电力机车网络化电气控制系统设计

电力机车网络化电气控制系统设计

魏强

（中车大同电力机车有限公司技术工程部山西大同037038）

摘要：交流传动电力机车对自动控制和人工智能的应用和需求是时代发展的必然，通过引进消化吸收，我国电力机车交流传动技术有了质的飞跃，普遍采用基于网络的控制系统，以模块化、通用化、分布式为特征，便于二次开发、现场调试和维护。本文对我国目前电力机车网络化电气控制系统进行了阐述，并提出了设计思路。

关键字：电力机车；网络化；电气控制系统

1.我国电力机车网络控制现状

电传动控制是交流传动技术中的核心，通过引进西门子、庞巴迪、阿尔斯通等公司的技术，我国交流传动电力机车控制已发展成为基于网络（现场总线）的控制系统。通信协议大多采用TCN国际标准（IEC61375-1）；大都是主变流控制、辅变流控制和微机网络控制整合在一起的控制平台，广泛用于轨道交通领域。

2.电力机车网络化电气控制系统总体设计方案

本文设计的电力机车网络控制系统采用当前轨道交通行业技术先进的TCN总线，其中主控单元具有热备冗余功能，最大程度的确保系统安全。同时通过使用专用事件记录仪，将车辆运行过程中一些重要的行车数据与故障数据记录下来，便于车辆的维护保养。系统符合IEC61375-1标准要求，使用二级总线结构，列车级采用WTB重联总线，传输速率为1Mbit/s；车辆总线采用多功能车辆总线MVB，其电气接口为电气中距离（EMD）介质，传输速率为1.5Mbit/s。

连接到多功能车辆总线（MVB）上各个子系统的控制单元包括：电气牵引控制单元、辅助系统单元等。要求所有的子系统必须提供MVB（EMD）电气接口。整个列车管理系统包括设备硬件、操作系统、控制软件、诊断软件、监视软件和维护工具等。列车管理系统为所有子系统设备留有标准的通信接口，并具有成熟可靠的接口通讯规范，使得所有车辆子系统能可靠接入。

设计符合以下标准。

表1设计标准

图1控制系统网络拓扑图

如图1所示，其中TCMS系统设备主要包括中央控制单元，实现了车辆的MVB总线管理与列车运行控制功能；事件记录仪ERM，实现了故障数据与运行数据的记录功能；RIOM单元，用于实现TCMS与车辆硬线信号的交互（硬线信号的输入与输出）；HMI智能显示单元，用来显示车辆子系统的状态及提供人机交互的接口；GW列车网关，用于实现车辆的重联功能。

TCMS系统与车辆其他设备间采用网络通信或硬线连接，为了满足列车安全性，可靠性要求，MVB总线都采用双线冗余结构，符合IEC61375-1的要求。对于和行车安全有关的输入输出信号，采用网络加硬线的冗余设计，优先采用网络信号，当网络故障时，采用硬线信号。

4.系统配置

按照硬件组成及各个硬件在车辆中的安装位置不同，TCMS系统设备主要包含：中央控制单元机箱、RIOM机箱、显示屏及重联网关机箱。各个部件在车上的分布如下所示。

表1.TCMS设备列表

5.通信接口

列车管理系统采用TCN列车总线，车辆级总线采用MVB连接，不具备MVB接口的智能设备必须通过必要的MVB网关与列车管理系统连接，MVB总线接口特征如下：

接口类型：电气中距离（EMD），双通道冗余。

传输介质：MVB专用线缆（2组屏蔽绞式电缆分别用于传输A/B路）

波特率：1.5Mbps

总线跨距：200米

传输周期可以为32、64、128…1024ms

列车级总线采用WTB连接，WTB总线特征如下：

传输介质：WTB专用线缆（两芯屏蔽绞式电缆）

波特率：1.0Mbps

总线跨距：860米

6.系统冗余设计

6.1CCU主控冗余方案

中央控制单元分别安装在两个车中央控制机箱中，两台CCU硬件完全相同，具备同样的功能，互为热备冗余，因此它们在工程实现上具备相同配置，包括相同的应用级过程数据源端口及宿端口配置。

正常情况下，节点号小的CCU激活作为主控CCU，实现网络管理与运行控制功能；节点号大的CCU作为备用CCU，执行监视功能。当主控CCU出现故障时，自动退出主控功能，备用CCU转为主控CCU，接替原来的CCU工作，从而确保网络系统的正常运行。

6.2RIOM电源冗余方案

每辆车配置一个RIOM机箱，机箱中的电源板采用冗余的设计，外接双路电源以保证在一路电源故障时不影响机箱内的IO板卡工作。

6.3MVB线路冗余方案

为提高列车运行的安全性和可靠性，MVB总线采用符合IEC-61375标准的MVBEMD电缆，具有冗余结构，即线路A、线路B两路通道，线路A和线路B都有独立的总线接口和通信线缆。多功能车辆总线（MVB）通过总线连接器或RIOM与各子系统连接，控制各子系统完成相应的功能。

6.4WTB列车总线冗余方案

WTB每个节点均有两路互为冗余的线路进行连接。WTB网关采用冗余配置，同一机箱内上下布置的两个网关，互为冗余，独立供电。正常情况下只有一个网关参与总线通信，称为激活网关，另一个网关处于备份状态，称为备份网关，激活网关故障后，备份网关切换为激活网关。

结束语：

电力机车在交通方式中的地位越来越重要，保证电力机车的可操作性与可控制性，可以调高电力机车的安全与稳定。电力机车网络化电气控制系统对电力机车的控制具有重要作用，在电气控制系统的建立与完善的过程中，要保证电气控制系统硬件的完备性、软件的可使用性，大力提高电力机车在我国的使用效率。

参考文献：

[1]李建龙，俎以宏.TCN网络应用机制的机车电传动系统探讨[J].科技与创新，2018，（12）：86-87.

[2]王志国.对HXD2型电力机车TCMS系统故障分析[J].内蒙古科技与经济，2017，（17）：93-95.