中车大连电力牵引研发中心有限公司辽宁大连
摘要：简单介绍了30吨轴重电力机车网络网络控制系统的结构、主要部件及主要功能。
关键词：重载机车；网络控制系统；TCN
1引言
30吨轴重货运电力机车是以中南通道等重载线路进行重载货运牵引为目的进行设计研发的交流传动机车，是国内第一批严格意义上的重载机车。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。
2机车网络控制系统结构
30吨轴重电力机车的网络控制系统采用NECT方案，是一种基于IEC61375-1国际标准的TCN网络控制系统。具体拓扑结构如下图所示。
图1网络控制系统拓扑
2.1通信网络
TCN总线基于IEC61375-1国际标准，由绞线式列车总线（WTB）和多功能车辆总线（MVB）二级总线构成。TCN总线是实现轨道交通车辆数据高实时传输功能的现场总线，是为轨道交通装备量身定做的车载网络，广泛应用于轨道交通装备的车载控制系统中，具有大量成熟的应用案例。相对于CAN、Profibus等工业现场总线，MVB总线具有统一的国际标准。
WTB是为互联车辆设计的串行数据通信列车总线，传输介质为屏蔽双绞线，发送周期是25ms，传输速率达到1Mb/s，最多可互联32个节点，长度最长至860m。WTB由单一总线主控制，当列车组发生改变或节点出现故障，WTB自动重新组态，给各节点指定地址和取向、分发新的拓扑。
MVB总线连接每节车内部所有的网络设备，传输介质采用专用的四芯屏蔽线，最快的传送周期1ms，传输速率达1.5Mb/s，在无中继器情况下，MVB最大传输距离为200米，特别适用于长大编组的铁路列车的控制需要。
除此之外，机车装有ECP（电空制动系统），长编组的两端机车的网络控制系统可通过ECP间的Lonworks网络进行重联。主控机车将本车的牵引/制动、方向等机车控制信号传送到其他从控机车，完成多台机车间的同步运行，减少同一编组车辆因机车牵引制动力发挥不一致产生的碰撞。
2.2主要构件
30吨轴重电力机车的TCMS主要由中央处理单元（MPU）、TCN网关（GW）、远程输入输出单元（RIOM）、牵引控制单元（TCU）、辅助控制单元（ACU）、制动控制单元（BCU）、司机显示单元（DDU）和MVB/HDLC网关（GW3）等控制单元组成，各控制单元之间通过多功能车辆总线（MVB）连接，完成MVB数据的交互。
2.2.1中央处理单元（MPU）
30t轴重机车首次在机车项目使用自主化MPU，结构采用了3U84HP标准机箱，可同时安装两个MPU单元。机箱右半部分预留了一部分空间，方便之后进行新一代以太网网络的升级。产品设计满足设备安全性、维修性、维护性、环境适应性等的要求。
图2MPU机箱
MPU采用冗余设计，两个MPU单元安装于一个机箱内。在正常情况下，MPU1作为主控单元，负责管理和监测网络通信和各设备状态，MPU2热备冗余；在MPU1故障的情况下，MPU2自动接管主控单元功能。
MPU采用基于32位x86构架设计，增加了Vxworks实时操作系统和IEC61131的图形化编程功能，提升了整个控制系统软件的实时性、可靠性和用户开放性。
主控单元系统软件主要包括和硬件相关的接口驱动软件、与图形化编程相关的接口软件、与TCN协议栈通讯功能相关的接口软件、与Vxworks实时操作系统相关的接口软件，其软件单元结构如下图所示。
MPU调试环境采用WindRiverWorkbench集成调试环境，并结合RS232串口以及以太网口，来实现设备的配置和程序的调试。
2.2.2TCN网关（GW）
TCN网关采用符合IEC61375-1标准的自主化网关，既可以自动完成WTB设备的列车自编组、实现机车的重联控制,也可以作为MVB总线四类设备完成机车设备状态查询、过程数据通信、消息数据通信、监控数据通信和总线管理等功能。
GW采用冗余配置，同一机箱内上下布置的两个网关，互为冗余，独立供电。正常情况下只有一个网关参与总线通信，称为激活网关，另一个网关处于备份状态，称为备份网关，激活网关故障后，备份网关切换为激活网关。
网关采用标准VME架构，由CPU、WTB、MVB以及电源和背板组成，各控制功能板卡具有VME总线接口，采用VME总线进行数据交换。
图3TCN网关
1.1.1远程输入输出单元（RIOM）
