（电气工程专业论文）HXltDgt1机车LOCOTROL系统操作及测试装置研制.pdf

北京交望奎兰堡主堂垡笙塞 一 a bs t r a c t a b s t r a c t ：t os u p p o r tc h i n e s es t r o n ge c o n o m i cg r o w t h ，t h ed a q i nl i n eo p e r a t i o n s c a nb ei i n p r o v e dt oo p e r a t et h e2 0 k t o nt r a i nb yd o u b l i n gt h e s i z eo fh x d it r a i n s l o c o t r o l s y s t e m ，o n eo f t h em o s ta d v a n c e dp o w e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m si nt h ew o n d ， h 鹊b e e ni n s t a l l e di n t oe a c hu n i to ft h eh x d ll o c o m o t i v e s i tp r o v i d e sf u l l c o n t r o lo f 0 n el e a d 锄du pt ot h r e er e m o t el o c o m o t i v e st h r o u g h o u tat r a i n t h el o c o t r o l s v s t 锄i n t e g r a t e sw i t ht h et r a c t i o ns y s t e m ，p n e u m a t i cl o c o m o t i v eb r a k es y s t 锄a n d v a r i o u sl o c o m o t i v ec o n t r o l st oc o n t r o lb o t h t h el e a da n dr e m o t el o c o m o t i v e sm a s v n c h r o n o u sm o d eo fo p e r a t i o n i nt h i sp a p e r , at e s tp l a t f o r m i sd e s i g n e db a s i n go nt l l e p r a c t i 翻a p p l i c a t i o no fl o c o t r o ls y s t e m a n do n - s i t ep r o b l e m so fh x o ll o c o m o t i v e s f o rs y s t e mt e s t i n ga n ds i m u l a t i o no p e r a t i o n t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e sl o c o t r o ls y s t e ma n d t h ep r i n c i p l eo ft h e l o c o t r o lm o d u l e s t h ef u n c t i o n so f e a c hm o d u l ea r ei n t r o d u c e ds oa st os u n l m a r l z e 廿l et y p e so ft h ec o n t r o ls i g n a l so ft h eh x d lt y p el o c o m o t i v e s f i n a l l y , t h el o c o t r o l t e s tp l a t f o 衄i sd e s i g n e db a s i n go nt h ea b o v ec o n c l u s i o n s t h e t e s tp l a t f o r mc o n s i s t so f p o w e rs y s t e m ，t h el o c o t r o ls y s t e mw h i c hi st h es a m e w i t ht h el o c o t r o ls y s t 锄 i na d = u a ll o c o m o t i v e s a n ds i m u l a t e dc c us y s t e m t h es i m u l a t e dc c u s y s t e m ，b a s e d 0 nt h em v bn e 时o r kp r o t o c o l ，i st h ec e n t r a lc o n t r o ls y s t e mo ft h ep l a t f o r m t h ec o r e o f m es v s t e l l li si p c ，w h i c hc