于明波，于明凱，孫 博

（太原中車時(shí)代軌道工程機(jī)械有限公司，山西 太原030000）

1 鋼軌銑磨車與TCMS

1.1 XM-1500MBG型鋼軌銑磨車

XM-1500MBG型鋼軌銑磨車是一種高效、節(jié)能、環(huán)保的鋼軌修復(fù)設(shè)備。鋼軌銑磨車的主要任務(wù)是在車輛運(yùn)行中對(duì)線路上的鋼軌進(jìn)行銑削和打磨，消除鋼軌的側(cè)磨、波磨、碾壓層、裂縫、剝離等缺陷，降低噪聲，從而恢復(fù)鋼軌工作部分的設(shè)計(jì)形狀，如圖1所示。

圖1 XM-1500MBG型鋼軌銑磨車外觀圖

鋼軌銑磨車是兩輛編組，分別稱為動(dòng)力車（A車）和作業(yè)車（B車），兩節(jié)車通過(guò)剛性連接桿連接。A車為整車走行、銑磨作業(yè)及其他輔助用電設(shè)備提供動(dòng)力，同時(shí)具有砂帶打磨功能。B車不帶動(dòng)力，主要功能是進(jìn)行銑削作業(yè)并配備有軌廓檢測(cè)裝置。

1.2 TCMS

TCMS（Train Control and Management System，即列車控制和管理系統(tǒng)）是負(fù)責(zé)整合車輛車載設(shè)備數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)，符合IEC61375標(biāo)準(zhǔn)。功能上一般執(zhí)行以下任務(wù)：行車控制；車載設(shè)備數(shù)據(jù)監(jiān)控和控制；故障診斷和運(yùn)行管理；數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)管理以及其他輔助功能。目前主要裝備于地鐵、高鐵及動(dòng)車組，國(guó)外軌道工程機(jī)械列車也有應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，而國(guó)內(nèi)軌道工程機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)用不多。TCMS一般由列車控制單元VCU，遠(yuǎn)程輸入輸出模塊RIOM，人機(jī)設(shè)備DDU以及其他一些輔助設(shè)備等組成。在鋼軌銑磨車中，TCMS與多種較為復(fù)雜的車載控制單元共同組成列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車輛牽引、走行以及其他功能控制。

2 列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

2.1 列車網(wǎng)絡(luò)組成

鋼軌銑磨車車載設(shè)備較多，控制單元配置情況也較為復(fù)雜，但它們都需要與TCMS（主要是VCU）進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，詳見表1。

表1 列車主要控制單元

據(jù)此構(gòu)建以TCMS為核心的鋼軌銑磨車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成如圖2。

圖2 鋼軌銑磨車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

可以得知，第1路CAN作為貫穿整車的車輛總線，連接RIOM5（A車），RIOM6（B車），TCU，ACU，實(shí)現(xiàn)總線管理功能，以CANopen協(xié)議進(jìn)行通信。

第2路CAN通過(guò)J1939協(xié)議用于讀取發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。

第3路連接的是具有RS485串口的GCU、CCU1和CCU2等設(shè)備，通過(guò)ModbusRTU協(xié)議與VCU進(jìn)行通信。

第4路是銑削作業(yè)核心單元MCU，由于MCU的控制器是S7-300PLC并不支持CAN通信轉(zhuǎn)而采用以太網(wǎng)，同時(shí)人機(jī)界面DDU和VCU之間也通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)施大容量數(shù)據(jù)的快速傳輸，可以降低CAN總線的通信負(fù)載率。

2.2 各單元功能作用

2.2.1 列車控制單元VCU

VCU控制列車網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程控制、通信管理、故障對(duì)策、顯示數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿?wù)?？梢哉f(shuō)，VCU是TCMS的大腦，是銑磨車邏輯控制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議管理功能實(shí)現(xiàn)的核心。也因此，設(shè)置雙VCU熱備冗余，在強(qiáng)主VCU異常時(shí)弱主VCU自動(dòng)接替工作，為列車正常運(yùn)行提供了安全保證。

2.2.2 人機(jī)界面DDU

DDU是銑磨車行車功能控制屏，主要功能是列車狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障報(bào)警信息顯示，應(yīng)急橋接控制，參數(shù)設(shè)定等。DDU是司機(jī)和維護(hù)人員操作列車的交互窗口，人員也可以通過(guò)DDU設(shè)置必要的控制命令，如橋接功能，輪徑設(shè)定等，如圖3所示。

圖3 人機(jī)界面

2.2.3 遠(yuǎn)程輸入輸出模塊RIOM

RIOM5（A車）和RIOM6（B車）通過(guò)CAN總線與VCU進(jìn)行通信，其主要功能是采集整車非微機(jī)控制單元的運(yùn)行狀態(tài)和動(dòng)作控制。具體功能見表2。

