（电力电子与电力传动专业论文）矿用机车双机重联列车通信网络研究与设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第li 页 a b s 仃a c t t h es l o p eo ft h er a i l w a yi sb e i n ge n l a r g e dt oe x p l o i tt h ed e e p e rm i n e t 1 l e t r a c t i o no ft h em i n el o c o m o t i v em u s tb es t r e n g t h e n e d ，w i t hw h i c ht oc l i m bt h e s l o p e t h ed o u b l e - u n i to rs e v e r a l - u n i tt r a c t i o ni st h eu s e f u lw a yt or e a c ht h eg o a l t h ep a p e rs t u d i e sa n dd e s i g n st h et r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k so ft h e d o u b l e - u n i tt r a c t i o nf o rt h em i n e1 0 c o m o t i v e t h ep a p e rf i r s t a n a l y z e st h ee l e c t r i c a l d e v i c e si nt h es h a n f e n ga n d s h a o s h a nl o c o m o t i v e s ，t h e nt h et r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ks e t t i n g sa n di t s d a t as t r e a m , l a s ta n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i c so f p h y s i c a ll a y e ra n dt r a n s f e rl a y e r o ft h et r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k i tw a st h eb a s i ct h e o r yo ft h ed e s i g na b o u t c a na n dm v bi nd o u b l e - u n i tt r a c t i o nf o rm i n el o c o m o t i v e i n v e s t i g a t i o n so nt h ea c t u a l i t yo ft h er a i l w a yt r a f f i c ，t h ep a p e rp r e s e n tt h e p a r t i c u l a rd o u b l e - u n i tt r a c t i o ns y s t e mi nt h eo l dl o c o m o t i v et os t r e n g t h e nt h e a b i l i t yt oc l i m bt h es l o p e 1 1 1 ep a p e rp a r t i c u l a r i z e st h ed e s i g n i nt h ed o u b l e - u n i t t r a c t i o ns y s t e m , t h et r a i nb u so fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k si sr e a l i z e db yu s i n g m v b ，w h i c hi st h es t a n d a r do ft c n t h ev e h i c l eb u si sr e a l i z e dw i t hc a nb u s ， w h i c h p o s s e s s e ss t r o n g r e a l t i m e p e r f o r m a n c e ，i t a c h i e v e st h en o d e s c o m m u n i c a t i o no ft h em o t o r m a n sd i c t a t e ，t h es t a t eo ft h em o t o r , t h ec e n t r a l c o n t r o lu n i ta n dt h ed i s p l a yo ft h ed a t a t h ec e n t r a lc o n t r o lu n i tu s e da sg a t e w a y r e c e i v e sa l lt h ed a t ao ft h et r a i n ，a n dp r o c e s s e st h ed a 