型电力机车网络控制系统

HXD1C型电力机车的车载网络控制系统（TCMS）采用株洲南车时代电气股份有限公司研制的DTECS模块式网络控制平台。机车通信采用符合IEC 61375标准的TCN网络，由WTB列车总线、MVB车辆总线两级构成，部分调试端口采用工业以太网总线。

一、HXD1C型机车网络控制系统结构

1.DTECS网络控制平台

DTECS网络控制平台的硬件模块分为控制模块和IO模块。其中控制模块包括：车辆控制模块VCM、故障记录模块ERM、网关模块 GWM；IO 模块包括：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。

1）车辆控制模块VCM

VCM主要完成网络的逻辑控制和网络协议的转换，主要功能如下：

（1）过程控制：执行诸如牵引/制动控制、空电联合控制、超速保护和顺序启动等一系列控制功能。

（2）总线管理：具有多功能车辆总线MVB的管理能力，并且能够进行主权转移以实现热备冗余。

（3）显示控制：与智能显示单元IDU有关的数据传输。

（4）数据通信：与TOMS系统的其他设备及非TOMS的智能设备的数据交换。

（5）故障对策：两个VCM以热备方式工作，一个为主控制环节（主控机），一个为备用控制环节（辅控机）。当主控机发生故障时，系统将自动切换到辅控机上，切换完成后应恢复机车原来工作状态，不能损失功能和动力。

VCM、ERM、GWM模块的内部电路框图及对外电气接口基本相同，电路框图如图6.7所示。

图6.7　VCM、ERM、GWM模块的电路框图

2）故障记录模块ERM

ERM是完成故障诊断、数据记录与转储的核心模块，主要功能如下：

（1）故障诊断：完成车载的故障诊断，并通过司机显示屏IDU报告给司机。

（2）数据记录：司机操作数据、故障数据、事件数据的记录，将VCM的故障数据具体化。

（3）数据转储：通过车载的工业以太网将记录的数据下载，供便携式维护工具分析。

3）WTB/MVB网关模块GWM

GWM主要提供列车总线WTB和车辆总线MVB（ESD+）的网关通道，是实现机车重联运行的核心模块，主要功能如下：

（1）列车级过程控制：执行诸如牵引/制动控制等一系列与机车重联运行有关的控制功能。

（2）列车总线管理：具有绞线式列车总线WTB的管理能力。

（3）列车级数据通信：与TOMS系统的VCM进行与机车重联运行有关的数据交换。

4）数字量输入输出模块DXM

DXM 模块实现现场开关数字量状态信号的采集处理和网络控制指令的输出，并通过MVB总线与MVB设备互连。

DXM模块具有16路DC 110V数字量输入通道、8路数字量输出通道，输出通道的电压等级由外接电源决定，通常为DC110V、DC 24V或者DC12V。

5）数字量输入模块DIM

DIM模块实现现场开关数字量状态信号的采集处理，并通过MVB车辆总线与MVB设备互连。DIM模块具有32路DC 110V数字量输入通道。

6）模拟量输入输出模块AXM

AXM模块实现模拟量的采集和模拟量的输出，通过MVB总线与MVB设备互联。在HXD1C型机车上，AXM主要用于采集司机控制器的手柄级位信号。

AXM有6个输入通道，4个输出通道，信号范围是DC0～10V，DC 0～20 mA，精度是 1%。

2.网络控制系统结构

机车网络控制系统由1个中央控制单元CCU，2个司机室数据输入输出单元CIO，2个智能显示单元IDU，1个机械室数据输入输出单元MIO等功能单元组成，通过MVB总线与传动控制单元TCU、辅助变流器控制单元ACU、制动控制单元BCU等进行通信。系统的网络拓扑结构如图6.8所示。

1）中央控制单元CCU

CCU安装在机械室的低压电器柜内，它是机车网络控制系统TCMS的核心，由VCM、GWM和ERM构成，其中VCM模块有两个。各个模块之间通过MVB车辆总线连接，CCU具备如下功能：