o n s i s t so fm v b n e t w o r kc a r da n d3 2 - c h a n n e li s o l a t e dd i 酉t a l i ob o 莉a 1 1 d16 6 h 锄e la n a l o ga c q u i s i t i o nc a r d t h ep ci su s e df o rs i m u l a t i n gt h e o p e r a t i o no fc c u ，s e n d i n go u tav a r i e t yo fs t a t u sc o m m a n d so ft h el o c o m o t i v e t h e 3 2 一c h a n n e li s o l a t e dd i 西t a li ob o a r di sm a i n l yu s e df o rm o n i t o r i n gt h es w i t c h a n d 锄a l o ga c q u i s i t i o nc a r di su s e df o ra c q u i s i t i o n so f t h ea n a l o gs i g n a l so ft h et e s tp l a t f o r m ， a n dp r o v i d e i n gt h ev i s u a ld a t af o rt h eo p e r a t i o na n dc o n t r o lo f t h ep l a t f o r m t h i sp a p e rm a k e st h et e s tc e n t r a l i z e da n dv i s u a l l y t h ei n t e r f a c e s o f t w a r ei s d e s i g n e db yv c + + l a n g u a g e a s t a n d a r dh a r d w a r ei n t e r f a c ei sp r o v i d e ds oa st om a k e t h em o d u l e sc o n n e c tt ot h ep l a t f o r me a s i l ya n dr e l i a b l y t h ep r o g r a mi s d i v i d e di n t o s e v e r a lb l o d 【ss ot 1 1 a ti tm a k e st h ed e b u g g i n go ft h el o c o t r o ls y s t e m ，f u t u r e m a i n t e n a n c ga n du p g r a d e sm o r ec o n v t m i e n t k e y w o r d s ：l o c o t r o l ；c c u ；t r a i nc o m m u n i c a t i o n ；v c + + ；t c n c l a s s n o ：u 2 6 4 北京交通大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学僦文储弛雾歹赴签字胁功9 7 年多月彩日 7 6 北京交通大学硕士学位论文 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 导师签名： 濒参 签字嗍刁年7 月1 日 ， 咬 荆揣 北京交通大学硕士学位论文 致谢 本论文的工作是在我的导师游小杰教授的悉心指导下完成的，游老师严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来游老 师对我的关心和指导。 郝瑞祥副教授悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，郝老师理论知识渊博，实践经验丰富，如果没有他的 指导，我不可能完成我的研究工作，在此向郝瑞祥老师表示衷心的谢意。 感谢北京交通大学电气工程学院电力电子所的全体老师，他们为研究所的全 体研究生提供了一个团结、严肃、和谐的研究环境和学术研究氛围。 在实验室工作及撰写论文期间，郭超勇、孙琳琳、李明娟和时智勇等同学对 我论文中的研究工作给予了热情帮助，郑惠超和万磊同学对我的论文排版给予热 情的帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢父母及亲友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学 蔓k 。 引言 1 引言 i 1大秦铁路h x d i 机车运行现状 大秦铁路西起大同枢纽的韩家岭站，东至秦皇岛地区的柳村南站，全长6 5 3 千米是山西陕西内蒙古西部煤炭外运的重要通道，是我国第一条重载单元双线 电气化运煤专线铁路。