协，g e tt h ec o n t r o l l i n g s t r a t e g yt oc o n t r o lt h et r a c t o r s 1 1 1 em v b is p e c i e se q u i m e n tc o m m u n i c a t i o ni s d e s i g n e di nf p g a t h eh a r d w a r eo ft h ec a nc o m m u n i c a t i o ni sd e s i g n e dw i t ht h e c 8 0 5 1 f 0 4 0w h i c hh a sac a nc o n t r o l l e ri nt h es y s t e m , t h ea p p l i c a t i o nl a y e r s p e c i f i c a t i o no f c a n b u si sd e f i n e do nt h ed a t as t r e a mo f t h et r a i n a l lt h ed a t ao f t h en o d e sa r ew a t c h e da n ds a v e di nt h em c g s t h ed o u b l e - u n i tt r a c t i o nh a sb e e nt e s t e dw i t hh e a v yl o a d t h e t h eb e h a v i o r o ft h et w ol o c o m o t i v e si st h es a m e t h ec l i m b i n ga b i l i t yo ft h et r a c t o ri s s u c c e s s f u le n h a n c e d ，a n dt h es y s t e mh a sb e e np r o v e dt ob ep o p u l a r i z e d k e yw o r d s ：m i n el o c o m o t i v e ，t h et r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，m v b ，c a n ， t h ed o u b l e - u n i tt r a c t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 研究背景及课题概述 矿业开采采用铁路运输虽然初期投资较大，但由于在运输费用上的突出 优势，对于已经建立铁路运输系统的矿场，在运输方式设计时尽可能地使用 铁路运输无疑是经济的选择。然而，由于空间的局限，随着矿区采场向深部延 伸，线路坡度越来越大，对铁路运输能力也提出了新的要求。继续利用原有 机车及其编组方式，机车牵引力不足是最明显的问题。为解决这一问题，通 常采用进一步提高机车单机牵引力或减少牵引负荷。如果不更换大功率机车， 靠增加容量改造来提高机车单机牵引力其潜力很有限，减少负荷必然会影响 运输效率。实际运行试验证明，双机或多机重联是目前在大坡度情况下保证 运行效率的最经济有效的方案。如何实现机车重联的可靠控制，是目前矿用机 车推行重联运行的一项关键技术问题。最简单的工矿机车双机重联可通过硬 联线直接相连，将所有与控制相关的导线直接连到另一节重联机车上。这种方 法虽然成本很低，但是由于配线多，矿用机车运行线路质量差、坡度大、弯 度小，加上周围恶劣的外部矿石、粉尘环境，很容易出现重联导线接触不良、 折断等现象。加之可用导线传输的信息量很小，从而使司机无法了解到重联 它车的工作状态。 由此提出了用数字控制方式，网络连接的方法进行双机重联。两车之间 通过列车总线相连实现车辆之间的通信，车内运用车辆总线把所有与控制相 关的设备都连接起来。由此在机车内引入智能网络控制系统，不仅可以实现 双机重联以提高机车爬坡能力，而且可以对机车进行智能控制提高机车运行 的可靠性。在原有的系统中，驾驶员需要依靠各种数量繁多的仪表来给出行 车指令，引入了网络控制系统后，可以减少驾驶员的操作难度和误操作概率。 因此，在机车内引入列车通信网络控制系统以及分析机车的控制策略可以有 效地解决矿山迸一步开采所面临的问题。 列车通信网络是应用于列车这一流动性大、实时性强、环境恶劣、可靠 性要求高、与控制系统紧密相关的特殊计算机网络，是一种面向控制、连接 车载设备的数据通信系统，是分布式列车控制系统的核心“。其集列车控制 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 系统、故障检测与诊断系统以及旅客信息服务系统于一体，以车载微机为主 要技术手段，并通过网络实现列车各个系统之间的信息交换，最终达到对车 载设备的集散式监视、控制和管理目的，实现列车控制系统的智能化、网络 化与信息化。 列车不仅需要实现对机车的重联控制，而且也需要对机车的空气制动、 门、空调等进行监测与控制，司机需要了解全车各个重要部件的状态，在发 生故障的条件下采取相应的对策，为此，需要把全列车各个计算机控制的部 件联网通信，构成列车通信网络，并通过安装在司机室的显示屏、语音提示 等把情况告知司机。 在列车通信网络研制的早期阶段，列车通信网络与列车控制系统是相对 独立的。