馬　馳， 高吉磊， 趙　震， 謝冰若

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院　機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

牽引系統(tǒng)外圍環(huán)境模擬裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬馳， 高吉磊， 趙震， 謝冰若

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

牽引系統(tǒng)是鐵道機(jī)車車輛的核心組成部分,需要進(jìn)行單獨(dú)的地面調(diào)試及試驗(yàn),外圍環(huán)境模擬裝置可為牽引系統(tǒng)地面調(diào)試及試驗(yàn)提供模擬實(shí)車的外圍環(huán)境。外圍環(huán)境包括網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和電信號(hào)環(huán)境兩部分，其中網(wǎng)絡(luò)環(huán)境基于MVB網(wǎng)絡(luò)，采用LabVIEW編寫(xiě)控制程序，可模擬下達(dá)司機(jī)指令等；電信號(hào)環(huán)境基于PLC進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，可模擬提供牽引系統(tǒng)所需電壓電流等信號(hào)。

牽引系統(tǒng)； MVB ； 外圍模擬

隨著牽引交流傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，目前高速動(dòng)車組的最高運(yùn)營(yíng)速度已達(dá)350 km/h，大功率貨運(yùn)機(jī)車輪周功率已達(dá)到9 600 kW。牽引系統(tǒng)的主要部件包括牽引變壓器、牽引變流器、牽引電機(jī)。具有大功率、小體積、低損耗特性的牽引系統(tǒng)是未來(lái)的主要發(fā)展方向。然而面對(duì)新研發(fā)的牽引系統(tǒng),在研發(fā)調(diào)試階段直接在整車上進(jìn)行試驗(yàn)是不現(xiàn)實(shí)的，因此往往需要一種仿真試驗(yàn)平臺(tái)來(lái)作為輔助，這種平臺(tái)常見(jiàn)的方式有地面聯(lián)調(diào)試驗(yàn)臺(tái)及半實(shí)物仿真試驗(yàn)臺(tái)等[1]。

在國(guó)外，龐巴迪、阿爾斯通、西門(mén)子、日立、三菱等公司均建有自己的交流傳動(dòng)地面聯(lián)調(diào)試驗(yàn)臺(tái)或半實(shí)物仿真試驗(yàn)臺(tái)。在國(guó)內(nèi)，南車株洲電力機(jī)車研究所、北京交通大學(xué)、西南交通大學(xué)等單位也有供研發(fā)牽引系統(tǒng)使用的試驗(yàn)平臺(tái)。

目前，列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)已在動(dòng)車組及機(jī)車上得到普遍應(yīng)用，負(fù)責(zé)對(duì)機(jī)車車輛牽引、制動(dòng)、輔助供電、車門(mén)、空調(diào)等進(jìn)行控制、監(jiān)視和故障診斷。常用的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)有TCN、World FIP、CAN等。同時(shí)，考慮到目前動(dòng)車組及機(jī)車的研發(fā)均采用模塊化設(shè)計(jì)思想，有些牽引系統(tǒng)所需的電壓電流、冷卻液溫度等信號(hào)不由牽引系統(tǒng)直接采集而是來(lái)自車輛的其他子系統(tǒng)的共享信息。因此，試驗(yàn)平臺(tái)必須為牽引系統(tǒng)提供包括網(wǎng)絡(luò)信號(hào)及電信號(hào)的外圍環(huán)境，針對(duì)這種情況，本文選取了使用較為普遍的TCN/MVB網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種牽引系統(tǒng)外圍環(huán)境模擬裝置。該外圍環(huán)境模擬裝置既可實(shí)現(xiàn)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)階段時(shí)為牽引系統(tǒng)提供控制指令并反饋狀態(tài)，也可以實(shí)現(xiàn)在半實(shí)物仿真試驗(yàn)臺(tái)工作時(shí)，為牽引控制裝置或控制系統(tǒng)原型提供控制指令并反饋狀態(tài)。

1　外圍環(huán)境模擬裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到外圍環(huán)境包含網(wǎng)絡(luò)環(huán)境及電信號(hào)環(huán)境兩部分，兩部分分別與牽引系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接口和電氣接口相連接，設(shè)計(jì)外圍環(huán)境模擬裝置與牽引系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　外圍環(huán)境模擬裝置結(jié)構(gòu)

2　模擬裝置硬件設(shè)計(jì)

外圍環(huán)境模擬裝置所需硬件如圖1所示，網(wǎng)絡(luò)模擬部分采用一臺(tái)配有MVB網(wǎng)卡的工控機(jī)，而電信號(hào)模擬部分采用PLC及接口箱。