作为国家重要的能源战略动脉，原年设计能力为煤炭运量i 亿吨，自1 9 8 8 年开通运营以来，运量持续稳步增长2 0 0 2 年首次突破1 亿吨运 量大关，2 0 0 5 年完成2 亿吨，2 0 0 7 年完成3 亿吨，在刚尉过去的2 0 0 8 年，完成 了3 4 0 2 亿吨的运量，是大秦线原设计能力的3 4 0 2 倍。不仅大幅度提高了大秦线 的运输能力，有效缓解了晋煤外运紧张状况，为国民经济的飞速发展做出了重要 贡献，同时也标志着我国铁路重载运输技术达到了世界先进水平。 2 0 0 4 年底，中国铁路为提高大秦运煤专线的运能，促进铁路装备技术的现代 化，同株洲电力机车有限公司西门子联合体签订了1 8 0 台采用欧洲技术的8 轴大 功率交流传动电力机车，即 d l 型电力机车，如图t - 1 所示。 d 1 机车是在西 门子e l r r o s p i n t e r ( 欧洲短跑韵机车平台上，以1 8 9 机车作为原型车，结合d j i 机车在中国大秦线上的运用经验而研制的一款适用于中国干线铁路重在货运的新 型机车i “。 图1 - 1 d i 型电力机车 北京交通大学硕士学位论文 2 0 0 7 年6 月2 5 日，首批h x d l 型八轴机车在大秦线开行2 万吨牵引运营，到 2 0 0 7 年底，丈秦铁路累计投入9 8 台h x d l 型机车全力助推大秦铁路实现运力突 破。目前，运行在大秦铁路上的h x d 】型电力机车采用了二台h x d l 型机车开行2 1 0 0 0 0 吨重载组合列车的编组开行方式。这在仝世界是绝无仅有的，堪称中国重 载第一路。 1 2 h x 0 1 机车网络与控制系统概述 h x d l 机车采用2 b o - b o 轴式，即前后各一个两轴转向架电压制式为单相 2 5 k v 5 0 h z ，额定功率9 6 0 0 k w ，最大运营速度可达1 2 0 k m h ，可实现轴重的转换 ( 2 3 t 2 5 t ) 。每节机车有一套完整的电传动系统，系统有一台拥有一个原边绕组，4 个牵引绕组和2 个2 次谐振电抗器的主变压器，通过4 个四象限斩波器( 4 q c ) 向两 个独立的中间直流电压环节充电。电机采用架控驱动方式，即每节转向架上的2 台三相异步电动机作为一组负载，由连接在中间直流环节中的一个脉宽调制逆变 器供电；因为两路中问直流环节相互独立，所以整台机车牵引力有7 5 的冗余， 中间直流环节还连接有谐波吸收电路，过压保护电路和接地检测电路。机车采用 再生制动，再生制动时机车能量反馈回电网。四象限斩波器和脉宽调制逆变器全 部采用水冷1 g b t 模块1 2 】。 图1 2h x t , i 控制系统结构 r i g 1 - 2 h x d ic o q t r o l 目n k 自e h x d l 型8 轴大功率交流传动货运机车由两节在机械及电气方面基本相同的机 引言 车组成，每节车控制系统结构相同。机车控制分为列车级，车辆级和传动级3 级， 具有通讯，控制，故障诊断，动态冗余等功能。 h x d l 型电力机车采用s i b a s 3 2 控制系统和t c n 列车通讯网络，还另外安装 了l o c o t r o l 动力分布系统和c c b i i 制动系统【3 】。机车控制系统的结构如图1 2 所示。 s i b a s 3 2 是西门子铁路自动化控制系统，主要部件有中央控制单元，牵引控 制单元，i o 模块，司机显示器等。各部件设计为标准机箱结构或模块结构，机箱 采用s i e m e n se s 9 0 2 装配系统，具有电磁屏蔽及机械增强措施1 4 1 。 s i b a s3 2 系统采用集散控制模式，由c c u ( c e n t r a lc o n t r o lu n i t 中央控制单 元) 、t c u ( t r a c t i o nc o n t r o lu n i t 牵引控制系统) 、b c u ( b r a k ec o n t r o lu n i tc c b h 制 动控制单元c c b i d 和s k s l a 、s k s l b 、s k s 3 ( s i b a s k l i p s t a t i o ns i b a s k l i p 终 端) 等设备组成。 机车安装有两个中央控制单元，分别工作为主，从模式，互为热备份。c c u 由t c n 网关，m v b 网关，处理器单元，电源适配器和电源模块等组成独立机箱， 机箱下部安装有散热风扇。 中央控制单元主要完成以下功能：实现列车的控制；控制受电弓，主断，牵 引系统及电制动；管理列车通信网t c n ，设置命令及给定值；集中诊断及故障事 件；管理司机显示器，收集相关维护信息：实现主断自检，辅助电路自检及库内 动车功能。 每节车有两个t c u ( 牵引控制单元) ，每个t c u 控制1 个转向架的电力牵引及 制动功能，t c u 安装在主变流柜内部。正常情况下，t c u l 作为主t c u ，只有在 t c u i 发生故障的时候，t c u 2 才成为主t c u ，两个t c u 的反馈信号都要送到c c u 。 机车发生故障的时候，可以根据故障情况切除一个转向架或一节车，降功率运行。 