它的任务主要是收集全列车各部件的状态、数据，以便进行监视和 诊断。列车控制系统主要通过硬连线把命令传送到各节车厢，从而实现对全 车的重联控制。控制的命令是不经网络传送的，所以在列车网络通信失效时， 列车控制不会跟着失效。这样做的主要原因在于初期列车通信网络的可靠性 还远未达到可信赖的程度。此时的列车通信网络在列车控制中并不是不可缺 少的，它属于锦上添花。日本3 0 0 系列电动车组就是这样的，它装有车辆情 报管理系统t i s ，所提供的信息一是为乘务员决策提供依据，二是便于维修。 控制的级位和命令采用硬连线直接传送，因而贯通全列车的硬连线比较多。 随着列车通信网络技术的发展，其可靠性程度得到提高，其功能也在不 断增强。它已不仅具备监视、诊断功能，而且可传递控制所必需的信息，如 各种控制命令都可通过网络传送到各车的各个设备，执行的结果也可通过网 络返回给司机。采用列车网络控制不仅可省去大量的重联线，而且也可使全 车各部件控制更加协调、精确和合理，从而整体上提高控制的技术水平。而 控制与监视、诊断合二为一，将使信息更加丰富，并避免重复取信号，从而 也提高了监视和诊断的水平。 虽然在现代列车上采用列车控制通信网络是发展的必然趋势。但是随着 现代列车在速度、可靠度、舒适度等方面的迫切需求，新技术得到广泛的应 用，进而导致列车系统内部的信息量剧增，系统各部分的有机联系大大增强， 使得大量相关信息需要在机车车辆各计算机之间互相传输与交换。因此，如 何将这些信息安全、可靠、快速、准确地在整部列车上传输，已经成为现代 列车研制中面临的一个关键性课题。 与此同时，矿用机车的双机重联也是需要进一步开发和研究，由于矿用 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 电传动机车上电力电子器件多，利用现场总线、电力电子技术以及微机控制 原理，不仅可以实现矿用电力机车的微机自动化，同时有利于建设矿用电力 机车的列车通信网络，本论文针对矿用电传动机车的列车通信网络进行研究， 主要研究列车通信网络的特性，分析列车通信网络的访问控制原理、通信可 靠性、实时性等，并由此设计矿用机车的双机重联。 f 2 列车通信网络发展概况 计算机在轨道交通工具上的应用随着7 0 年代后期微处理器技术的普及 而迅速发展。最初微处理器主要应用于机车车辆单个设备的控制，如西门子、 b b c 于8 0 年代初把8 0 8 6 微处理器应用于机车或动车的传动控制，株洲电力 机车研究所于8 0 年代前期开展了用z 8 0 微处理器控制静止劈相机的研究、试 验。 随着微处理器控制、服务对象的增多，人们引入了铁路控制系统层次划 分的思想，并将铁道系统依次划分为6 个层次：公司管理、铁路运营、列车控 制、机车车辆控制、传动控制和过程驱动，于是列车通信网络在初期的串行 通信总线的基础上应运而生，产生了基于串行通信的、用于较为独立的控制 设备或层次间信息交换的总线与企业标准，如b b c 连接机车控制层与传动控 制层的串行控制器总线，该总线后来发展成为用于连接机车内的所有智能设 备的m i c a s 车辆总线。1 。9 0 年代初，为满足机车和动车组重联控制的需要， 产生了列车总线，如西门子的d i v 4 3 3 2 2 列车总线。至此，一些大的铁路公司 以牵引控制系统为基础、以列车通信系统为纽带、以新器件和新工艺为载体， 相继推出广泛覆盖牵引、制动、辅助系统、旅客舒适设备控制和显示、诊断 等的列车通信与控制系统，在欧洲一般简称为t c c 。在北美，类似的系统被 称为基于通信的列车控制系统，简称c b t c ，该系统中的列车通信网络部分也 达到了相当高的水平。1 。 在列车通信网络发展的早期阶段，由于各个国家的铁路发展阶段和要求 的差别，导致各个国家在制定适合自身发展的列车通信标准的差异较大，各 个大公司的系统均自成体系，互不兼容，为产品的开发造成一定的困难，对 今后列车通信网络的发展设置了障碍。 1 2 1i e ct c n 网络技术的开发应用现状 t c n 是目前技术比较成熟、并具较大发展潜力的列车通信网络标准，1 9 8 8 年，i e c 第9 技术委员会t c 9 成立了第2 2 工作组w g 2 2 ( 即t c 9 一粥一2 2 ) ，其任 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 务是制订一个开放的列车通信系统( t c n ) ，从而有利于铁路运营部门、装配厂 和设备供应商实现世界范围内车辆间的相互操作和插入式设备的联接，最终 使得各种铁道机车车辆能够互联，车上的可编程电子设备能够互换。 i e c 在制订t c n 标准时，首先考虑的是用户，特别是u i c 的需求。为此， 把列车区分为在运营中不改变编组的列车和在运营中可以改变编组的列车。 标准的重点应放在后者，但也可以用于前者。当然在标准的制订过程中，更 重要的是其必须要建立在已被实践验证的技术的基础上，并能得到大部分铁 路公司的支持。 1 9 9 2 年6 月，t c 9 一w g 一2 2 以委员会草案c d ( c o m m i t t e ed r a f t ) 的形式向 各国发出列车通信网t c n 的征求意见稿。该稿分成4 个部分：第1 部分总体结 构；第2 部分实时协议；第3 部分多功能车辆总线m v b ；第4 部分绞式列车 总线w t b 。 