通過(guò)分析常規(guī)牽引系統(tǒng)所需的外部信號(hào)，設(shè)計(jì)信號(hào)轉(zhuǎn)換及控制箱的接口電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。其中，模擬量部分實(shí)時(shí)性要求比較高、涉及牽引控制的信號(hào)直接將傳感器的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理后輸入牽引系統(tǒng)，如網(wǎng)壓、網(wǎng)流等信號(hào)；而部分對(duì)實(shí)時(shí)性要求不敏感、且不參與動(dòng)態(tài)連續(xù)控制的外部電信號(hào)則通過(guò)電位器進(jìn)行模擬，如冷卻液壓力、溫度等信號(hào)。需要根據(jù)具體運(yùn)行工況進(jìn)行轉(zhuǎn)換的數(shù)字量由PLC輸出，通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換及控制箱進(jìn)行電平變換，而對(duì)工況變換不敏感但又需要變換的量則可通過(guò)手動(dòng)開(kāi)關(guān)面板進(jìn)行給定，信號(hào)由PLC采集經(jīng)調(diào)理后最終輸出到牽引系統(tǒng)。

圖2　電信號(hào)接口硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3　模擬裝置軟件設(shè)計(jì)

模擬裝置仿真軟件需要兼顧網(wǎng)絡(luò)模擬與電信號(hào)模擬兩部分的工作。軟件可按功能分為MVB通訊模塊、PLC監(jiān)控模塊、可視化界面模塊及主邏輯控制模塊。為實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互采用NI公司的LabVIEW開(kāi)發(fā)主界面，采用微軟公司的Visual C++開(kāi)發(fā)MVB底層驅(qū)動(dòng)。設(shè)計(jì)模擬裝置軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　模擬裝置軟件設(shè)計(jì)

各部分模塊分別完成以下工作：

(1)MVB通訊模塊

MVB通訊模塊通過(guò)調(diào)用MVB網(wǎng)卡的驅(qū)動(dòng)程序，進(jìn)行MVB網(wǎng)絡(luò)配置及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引系統(tǒng)的控制。根據(jù)IEC 61375-1協(xié)議規(guī)定，MVB遵循OSI中的層劃分，其通信往往可通過(guò)數(shù)據(jù)鏈路層或應(yīng)用層來(lái)進(jìn)行，考慮到牽引系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信中存在大量的短長(zhǎng)度數(shù)據(jù)，因此選擇在應(yīng)用層上進(jìn)行數(shù)據(jù)通信編程。其模塊連線示意如圖4。

(2)PLC監(jiān)控模塊

該模塊可通過(guò)OPC(OLE for Process Control)技術(shù)，只需通過(guò)以太網(wǎng)將PLC與現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)進(jìn)行連接，即可在工控機(jī)上即時(shí)監(jiān)控PLC中的所有變量。

圖4　MVB通信模塊示意

(3)可視化界面模塊

該模塊為人機(jī)交互接口，通過(guò)調(diào)用MVB通信模塊、PLC監(jiān)控模塊、主邏輯控制模塊，可在界面上為牽引系統(tǒng)設(shè)定控制參數(shù)及其運(yùn)行所需的外部參數(shù)等，同時(shí)顯示牽引系統(tǒng)返回的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)等。

(4)主邏輯控制模塊

該模塊為軟件的核心處理模塊，用于調(diào)度網(wǎng)絡(luò)、人機(jī)界面等模塊的數(shù)據(jù)交互。依照程序執(zhí)行順序，主要完成以下工作:

①初始化MVB網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將常量定義為預(yù)置參數(shù)，并將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的部分變量依通信協(xié)議與屏幕輸入?yún)?shù)綁定。

②校正屏幕輸入?yún)?shù)的正確性，如保證輸入的數(shù)值在實(shí)際允許范圍等。

③定時(shí)請(qǐng)求外部參數(shù)及司控器設(shè)定，將取得的數(shù)據(jù)賦值給MVB通信協(xié)議中的相應(yīng)變量。

④定時(shí)將MVB網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)打包成簇，發(fā)送給MVB模塊。

⑤定時(shí)通過(guò)調(diào)用MVB模塊來(lái)接收牽引系統(tǒng)返回的狀態(tài)數(shù)據(jù)。

⑥在屏幕設(shè)定好牽引系統(tǒng)所需部分外圍信號(hào)后，通過(guò)PLC監(jiān)控模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)給定；并通過(guò)IO模塊讀取牽引系統(tǒng)輸出信號(hào)，將牽引系統(tǒng)輸出信號(hào)通過(guò)可視化界面模塊顯示在屏幕上。