牵引控制单元t c u 的功能是控制和调节机车牵引、再生制动，从电气上实现 防空转滑行保护。每一个t c u 控制一个转向架的电牵引和制动，系统优先选择 t c u l 执行主功能，c c u 只将命令发送给主t c u ，但两个t c u 均将信息反馈给 c c u 。 s k s i a 、s k s l b 和s k s 3 三个智能终端接口单元为智能外围连接的终端，采 集所有来自硬件( 接触器、开关等) 的必要输入和输出信号，均采用紧凑式i o 接 口设计。其中s k s l a 和s k s l b 安装在操纵台，用来检测操纵台的二进制输入信 号( 例如升弓、合主断路器、无人警惕装置等) ；s k s 3 为司机室专用，检测来自司 机控制器的格雷编码输入信号( 牵引制动设定点或速度设定点) 【5 1 。 列车通信网络t c n 包括列车总线( w t b ) 和多功能车辆总线( m v b ) 两部分，采 用冗余设计，一路发生故障，数据可以在另一路传输。w t b 负责机车a 、b 两端 3 北京交通大学硕士学位论文 间的外部通讯，m v b 负责单端机车内部的通信。 m v b 把所有的s i b a s 系统、分散动力设备( l o c o t r o l ) 和制动单元；( c c b i i ) 连接在一起，l o n 网络连接控制单元和制动系统显示屏。整个机车m v b 控制系 统的整体框图如图1 3 所示。 图l 一3m v b 部件和接线原理图 f i g i - 3 m v b c o m p o n e n t sa n dw i r i n gs c h e m a t i c s h x d l 型电力机车装备有空气制动和电制动系统。空气制动系统包括自动控 制、独立控制和停车控制三种方式。电制动是机车制动的主要方式，电制动时， 单节机车的四个电机作为发电机，将机车的动能转换为电能反馈回电网。 其中，空气制动系统是一个基于l o n 网络的控制系统，即c c b i i 系统，对制 动机车的控制主要由e p c u 的5 个l r u 完成。c c b i i 制动系统的结构如图1 4 所 示。与d j l 机车上的d k - 1 制动系统不同，c c b i i 制动系统增加了e p c u 的控制， e p c u 通过压力和流量传感器检测b c 、b p 、m r 和e r 的压力，并根据大闸、小 闸的指令，来控制阀门的开度，实现对机车的制动。 、 、 e p c u e b v 、 电空控制单元 m l p mj l i 、 7 l l c d m ， 空气平衡管 l 气缸l m 一7 机军控制刚蹯j 、， 制动 l一。l! 系统 信动管 l 。一l 图1 4c c b i i 控制系统原理图 f i g 1 4 t h es y s t e mb l o c kd i a g r a mo fc c b i i 4 引言 1 3l o c o t r o l 系统概述 l o c o t r o l 系统可以说是当今世界最先进的动力分布式系统之一，主要应用 于单一线路重载铁路运输领域，能显著提高铁路运输能力并有效优化运营加长加 大型火车。其灵活的安装方式，简单的维护要求，可靠的性能及低廉的成本，使 之被广泛应用于全球各地，在北美、南非、澳大利亚等地都有应用，在中国主要 应用在大秦铁路的运煤重载列车上1 6 】。 目前在大秦铁路上运行的h x d l 型重载列车由2 台h x d l 型机车共同牵引，l 台主控机车，1 台从控机车。按现行2 万吨组合列车开行模式，每两台机车分布在 列车中共同牵引一列列车。该系统对分布在一列组合列车中的两台机车，利用机 车自身安装的8 0 0 m h z 电台或通过g s m r 通讯网络，以主控或被控的方式完成对 列车的制动或牵引，实现两台机车由一名司机同步控制，使两台机车同时启动、 加速、减速、制动停止，消除了操纵的不一致，减小或者防止车厢之间的挤压或 者拉钩，不仅使列车运行更为安全，同时也大大提高了大秦线运输能力。 l o c o t r o l 系统对如同大同线的复杂线路情况的适应性在试验项目中已经得到 验证，且说明l o c o t r o l 技术有能力应用于国内其它线路以提高运力。 l o c o t r o l 允许在各从控机车间挂接5 0 辆( c 8 0 ) 车辆以组成2 万吨列车，这样的 长大列车具备与传统5 千吨列车同等的车钩受力和空气制动性能。开行2 万吨 l o c o t r o l 组合列车替代传统的万吨列车将提高大秦线运力。 l o c o t r o l 有两种工作模式：同步模式和独立模式。在大秦铁路中运行的 h x d l 型重载重联列车主要采用同步模式，同步模式适用于多个机车牵引一列列车 的情况，大秦线的运煤列车引入l o c o t r o l 以后，每个牵引机车上都将安装 l o c o t r o l ，通过l o c o t r o l 来控制牵引机车的运行，此时l o c o t r o l 就将 采用同步工作模式。 在这种模式下，主控机车l o c o t r o l 由机车司机操作，而从控机车 l o c o t r o l 处于无人控制的状态。