1 9 9 8 年1 1 月，在中国湖南株洲召开i e c t c 9 年会。1 9 9 9 年6 月，t c n 标准草案6 1 3 7 5 - 1 正式成为国际标准。在6 1 3 7 5 1 中，除了以上4 个部分外， 还包括第5 部分( 列车网络管理) 、附录a ( 列车通信网导引) 和附录b ( 一致性 测试导引) 。 w t b 与m v b 一起构成了i e c 6 1 3 7 5 - i - 1 9 9 9 国际标准的主体。t c n 标准中的 w t b 以d t n 4 3 3 2 2 和c d 4 5 0 为基础；m v b 则以m i c a s 为基础，由a d t r a n z ( 已被 b o m b a r d i e r 收购) 和s i m e n s 等公司率先开发出来。国际上一些大的铁路工 业公司以t c n 标准为依据，正推出符合该标准的地铁、动车组等轨道交通车 辆产品。 t c n 总体结构把列车通信网规定为由多功能车辆总线( m 、r b ) 和绞式列车 总线( w t b ) 组成。m v b 的传输介质可以是双绞线，也可以是光纤。在后一种场 合中，其跨距为2 0 0 0 m ，最多可连接2 5 6 个智能总线站。数据划分为过程数 据、消息数据和监管数据。对过程数据的传输作了优化。发送的基本周期是 i m s 或2 m s 。w t b 的传输介质为双绞线，最多可连接3 2 个节点，总线跨距8 6 0 m ， w t b 具有列车自编组和接触处防氧化功能。发送的基本周期是2 5 m s 。 由于t c n 标准已被i e e e1 4 7 3 2 1 9 9 9 和我国铁道行业标准t b t 3 0 3 5 2 0 0 2 列车通信网络所采纳，成为我国列车通信网络发展的事实标准， 并成为现有列车新产品开发的基础。 1 2 2 其他控制网络技术的应用现状 i l o n w o r k s 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 9 8 8 年在美国成立的e c h e l o n 公司于1 9 9 0 年1 2 月向全世界推出了 l o n w o r k sn e t w o r k s 全分布智能控制网络技术，并于1 9 9 4 年公布了第1 套 l o n m a r k 互操作性设备规范，形成了l o n t a l k 协议，分别被a n s i ，i e e e ，a a r ， a s h r a e ，i f s f 等标准组织所采用“3 。l o n w o r k s 作为实时过程控制通信协议， 其许多性能都符合t c n 标准的要求，具体表现在以下几个方面： 1 ) 突出的统一性、开放性及互操作性：l o n w o r k s 网络协议符合国际标准 化组织( i s o ) 定义的开放互联( 0 s i ) 模型，任何制造商的产品都可以实现互操 作。协议对外开放，对任何用户平等。该特性完全符合t c n 关于实现世界范 围的车辆间的相互操作和插入式设备连接的要求。 2 ) 通信媒介的多样性：可用任何媒介进行通信，包括双绞线、电力线、 光纤、同轴电缆、无线电波、红外等，为开发列车通信网络时选择通信媒介 提供更多的选择余地。 3 ) 多种型式的网络拓扑结构：有星型、总线型、环形及自由拓扑型；网 络结构可以是主从式、对等式或客户服务式结构。 4 ) 通信速率高：通信速率可达1 2 5 i i b s ，此时有效距离为1 3 0 m ；7 8 k b s 的双绞线，直线通信距离可达2 7 0 0 m 。这种通信速率及通信距离基本上符合 列车通信网络的要求。 5 ) 主要元器件的工作温度范围宽：其神经元芯片的协议控制器和总线收 发器的工作温度范围为一4 0 8 5o c ，符合机车车辆行业对环境温度的特殊要 求。 、l o n w o r k s 作为一种性能优越的工业现场总线，被广泛用于航空航天、 建筑物控制、工厂自动化等领域。在全球工业控制节点中，l o n w o r k s 占有率 达5 1 。 l o n w o r k s 在铁路工业中也有广泛的应用。在国外，l o n w o r k s 网络已经在 列车制动、门控、辅助电源控制、监控、空调及通风、旅客信息、信号、故 障记录、到站显示、照明等方面有应用实例，如美国新泽西轻轨c o m e ti v 项目、旧金山湾区地铁( b a r t ) 制动系统监视器和自动列车控制系统、a l s t o m 公司的牵引力系统、d b 的照明、供暖和空调控制系统等。1 9 9 7 年，美国铁路 协会( a a r ) 已经把l o n w o r k s 技术作为a a r 标准( s 一4 3 2 0 ) 。1 9 9 9 年8 月， l o n w o r k s 控制网络技术正式成为在列车通信方面新的i e e e1 4 7 3 2 1 9 9 9 标准 的一部分，即i e e e l 4 7 3 2 一l ( l o n w o r k s ) 。它和前述的i e e e l 4 7 3 2 一t ( t c n ) 共同 形成列车网络控制的标准。目前，正在开发相关的网关，以使两项标准网络 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 可以互联。1 。 