表2 列車非微機(jī)控制單元功能

2.2.4 牽引變流器控制單元TCU

銑磨車電傳動(dòng)系統(tǒng)由供應(yīng)商整體外供，TCU的主要作用是反饋電傳動(dòng)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并根據(jù)整車指令通過(guò)逆變模塊控制牽引電機(jī)，是電傳動(dòng)系統(tǒng)的控制核心。

電傳動(dòng)系統(tǒng)的主要狀態(tài)數(shù)據(jù)會(huì)實(shí)時(shí)顯示在DDU中，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，DDU實(shí)時(shí)顯示故障名稱以及連鎖動(dòng)作，蜂鳴器報(bào)警。當(dāng)故障嚴(yán)重時(shí)，TCMS可以通過(guò)自動(dòng)判斷和手動(dòng)選擇兩種方式卸載故障牽引變流器，此時(shí)列車進(jìn)入故障運(yùn)行工況。

2.2.5 砂帶打磨控制單元GCU

GCU是模塊化砂帶打磨系統(tǒng)的PLC控制系統(tǒng)，它主要控制砂帶打磨裝置和集塵裝置、清掃電機(jī)等輔助設(shè)備。

GCU在銑磨車作業(yè)工況下啟動(dòng)，主要受TCMS的動(dòng)作指令控制和反饋打磨系統(tǒng)的工作狀態(tài)和報(bào)警；同時(shí)受到銑削作業(yè)單元MCU的間接控制，實(shí)現(xiàn)銑磨聯(lián)合作業(yè)。

2.2.6 銑削作業(yè)控制單元MCU

MCU是指Sinumerik 840D SL銑削作業(yè)數(shù)控系統(tǒng)，它的下位機(jī)控制由Simens S7-300PLC執(zhí)行，上位機(jī)的嵌入式軟件負(fù)責(zé)執(zhí)行算法和數(shù)據(jù)處理。MCU主要功能包括高精度銑削作業(yè)控制、數(shù)據(jù)處理儲(chǔ)存與安全聯(lián)鎖保護(hù)功能。在銑削作業(yè)中，MCU的核心性能為數(shù)據(jù)采集和傳遞的實(shí)時(shí)性，以及同TCMS等多設(shè)備間的實(shí)時(shí)通信。

2.2.7 發(fā)動(dòng)機(jī)控制器ECU

發(fā)動(dòng)機(jī)控制器ECU的任務(wù)是將采集的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)和故障診斷代碼發(fā)送給TCMS，用于行車信息監(jiān)控和報(bào)警。發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)一般包括：柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、水溫、冷卻液位、機(jī)油壓力、轉(zhuǎn)矩、進(jìn)氣溫度、增壓壓力、蓄電池電壓、工作小時(shí)等。此外，TCMS通過(guò)RIOM采集柴油機(jī)怠速/額定轉(zhuǎn)速信號(hào)、開關(guān)信號(hào)以及燃油箱液位信息。綜合上述參數(shù)，TCMS可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)不合理的參數(shù)報(bào)警。

3 鋼軌銑磨車TCMS解決方案舉例

3.1 多控制單元的銑磨聯(lián)合作業(yè)協(xié)同

設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)中，用戶要求銑磨聯(lián)合作業(yè)工況下，單人操作要完成行車控制和銑磨作業(yè)。司機(jī)可在銑削控制臺(tái)上設(shè)定行車速度，控制列車啟動(dòng)。按下作業(yè)開始按鈕，銑刀盤即時(shí)切入鋼軌作業(yè)，列車行至切入位時(shí)開始砂帶打磨作業(yè)。按下作業(yè)終止按鈕后，銑削裝置順坡切出，待砂帶打磨裝置到達(dá)銑削順坡切出位時(shí)停止打磨作業(yè)，同時(shí)停車。

因此，最終設(shè)計(jì)了如下的控制流程，見圖4。

圖4 銑磨作業(yè)過(guò)程控制示意圖

作業(yè)開始，由MCU設(shè)定行車速度信息，列車啟動(dòng)信號(hào)，這些信號(hào)經(jīng)由TCMS轉(zhuǎn)發(fā)給TCU，并控制牽引變流器動(dòng)作；MCU發(fā)出的列車停止信號(hào)，由TCMS控制空氣系統(tǒng)的直通制動(dòng)電磁閥來(lái)實(shí)現(xiàn)。MCU發(fā)出作業(yè)開始和作業(yè)終止信號(hào)，TCMS負(fù)責(zé)記錄銑削切入位和切出位，結(jié)合列車實(shí)時(shí)速度計(jì)算得出砂帶打磨的作業(yè)起始點(diǎn)和終止點(diǎn)，同時(shí)負(fù)責(zé)發(fā)送給GCU打磨作業(yè)開始/終止信號(hào)。