从控机车l o c o t r o l 由主控机车l o c o t r o l 来进行远程控制，控制指令的发送接收通过l o c o t r o l 中的8 0 0 m h z 电台或通 过g s m r 通讯网络实现。 例如：当主控机车上的司机操作l o c o t r o l 起动主控机车时，主控机车 l o c o t r o l 立刻发送起动指令给后面的从控机车l o c o t r o l ，主控机车 l o c o t r o l 延迟t 时问后起动主控机车。当从控机车收到起动指令以后，立刻控 制机车起动。通过统计控制指令的传输时延，来确定主控机车l o c o t r o l 延迟的 时间t 。这样统一编组的两个机车就可以近乎同时起动，从而达到了机车同步操作 控制。 5 北京交通人学硕士学位论文 1 4课题背景及研究价值 自2 0 0 4 年湖东电力机务段在s s 4 g 机车上安装l o c o t r o l 以来，l o c o t r o l 系统以其优良的控制性能、精确的控制精度、完备的后备措施、安全的数据传输 模式，逐步在担任两万吨重载任务的s s 4 g 机车上得到了应用。同时，由于 l o c o t r o l 的性能特点，在h x d l 电力机车引进之初，l o c o t r o l 就得到了很 好的应用，为保证大秦线运量目标的完成和机车的安全问题做出了突出的贡献。 l o c o t r o l 技术是美国g e 公司的技术和产品，整套设备已经超过保修期， 检测、维护费用较高。目前，湖东机务段还没有h x d l 型电力机车地面式操作培训 平台，司机岗前培训必须上车，不仅增加了培训成本，也增大了大秦铁路线调度 的困难，影响运输效率。本论文旨在建设一个自主开发的测试平台，提供简单易 行的维护和测试方案，降低系统日常维护费用，并为进一步开发替代产品提供必 要的技术储备；同时，也可以模拟h x d l 型电力机车正常运行状态，提供一套在地 面可以进行操作培训的平台。 从h x d l 电力机车引进至今，l o c o t r o l 系统暴露出了诸如主从控通讯丢失、 不明原因惩罚制动、紧急制动、g 网故障等诸多问题，给l o c o t r o l 系统的维护、 操作和测试带来诸多问题。 为了解决上述问题，以更好的处理l o c o t r o l 系统相关问题，我们从现场机 车工作条件出发，检测各模块主要功能、通讯方式，对机车与l o c o t r o l 接口信 号进行测量，分析c c u 与l o c o t r o l 系统的m v b 网络通讯数据，以测试m v b 端口数据为突破口，研制h x d l 机车l o c o t r o l 系统操作和测试装置。 本测试和操作装置旨在解决机车司机l o c o t r o l 培训、模块初步测试、避免 操作l o c o t r o l 必须上车等问题。与此同时，通过本装置的整个研发过程，可以 更加透彻的了解机车同步控制系统，有利于机务段维修、检修和调度工作的开展。 1 5 本文的主要内容 h x d l 机车l o c o t r o l 系统操作及测试系统由北京交通大学电力电子研 究所和太原铁路局湖东机务段共同研制。 该系统研制主要包括硬件平台的设计和基于m v b 协议的模拟c c u 系统的研 制。本论文主要内容概括如下： 1 ) 详细论述研制l o c o t r o l 系统操作及测试平台所涉及的关键技术，包括 s i b a s 3 2 控制系统及c c u ( c e n t r a lc o n t r o lu n i t 中央控制单元) 控制原理， 6 引言 l o c o t r o l 系统原理及构成，c c b i i 制动系统和列车通信网络。 2 ) 根据l o c o t r o l 系统原理设计h x d l 机车l o c o t r o l 系统操作及测试平 台。其中，l o c o t r o l 实验台设计包括电源系统设计，l o c o t r o l 系统连接方 案以及基于m v b 协议的模拟c c u 系统的设计。 3 ) 完成m v b 通信协议测试软件的设计。其功能包括：通过m v b 网卡，建立 网络通信连接；同时显示主控，从控状态，指令及命令反馈；初步实现对c c u 的 模拟；通信数据校验，即循环冗余校验功能实现。 4 ) 设计h x d l 机车l o c o t r o l 系统操作及测试平台软件，完成模拟c c u 的 设计。 5 ) 通过测试台给定实际机车信号的模拟信号，实验验证h x d l 机车2 万吨l + 1 编组模式，以及l o c o t r o l 系统分布式动力控制功能和c c b i i 空气制动控制 功能等。 7 北京交通大学硕士学位论文 2h x d l 机车l o c o t r o l 系统操作及测试平台关键技术研究 h x d l 型电力机车在采用s i b a s 3 2 控制系统和t c n 列车通讯网络的同时，还 安装了l o c o t r o l 动力分布系统和c c b i i 制动系统。其中，s i b a s 3 2 控制系统 包含了牵引控制单元。 