斯里兰卡动车组电气重联控制系统

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【摘要】本文主要介绍了新一代斯里兰卡内燃动车组的电气重联控制系统。可以实现双列重联运行，具有功能全，自动化程度高，人机交互方便，保护功能强大等特点。

【关键词】内燃动车组；DMU；通讯网络；重联控制；RS485；令牌网

1.引言

根据斯里兰卡铁路要求，全新的交-直流电传动内燃动车组，按照不同的营运区间、不同的营运性质、不同的车辆组成，编成为DMU AC（2动6拖）、DMU UC（2动8拖）和DMU KV（1动5拖1驾拖）三种编组形式。其中动车MCG统一为一种，可在各编组间通用互换。

同时，三种编组形式的动车组，任意两列都可以重联编组运行，编组灵活，操作简单，尽可能减少人为操作，并能充分适应斯里兰卡地方铁路山路多，坡道大，转弯半径小的特点。为此，需要开发一种电气重联控制系统，满足任意动车与动车（DMU AC、DMU UC）、动车与驾拖车（DMU KV）之间的数据交互，以及各型动车组重联时候各个动车及驾拖车之间的数据交互。

2.斯里兰卡动车组电气系统特点

电气系统特点如下：

1）满足动车MCG在DMU AC，DMU UC，DMU KV三种编组见的通用互换；

2）任意两列可自由重联；

3）在任意司机室都能实现对全列的操作控制，当某个司机室选做主控时，在其他司机室操作无效（紧急制动、紧急停机除外）；

4）采用交-直流电传动方式，具有牵引，制动两种工况，并可做全牵引工况的自负荷试验；

5）辅助用电系统采用DC110V供电方式；

6）控制系统采用微机网络控制；

7）司机室设彩色液晶显示器，提供人机对话交流界面。

3.电气重联控制系统

3.1 控制系统网络

无论是动车还是驾拖车，都可以把它们作为网络中的一个节点。每辆动车（驾拖车）安装一台主控制器，由于动车（驾拖车）都有自己唯一的车号，以车号作为主控制器在网络中的节点号，取消拨码开关设置，网络通讯的建立由主控制器自动完成，无需司乘人员的干预，大大提高了可靠性和安全性。同时，车号本身也可表明该车是动车还是驾拖车，进行相应的动车控制或者驾拖车控制。

由此建立如图1双列动车组重联的网络模型。其中的主控制器A、B、C、D网络通讯程序及硬件设置完全一致，所对应车辆可以任意为动车或驾拖车。在此定义A、B为一列动车组，C、D为一列动车组。通讯采用热备冗余总线结构，重联1和重联2分别独立完成通讯，当重联1出现通讯故障时，主控制器会报警并自动切换到重联2，无需网络重新起动，实现无缝衔接；显示器可以显示所有车的运行数据，便于司乘人员查看相关信息。

3.2 网络通讯设置

通讯设置如下：

1）通讯速率：115.2k；

2）数据位：8；

3）奇偶校验位：偶；

4）停止位：1；

5）帧校验码：CRC。

3.3 令牌网

A、B、C、D四台主控制器采用RS485总线组成网络，如果A、B、C、D要同时往外发送数据包，就会形成冲突，所以必须要有令牌。通过自行开发的冲突抢先机制，由两端的A、D之一抢先获得令牌，并将所有在线的控制器重新动态安排地址，得到令牌的发送出去信息，信息发送完毕后将令牌传递给下一地址。令牌在工作中有“闲”和“忙”两种状态。“闲”表示令牌没有被占用，即网中没有主控制器在传送信息；“忙”表示令牌已被占用，即网中有信息正在传送。希望传送数据的主控制器必须首先检测到“闲”令牌，将它置为“忙”的状态，然后在该令牌后面传送数据。当所传数据被目的节点主控制器接收后，数据被从网中除去，令牌被重新置为“闲”。自动冲突抢先初始化、令牌网机制运行，机车上电后无需人工参与设置，自动进行网络链接，网络起动成功后，显示器显示连接机车状态及车号可供司机查询，当某台机车发生通讯故障时显示器会报警并闪烁显示故障车号，当通讯恢复后自动解除。

3.4 控制功能

电气重联控制系统主要有以下控制功能。

3.4.1 重联主控功能

任意两列动车组都可重联，重联无需任何设置，挂好重联线，上电后通讯即自动完成。在任意动车（驾拖车）上，都可以监视其它动车（驾拖车）的运行状态。在任意动车（驾拖车）上，闭合总控钥匙后，该车就成为主控车，控制全列动车组运行，同时可以根据需要，切除某个或某几个动车（柴油机停机，该车作为拖车使用）。若选定主控车后，又有其他动车（驾拖车）上的总控钥匙闭合，则总控钥匙后闭合的车操作无效，同时所有动车（驾拖车）会报警提示多总控，保证任意时刻，仅有一个操纵台能够发出指令，避免司机指令状态混乱。

3.4.2 牵引恒功率控制

牵引恒功率控制是电气重联控制系统的最基本功能，动车组在运行中，司机控制器档位不变，柴油机在一定的转速下，随列车运行阻力不断变化，使同步主发电机输出电流、电压能满足恒功率的要求，充分利用柴油机功率，保证动车组平稳运行。