2 w o r l d f i p w o r l d f i p 的前身是f i p ( f a c t o r yi n s t r u me n t a t i o np r o t o c 0 1 ) 现场总 线技术。f i p 初为法国标准，后经w o r l d f i p 用户组织推荐于1 9 9 9 年被采纳 为现场总线国际标准1 e c 6 1 1 5 8 2 ，即w o r l d f i p 。w o r l d f i p 采用三层结构： 物理层、数据链路层和应用层。 1 ) 物理层：保证信息从各设备安全地传送到接在总线上的其他设备，传 输介质为屏蔽双绞线或光纤，传输速率为3 1 2 5 k b p s ，1 m b p s 和2 5 ) f o p s 等； 2 ) 数据链路层：负责数据传输和差错、访问控制。具有周期和非周期两 种数据交换，变量寻址和报文寻址两种寻址空间，采用生产者消费者、单播 和多播等通信模式，基于总线仲裁( b a ) 的集中式介质访问控制，总线仲裁 器和生产者分别具有时空唯一性： 3 ) 应用层：w o r l d f i p 应用层提供变量和消息两种访服务。 w o r l d f i p 与t c n 网络类似，使用曼彻斯特编码进行信号的传输，支持介 质和总线仲裁器的冗余，并且还具备完备的网络管理能力。网络系统由总线 仲裁器和若干用户站组成，系统具有实时性、同步性、可靠性等特点， w o r l d f i p 是开放的现场总线，w o r l d f i p 产品的设计者、用户或集成商都 可以得到w o r l d f i p 组织的技术培训、一致性测试等支持。w o r l d f i p 用户组 织目前有1 0 0 多个成员，经过十多年的应用与改进，w o r l d f i p 己经是一项完 全成熟的技术，具有品种齐全的通信部件、产品和开发工具。 目前，w o r l d f i p 在输电、化工、空间技术、汽车制造等领域获得了广泛 应用。w o r l d f i p 在轨道交通领域的应用由a l s t o m 公司主导，并在高速铁路 机车动车组、地铁列车等关键项目上获得了广泛应用。 3 c a n c a n 总线作为设备或者是车辆总线得到了广泛的应用，c a n 是控制局域网 络c o n t r o la r e an e t w o r k 的简称”1 ，是德国b o s c h 公司从8 0 年代初为解决 现代汽车众多的控制与测试之间的数据交换面开发的一种串行通信总线。c a n 总线是一种双向、串行、多节点通信网络，能有效地支持具有很高安全等级 的分布实时控制。1 9 9 3 年成为国际标准( i s 0 11 8 9 8 ：道路车辆的高速控制器局 域网数字交换系统标准) ”1 。目前i n t e l ，m o t o r o l a ，p h i l i p s ，n e c ，f u j i t s u 等公司都生产符合c a n 协议的控制芯片，一些大公司如a b b 公司的d e v i c e n e t 及h o n e y w e l l 公司的s d s 系统都是基于c a n 的产品。目前被广泛用于各种分 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 布式控制和实时控制系统中，被公认为很有发展前景的现场总线口1 。采用流 行的c a n 总线，在机车分布式控制系统网络的每一个i o 子系统到每一个i o 子系统，每一个i o 子系统的每一个i o 点到同一子系统的每一个i o 点之 间进行信息数据交换，具有实用的研究价值。 c a n 总线在国内机车控制系统中应用较少，至今有资料可查的是，在上 海铁道大学2 0 0 k m h 电动车组微机控制系统中，使用c a n 控制器作为数据采 集模块，实现司机控制台与列车中央控制单元之间的信息传递伸1 。在株洲电 力机车研究所自主研制的l j k 2 0 0 0 型监控记录装置中应用了基于c a n 总线的 双机冗余技术。1 ，北方交通大学在铁路车站信号微机联锁系统中使用了基于 c a n 总线的网络技术“”。相对而言，c a n 总线在城轨车辆微机控制系统中应 用较广，尤其是在磁浮列车中，如在国防科技大学研制的c l s 一3 磁浮列车车 载微机控制与通信网络中，应用了基于c a n 的车辆总线和基于c a n 和 p r o f i b u s 的列车总线1 。 ， 在国外，基于c a n 的高层网络如c i a 公司的c a n o p e n 在机车车辆和城轨 车辆中有许多成功应用的例子。由法国a l s t o m 生产，在德国扎耳茨吉特城市 运行的c i t a d i s 有轨电车，采用的是基于c a n o p e n 网络的车载控制系统。由 捷克共和国u n i c o n t r o l s 公司开发的u n i t r a c k l i 工系统是一种提供t c n 网络 接口、模块化、基于c a n o p e n 网络的控制系统，已经装车应用于动车组、地 铁和有轨电车。 近年来，随着用户对控制网络的开放性、性价比等要求的提高，以及基 于网络的远程诊断与维护、旅客信息与舒适性支持等新需求的提出，i e ct c n 列车通信网络，w o r l d f i p ，l o n w o r k s ，c a n ，工业以太网以及无线网络等技术 都在车载控制系统中找到了它们最合适的应用场合，控制网络在列车上的应 用将呈现出多种技术并存、相互竞争和融合的局面“”。 