国产化列车控制及监控系统的监控设计改进

刘 琦 赵 磊 徐惠林 吴紫薇

(北京地铁车辆装备有限公司，100079，北京∥第一作者，工程师)

列车控制及监控系统(TCMS)具有对列车牵引系统进行监视、控制及故障诊断的功能。实现这些功能的基础就是TCMS具有完整可靠的网络拓扑结构，通过MVB(多功能车辆总线)的传输实现数据流的交互。TCMS设计包括电气原理设计、机械结构设计、控制逻辑开发(牵引系统、制动系统、辅助系统等)。

本文讨论TCMS设计的改进，充分考虑了城市轨道交通车辆远期扩编需求的可能性。对6辆编组和8辆编组列车的TCMS网络拓扑结构的设计思路以及拓扑结构中各设备的功能进行了说明，并且对数据流传输过程中涉及到的端口地址、特征周期、端口大小等作了详细介绍。在TCMS通信正常的情况下，分别描述了TCMS对列车牵引系统的主要监视信息、控制指令、故障诊断的分级及处理，重点介绍了牵引指令、母线高速断路器的控制逻辑开发。在与列车牵引系统有关的TCMS设计改进中，介绍了ERM(列车数据及事件记录器)新增的硬线采集功能、网络故障提示功能的设计，以及DI/DO电路导向安全的设计。完成了测试工作，验证了TCMS对列车牵引系统的有效监控。

1 TCMS与牵引系统框架介绍

1.1 网络拓扑结构

图1为8辆编组列车TCMS与列车牵引系统拓扑结构图。在图1中，列车编组为6M2T，即6辆动车2辆拖车，3车和6车为扩编车辆。CCU(中央控制单元)负责组织所有数据流的交换，具有诊断功能和控制功能;RIOM(远程输入输出模块)具有采集车辆各种模拟信号(AX，此项目牵引系统部分只有AI输入模块)和数字信号(DX，通过DI输入模块或DO输出模块实现)的功能;HMI(人机接口)用于显示列车状态及故障信息，发出司机指令及故障处理提示;ERM具有列车信息采集和记录的功能;REP(中继器)具有对MVB信号的中继放大功能;DCU(牵引控制单元)用于牵引系统与TCMS的数据流通信;MC(司控器)供司机控车使用。CCU与DCU通过MVB进行通信，MVB采用标准的MVBEMD总线，符合IEC61375—1—1999标准。其中，硬线是指不同于MVB总线的传输介质，传输性能可靠，但传输能力有限，可以传输模拟信号和数字信号，常用作列车网络系统的传输后备方式，保证系统安全可靠。

图1 8辆编组列车TCMS与列车牵引系统拓扑结构图

从图1中可得出，6辆编组与8辆编组列车相比较，TCMS与列车牵引系统的网络拓扑结构是不变的，只需在扩编的动力单元上增加一个DCU和RIOM即可，不影响CCU与DCU之间的数据传输。

1.2 端口地址

在微机系统中，每个端口分配有唯一的地址码，称之为端口地址。CCU与DCU实现通信时，必须给每个端口定义好具体的端口地址，这样才能保证数据流传输准确。列车为6辆编组时，CCU与DCU的端口地址见表1。当CCU为源设备、DCU为宿设备时，CCU通过MVB传输给DCU数据流，此数据流为控制指令，需要32ms刷新一次，即特征周期为32 ms。当DCU为源设备、CCU为宿设备时，DCU通过MVB传输给CCU数据流，此数据流为监视信息，特征周期为64 ms。其中，DCU向CCU传输信息时均采用两个端口，是牵引系统需要TCMS监视的信息量大所决定的。在进行端口分配时，采用了预留设计思路，端口地址能够满足8辆编组列车的需求，因此表1中的端口地址不连续。端口大小均为32B，在每个端口定义数据流时，均有预留字节，并没有将32B完全占用，方便牵引系统增加数据流，同时满足用户更改采集信息的需求。

2 TCMS对列车牵引系统的监视、控制及故障诊断

2.1 TCMS对列车牵引系统的监视

DCU通过MVB将列车牵引系统的状态信息、故障信息传输给TCMS。TCMS获取此类信息后，根据显示屏方案以及故障诊断方案，部分信息传给HMI进行显示，部分信息传给ERM进行记录，供司乘人员和维护人员使用。