3.1MVB通訊模塊設(shè)計(jì)

該模塊中由MVB網(wǎng)卡底層接口、主控邏輯和MVB通信監(jiān)控界面3部分組成。其中MVB網(wǎng)卡底層接口將對(duì)網(wǎng)卡映射內(nèi)存地址的復(fù)雜操作封裝成為若干個(gè)接口，程序運(yùn)行時(shí)，在主控軟件中只需簡(jiǎn)單地調(diào)用這些接口函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)MVB網(wǎng)卡的訪問(wèn)(如初始化連接，發(fā)送、接收數(shù)據(jù)等)。而主控邏輯則依據(jù)通信協(xié)議建立起對(duì)MVB通信數(shù)據(jù)流的控制，規(guī)定好所有數(shù)據(jù)的接收發(fā)送時(shí)機(jī)。

3.2MVB底層驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

由于底層訪問(wèn)需要對(duì)內(nèi)存進(jìn)行操作，而C++語(yǔ)言具有可直接進(jìn)行內(nèi)存操作且高效便捷的特點(diǎn)，因此選取Visual C++為底層接口開(kāi)發(fā)工具。另考慮被試系統(tǒng)上位機(jī)采用LabVIEW開(kāi)發(fā)，調(diào)用C++代碼極為不便，但可以很好地支持對(duì)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)DLL文件，故選擇將底層訪問(wèn)接口封裝為DLL文件。

MVB底層驅(qū)動(dòng)程序可提供如表1所示函數(shù)以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)卡底層操作，需要將這些函數(shù)聲明為API，封裝為DLL文件，即可在LabVIEW中調(diào)用。

表1　函數(shù)功能表

3.3MVB總線配置設(shè)計(jì)

MVB協(xié)議中規(guī)定MVB網(wǎng)絡(luò)調(diào)度工作由總線管理器(Bus Administrator，以下簡(jiǎn)稱BA)來(lái)完成，本模擬裝置所選MVB網(wǎng)卡本身具備BA功能，該網(wǎng)卡提供了專業(yè)的BA配置工具M(jìn)VB Configuration Tool(如圖所示，以下簡(jiǎn)稱MCT)。

利用該工具可以完成以下工作：

(1)配置MVB網(wǎng)絡(luò)組態(tài)。為每臺(tái)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備分配MVB地址，并配置每臺(tái)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的類型，指定帶BA功能的設(shè)備。

(2)配置MVB網(wǎng)絡(luò)端口。依據(jù)IEC 61375-1[2]，“端口是一種共享的內(nèi)存結(jié)構(gòu)，能夠同時(shí)被應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層訪問(wèn)”、“一個(gè)通信存儲(chǔ)器中的端口由端口地址來(lái)標(biāo)識(shí)”，可知MVB協(xié)議中的數(shù)據(jù)傳輸屬性均通過(guò)端口來(lái)定義，端口與具體設(shè)備無(wú)關(guān)。一個(gè)通信存儲(chǔ)器中最多支持4 096個(gè)端口，每個(gè)端口最大為256位。在過(guò)程數(shù)據(jù)通信中，依據(jù)端口是發(fā)送還是接受數(shù)據(jù)，分別定義了源端口和宿端口，同時(shí)亦需定義該過(guò)程數(shù)據(jù)通信的通信周期、數(shù)據(jù)尺寸(即端口大小，本項(xiàng)目中用到的有64位、128位、256位)等屬性。

配置完畢后利用MCT對(duì)配置工程進(jìn)行編譯，生成二進(jìn)制bin文件，用以下載到MVB網(wǎng)卡的BA模塊芯片中。

3.4MVB主控邏輯實(shí)現(xiàn)

通過(guò)分析MVB底層訪問(wèn)接口的功能，并結(jié)合應(yīng)用中的需求，可以列出主邏輯流程圖如圖5所示。

在確定了主控邏輯流程之后，為了實(shí)現(xiàn)每一步驟的功能，需要對(duì)DLL函數(shù)進(jìn)行訪問(wèn)，LabVIEW提供了“調(diào)用庫(kù)函數(shù)節(jié)點(diǎn)”控件。通過(guò)在控件屬性欄中依次輸入DLL文件地址、函數(shù)名和函數(shù)參數(shù)列表，即可利用該控件調(diào)用對(duì)應(yīng)的DLL文件中的底層訪問(wèn)函數(shù)。在此程序中，由于DLL中的函數(shù)都被定義為API類型，因此調(diào)用規(guī)范選擇“stdcall(WINAPI)”。

