HXD1型电力机车微机网络控制系统浅析

HXD1型电力机车微机网络控制系统浅析

 ,司松涛

（中车株洲电力机车有限公司 机车事业部，湖南株洲 412000）

摘要：交流传动技术的应用离不开系统控制技术的发展，由于交流传动系统固有的强弱电纵横交叉出现的电磁干扰,对系统控制提出了苛刻要求，尤其是在控制策略、控制方法、控制手段、控制软件的研发上特别重要。机车微机控制系统是机车的核心部件，它包括以实现各种功能控制为目标的单元控制机和实现信息交换的通信网络。

   关键词：HXD1型电力机车  网络控制   模块  功能

    前言

网络控制系统采用列车级和车辆级控制，列车控制级采用绞线式列车总线 WTB， 车辆控制级采用多功能车辆总线 MVB。 网络控制系统采用分布采集及执行，中央集中控制与管理的模式。由WTB/MVB网关模块 GWM、车辆控制模块 VCM、 事件记录模块ERM、数字量输入输出模块 DXM、数字量输入模块DIM、模拟量输入输出模块AXM和智能显示装置IDU等组成，通过 MVB与传动控制单元 TCU、辅助变流器控制单元ACU、制动控制单元BCU等进行通信。

一、HXD1型电力机车微机网络控制系统的组成及作用

机车微机网络控制系统主要由机车控制层、功能控制层和设备控制层三部分。

机车控制层控制机车的运行速度,根据约束条件进行综合处理并形成最终的结果,机车应该以何种方式或何种速度运行，并将这个决策贯彻到整个机车控制系统的每一个控制单元上。

功能控制层根报机车层给出的命令对各功能系统进行调控，在各个功能级上(如牵引、制动控制等)，保证运行要求的实现,即控制策和控料手段的实现，数字模型化的控制方法和传统的PID调节在机车控制中已经获得了重要的成果,实时控制，其响应时间必须小于机车控制层的响应。

设备控制层直接面向现场完成I/O处理或者是能实现直接数字控制的智能装置,将现场的各种过程变量实现数字化转换并将这些变量送往功能层的相应控制子系统，在某些场合下也能完成一些局部的单一的自动控制。
    二、HXD1型电力机车微机网络控制系统的结构

HXD1型电力机车采用SIBAS 32控制系统和TCN通信网络，分为中央控制系统CCU和牵引控制系统TCU两大系统。每台机车由两节组成,两节车在机械方面和电气方面都基本相同。每节车内部由MVB总线连接全部SIBAS部件,两节车之间通过WTB总线连接，机车上还装备了分布式动力控制系统LOCOTROL和CCBⅡ型电空制动系统。

1.中央控制系统CCU

每节车有两个CCU机箱，分别工作为主控模式和从控模式，互为热备份。CCU负责列车级控制、机车级控制,它具有下列主要功能:设备监视(自诊断功能);机车重联控制;WTB、MVB总线管理;机车控制逻辑的实现;机车牵引/制动特性制;轴重转移补偿控制;自动过分相控制;空电联合制动控制;通风机转速自动控制;无人警惕控制;自动轮径校正。

2.牵引控制系统TCU

每节车有两个TCU,分别控制一个转向架的牵引和制动。通常TCU1为主TCU,当TCU1出现故障的时候，TCU2亦为主

TCU。CCU只发送指令(牵引/制动等)给主TCU,两个TCU都反馈信号给CCU。

3.制动控制单元BCU

BCU主要负责机车的空气制动系统，在机车安装LOCOTROL时，集成LOCOTROL控制功能。

4.MVB服务接口

在司机室副合侧窗下方有个MVB服务接口，它附带AC220 V插座。通过这个接口，可以使用SIBAS EXPERT2软件或者monitor软件读取机车的诊断据及日记数据。

5.列车通信网络TCN

TCN列车通信网络由列车总线WTB和车辆总线MVB组成。为了制定一个开放的开放的通信系统，从而使得各种铁道机车车辆能够相互连挂，车上的可编程电子设备能够互换。TCN网络与ISO通信模型结构类似，由6个部分组成:标准设备的结构、关时协议、多功能车辆总线MVB、列车总线WTB、网络管理、TCN一致性测试。采用TCN调试工具可以进行系统配置和调试。规范定义TCN包括两级总线系统，即MVB和WTB。

6.列车总线WTB

列车总线(绞线式列车总线)连接列车中不同车辆上的电子设备。为满足此功能，不同的车辆总线通过网关相互连接。列车总线在个别设备(列车总线节点)与总线停止通信或开始通信后。可以恢复同其他设备的通信。例如车辆连挂之后或解编之后，总线以变化后的参与者数目运行。总线参与者数目的最小值为2,最大值为32。TCN地址在列车初始化过程中(开机)动态配置到参与者中。列车初始化发生在每次总线配置发生变化后，如每次编组之后。在此过程中，总线的正常数据交换完全停止。当新的总线配置确定之后，数据交换重新开始。系统初始化期间各个参与者的TCN地址配置完成。

