机车网络控制系统
谈技术提升HXD2型机车TCMS微机网络控制系统
谈技术提升HXD2型机车TCMS微机网络控制系统摘要：为适应中国铁路的发展需要和技术的不断发展，对原HXD2型新八轴机车进行技术提升，以进一步优化机车性能，更好的满足中国铁路的运输要求，本文对技术提升HXD2型电力机车TCMS微机网络控制系统主要控制逻辑进行了阐述。
关键词：HXD2型电力机车；中央控制单元；逻辑控制1 机车TCMS系统1.1 系统结构技术提升HXD2型电力机车TCMS系统采用分布式结构，在司机室、微机柜、变流柜、制动柜分别设置了相应的单元。
单台机车由两节机车通过WTB内重联组成，单节机车包含2个主处理单元(MPU)、2个远程输入输出单元(RIOM)、2个重联网关(GW)、 4个牵引控制单元(TCU)、2个辅助控制单元(ACU)、1个显示单元(DDU)和1个事件记录仪(ERM)组成。
其中，两个主处理单元MPU互为冗余，负责调度各个子单元协调工作，实现机车控制；ERM记录机车运行数据和故障数据，方便对机车进行调试和故障分析。
1.2 控制模式主处理单元主要控制模式可以分为两种：正常运行模式控制和维护测试模式控制。
控制系统上电后，机车自动进入正常运行模式；通过显示屏设定可以进入维护测试模式。
1.3 关键控制技术主处理单元关键控制技术包括主电路控制、辅助电路控制、机车运行控制、制动控制和维护测试控制。
本文对各项技术进行详细解析。
2 主电路控制技术提升HXD2型电力机车的主电路主要由网侧电路、四象限整流电路、直流环节电路、牵引逆变电路等相关电路组成，主变压器原边通过受电弓、主断路器得电，主变压器的二次绕组向牵引变流器供电，通过牵引控制单元交-直-交控制转换后，为牵引电机供电。
2.1 受电弓控制每节车装有一架受电弓。
受电弓是机车从接触网获得电能的重要电气部件。
MPU通过RIOM1采集升弓扳键，驱动升弓继电器，控制受电弓升起和降落：升弓继电器得电时，受电弓升起，受电弓滑板与接触网接触，将电流从接触网引入机车，供车内的电气设备使用；升弓继电器失电时，受电弓落下。
机车网络控制实训报告
一、实训背景随着我国铁路技术的快速发展，电力机车网络控制系统在机车运行中的重要性日益凸显。
为了提高学生对机车网络控制系统的理解与应用能力，我们开展了为期两周的机车网络控制实训。
本次实训旨在让学生掌握机车网络控制系统的基本原理、组成、功能以及故障处理方法。
二、实训内容1. 机车网络控制系统概述首先，我们学习了机车网络控制系统的基本概念，了解了其在我国铁路运输中的重要作用。
通过学习，我们了解到机车网络控制系统主要由微机网络控制系统、传感器、执行器等组成，通过各个模块的协同工作，实现对机车运行状态的实时监测、控制和保护。
2. 机车网络控制系统组成与功能在实训过程中，我们详细学习了机车网络控制系统的各个组成部分及其功能。
主要包括：（1）微机网络控制系统：负责整个机车网络控制系统的数据处理、指令下达和故障诊断等功能。
（2）传感器：负责采集机车运行过程中的各种参数，如速度、温度、压力等，并将这些参数传输给微机网络控制系统。
（3）执行器：根据微机网络控制系统的指令，实现对机车运行参数的调节，如调整牵引力、制动等。
3. 机车网络控制系统故障处理在实训过程中，我们学习了机车网络控制系统常见故障的诊断与处理方法。
主要包括：（1）故障现象分析：通过对机车运行过程中出现的异常现象进行分析，初步判断故障原因。
（2）故障诊断：利用故障诊断仪等设备，对机车网络控制系统进行诊断，确定故障部位。
（3）故障处理：根据故障原因，采取相应的处理措施，如更换故障部件、调整参数等。