表1 CCU与DCU端口地址表

TCMS的监视功能模块是根据列车牵引系统的需求，结合显示屏方案，由CCU对DCU作在线判断。HMI直接接收DCU的数据流，当两者同时满足时，则在显示屏对应界面显示列车牵引系统的状态量。运行界面显示的有:牵引系统状态、牵引级位、电网电压，以及网流、消耗能量、再生能量、方向等。牵引子系统界面显示的有:HB(高速断路器)状态、BHB(母线高速断路器)状态、牵引力/电制动力、MS(主隔离开关)状态、KM1(短接接触器)状态、KM2(充电接触器)状态、中间电压(斩波电压)、中间电流(斩波电流)、电机电流(逆变电流)、VVVF(变压变频调速)状态。

ERM记录方式为直接接收DCU数据流并进行记录，与显示屏对数据流的处理不同。除以上信息外，ERM记录的信息还包括电机转速、电机温度、电制动相关信息，以及各类软件版本号等。

2.2 TCMS对列车牵引系统的控制

TCMS对列车牵引系统的控制分为两种模式:CCU通过MVB向DCU传输指令信息;通过CCU内部逻辑处理生成的DO变量控制牵引系统电路的导通或断开。主要控制功能有:牵引指令，母线高速断路器控制、方向指令，牵引力值设定，电制动力值设定，时间日期类信息，各车有效载荷，列车实际速度，轮径值等。

牵引指令采取网络优先硬线后备的控制方式。即在TCMS正常时，列车牵引系统采用TCMS传输的指令信号;当TCMS故障时，列车牵引系统采用硬线信号进行控制，确保在故障情况下，列车牵引系统的基本功能不受影响，以保证整车的安全性。

牵引指令的控制逻辑如图2所示。由图2可知，当同时满足司机室激活、牵引指令为1、制动指令为0、惰行状态为0时，CCU发送给DCU的牵引指令为1;否则为0。以上逻辑处理是基于对整车牵引控制电路的分析。由于牵引控制电路中对门选开关、制动缓解、停放制动、紧急制动等进行逻辑联锁，CCU不再对其逻辑进行处理，从而避免了TCMS内部逻辑开发的重复性，提高了CCU的处理速度。

图2 牵引指令的控制逻辑

图3为列车牵引系统高压电路示意图。母线高速断路器的控制是通过DO电路的导通或断开实现的。在进行列车牵引系统的高压电路设计时，考虑到BHB的成本较高，为避免BHB的反复动作，在原有的BHB电路中串联了BLB(母线接触器)，有效利用了BLB可以反复闭合断开的特点，实现了对BHB的保护作用。因此TCMS对牵引系统的母线高速断路器的控制分为BHB控制和BLB控制。

图3 列车牵引系统高压电路示意图

在TCMS内部的列车牵引系统控制逻辑开发中生成3个DO变量:BHB允许指令、BHB闭合指令、BLB闭合指令。其控制逻辑如图4～6所示。

在图4中，BHB开关闭合指的是司机台上母线控制器的总开关闭合;司机室激活、紧急牵引状态、洗车模式均为DI采集的状态信息;BHB故障和BLB故障为牵引系统内部故障信息。由图4可知，当同时满足司机室激活、BHB开关闭合为1、非紧急牵引状态、非洗车模式、BHB和BLB均无故障的条件下，输出BHB允许指令为1，对应的DO电路导通;否则，输出BHB允许指令为0，对应的DO电路不导通。

图4 BHB允许指令的控制逻辑

图5 BHB闭合指令的控制逻辑

由图5可知，当 BHB允许指令为1，断路器BHB状态为0(即BHB断开)的情况下，输出BHB闭合指令，对应的DO电路导通，从而实现断路器BHB闭合。

图6 BLB闭合指令的控制

图6中速度值的判断由CCU完成。由图6可知，当满足速度≥5.5 km/h，且BHB状态为1(即BHB闭合)、输出BLB闭合指令为1时，对应的DO电路导通，接触器BLB闭合。当BHB开关闭合为0(即BHB开关未闭合)、BHB允许指令为0、BHB状态为0(即BHB断开)、速度≤4.5 km/h、BLB 故障为1(BLB故障)中任意一个条件得以满足时，输出BLB闭合指令为0，对应的DO电路断开，接触器BLB断开。