當(dāng)行車、打磨以及其他輔助作業(yè)系統(tǒng)出現(xiàn)異常不能繼續(xù)作業(yè)時(shí)，TCMS生成作業(yè)急停信號(hào)并發(fā)送給MCU。MCU執(zhí)行銑削作業(yè)裝置緊急提升動(dòng)作，提升到位后發(fā)出停車信號(hào)給TCMS，其他設(shè)備即時(shí)停止工作。

在這個(gè)方案中，TCMS、MCU和GCU共同控制最終完成了銑磨聯(lián)合作業(yè)，這也是國(guó)內(nèi)第一種基于TCMS、數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)和PLC三套系統(tǒng)實(shí)時(shí)通信的高精度機(jī)具作業(yè)控制方案。TCMS、MCU和GCU在承擔(dān)各自行車、銑削、打磨控制功能的同時(shí)完成了信息中轉(zhuǎn)、邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)記錄與處理和安全功能等任務(wù)，且能夠保證任一設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)銑削裝置能夠完成起復(fù)并在安全位置卸載停車，為探索作業(yè)控制方案設(shè)計(jì)提供了參考價(jià)值。

3.2 適應(yīng)模塊化設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成

XM-1500MBG型鋼軌銑磨車是國(guó)內(nèi)第一臺(tái)系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)的鋼軌銑磨車，因此在整車集成設(shè)計(jì)的最大難度之一就是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)互通。而TCMS兼容性強(qiáng)，不需借由網(wǎng)關(guān)或轉(zhuǎn)換器等設(shè)備就可以同時(shí)支持多種不同的實(shí)時(shí)通信，如CAN（CAN-Open和J1939）、以太網(wǎng)和RS485等，也能滿足車輛靈活編組的需求，正好對(duì)應(yīng)解決軌道工程機(jī)械車載子系統(tǒng)種類較多，難以統(tǒng)型組網(wǎng)的特點(diǎn)，并且基本滿足國(guó)內(nèi)大多作業(yè)裝置控制系統(tǒng)的通信要求。

此外，TCMS軟件中的行車控制邏輯、通信管理、以及車輛管理等功能也有相當(dāng)?shù)钠者m性，一次開發(fā)后續(xù)車型都可以借鑒，有助于快速形成產(chǎn)品線的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。

4 鋼軌銑磨車TCMS網(wǎng)絡(luò)方案的對(duì)比和評(píng)價(jià)

目前國(guó)內(nèi)軌道工程機(jī)械網(wǎng)絡(luò)控制方案主要有兩類：一類是行車控制系統(tǒng)直接控制作業(yè)裝置的控制網(wǎng)絡(luò)方案，多應(yīng)用于小型工程車輛。在大型養(yǎng)路機(jī)械中一般采用分布式布置，這樣一來(lái)其總線負(fù)荷率會(huì)很高，缺乏系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)，一旦發(fā)生故障，比較依賴硬線控制實(shí)現(xiàn)應(yīng)急功能。

另一類是以“牽引+作業(yè)”組合系統(tǒng)，是由相對(duì)獨(dú)立的兩套控制系統(tǒng)組合的控制網(wǎng)絡(luò)方案。以GMC-96B打磨車控制網(wǎng)絡(luò)為例，走行控制系統(tǒng)控制車輛走行及輔助供電，打磨控制系統(tǒng)只負(fù)責(zé)打磨作業(yè)。這種方案優(yōu)點(diǎn)是在設(shè)計(jì)階段可并行開發(fā)，設(shè)計(jì)周期短，系統(tǒng)間不會(huì)互相影響，但缺點(diǎn)是系統(tǒng)間無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，無(wú)法滿足智能化打磨、高精度打磨的需求。

將TCMS引入工程機(jī)械領(lǐng)域控制網(wǎng)絡(luò)是對(duì)前兩類方案的優(yōu)勢(shì)融合。在這種設(shè)計(jì)中，TCMS不僅是行車控制系統(tǒng)，也是整車通信和監(jiān)控的樞紐，還是作業(yè)控制的監(jiān)控系統(tǒng)，既能實(shí)現(xiàn)不同作業(yè)系統(tǒng)的協(xié)同控制，也能對(duì)故障部分進(jìn)行切除，以滿足調(diào)試、作業(yè)和應(yīng)急收車的需求。

綜上所述，將TCMS應(yīng)用于鋼軌銑磨車等軌道工程機(jī)械產(chǎn)品具有良好的前景。