（1）车辆级过程控制：执行如牵引/制动控制、空电联合控制、超速保护等控制功能。

（2）通信管理：具有MVB的管理能力，并且能够进行主权转移功能。

（3）显示控制：与微机显示屏IDU显示有关的数据传输。

（4）故障诊断：状态数据、故障数据的采集处理，并通过IDU报告司机。

图6.8　HXD1C机车控制系统拓扑图

（5）列车级过程控制：执行诸如牵引/制动控制等与机车重联运行有关的控制功能。

（6）列车总线管理：具有绞线式列车总线WTB的管理能力。

（7）列车级数据通信：与车辆控制模块VCM进行与机车重联运行有关的数据交换。

（8）数据记录：事件数据的记录，将车辆控制模块VCM的事件数据具体化。

（9）数据转储：通过转储接口将记录的数据下载，供便携式维护工具分析。

2）司机室数据输入输出单元CIO

CIO安装在每个司机室的操纵台右柜内，每个CIO单元由1个DXM、1个DIM和1个AXM组成，主要用于读取司机的操纵指令（例如司机控制器、扳键开关等），同时还可输出控制信号用于自动换端指示、无人警惕装置声音报警等。

3）机械室数据输入输出单元MIO

MIO安装在机械室的低压电器柜中，由6个DXM和1个DIM组成，它主要是通过MVB车辆总线实现机械间的电气设备与CCU的通信连接。

MIO的主要功能是：负责采集机车部件的状态信息（受电弓、主断路器、电磁阀、接触器和自动开关等）和输出控制逻辑指令，例如断合接触器、电磁阀等控制部件。

4）智能显示单元IDU

每台机车装有2个IDU，分别安装于每端司机室。IDU是网络控制的人机界面设备，通过MVB与其他设备通信，IDU的主要功能如下：

（1）列车信息显示：向车辆驾驶人员和维护人员提供车辆综合信息、各设备的工作状态、故障信息的综合与处理等功能。

（2）参数设定：对轮径值、列车重量、站点、时间日期等参数进行设定。

（3）模拟测试：在静止情况下，对辅助变流器系统的相关部件进行模拟测试。

（4）数据转储：通过以太网接口，将故障信息转储地面进行统计分析。

5）传动控制单元TCU

每台HXD1C型机车装有2个牵引变流器柜，每个牵引变流器柜内安装 1个 TCU，每个TCU 负责 1个转向架的传动控制。

TCU的主要功能是完成对机车的牵引/制动特性控制、逻辑控制、故障保护，实现对四象限整流器和牵引逆变器及交流异步牵引电机的实时控制、黏着利用控制。

6）辅助变流器控制单元ACU

每台HXD1C型机车装有2个辅助变流器柜，每个辅助变流器柜内安装 1个ACU。ACU通过接收外部控制信号，实现辅助变流器正常启动、停机、故障保护，实现对输入网压的四象限整流、逆变，确保辅助变流器输出稳定。

7）制动控制单元BCU

BCU装在制动柜内，负责对空气制动系统进行控制。BCU到CCU的接口设计为MVB，用来接收和发送到CCU的信号，其他的制动信号由CCU通过MIO进行控制。

二、网络控制系统功能

HXD1C型机车采用TCN列车通信网络，由绞线式列车总线WTB和多功能车辆总线MVB组成。

1.主要控制功能

机车网络控制系统可实现列车控制级、机车控制级、部件控制级的功能，主要包括网侧高压部件控制、牵引/电制动控制、空电联合控制、重联运行控制、辅助电路冗余控制、自动过分相控制、无人警惕控制等。