对TCMS对列车牵引系统其他控制功能的实现不再赘述，其基本思路与逻辑实现与以上相似。

2.3 TCMS对列车牵引系统的故障诊断

列车故障诊断由位于Tc车的CCU集中实现。CCU接收DCU传输的故障信息，按照故障代码进行分类存储和报警提示。根据故障对列车牵引系统、列车的性能与安全性的影响划分为不同的故障等级并且对应不同的处理方式(见表2)。

表2 故障等级及其处理方式

3 与列车牵引系统有关的TCMS设计改进

3.1 增加ERM硬线采集功能

TCMS是保证行车安全的关键技术系统，故障导向安全是其必须遵循的基本原则。TCMS正常工作时应能保证行车安全，TCMS发生故障时也不危及行车安全。基于此，对于ERM，突破了以往项目的设计，其不仅具有列车信息采集和记录功能，而且实现了当TCMS发生故障时，ERM可通过DI、AI模块采集硬线数据，实时记录，进行故障分析。每个Tc车上均安装有1个ERM，具有互为冗余的网络接口，独立的电源供电及独立的处理系统，不依赖于CCU，为故障时的数据采集提供了有力保证。对于列车牵引系统，新增的硬线采集信息有:向前指令、向后指令、牵引指令、复位、警惕按钮、紧急牵引、牵引编码、牵引力/制动力值。由此可见，即使TCMS通信故障，ERM仍然可以准确记录与列车牵引系统密切相关的重要信息，为TCMS故障下列车牵引系统功能是否实现提供了记录的依据。

3.2 TCMS故障提示功能设计

TCMS正常时，列车运行在网络模式;若TCMS故障时，司机室设置的TCMS故障指示灯常亮，蜂鸣器鸣响，提示司机操作紧急牵引按钮，列车进入紧急牵引模式。当紧急按钮按下后，蜂鸣器停止鸣响，TCMS故障指示灯常亮。该提示功能的设计与实现，使得列车牵引系统在不受TCMS控制的情况下，快速进入紧急牵引模式，不影响行车安全。

3.3 DI/DO电路导向安全设计

为保证TCMS对列车牵引系统的准确监控，当RIOM分配DI模块时，预留有足够的接口，用以采集牵引控制电路的相关硬线信息。对于重要指令如牵引指令、方向指令等均通过DI模块进行双路采集，互为冗余。与单路采集相比，避免了单路断开导致指令无法采集的情况发生，确保了列车牵引系统功能的实现。对于DO模块的硬件电路，TCMS正常工作时，高电平有效;当TCMS故障时，硬件电路设计为导向低电平，这与BHB允许指令为1、BHB闭合指令为1、BLB闭合指令为1时，其对应的DO硬件电路导通的设计思路相吻合。

4 试验

该项目完成了列车牵引系统与TCMS之间的功能测试，验证了CCU与DCU均遵循TCMS与列车牵引系统的通信协议，确认TCMS与列车牵引系统的通信功能正确。通过试验，得出TCMS可实现对列车牵引系统的监控功能。

5 结语

该项目充分考虑了城市轨道交通列车远期扩编的需求，以6辆编组扩编为8辆编组为例，在TCMS设计中预留充分的通信端口，方便牵引系统增加数据流、满足用户随时更改采集信息要求。针对本次国产化列车牵引系统高压电路的设计变化以及系统显示状态信息和故障提示的需求，完成了控制逻辑开发，并遵循TCMS设计不繁琐、TCMS故障有后备的原则。对于TCMS硬件设计部分，做了新的突破，实现了当TCMS发生故障时，ERM可以通过DI、AI模块采集硬线数据实时记录，进行故障分析;网络故障提示功能得以实现，完成了DI/DO电路导向低电平的设计。通过试验验证了硬件设计与软件逻辑开发均完全满足预期要求，很好地实现了TCMS对列车牵引系统的监控。基于此，将在北京地铁7号线项目中进一步验证国产化TCMS列车牵引系统的监控设计，完成了运营10万km的检验，更加完善TCMS列车牵引系统的监控设计，确保列车运行安全可靠。

［1］葛刚，孙路.南京地铁2号线列车控制与监测系统简析［J］.现代城市轨道交通，2010(3):11.

［2］IEC 61375—1—1999铁道电气设备列车总线第一部分:列车通信网络［S］.

［3］IEEE 1473—1999铁道电气设备通信协议［S］.

［4］徐培丽，陈超录.北京地铁房山线列车网络监控系统［J］.现代城市轨道交通，2011(2):7.