h x d l 机车l o c o t r o l 系统操作及测试平台不仅涉及到对l o c o t r o l 系统 的操作与控制，同时涉及与s i b a s 3 2 控制系统中c c u 的协作，以及对c c b i i 控 制系统的操作。本章内容将对h x d l 机车l o c o t r o l 系统操作及测试平台关键技 术，包括s i b a s 3 2 控制系统及c c u 控制原理，l o c o t r o l 系统原理及构成，c c b i i 制动系统以及列车通信网络及m v b 通信协议等内容进行阐述。 2 1s i b a s 3 2 控制系统及c c u 控制原理概述 s i b a s 3 2 是西门子铁路自动化控制系统，s i b a s3 2 系统采用集散控制模式， 由c c u ( c e n t r a lc o n t r o lu n i t 中央控制单元) 、t c u ( t r a c t i o nc o n t r o lu n i t 牵引控制 系统) 、b c u ( b r a k ec o n t r o lu n i tc c b i i 制动控制单元c c b i i ) 和s k s l a 、s k s i b 、 s k s 3 ( s l b a s k l i p s t a t i o ns i b a s k l i p 终端) 等设备组成。各部件设计为标准机箱 结构或模块结构，机箱采用s i e m e n se s 9 0 2 装配系统，具有电磁屏蔽及机械增强措 施。 s i b a s3 2 系统有如下特点 - q ： 1 ) j l 匝过人机界面实时显示机车运行状态和故障信息，司机可以及时处理本务机 车或重联机车的故障，在不造成故障扩大的情况下维持机车运行； 2 ) 机车试验或运行中对故障进行记录及报告，维修人员可以利用便携式计算机 与r s 2 3 2 接口相接，通过软件对系统进行检测； 3 1 ) 长期积累机车故障信息，不断分类汇总处理方法，可以缩短维修停时，提高 检修能力； 4 ) 维修人员通过软件进行诊断分析，适时确定机车修程。 h x d l 型电力机车的c c u 是s i b a s 3 2 系统的控制核心，其采用t y p e 3 型、3 2 位微处理器，由网关g a t e w a y 、中央处理器c p u 、m v b 3 2 - 4 、电源及散热系统组 成如图2 一l 所示，最多可以实现四台机车的重联。c c u 通过s k s l 和s k s 2 分别 对机车上的设备进行控制，并得到控制的反馈以对设备进行监视，同时采集机车 上的信号。s k s 3 实现对机车继电器、断路器等设备的控制，并检测控制的反馈， 8 h x d l 机车l o c o t r o l 系统操作及测试平台关键技术研究 对操作台上牵引制动力矩表的控制。 m v b3 2 模块将c c u 连接到m v b 总线上，并且将c c u 设置为m v b 主设备， 控制m v b 总线数据传输：t c n6 u 网关将列车总线链接功能集成在c c u 中，实 现m v b 数据与w t b 数据转换；烧结电压模块确保多节车辆列车联挂时数据总线 连接元件之间接触的可靠性； 图2 1c c u 标准插件排列 f i g 2 1 s t a n d a r df l a s h b o a r da r r a n g eo fc c u c c u 的主要功能为本节机车事件记录、重联机车事件的显示、整车通讯检测、 通过r s 2 3 2 接口读或转储数据等。具体功能如下： 以自诊断方式监控设备； 通过m v b a v t b 总线读取输入输出过程数据； 选择主从运行模式； 监控运行状态； 控制变流柜外主电路的控制设备； 控制牵引制动； 控制辅助电路和车载网络； 监控控制撒砂系统、轮缘润滑等辅助负载； 通过司机室钥匙完成司机室转换。 c c u 采用冗余设计，每节车有2 个c c u ，一个为主，一个为从，主控c c u 完成本节机车的所有控制功能，从控c c u 处于备用状态，结构功能完全相同，一 个故障后另一个可以继续工作，不影响机车正常运行。两个c c u 进行周期性主从 转换，以确保该节机车控制的可靠性。当机车重联运行时，主控机车的主c c u 是 整列重联机车的主控c c u ，从控机车的主控c c u 是重联机车的从控c c u 。重联 9 北京交通大学硕士学住论文 机车的主控c c u 通过w t b 传输控制命令以及控制值到从控c c u ，从控c c u 通 过m v b 传输控制命令咀及控制值到其下层系统。 中央控制单元主要完成以下功能：实现列车的控制：控制受电弓。铸锻，牵 引系统及电制动；管理列车通信网t c n 设_ 霹命令及给定值：集中诊断及故障事 件：管理司机显示器，收集相关维护信息：实现主断自检，辅助电路自检及库内 动车功能。 2 2l o c o t r o l 系统原理及构成 l o c o t r o l 系统是一个全面集成的分布式动力控制系统的解决方案能对列 车上分布的1 台主控机车垧l 最多3 台从控机车进行全面控制。