关好指示灯灭,HMI车辆屏检修界面M车DI/DO界面左侧车门关好DI信号变灰,运行界面显示牵引封锁,查看封锁提示为“车门状态正常”显示红色。

在触摸屏上辅助供电系统页面序号①M车SIV输出AC380V异常,点“故障触发”按钮,该触发按钮下沉及触发指示灯变亮,PLC中相应输出信号失电,M车SIV输出AC380V正常继电器失电,HMI车辆屏检修界面M车DI/DO界面SIV输出AC380V正常DI信号变灰,牵引/辅助界面SIV无电压输出。

在触摸屏上制动系统页面序号①M车制动隔离塞门1异常,点“故障触发”按钮,该触发按钮下沉及触发指示灯变亮,PLC中相应输出信号失电,M车制动隔离塞门1继电器失电,HMI车辆屏检修界面M车DI/DO界面制动隔离塞门1 DI信号变亮,运行界面显示牵引封锁,查看封锁提示为“安全制动未激活”显示红色。

在触摸屏上牵引系统页面序号①正常位联锁点“故障触发”按钮,该触发按钮下沉及触发指示灯变亮,PLC中相应输出信号失电,Tc车正常位联锁继电器失电,HMI车辆屏检修界面Tc车DI/DO界面正常位联锁信号变灰,运行界面显示牵引封锁,查看封锁提示为“列车供电正常”显示红色。

按照上述测试逻辑对空调系统、充电机系统依次进行测试,HMI车辆屏均出现不同故障现象。学员基于以上故障现象进行分析、判断及定位,找到该故障进行上报,教员核实并对学员故障排查与处理能力进行评价,之后点“故障复位”按钮,该触发按钮下沉及“复位”指示灯变亮,说明该类故障已复位,系统仿真装置支持单一故障和多个多类故障同时触发。

TCMS终端系统仿真装置主要完成了地铁车辆电气控制仿真系统与列车网络控制系统接口和通信的设计及搭建,实现了TCMS终端系统仿真装置的软硬件设计,能够通过列车中央控制单元CCU、远程输入输出单元RIOM接收司机控制台、车辆屏HMI的命令并实时监测和反馈,模拟列车牵引系统、车门系统、辅助供电系统、制动系统、空调系统、充电机系统发生故障后,司机或车辆维保人员应该如何判断及处理故障。

5 结语

本文基于昆明铁道职业技术学院城轨车辆TCN列车通信网络实训室研制出了一套与其配套的终端系统仿真装置,通过TCMS终端系统仿真装置的设计、开发、验证和维护,实现了对列车的网络系统接口、车载电气控制系统的逻辑控制、故障诊断及排除等方面的分析验证,弥补了车辆故障排查与处理研究的不足,为轨道车辆技术项目车辆整车故障排查与处理赛项提供平台支撑。

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