1 3 本文研究意义及内容 本课题拟在研究和设计矿用机车双机重联的列车通信网络，由于我国还 没有制定自己的列车通信网络标准，到现在为止也没有任何的模型和标准来 衡量哪一种标准是适合我国的列车通信网络，因此本文从以下几个方面进行 研究和实验。 首先分析矿用机车的电气结构，它结构决定了列车通信网络的数据节点 和数据流量，接着讨论了列车通信网络所需要具备的特性，为以后的双机重 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 联实验提供一定的理论依据，最后针对我国的1 5 0 吨韶峰机车的双机重联设 计了列车通信网络并实现，通过实践来证明小部分南理论分析和研究。 西南交通大学硕士研究生学位论文第，9 页 第2 章矿用电力机车结构及网络节点研究 为了设计矿用电力机车的列车通信网络，需要对机车的结构有一定的了 解，本章主要针对我国韶山8 型机车的结构和1 5 0 吨韶峰机车结构，作为设 计列车通信网络节点的基础，同时分析了网络节点的意义。 2 1 矿用机车结构分析 2 1 1 韶山系列机车结构 韶山系列机车从韶3 一直到韶9 ，机车整体结构没有特别大的变化。分 为主电路，辅助电路和控制电路三大部分，下面主要以韶山8 型机车作为范 例进行分析。韶山8 型机车的网压为2 5 k v 单相工频交流电，一台机车有两台 转向架，每一转向架有两轴，一台转向架用两台并联电机由同一整流器供电。 传动采用串励脉流电动机驱动。电动机的速度采用端电压无级调速和无级磁 场削弱方式进行调速；电压调节采用三段半控相桥整流无级调压，通过改变 主整流器的导通开关的时间来改变整流电压从而实现调速，磁场削弱采用用 晶闸管分路的无级调节，因而机车在整个调速区内均是无级的，端压达到最 高此时又想继续提高机车速度时可采用磁场削弱方式调节；电动机的供电按 转向架独立供电，即一组整流器对同一转向架的两台并联电动机供电。当一 组整流器故障时，可保持机车1 2 的牵引力；当一台电机故障时，可保持机 车牵引力3 4 ；动力制动采用加馈电阻制动，在低速区可以有较大的制动力， 机车的主电路和辅助电路框图如下图2 1 所示。 1 主电路 图2 - 1 韶8 主电路和辅助电路 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 主电路主要由受电弓、主断路器、主变压器、主变流器、整流逆变装置、 牵引电机、制动装置( 电阻制动盘形制动涡流制动) 以及电路保护装置等 组成，是产生机车牵引力和制动力的主电路。主电路按电压等级可分为网侧 高压电路、调压整流电路、牵引制动电路三级。 2 辅助电路 辅助电路主要主变压器的变压后供给各辅助设备的电路，经过调压器，整 流设备，逆变设备供给牵引通风机、空气压缩机、制动风机、油泵以及空调、 自用电插头等电路。 3 控制电路 控制电路的功能是主令电路，司机通过主令电路发出指令来间接控制机车 主电路及辅助电路，以及完成各种工况的操作，辅助电路均为低压电路。控 制电路主要由稳压电源、蓄电池组以及控制机车动作，各辅助机械开停和各 照明工作等有关的主令电器，各种功能的低压电器和开关组成，整个控制电 路可在一个网络内，以保证可以通过司机室控制及监测。 2 1 2 韶峰矿用机车结构 1 5 0 t 矿用机车为1 5 0 0 v 直流牵引矿用机车，6 台直流牵引电机可工作在 串联状态( 3 组两机串联) 或并联状态，采取最简单的串电阻调速方式。司 机控制器以及辅机均采用充电机提供的l i o v 直流电源，如图2 - 2 所示。 1 主电路 图2 - 21 5 0 吨韶峰机车结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 主电路主要由受电弓、主断路器、牵引电机、充电机构成、制动装置( 电 阻制动) 以及保护装置等组成。 2 辅机系统 辅机系统主要是充电机输出1 i o v 直流供给的辅助设备的电路。主要包 括空气压缩机( 用于驱动电空接触器，实现对高压室内的主电路中开关的通 断) 、通风机、受电弓的驱动、司机室照明、取暖和风扇等。 3 控制系统 控制电源为直流l i o v 稳压控制电源及配电回路；直流1 1 0 v 由充电机装 置提供，1 i o v 同时驱动电空接触器的驱动信号。 司机通过的操作司机控制器上的方向控制手柄和级位轮盘对机车的方向 和级位进行控制，而司机控制器主要功能就是采集司机的指令并根据此时机 车电机的状态和其他辅机系统的信息进行综合判断，最终输出控制信号实现 对机车控制。 2 1 3 电气控制系统功能 两类机车的设备都是一致的，只是由于供电系统不同导致内部电源设备的 不同，但是它们的电气控制系统都是一样的，按功能分可以分为八大部分： 控制电源 控制电源为直流l l o v 稳压控制电源及配电回路；直流l i o v 由整流稳压 装置提供。 来自主变压器辅助绕组的电压( 入库时由库用插座输入) 经变压器降压为 后经整流输出为l i o v 直流，控制电源通过调节开关管的触发角来控制输出， 控制电源工作时，与蓄电池并联运行，以减小纹波电压。 控制电路的后备电源采用蓄电池组，机车正常运行时，蓄电池组与稳压 电源并联，兼作滤波电容，同时充电。蓄电池在机车升弓前，向控制电路提 供电源，运行时充电。 