l o c o t r o l 分布式 动力控制系统通过主控机车控制列内地机车以同步或独立的方式运行。主控机 车上感应到的命令信号通过无线传输给从控机车。借助l o c o t r o l 系统，可以优 化动力分配和整个列车的制动控制使机车的牵引和制动更迅速，更平稳，从而 实现更安全，有效的列车操作。l o c o t r o l 原理如图2 2 所示。 f 侮受自 c = = ：，_ 之= 0 = = = t = = ：，= = = = j 田2 - 2l o c o t r o l 原理图 h 2 - 2s a * m a f i c d i a g r a m o f l o c o t r o l l o c o t r o l 系统特点如下删： 提高列车整体牵引力( 牵引更长，更重的列车) 优化动力分布和制动效果 提高牵引效率，减少车辆阻力 h x d l 机车l o c o t r o l 系统操作及测试平台关键技术研究 减少车轮和轨道的磨损 将低车辆间作用力，减少车钩受力 加速制动缓解 减少断钩事件发生( 9 0 ) 减少制动时间( 2 2 ) 和制动距离( 3 3 ) 减少列车管的充风时间( 6 0 ) 节约能耗( 5 1 5 ) 优化周转周期( 平均缩短1 2 ) 改善低速操作 更快地进行加速和减速 减少人员需求( 只需要主控司机操作) 改善设备利用 l o c o t r o l 分布式动力系统支持操作人员通过l o c o t r o l 显示设备将a 端 或者b 端机车设为l o c o t r o l 主控机车或从控机车。l o c o t r o l 分布式动力系 统也可以使操作人员对整个列车的各个机车实现同步控制，从控机车遵从主控机 车l o c o t r o l 系统的命令，这样主控机车和从控机车的牵引和电制动级位将保持 同步，实现整部列车的同步操控。这些特点，与分布式的制动和充风能力一起， 使得操作人员对机车保持更好的控制，从而获得更好的机车操纵、更短的充风时 间、更短的制动距离以及更小的列车间作用力。 l o c o t r o l 系统通过m v b 总线与h x d l 型机车接口连接，监视主控机车控 制器的受电弓位置、主断路器位置、主控机车方向、牵引和电制动器的信息，并 把信息传给主控机车的l o c o t r o l 系统，然后，把控制数据进行编码，传给从控 机车。从控机车的l o c o t r o l 系统对这些信号进行解码，并通过串行通道把控制 数据转发给机车计算机。通过串行通道，还可以不断监视从控机车的控制功能， 并把监视数据传回从控机车的l o c o t r o l 系统；从控机车的l o c o t r o l 系统对 状态数据进行编码，并传回主控机车的l o c o t r o l 系统。从控机车的l o c o t r o l 系统对状态数据进行编码，并传回主控机车的l o c o t r o l 系统。然后，主控机车 的l o c o t r o l 系统把信息传送给l o c o t r o l 显示器，使操作员始终掌握从控机 车的工作状态【9 】。 f i x d l 型电力机车的l o c o t r o l 设备的基本架构和主要组成在中图2 3 示 出，包括安装在h x d l 型机车的a 端和b 端上的相同的l o c o t r o l 分布式动力 设备，而c p m 模块仅安装在a 端上，机车两端之间通过w t b 总线连接，两台机 车之间通过电台进行通信。 北京交通大学硕士学位论文 图2 3h x d l 的l o c o t r o l 设备的基本架构 f i g 2 3t h eb a s i cs y s t e ma r c h i t e c t u r eo fl o c o t r o l 图2 4l o c o t r o l 系统框图 f i g 2 _ 4 t h eb l o c kd i a g r a mo fl o c o t r o l h x d l 型机车l o c o t r o l 系统结构如图2 3 所示。该系统主要包括以下9 个子模块【1 0 1 ： 集成m v b 处理器模块m i p m ( m v bi n t e g r a t e dp r o c e s s o rm o d u l e ) ； 司机室显示模块l c d m ( l o c o m o t i v ec a bd i s p l a ym o d u l e ) ； g s m r 车载通信模块单元o c u ( g s m ro n b o a r dc o m m u n i c a t i o nu n i t ) ： 通信处理模块c p m ( c o m m u n i c a t i o np r o c e s s o rm o d u l e ) ： 继电器接口模块r i m ( r e l a yi n t e r f a c em o d u l e ) ； 1 2 h x d l 机车l o c o t r o l 系统操作及测试平台关键技术研究 电子制动阀e b v ( e l e c t r o n i cb r a k ev a l v e ) ； c c bi i ( 包括电空制动) 控制单元e p c u ( e l e c t r o p n e u m a t i cc o n t r o lu n i t ) ； 无线数字传输电台设备r d t e ( r a d i od a t at r a n s m i s s i o ne q u i p m e n t ) ； 电源分布模块p d m ( p o w e rd i s t r i b u t i o nm o d u l e ) 。 