1）网侧高压部件控制

网侧高压部件控制包括受电弓控制、辅助压缩机控制、真空断路器控制、主变压器保护等。

2）牵引/电制动控制

主司机控制器的手柄级位与机车的牵引/制动特性曲线相对应。当机车处于牵引工况时，系统根据司机控制器级位设定速度；机车处于制动工况时，系统根据司机控制器级位设定制动力相对制动黏着限制线的百分比。CCU根据牵引/制动特性曲线给定的目标牵引/制动力、机车实际速度、实际输出的牵引/制动力，并考虑机车的黏着保护控制及轴重转移等情况，结合重联控制方法进行牵引/制动力的动态分配，实现牵引/制动特性控制。

网络控制系统还支持“定速控制”模式，可以通过内部数学算法自动将机车牵引/制动状态调整到实际运行所需要的牵引/电制动力，以达到或保持实际运行在允许速度整定值误差范围内，实现机车的定速控制功能。

3）空电联合控制

HXD1C型机车装备有电制动系统和空气制动系统。调速时，一般使用电制动系统。紧急制动和进站停车时，一般使用空气制动系统，空气制动系统包括：自动制动、独立制动和停车制动。

自动制动（间接制动）是机车网络控制系统通过电子制动阀（EBV）进行列车制动操作，通过制动管（BP）排风来实现对整列车的制动。在自动制动期间，机车自身可使用电制动系统进行再生制动，而车辆仍然是空气制动。机车自动制动直到来自BCU的电制动设定值有效才缓解。

独立制动是基于位置控制空气制动。当独立制动手柄放置到制动区（本务/切除模式BCU），CCBⅡ系统直接对手柄位置做出反应，来控制用于在本务和重联机车施加制动的制动缸平均管压力（BCEP） 。CCBII系统将对制动缸平均管压力做出反应来控制本机制动缸预控压力。

停放制动是通过弹簧蓄能装置来实现的。每个司机室有两个控制按钮，一个施加停放制动，另一个缓解停放制动。

4）重联运行控制

网络控制系统支持重联牵引模式下完成最多3台机车的重联牵引。实现重联牵引，需连接机车重联电缆后，启动所有机车的蓄电池和微机系统。然后在本务机车的司机室进行操作，机车组配置自动进行。操纵端机车的CCU通过列车总线WTB，向附挂机车传输重联牵引所必须的整定值和控制命令。

5）辅助电路冗余控制

辅助电路负载分为VVVF负载和CVCF负载，分别由两组辅助变流器供电。当一组辅助变流器发生故障时，控制系统通过控制相关接触器实现隔离故障、重组辅助系统负载，使机车维持运行，提高系统的可靠性。在冗余状态，全部辅助负载都工作在恒频恒压状态。

6）自动过分相控制

机车具有自动通过分相区的功能：当机车通过分相区时，系统根据当时机车的速度、位置，自动平滑卸载和分断主断路器。通过分相区后，自动闭合主断路器、控制牵引电流平滑上升，从而实现机车通过分相区时操作的自动化，以减轻乘务员的工作强度。在自动过分相装置故障时，可采用手动或半自动方式通过分相区。

7）无人警惕控制

当机车速度≥3km/h 并且司机控制器的方向手柄不在零位时，启动无人警惕控制功能。间隔 60 s，无人警惕控制装置开始启动声音报警，并且在微机状态显示屏显示提示信息，如果10 s后无操作，无人警惕装置实施常用最大减压量制动。

8）其他控制功能

HXD1C型机车还具有紧急运行、自动换端、微机复位、库内动车、辅机测试等功能。

2.机车故障诊断、显示及保护功能

机车网络控制系统能够对机车重要功能部件进行故障诊断及触发相应保护功能，诊断信息经系统评估后，按严重程度划分为A级、B级、C级并在司机台的IDU显示。车载诊断系统是机车网络控制系统的重要组成部分，可分为列车级、车辆级及部件级故障诊断。故障诊断建立故障日志，自动存储带有时间、公里数和相关运行数据的故障信息。故障诊断信息可以通过以太网接口，从诊断系统记忆存储器中读出相关信息，方便机车检修人员对机车发生的故障进行深入分析。