永磁直驱客运电力机车TCMS网络控制系统

杨天奇鲁振山张增一

摘要：本文介绍了永磁直驱客运电力机车的网络系统平台，从硬件角度详细的描述了平台的硬件基础以及构成，包括模块间的通信方式。从软件角度，系统的介绍了软件的结构和主要控制功能。

关键词：永磁直驱客运电力机车；网络控制系统；网关；MVB总线

1引言

永磁直驱客运电力机车由中车大同电力机车有限公司设计并制造，其网络控制系统（TCMS）采用大连电牵公司的网络控制系统平台，机车通信采用标准的TCN总线，由绞线式列车总线（WTB）和多功能车辆总线（MVB）总线构成，整个网络控制平台均为自主化研发的产品，能够实现整车信号的监测与控制。

2.网络系统硬件构成

永磁直驱客运电力机车的网络控制产品均由中车大连电力牵引研发中心有限公司自主化研发，为机车控制、监视、诊断提供了重要的基础。

2.1网络拓扑结构

基于TCN国际标准（IEC61375-1）的车载网络控制系统，永磁直驱的网络系统包含2个主处理单元（CCU）、2个MVB/WTB网关（GW）、6个牵引控制单元（TCU）、2个辅助控制单元（ACU）、3个远程输入输出单元（RIOM）和2个司机显示单元（DDU），控制单元之间通过MVB总线连接。同时系统还与列车供电控制单元（LG）、机车远程监视与诊断系统（CMD）和空气制动系统控制单元（BCU）通过MVB总线连接。具体拓扑结构如图1所示。

图2CCU中央控制单元

2.2.2重联网关GW

重联网关采用6U机箱尺如图3所示，该网关符合IEC61375-1规定，采用模块化设计，由完全冗余的CPU板卡、WTB板卡、MVB板卡和电源板卡组成，板卡可以灵活更换，方便维护。

重联网关可以完成整车的WTB与MVB通信协议之间的协议交互工作，网关符合UIC556协议，可以完成WTB设备的自动编组、识别机车方向、重联控制等重要工作。

图4系统软件结构图

如图4所示，系统软件结构具体为：

1）BSP层：即板级支持包层，该层用于提供各种板卡的硬件与操作系统的接口，主要负责硬件的初始化功能、中断的产生和处理、时钟功能、计时器与定时器计数、内存地址的映射等。

2）Linux系统层：作为一体化设备的操作系统，需要完成多任务的调度、任务同步、进程间通信、定时计数和内存管理。

3）链路层：该层较为重要，是通信的根本所在，用于实现过程数据、消息数据、诊断数据的收发、MVB总线主功能、MVB通信冗余线路的功能。

4）协议层：实现TCN实时协议，为MVB设备之间的消息数据通信提供桥梁。

5）管理层：该层利用消息数据，可用于通信网络测试、故障数据和运行数据的记录与下载，包括对数据的在线强制与监视功能。

6）软件开发底层：该层包含了PLC控制引擎、和设计师自己开发的功能块、IO驱动等。

7）应用层：符合IEC61131-3的图形化编程工具烧写程序。

3.2空电联合功能

机车具有将空气制动和动力制动联合应用的功能。机车制动控制系统能实现自动制动手柄的指令与机车主控制系统之间进行通信，以使机车的动力制动能根据自动制动手柄的指令来实施。

空电联合模式下，当用自动制动手柄实施列车常用操作时，机车动力制动优先使用，

机车动力制动力的大小应与自动制动手柄对应的列车管减压量所产生的机车空气制动力相匹配，机车自动空气制动被切除，制动缸不得有压力；在制动过程中，允许司机通过司机控制器增加动力制动；动力制动力可以通过不同的方式获得（自动制动手柄或司机控制器），数值较高者有效。在制动过程中，当动力制动失效时，空气制动根据制动手柄的制动指令自动起作用。