当柴油机转速改变时，同步主发电机也相应的具有不同的理想外特性曲线。柴油机转速愈低，柴油机功率愈低，其理想外特性曲线愈向座标原点靠近。动车组通过对电机励磁系统的调节，使同步主发电机按理想外特性曲线工作。

微机（PLC）根据柴油机转速信号及限压、限流、过压、过流、辅助功率转移计算主发电机给定功率，同时将反馈功率与给定功率进行比较，通过PID计算，输出PWM斩波信号，斩波频率固定为1.5kHz，占空比调节范围1%～95%，通过PWM斩波器，控制主发电机励磁电流，从而控制主发电机功率按照恒功曲线运行。当运行过程中出现限压、限流、差流、过压、过流等情况时，将偏离恒功曲线降功运行直至卸载。

3.4.3 电阻制动

动车组施行电阻制动时，通过工况转换开关使牵引电动机由串励电动机转为他励发电机，将列车的动能转化为电能，消耗到制动电阻上。电阻制动设4档，最大制动力178kN。根据动车组运行速度，电阻制动分为恒制动励磁电流控制、恒制动力控制和恒制动电流控制。

为保证动车组运行安全，电阻制动与空气制动互为补充并联锁，其关系如下：

1）空气制动机的自动制动阀手把置制动位，制动缸内应有压力，然后进行电阻制动时，动车制动缸压力自动缓解为零；

2）换向手柄置制动位，空气制动机的单独制动阀的作用性能不受影响；

3）在动车处于电阻制动工况时进行紧急制动，电阻制动自动卸载。

3.4.4 辅助控制功能

动车组辅助控制功能主要包括柴油机调速控制、辅助发电1控制、辅助发电2控制、空压机控制、冷却风扇控制、自负荷试验控制及紧急制动控制等。

1）柴油机调速控制：任意车主控，都可以控制所有柴油机同步升速降速；

2）辅助直流发电包括辅助直流1、辅助直流2，它们并联为全车直流110V设备供电。当其中一路出现故障时候，另一路也可以维持整列车必需的直流供电；

3）空压机控制，根据总风压力的变化，控制空压机的工作；

4）冷却风扇控制，根据柴油机高温水和中冷水的温度要求，控制冷却风扇的工作；

5）自负荷试验，根据需要，动车可以切换到自负荷试验工况，将柴油机功率消耗到制动电阻上，可以全功率检查柴油机发电机组的性能；

6）每个车的操纵台上都设有柴油机停机按钮和紧急停机按钮。柴油机停机按钮的作用是：在主控车上，可以控制全列车的所有柴油机正常停机；在非主控车上，可以根据需要单独对本车柴油机停机，不影响其他车的柴油机正常运行。紧急停机按钮的作用是：一旦出现突发紧急情况，无论是否主控车，在任意一个车上按下紧急按钮，全列车所有柴油机同时停机，同时全列上紧急制动，保证动车组运行安全。

3.4.5 数据记录功能

电气重联控制系统具有强大的数据记录功能，可以记录动车组一个月的运行数据，包括所有的模拟量数据、开关量输入输出状态、司机操作记录、故障记录等。当动车组正常运行时，数据以每秒一次的频率记录。当出现故障的时候，在故障前后10分钟的时间内，数据自动改以每秒10次的频率记录，以便于故障分析和诊断。

4.试验及问题解决

由于动车组需双列重联，通讯传输距离较长、速率较高，如果阻抗不连续或阻抗不匹配，在通信线路中就可能产生信号反射，影响通讯。

1）阻抗不连续：信号在传输线末端突然遇到电缆阻抗很小甚至没有，信号在这个地方就会引起反射；

2）阻抗不匹配：是指数据收发器与传输电缆之间的阻抗不匹配。这种原因引起的反射，主要表现在通讯线路处在空闲方式时，整个网络数据混乱。

为了消除在通信电缆中的信号反射，有效地增强信号强度，必须在网络的两端（相距最远的两个通信端口上）匹配120Ω的精密电阻。

5.结束语

本电气重联控制系统经过装车试验，运行稳定，动车组编组灵活，无须乘务员操作即可建立网络通讯，安全可靠。完全满足斯里兰卡三种编组形式的重联需要，实现了任意编组形式的任意两列动车组通信重联，不同编组形式的任意两列动车组通信重联，通过显示器监视各车全部的运行数据。在斯里兰卡温差超过40°，海拔从0到1800米变化，最小曲线半径只有70米的复杂线路上运行一年多来，性能卓越，安全可靠，收到了用户的广泛好评。

参考文献

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[2]邵必林，段中兴，边根庆.计算机网络与通信[M].国防工业出版社，2009.

[3]鞠永强，刘泰.SDD6型机车的控制系统[J].内燃机车，2009（8）.

[4]孙宇翔，全厚德.基于RS485的远程控制系统设计[J].现代电子技术，2009（19）.

作者简介：卢京廷（1978―），男，山东平度人，大学本科，工程师，现供职于南车青岛四方机车车辆股份有限公司，研究方向：地铁及动车组网络控制系统的研究及开发。