整备控制电路 主要指由司机台主令电器控制的机车运行工作前的准备电路；主要由受 电弓电路，主断路器电路，辅助系统的变流器，空气压缩机，通风机的控制 电路以及过分相控制电路组成。 调速控制电路 主要指由司机台主令电器控制的机车运行控制电路：包括司机控制联锁， 位置转换开关控制，励磁、线路接触器控制和预备中间继电器控制等电路组 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 成，用来控制电子柜的触发脉冲。司机控制联锁和位置转换开关控制用来是 为了保证司机能够发出正确的指令，并使机车处于适当的状态，预备中继闭 合，表明机车主电路构成，可以开始运行。 保护控制电路 主要指有关主、辅助电路保护环节执行的控制电路：包括原边过流保护， 次边短路保护，牵引、制动过载保护，辅助过流保护，接地保护，零压保护， 列车供电回路保护，空转保护，p f c 保护等电路，确保列车安全，通过设置 故障隔离，可使列车在故障下运行。 照明控制电路 机车照明控制电路使一些灯及发光管的控制电路，包括前照灯，副前照 灯，标志灯，仪表灯，及风扇灯电路，电路相对比较简单。 信号控制电路 信号控制电路主要指机车运行状态、故障保护等信息的信号显示电路， 信号灯采用发光二极管。 其它控制电路 主要包括空气干燥器控制，撒砂控制，轮缘喷油控制等电路组成。 2 2 双机重联控制系统功能 双机重联的目的是使两车能够一致的发挥牵引力，因此除了信息的传递 外，它还应该具备以下功能： 机车逻辑控制：包括司机控制指令的接收及合理性判断、受电弓控制、 主断路器控制、牵引制动联锁控制、停放制动，低压接触器控制、自动换端 控制、司机室牵引运行状态的显示等。 牵引特性控制及制动特性控制：它是控制系统要实现的主要功能之一。 牵引时根据司机控制器级位设定速度，制动时设定制动力相对制动粘着限制 线的百分含量。 空电联合制动：空气制动与电制动的联合制动其工作原理是根据空气 制动系统的指令及相应逻辑投入电制动，同时根据制动指令的级位产生相应 的电制动力，并将电制动力的大小及电制动状态反馈给空气制动系统。 保护控制：根据采集到的当前机车的主要设备和辅助设备的参数进行 保护。并根据设备的故障程度给出报警或者紧急制动的控制。 重联控制：重联控制是对机车的其他设备进行远程自动控制及故障监 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 测，信息通道包括列车通信网络及贯穿全列车的少许硬连线。 辅助系统控制：一是根据辅助变流器的状态进行相应负载的配置；二 是向辅助变流器发送启动与关闭命令及变频指令；三是根据车内各设备温度 检测值综合评判设置辅助系统控制等级；四是当辅助变流器故障时施行切换 控制及启动控制；五是实现辅助系统库内供电时的测试，这主要通过显示器 ( i d u ) ，中央控制单元( c c u ) ，辅助变流器控制单元( a c u ) ，库用供电等条件来实 现，可以实现单台辅助电机的转向试验、通风量试验及压缩机试验等，同时 也为库内空气制动系统的试验提供了方便。 供电系统主要高压供电系统、辅机供电系统、低压控制供电系统和不 间断电源供电系统，每一种供电系统都是经过受电弓、变压器或变流器转换 的，供电系统监测是对电气系统运行中出现的各种故障及时进行诊断、指示 并保护。 2 3 双机重联列车通信网络节点 双机重联节点主要有两类，参与列车控制，由于列车是由几辆动车组 成，因此，司机的行车指令必须到达每个动车。完成列车监控，随着列车 的微机控制的逐步发展，列车上的微机控制节点均可以把数据相互传送，以 及时发现故障，排除危险。下面分别说明。 列车驱动控制单元主要是根据司机指令，本车的状态来进行行车处理。 列车驱动控制单元的节点主要有司机指令，制动控制，驱动设备控制，以及 列车运行状态监测等节点。下面分别分析这几类节点的数据意义和数据量。 司机指令，司机命令是指驾驶员通过操作台发出的指令。包括三类： 1 启动制动调速指令，这是在机车正常情况下的命令。2 故障运行指令，这 是机车出现故障时司机给出的指令，通过人为的切除故障继续行车。3 报警 指令，当机车发生重大故障时，司机必须给出报警提示车上的其它工作人员， 并做出紧急制动的操作。 电机状态，主要检测动车上每个电机的输入电压、电流和电机温度等， 把电机的工作状态发送到控制器中，监测各个电机是否正常工作是保证车辆 可靠运行的首要条件。 驱动设备状态，主要检测主变流器输入输出是否正常，主变流是给电 机供电的设备，控制电路不仅需要检测主变流器的工作状态，还需要控制主 变流器的开关状态以控制列车运行速度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 本节列车运行状态，主要是采集列车的速度和加速度，以及车辆打滑 和空转检测。根据列车的运行状态和司机的指令判断是否执行司机的指令， 或者列车是否有潜在危险可能。 列车监控的主要目的是为了让司机了解列车的运行状态以保证列车的安 全运行，列车监控的节点是不参与控制的，但有效的控制机车的运行依赖于 列车监控系统的正常工作。列车安全控制节点主要有以下几类： 主设备状态，主要是监测主变压器的状态，由于所有的用电设备的电 量都来自于主变压器，主变压器的状态直接影响到其它设备的安全，所以对 主变压器进行监测以保证列车安全。 