广州市一二八号线车辆增购项目国产网络控制系统原理简介

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[摘 要]广州一二八号线车辆增购项目网络控制系统采用模块化设计，分布式控制和双冗余技术，通过MVB 总线进行通信的计算机系统。完成轨道车辆的通信管理、功能控制、故障诊断、信息显示和事件记录等功能，系统功能强大，性能可靠，运行稳定，为车辆的运行使用、检修维护提供方便。

[关键词]列车控制、网络通信、MVB、故障诊断，事件记录

中图分类号：U270.38 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）15-0128-02

1 概述

广州一二八车辆增购项目（以下简称GML128S）采用的DTECS网络控制系统，该系统采用模块化设计，列车和车辆级网络均采用多功能车辆总线（MVB）。

2 网络控制系统的介绍

网络控制系统DTECS（Distribute Train Electric Control System）是指控制轨道车辆通信的一套车载计算机系统，主要完成轨道车辆的通信管理、功能控制、故障诊断、信息显示和事件记录等功能。

DTECS网络控制系统根据模块的功能特点划分为不同的功能模块，GML128S项目主要采用以下网络模块：车辆控制模块VCMe、人机接口单元HMI、事件记录模块ERMe、中继模块REP、数字量输入输出模块DXMe、数字量输入模块DIMe、模拟量输入输出模块AXMe等。

3 网络控制系统设备布置和结构图

GML128S项目车辆为六节编组，其网络拓扑结构图如图1所示：

列车总线和车辆总线都采用通信线路双线冗余设计，当某一路通信线路出现故障时，系统可以自动切换到另一路通信线路。对于关键的车辆控制模块VCMe，由于其主要实现重要的车辆控制、总线管理功能，因此在整车内对VCMe做了热备冗余配置，当主VCMe出现故障，备用VCMe将接管主VCMe的职责，行使其所有的功能。

4 网络控制系统的主要功能

4.1 控制功能

综合车辆运行工况及各设备的工作状态，对车辆进行控制是网络控制系统的主要功能之一，根据系统设计需求，主要完成以下控制功能：牵引制动控制与模式选择；操作端和方向控制；紧急牵引控制；空电联合制动控制；牵引连锁控制；空调启动控制；扩展供电控制；VCM紧急制动；故障显示和事件记录分析。

4.1.1 牵引制动控制与模式选择

网络控制系统系统根据ATC发送的ATO模式命令选择是ATO模式还是人工驾驶模式。

1）当为ATO模式时，网络控制系统使用来自ATO的指令（牵引制动参考值等）

2）当为人工模式时，网络控制系统使用来自司控器的指令（牵引制动参考值等）

3）紧急制动时，网络控制系统的反馈给HMI显示并且通过ERMe记录。

4.1.2 操作端和方向控制

网络控制系统以有司机钥匙激活的司机室为操作端， 两个司机室同时有钥匙激活信号时，网络控制系统封锁所有牵引/制动信号输出，并且通过HMI发出警示信息。

列车在运行过程中，网络控制系统方向控制指令将保持前一刻得方向信号，只有列车在零速（

如果操作端同时收到“向前”“向后”信号，网络控制系统通过HMI发出警示信息。

4.1.3 紧急牵引控制

紧急牵引模式下列车相关功能降级使用，仅发生于一次运行过程中出现两个车辆控制模块（VCMe）均故障情况或MVB两条通信线均故障情况或人机接口单元（HMI）数据无法正常显示情况下。在以上情况下可使用紧急牵引模式，车辆紧急牵引运行至下一站进行清客下线。紧急牵引模式下，由网络实现的功能将无法正常完成，网络传输给其他子系统的数据不能用于控制，部分功能可通过硬线实现。 紧急牵引模式下仅使用空气制动，这是因为空电联合交互信息传输由列车网络完成，在列车网络故障情况下，空电联合控制不可用，这是出于故障导向安全的要求。发生以上降级情况时，司机操作紧急牵引模式按钮，制动系统收到紧急牵引硬线信号后，制动命令取硬线信号用于控制，由于制动系统无法接收真实的制动级位，因此当制动系统接收到硬线制动命令后需施加安全的固定制动力。

为了保证网络控制系统故障情况下，列车能够继续运行到下一站，列车设置了紧急牵引按钮，司机可以通过操作紧急牵引按钮来进入紧急牵引模式。

紧急牵引模式下BCU、DCU通过接收硬线的指令实现列车的牵引和制动控制，屏蔽网络控制系统的网络控制信号

4.1.4 空电联合制动控制

网络控制系统根据来自司控器和ATO的指令信号产生控制指令，通过MVB网络发送给BCU；BCU根据制动级位和载荷等信息，计算总制动力和电制动力大小，并将申请电制动力大小经由网络控制系统发送给DCU；DCU根据来自网络控制系统的电制动请求施加再生制动并将实际电制动力反馈给网络控制系统。网络控制系统传输列车的总制动力、各VVVF实际再生制动力及各BCU的工作状态。BCU根据总制动力和来自网络控制系统的再生制动力计算和控制空气制动力。