在“參數(shù)”選項(xiàng)卡中，鏈路層和應(yīng)用層進(jìn)行收發(fā)的數(shù)據(jù)類型必須定義為數(shù)組數(shù)據(jù)指針形式才能被dll中的函數(shù)正確識(shí)別，因此必須將這些數(shù)據(jù)打包成數(shù)組形式。

根據(jù)牽引系統(tǒng)在MVB網(wǎng)絡(luò)中所需傳輸?shù)闹匾獢?shù)據(jù)，歸納發(fā)送或接收的重要數(shù)據(jù)大致如表2所示。

考慮到本模塊和整個(gè)被試系統(tǒng)控制軟件中主控模塊的接口，將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的各數(shù)據(jù)依據(jù)其物理意義和邏輯時(shí)序整合出若干重要變量，并將這些變量定義為全局變量以供調(diào)用。這些全局變量包括牽引手柄級(jí)位、主斷路器開(kāi)關(guān)狀態(tài)、升降弓開(kāi)關(guān)狀態(tài)、司機(jī)鑰匙開(kāi)關(guān)狀態(tài)。在MVB模塊中實(shí)時(shí)讀取這些變量的數(shù)值，并依據(jù)其實(shí)際意義去依次改變其對(duì)應(yīng)在MVB通信數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的具體位置。

圖5　MVB主控邏輯流程圖

傳輸狀態(tài)TCU接收列車級(jí)速度及方向狀態(tài)、過(guò)分相狀態(tài)、列車安全環(huán)狀態(tài)、列車高壓系統(tǒng)狀態(tài)、制動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)、防滑狀態(tài)、牽引控制、電制動(dòng)控制、負(fù)載接通控制、冷卻風(fēng)扇控制等。TCU發(fā)送TCU狀態(tài)、車廂級(jí)速度及方向狀態(tài)、變流器內(nèi)各設(shè)備狀態(tài)、電制動(dòng)狀態(tài)、直流輔助供電支路狀態(tài)、冷卻風(fēng)扇狀態(tài)、牽引功率、牽引力、軸速、網(wǎng)壓、網(wǎng)流、中間電壓等

4　裝置運(yùn)行測(cè)試

將本裝置用于地面聯(lián)調(diào)試驗(yàn)臺(tái)及半實(shí)物仿真試驗(yàn)臺(tái)中進(jìn)行測(cè)試，截取試驗(yàn)過(guò)程中軟件界面圖示如圖6。

測(cè)試結(jié)果表明，牽引系統(tǒng)外圍環(huán)境模擬裝置人機(jī)界面友好，系統(tǒng)軟、硬件功能完整，該裝置可以很好地為牽引系統(tǒng)提供牽引系統(tǒng)所需的列車運(yùn)行的外圍環(huán)境模擬，包括司機(jī)鑰匙、升降受電弓、主斷路器分合、牽引手柄操作等輸入指令，也可以為牽引系統(tǒng)提供所所需的網(wǎng)側(cè)電壓、冷卻系統(tǒng)反饋信號(hào)等，可以配合牽引系統(tǒng)共同完成地面聯(lián)調(diào)試驗(yàn)的各項(xiàng)任務(wù)。

圖6　軟件運(yùn)行界面截圖

[1]孫彰. 軌道交通駕駛仿真器的關(guān)鍵技術(shù)[J]. 城市軌道交通研究, 2005,8(3):71-74.

[2]IEC 61375-1-2007 電氣鐵路設(shè)備.列車總線.第1部分:列車通信網(wǎng)絡(luò)[S].

Design and Realization of Peripheral Simulator for Traction System

MAChi,GAOJilei,ZHAOZhen,XIEBingruo

(Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

Traction system is the core part of the rolling stock, of which the separate test on ground is necessary, and the peripheral simulator could provide necessary peripheral environment for such test of rolling stock. The peripheral environment includes two parts, one is network environment, and another is electrical environment. The network environment simulation is based on MVB network technology, and it is programmed with LabVIEW to simulate the instructions which are triggered by driver. As well, the electrical environment is based on PLC, and could provide signals as currents and voltage for traction system.

traction system; MVB; peripheral simulator

1008-7842 (2015) 06-0007-04

男，助理研究員(

2015-06-15)

TP391.9U264.91+1

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.06.02