、 辅助设备状态，辅助设备包括辅助变流器和辅机系统，辅助变流器是 给辅机系统供电的设备，而辅机系统保证了主要设备安全工作，对辅机系统 的检测保证了主要设备的正常工作。 轴温报警器，轴温报警器采用检测探头，探测8 个轴承的温度和车外 温度，根据采集到轴承温度和车外温度。判断是否发生热轴故障。轴温报警 器重点防范热轴事故，保证行车人员的人身安全。 2 4 本章小节 本章分析了矿用电力机车的结构，由上述分析可以看出机车的电气结构 在本质上都是一致的，都分为高压主电路，辅助电路和控制电路三大部分， 列车通信网络就是建立在此基础上的，它的主要目的是监测主电路和辅助电 路以保证列车的安全运行，而连接控制电路的目的是为了驱动机车可靠运行， 如何有效协调机车各个部件的可靠运行，依赖于列车通信网络的信息交换和 共享。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 第3 章重联列车通信网络研究 在分析了矿用电力机车结构的基础上，现在我们要分析构成列车通信网 络节点数据流，了解了各个节点的重要性、信息量、速度要求后分析设计适 合电传动机车的列车通信网络。 3 1 节点数据流量分析 从上述分析可以看出，数据意义有表示机车状态的数据，表示机车过程 的数据。 由上面的分析可以看出机车内部的节点参与控制与监控的都是周期性传 送的，其中比较特别是司机室信号，司机的指令通常可以按二进制的位计算， 主要是受电弓状态，重联状态，制动牵引状态，级位信息，故障信息。如果 用1 个字节表示，则可以表示出2 s = 1 2 8 个数据意义，足够用来表示某一类的 司机的指令，所以司机指令可以用短帧表示，具体的指令如表3 1 所示。 表3 - 1 司机室指令 数据意义受电弓状态重联状态制动牵引级位信息故障信息 长度( 二进制) 222 8 8 状态数 2 22 22 22 。2 8 其中受电弓状态有前正弓，后正弓，前旁弓，后旁弓，一般说来在客运 铁路上是没有旁弓的，所以2 位二进制数据足够表示受电弓状态；重联状态 主要是表示司机现在在哪一辆车上开车而给出的信号，司机所在的动车状态 只有两个，该车参与动力拖动，该车不参与动力拖动，2 位二进制数据可以 表示四种状态；制动牵引状态表示行车的方向和动力，共有四种状态，向前 牵引，向后牵引，向前制动，向后制动，用2 位二迸制数据可表示；级位信 息表示了该车的牵引力大小，无论是有级还是无级调速，用1 2 8 个级位足够。 最后是故障信息，该故障信息既表示了司机室检测到的故障。 由此可见，3 个字节的数据几乎可以完全表示司机指令，通常在发送的 时候会加上一些校验或者重新编码以保证数据的可靠性，但是总的数据长度 在i o 个字节以内。 电机状态，电机状态包括电机电压、电流、温度等，现在大多数的调速 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 电机采用的三相交流电机，所以只需要测三相交流电压、电流的大小和频率， 以及电机的温度。具体数据长度如表3 - 2 所示。 表3 - 2 电机状态 l 数据意义电机电压电机电流频率温度 l 字节数 3 * 23 * 2l1 l 范围 0 - 6 5 5 3 6 k v0 - 6 5 5 3 6 k v0 1 2 6 h z0 1 2 6 本节列车运行状态，主要包括列车的速度和加速度，列车的速度目前为 止最高为5 0 0 k m h ，如果用2 个字节表示可以表示的范围为o - 6 5 5 3 6 k m h 。加 速度也不过超过1 个字节表示的范围，所以用3 个字节可以完整表示。 驱动设备和电机控制都是为了进行调速，如果列车行驶在正常状态下， 中央控制器会根据司机给出的指令对电机进行闭环控制，主要需要给定的指 令计算出电机的转速和输入电压，根据检测到的电机的转速或者转矩控制主 变流器开关的开合以输出适当的电压驱动电机。所以需要采集的数据主要包 括电机的转矩，电机的速度，驱动控制系统的输入电压电流和输出电压电流。 这些状态的表示每一个均不超过2 个字节。 由此可见，列车的驱动控制节点都是属于短帧数据，但是这些数据都是 与行车安全紧密相关的信息。所以需要及时发送和更新。如果检测到有故障 时，需要及时发送到车辆监控人员处，或者停车进行检修或者切除降级运行。 以上分析了列车通信网络节点数据流量，据此我们把以韶山8 型机车为例统 计了机车的节点和数据流量，如表3 3 所示。 表3 - 3 韶山系列机车内部节点 分类节点个信息采集字节数传送方式 数 主电主变压器 1原边电压( 网2实时传送，监测 路电压) 器次边绕组电流2 温度 1 故障信息 2 主变流器( 整 2 输入电压 2 实时传送，用于控 流器)输入电流 2制 输出电压 2 输出电流 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 温度 1 故障信息 2 电机 4电枢电压2 实时传送，监测 电枢电流 2实时传送，用于控 制 励磁电流 2 实时传送，用于制 动控制 电机温度 l实时传送，监测 故障信息 2 辅助劈相机l输入电压2实时传送，监测 电路输出三相电压2 * 3 - - - 6 电器输出频率l 故障信息 2 压缩机电动2输出电压2实时传送，监测 机( 劈相机供输出电流 2 电1温度l 故障信号 2 牵引风机电 2输出电压2 实时传送，监测 动机( 劈相机输出电流2 供电)温度l 故障信号2 制动风机电 2 输出电压 2实时传送，监测 动机( 劈相