远程输入输出单元（RIOM）负责采集微机控制柜、低压电器柜和司机室内的现场信息和数据，同时驱动控制台的指示灯和执行控制命令，驱动相应的继电器、接触器等现场执行设备。
30吨轴重电力机车单节车有两个RIOM，为RIOM1、RIOM2，分别安装在司机室和微机控制柜内。RIOM采用3U机箱式设计，机箱内板卡通过背板的RS485和CAN总线进行通信和控制。与原来模块化的RIOM相比，具有更小的体积，更易于安装，同时机箱内通过背板进行数据传输从而具有更强的抗干扰能力。机箱上预留的板卡空间也更方便之后因增加信号而增加板卡。
图4RIOM单元结构图
3机车主要控制功能
机车网络控制功能主要包括网侧高压部件控制、牵引/电制动控制、定速控制、空电联合控制、自动过分相控制、自动换端控制、无人警惕控制等。
3.1网侧高压部件控制
网侧高压部件控制包括对机车受电弓、真空断路器、高压隔离开关等控制。其中在显示屏可对主、从控车进行受电弓隔离和取消隔离操作，高压隔离开关正常位和隔离位操作。
机车默认升后弓、合升弓节主断，需升本节弓时可先隔离它节车受电弓。
3.2牵引/电制动控制
30吨轴重电力机车具有准恒速和恒转矩两种控制方式，司机可通过显示屏设置任一模式。主控车控制器的手柄级位于机车的牵引/制动特性相对应。TCU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，结合机车的粘着防滑防空转控制及轴重转移等进行牵引/制动力动态分配，实现牵引/制动特性控制。
3.3定速控制
当机车处于正常行驶状态，按下司机台上的定速按钮，机车即可进入定速模式，此时的机车速度即为定速值。定速值可通过显示屏进行数值更改，机车按定速值自动进行调速，保持机车速度与定速值一致。进入定速模式后，动作大闸、牵引手柄或再次按下定速按钮即可退出定速模式，进入正常行车模式。
3.4空电联合控制
机车制动控制系统具有将空气制动和动力制动联合应用的功能，并可通过显示屏选择是否使用空电联合制动。
机车动力制动优先使用。该制动控制系统能实现自动制动手柄的指令与机车主控制系统之间进行通信，以使机车的动力制动能根据自动制动手柄的指令来实施。
当用自动制动手柄实施列车常用操作时，机车动力制动与车辆空气制动可同时使用，机车动力制动力的大小应与自动制动手柄对应的列车管减压量所产生的机车空气制动力相匹配。机车施行动力制动时，机车自动空气制动被切除。
在制动过程中，允许司机通过司机控制器增加动力制动。动力制动力可以通过不同的方式获得（自动制动手柄或司机控制器），数值较高者有效。
当用单独制动手柄实施机车制动操作时，执行空气制动。
当机车通过自动制动施加动力制动的时，可以通过单独制动手柄施加单独空气制动，当制动缸压力达到90kPa时，切除动力制动。
3.5自动换端控制
在受电弓升弓、主断闭合、机车处于停止、方向零位、制动缸压力大于90kPa状态下，机车允许自动换端操作。
当机车按压自动换端按钮后，自动换端操作激活，机车升双弓，司机可以依次将压缩机开关置于断位，取出电钥匙，机车自动施加常用制动，此时机车保持自动换端操作前状态，辅助系统保持工作。
司机必须在5分钟内完成闭合电钥匙，根据司机对操纵端选择降下另一受电弓，换端过程完成。
若5分钟内没有完成自动换端，则主断断开，受电弓降弓，机车保持静置状态。显示屏提示换端失效。
自动换端过程中，自动换端指示灯亮。
3.6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的主要功能部件进行故障诊断并触发相应的保护功能。故障信息经系统确认后在显示屏上显示，显示内容包括故障名称、等级及发生时的时间、机车速度、手柄级位等信息。
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。故障诊断建立历史故障记录，可通过与显示屏相连的USB口进行故障下载，方便机车检修人员对机车发生故障进行深入分析。
4结束语
30吨轴重电力机车采用自主研制的“NECT”系统，其牵引变流器、辅助变流器等重要部件完全自主化，网络系统性能稳定可靠，能满足机车的控制要求。目前机车已完成各项试验测试和运行考核，开始进行批量生产，随着机车批量地投入运用，将会创造显著的社会和经济效益。