7.多功能车辆总线MVB

多功能车辆总线MVB负责车辆内部数据交换。MVB连接车载计算机，可编程存储控制器、单个传感器、单个执行机构等设备。每个独立的设备都被赋予固定的地址。信号在MVB总线上以过程数据或消息数据传输。车辆总线支持单节机车中挂在总线上的所有设备进行数据交换。根据设备的运行性能，TCN标准将车辆总线设备分为4个等级。所有设备都可以连接到MVB。通过项目配置工具TCN-PT,可以实现车辆总线MVB上所有的控制设备数据交换。

三、HXD1型电力机车微机网络控制系统的功能

1. HXD1型电力机车中央控制系统CCU的主要功能，中央控制系统CCU负责列车级控制、机车级控制，它具有下列主要功能：设备监视(自诊断功能);机车重联控制; WTB、MVB总线管理;机车控制逻辑的实现;机车牵引/制动特性控制;轴重转移补偿控制;自动过分相控制;空电联合制动控制；通风机转速自动控制:无人警惕控制;自动轮径校正。

2. HXD1型电力机车牵引控制系统TCU传动级控制功能，

HXD1电力机车两个牵引控制系统TCU主要负责传动级控制功能，主要包括:(1)牵引和电制动力的闭环控制;(2)辅助逆变器的闭环控制:(3)网侧参数(例如等效干扰电流、功率因数)的闭环控制;(4)中间直流回路电压的闭环控制;(5)产生IGBT模块脉冲信号;(6)预充电接触器、线路接触器等部件的控制;(7)变流器、牵引电机和其他部件的监控;(8)防滑/防空转控制;(9)牵引诊断数据的保存;(10)通过MVB与CCU和其他TCU进行数据交换。

3.高压回路控制，机车网侧高压设备主要包括受电弓、主断路器、高压隔离开关、变压器。每节机车高压设备完全相同。高压回路控制的作用是优化25kV电路内高压设备的运行工况，当部分高压设备发生故障时能将故障部分隔离，维持机车运行以提高机车运行的可靠性。

4.牵引/电制动控制

4.1.牵引控制，机车牵引力通过司机控制器给出。如果这个牵引请求不被其他牵引封锁条件阻止,牵引命令由在占用端司机室内的司机控制器偏离中立位产生。如果速度调节激活,需要使用速度设定手柄设定一个速度来产生牵引命令，如果牵引命令有效，调节的牵引力设定值被发送到牵引控制单元并且转换成牵引功率。如果控制因为任何原因引起牵引力的封锁，只能通过司机控制器移回零位(强制零位)来取消牵引请求。

4.2.制动控制，机车实施电制动时，机车牵引电机将作为发电机使用。电制动使机车的动能转换为电能并通过逆变器反馈回电网。再生制动系统的优点是能量回馈以及最大限度地减少轮轨系统的磨耗。基于再生制动的诸多优点，HXD1型电力机车设计再生制动在机车制动中起支配作用并且调整重联机车的制动。机车制动力的设置取决于位置或制动管压力。在多机重联时，主控发出的电制动力请求发送到从控机车。

5.故障诊断即保护功能，HXD1型电力机车通信网络与控制系统对机车重要功能部件进行故障诊断及保护。机车控制系统采集并判断评估机车子系统或MVB组成部件的信息，接收状态信息存储故障以及通过MVB管理传输。单节机车的KLIP(SKS1A, SKS1B,SKS3)输入输出系统采集含主断路器、接触器、主压缩机在内的所有未连接在MVB_上的被控单元的所有数字信号和模拟信号。部件或MVB子系统的故障信息记录通过MVB接口在CCU之间传输。司机室显示器显示部件或子系统状态和故障信息。

结束语

通过对HXD1型电力机车微机网络控制系统的组成、作用、类型、系统结构和功能的介绍，使我们对HXD1型电力机车微机网络控制系统有了进一步的认识，机车微机网络控制系统是机车的核心部件，交流传动技术的应用离不开网络控制系统的发展，随着国家铁路事业的高速发展，新一代电力机车对微机网络控制系统提出了更高的要求，这就要求我们对微机网络控制系统深入的学习了解，为以后的工作提供坚实的理论基础。

参考文献

[1]张曙光.《HXD1型电力机车》.中国铁道出版社.

[2]郭树祥主编.《交流传动电力机车》.中国铁道出版社