4.1.5 牵引连锁控制

在某些特定条件下，网络控制系统封锁牵引/制动设定值的输出值，无论主控制器是否处于牵引有效条件下。

满足以下条件之一时，网络控制系统将取消发向DCU的牵引指令：

1）门开且门关好旁路未闭合

2）至少4个制动风缸压力低

3）主风管压力低于500KPA

4）列车行驶速度超过80km/h

5）升弓允许旁路闭合

6）制动系统产生紧急制动信号

4.1.6 空调启动顺序控制

主控司机台可以根据司机面板空调启/停选择开关对空调进行启/停（高电平信号，脉冲或持续电平）控制。当开关处于启动（停止）位置时，网络控制系统发出空调启（停）指令，启动（关断）全车空调。通过司机台HMI显示器可以对全车空调进行制冷目标温度设定。

4.1.7 扩展供电控制

扩展供电逻辑由网络系统实现，其基本原则为：扩展供电仅在单元车内进行，即在单元内的A、B、C三节辆车之间进行。

1）当单元内1台SIV故障时，由相邻车辆进行扩展供电，两车空调制冷各减载50%，且A车故障由B车扩展，B车故障由C车扩展，C车故障由B车扩展；

2）当单元内2台SIV故障时，单元内所有空调机组保持通风，司机室通风单元保持工作；

3）当单元内3台SIV故障时，单元内所有空调机组紧急通风。

4）网络系统检测单元内各SIV的“正常”信号及扩展供电箱的“扩展反馈指令”。两台车辆间扩展供电时，网络系统发出“减载”指令给两扩展供电车辆的空调系统、切除一半空调负载，并延时发出“扩展控制”指令闭合扩展接触器。

4.1.8 VCM紧急制动条件

VCM与ATP都可以中断安全环路。在所有的自动模式下，由ATP中断安全环路，在手动模式下由VCM中断安全环路。中断安全环路即可触发紧急制动，在某些特定条件下，TCMS发出紧急制动指令，无论主控制器是否处于牵引有效条件下。

满足以下条件之一时，TCMS将发出紧急制动指令：

1）主风管压力低于500KPA

2）70米内开门

3）速度超过88km/h

4.2 诊断功能

故障诊断系统是网络控制系统的一个重要组成部分，完成系统各部件故障数据的采集、分析、转储和显示功能。故障信息通过HMI显示，并且通过PTU上传到地面维修和服务系统中，供长期的储存和深入的地面分析。

网络控制系统的诊断功能可以协助司机和检修人员进行工作。当故障发生时，协助司机采取适当的操作，并使维护人员更容易地查找并解决故障。

4.2.1 故障等级划分

网络控制系统将故障划分为3个等级：

严重故障（等级1）：影响列车运行，必须立刻处理的故障。当此级别故障发生，HMI在运行界面显示故障内容，操作人员按确认键确认故障，确认后，故障在当前故障信息界面显示。

中等故障（等级2）：可能影响列车运行，可以回库处理的故障。当此级别故障发生，HMI在运行界面显示故障内容，操作人员按确认键确认故障，故障在当前故障信息界面显示。

轻微故障（等级3）：不影响运行但必须引起注意的故障。当此级别故障发生，HMI仅在故障界面显示故障内容。

4.3 信息显示

HMI主要实现对列车的牵引控制系统（DCU）、制动系统（BCU）、空调系统（HVAC）、乘客信息系统（PIS）等各系统设备进行监视，并参与部分控制功能。

HMI显示界面分：运行、牵引、制动、辅助电源、空调、网络、故障、广播设置、帮助和检修；向车辆驾驶人员和维护人员提供车辆综合信息，各设备的工作状态，故障信息的综合与处理等功能。可以对轮径值、列车重量、站点、时间日期等参数进行更改与设定并可参与线路选择，紧急广播和通话等车辆控制功能，为列车的检修和运行提供方便。

4.4 事件记录

ERMe模块实现事件记录功能。ERMe在A车通过车辆总线与网络控制系统相连接，监视并记录列车及相关系统设备的关键控制数据或运行状态数据。

ERM事件记录采用分块的形式，分为50块，每块数据大小固定为10M。下载时，ERM会给出每一块数据的开始时间（没有结束时间），如图所示。

选择某一块数据进行下载，一块数据作为一个文件存储，有几块数据则有几个文件。ERM事件记录功能较为强大，可记录320个数字量、100个模拟量、4个超长模拟量。

5 结束语

GML128S网络控制系统，是南车时代研发的分布式列车电子控制系统，系统经过运营考验和维修的经验总结出以下优点和缺点；

优点：模块化分布，操作简单，使用方便，易于检修；双通道冗余机制，提高系统运行可靠性；智能人机界面HMI功能强大，可进行动态测试和数据查询，提升系统可用性；

缺点：网络传输数据传输慢，采集时间为200ms一个周期；网络控制系统在运行过程中易受干扰，导致设备出现瞬间闪红故障；HMI界面清晰度不够，灵敏度差；PTU软件解析时间长，且涵盖的数据量不足，不利于数据分析。

参考文献

[1] IEC 61375-1（1999），Electric railway equipment-Trian bus-Part 1：Train Communication Network[S].

[2] 邓小娟，深圳地铁5号线国产化车辆网络控制和诊断系统[J].电力机车与城轨车辆，2011（4）.

[3] 严云升，列车计算机网络控制系统[J]电力机车技术，1999（3）.

作者简介

饶河平，2008年毕业于湖南工业大学电气工程及其自动化专业，现从事城轨车辆现场调试工作。