3.3脉冲封锁控制

当满足如下条件之一时，网络系统给牵引系统发牵引、电制封锁指令，TCU进行封锁脉冲：

a）自动换端过程中，牵引封锁；

b）机车投入停放制动，牵引封锁；

c）总风压力太低，总风压力开关2动作，牵引封锁；

d）监控装置或无人警惕触发惩罚制动，牵引封锁；

e）紧急制动时，牵引封锁；

f）紧急制动，司控器未重新电制位电制封锁；

g）当网压≥31kV时，牵引封锁；

h）当网压≤17.5kV时，牵引封锁；

i）当机车实际速度＞160km/h，牵引封锁；

j）BCU请求卸载，牵引封锁；

k）监控装置请求卸载，牵引封锁；

l）油泵1断路器断开，TCU1-3牵引封锁；

m）油泵2断路器断开，TCU4-6牵引封锁；

n）油泵1、2油流不良均发生，TCU1-6牵引封锁；

o）当复合冷却器通风机1发生故障时，TCU1-3牵引封锁；

p）当复合冷却器通风机2发生故障时，TCU4-6牵引封锁；

q）当牵引风机1发生故障时，TCU1牵引封锁；

r）当牵引风机2发生故障时，TCU2-3牵引封锁；

s）当牵引风机3发生故障时，TCU4-5牵引封锁；

t）当牵引风机4发生故障时，TCU6牵引封锁；

u）当水泵1发生故障时，TCU1-3牵引封锁；

v）当水泵2发生故障时，TCU4-6牵引封锁；

w）机车实施动力制动时，司机可以通过单独制动手柄使机车产生空气制动，当机

车制动缸压力超过90kPa时，电制封锁。

x）当机车制动缸压力超过90kPa时，牵引封锁。

3.4受电弓管理

受电弓扳键开关为三位置开关，分别对应“升”、“0”、“降”3个位置，其中“升”位和“降”位为自复位，检测有效时间≥300ms：

“升”位：升起预选受电弓；

“降”位：降落受电弓；

“0”位：维持预选受电弓的当前状态。

在机车显示屏设置了受电弓预选软开关，共有4种模式，具体如下：

a）“自动”模式：非停车位置状态（自动换端）下，非操纵端的受电弓（后弓）

未隔离时，表示预选非操纵端的受电弓（后弓），收到升弓指令时，网络系统自动控制后弓升起，如非操纵端的受电弓（后弓）已隔离，收到升弓指令时，网络系统自动控制前弓升起；进入停车位置模式时，该模式下，TCMS系统自动升起双弓。

b）“弓2”模式：表示预选受电弓2，收到升弓指令时，TCMS系统控制受电弓2

升起。

c）“弓1”模式：表示预选受电弓1，收到升弓指令时，TCMS系统控制受电弓1

升起。

d）“双弓”模式：表示预选双受电弓，收到升弓指令时，TCMS升双弓。

受电弓预选开关一旦选定，就成为缺省模式，司机不需要每次上车后再做重新选

定；如果需要改变受电弓的升弓模式，需在降弓状态下进行选择，但在机车有速度时

也可进行受电弓预选。

升弓条件（除自动换端外需全部满足）：

-接地开关处于正常位；

-受电弓隔离阀（蓝钥匙）处于运行位；

-相应高压隔离开关未隔离；

-受电弓未隔离；

-非库内动车及测试模式；

-无主断卡合故障；

-辅助风缸压力正常；

-操纵端激活；

-受电弓扳键开关升弓位触发；

-自动换端

当满足升弓条件后，根据受电弓选择情况，输出信号控制相应升弓电磁阀，当检测

到网压在正常范围内，受电弓升起，并进一步根据以下情况判断：

a）若60s内主断路器未闭合，受电弓压力开关反馈信号由高电平变为低电平时，

不降弓，无故障提示，主断路器无预备信号；

b）若60s内主断已闭合，受电弓压力开关反馈信号由高电平变为低电平时，报受

电弓压力开关异常、受电弓隔离故障，并先断主断再降弓；

c）在主断路器未闭合条件下，60s后受电弓压力开关由高电平变为低电平时，报受

电弓未正常升起、受电弓隔离故障，并降弓。

降弓条件（任一满足）：

-受电弓扳键开关降弓位触发；

-操纵端未激活且非自动换端；

-接地开关处于接地位；

-受电弓隔离阀（蓝钥匙）处于隔离位；

-相应高压隔离开关隔离；

-库用开关在测试位或库用位；

-自动换端失败；

-主断卡合故障；

-MVB或WTB线路全部故障；

-受电弓故障（发生受电弓未正常升起或受电弓压力开关异常故障）。

受电弓隔离条件（任一满足）：

-相应高压隔离开关隔离；

-通过受电弓预选软开关隔离；

-升弓钥匙阀处于断开状态；

-发生受电弓压力开关异常或受电弓未正常升起故障导致隔离。

3.5自动换端功能

机车具有自动换端功能，具体功能如下：

在操纵端激活、受电弓升弓、主断闭合、机车处于停止、方向零位、司控器手柄零

位、机车施加常用制动、制动缸压力大于150kPa状态下，机车允许自动换端操作。

在操纵端按下自动换端按钮，开始5分钟计时。两端司机室自动换端按钮灯亮，显

示屏提示“换端开始”，自动升起双弓（若有受电弓被指定，则保持该受电弓状态），主断处于闭合状态。司机拔出电钥匙，再插入电钥匙激活任意司机室，仅保持被选择受电弓升起，未被选择受电弓降下，自动换端完成，自动换端按钮灯熄灭。

换端操作应在指定的5分钟内完成，如没有完成则断主断，降弓，机车保持静止状

态，同时提示“自动换端失败”。

如果自动换端过程中出现需要断主断或受电弓隔离等故障，退出自动换端，机车断主断降弓，同时提示“自动换端失败”。

自动换端过程中，自动换端指示灯亮。

4结束语

此次是永磁直驱技术首次在大功率交流传动电力机车上实现应用，这不仅有助于促进我国交流传动电力机车整体性能的“升级换代”，还将有力支撑轨道交通装备产业前沿科技的探索和研发。目前该车的网络控制系统运行稳定可靠，已通过厂内例行实验的验证，并完成了100公里的试运试验，可以满足机车的控制、监视和保护等要求。

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作者简介：

杨天奇（1992-），男，辽宁大连人，工程师。