h x d l 型机车l o c o t r o l 系统框图及连接方式如图2 4 所示。各模块之间通 过串行通信、l o n 网络或m v b 总线相互连接，其中m 口m 模块是整个系统的核 心，它通过m v b 总线与c c u 相连，构成整车通信网络。 2 2 1电源分布模块 电源分布模块是l o c o t r o l 控制系统的电源模块包括一个直流直流变换器， 将机车的11 0 v d c 电源变换成m m 模块需要的6 6 v d c 电源。 p d m 模块只有两个接口，j 2 从机车上引从1 1 0 v 直流电压，经分布式动力断 路- 器( d p c b ) 连接，儿与m i p m 模块的j 5 接口直接相连，为m i p m 模块提供6 6 v 的直流电压。 2 2 2继电器接口模块 继电器接口模块( r i m ) 处理空气制动系统和l o c o t r o l 系统的输入和输出信 号，用于本机车的联锁以及与制动系统e p c u 模块和e b v 模块间的通信。输入信 号包括来自安全防护装置和电气信号监控装置的惩罚和紧急制动指令。输出信号 包括用于惩罚或紧急制动时的e a b ( e l e c t i o n i ca i rb r a k e 电子空气制动) 动力切除、 电制动的制动缸压力解除以及紧急撒砂。r i m 模块内包括用于输出机车控制电路 信号的继电器，在惩罚、紧急或者从控降级模式时产生卸载信号的电源连锁继电 器和启动l o c o t r o l 后备的紧急电磁阀继电器。继电器模块还包括一个l o n 接 口，发送和接收与e p c u 和e b v 之间的命令和状态。 r i m 模块共有四个航空插头与其他模块和执行装置连接，其中j 1 、j 2 两个接 口与m i p m 模块相连，j 3 接口与e p c u 模块相连，j 4 接口与动作执行机构相连。 j 1 接口主要是m i p m 模块l o n 网络输出信号的接口电路，l o n 网络信号不参与 r i m 模块的工作，r i m 模块只是在m i p m 模块和e p c u 模块之间起到连接作用， 相当于一个中继器。j 2 接口用来实现空气制动功能输入输出信号连接，十二对信 号线可以分为输入和输出两部分，其中四对输入信号来自m i p m ，接入r i m 模块 1 3 北京交通人学硕士学位论文 中继电器的线圈端，包括7 4 v 直流电压输入、电源联锁信号、真空断路器控制信 号、e m v 信号、紧急制动信号和c c b i i 执行失败信号，是整个系统电子制动系统 的控制信号。另外八对十六条输出信号线作为信息反馈返回m i p m 模块，与j l 接 口中的l o n 网络信号相似，这些信号是从机车上执行机构直接反馈的工作状态， 并不参与r i m 模块的工作。j 3 接口与e p c u 电空控制模块相连，其引线是由m i p m 模块传输过来的l o n 网络通信信号，用于机车的常规的制动控制。j 4 接口上也有 二十四条信号线，其中的七对信号线与r i m 模块内各继电器的常开、常闭触点相 连，包括电制动使能继电器、电源连锁继电器、电源控制继电器、紧急制动继电 器和c c b i i 故障继电器的常开、常闭触点，与机车上执行机构直接相连，以及直 流1 1 0 v 电压输出，用于机车上其它装置的正常工作，其余的十条信号线都直接来 自于机车信号，通过r i m 模块传送给m i p m 模块。 r i m 模块的主要功能有两个：l 、为m p m 和e p c u 模块提供连线接口以及和 机车上执行机构提供连接接口；2 、接收来自m i p m 的控制信号，并且经继电器的 吸合或者断开来控制执行机构的动作。 2 2 3通信处理模块 l o c o t r o l 动力分布式系统通过连通列车头部主控机车和其他机车的无线 连接，向列车操作人员提供同步控制和监测从控机车的功能。通过操作人员手动 选择或者通信处理模块c p m 自动选择，系统可以使用g s m r 无线网络或者无线 电台来传输信号控制从控机车。 通信处理模块( c p m ) 为每台机车上的l o c o t r o l 分布动力系统的设备和通信 媒体之间提供了车载接口，装备了l o c o t r o l 分布式动力系统c p m 模块的机车 可以用作主控机车或从控机车，但是只有机车的a 端才配置c p m 模块。当列车设 置为l o c o t r o l 工作模式时，c p m 模块判断m i p m 模块的选用，并与之建立通 信链路。在l o c