4. 实训项目实践为了让学生更好地掌握机车网络控制系统的实际应用，我们开展了以下实训项目：（1）组装机车网络控制系统：学生根据实训指导书，组装一台机车网络控制系统，熟悉各个模块的连接方式。
（2）调试机车网络控制系统：在组装完成后，对机车网络控制系统进行调试，确保各个模块正常工作。
（3）故障模拟与处理：通过模拟机车网络控制系统中的常见故障，让学生掌握故障诊断与处理方法。
《机车网络控制》课程标准
《机车网络控制》课程标准适用专业：铁道机车运用与维护课时：60一、课程概述《机车网络控制》是铁道机车运用与维护专业的一门专业核心课程。
机车网络系统操作与维护是机车司机、地勤司机等岗位的核心技能。
通过本课程的学习，使学生掌握机车网络系统操作与维护的相关知识及技能，培养学生熟练运用所学知识和技能完成职业岗位所需工作任务的方法能力和社会能力，培养学生的职业素质，提高学生机车网络操作技能和应急故障处理能力。
学生在完成全部工作任务后，应达到如下要求：熟悉机车网络系统的结构及原理；按照规定的程序和标准，对机车网络系统进行日常检查、维护保养和应急故障处理；能根据运用保养规程要求，对机车网络系统故障检修任务进行评价和分析；能采取行动导向确定机车网络系统调试与维护的步骤；能使用专用设备、仪器对机车网络系统进行试验与检测；能阅读机车维修资料，从中获取有效信息；遵守安全规章，安全检修的工作能力。
二、教学目标1.知识目标（1）掌握数据通信网络的组成、原理、特点及应用。
（2）掌握TCN列车通信网络系统的组成、原理、特点及应用。
（3）掌握WorldFIP总线网络系统的组成、原理、特点及应用。
（4）掌握工业以太网系统的组成、原理、特点及应用。
（5）掌握LonWorks控制网络系统的组成、原理、特点及应用。
（6）掌握CAN总线与ARCNET总线系统的组成、原理、特点及应用。
（7）掌握典型机车网络控制系统的检查及故障排除。
（8）掌握典型机车网络控制系统故障的应急处理措施。
（9）掌握安全操作规范。
2.能力目标（1）能够识别机车网络控制系统各类设备的名称及作用。
（2）能够规范操作机车网络控制系统。
（3）能够简单调试机车网络控制系统。
（4）能够对机车网络控制系统进行常规检查。
（5）能够对典型机车网络控制系统进行常规检查及故障排除。
（6）能够对典型机车网络控制系统故障进行应急处理。
3.素质目标（1）坚定理想信念，增强“四个自信”；（2）厚植爱国主义情怀，树牢“四个意识”；（3）加强品德修养，具备良好的职业道德，培养爱岗敬业、认真负责、精益求精的素质和认真、细心、严谨的工作作风；（4）增长知识见识，具有较强的学习能力、信息处理能力和应变能力；（5）增强综合素质，具有发现问题、分析问题和归纳总结问题的能力，具备良好的团队协作能力。
HXD1C型电力机车网络控制系统
IDU功能 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 等参数进行更改与设定；
智能显示装置IDU结构
技术参数 1、机械尺寸 315*250*81.1 2、重 量 4.5kg
三、网络控制系统构成、部件特点 4、拓扑图
MIO/CCU在机械间低压柜的布局
MIO
MIO在机械间低压柜的布局（左）
MIO
CCU在机械间低压柜的布局（右）
CCU
CIO在司机室右侧司机台 下方低压柜的布局 （从上到下依次为DIM、 DXM和AXM模块） 两端司机室 地址不一样
VCM ERM
模块内部结构
事件记录模块ERM 每节机车装有1个事件记录模块ERM，位于机械间 内，事件记录模块ERM通过多功能车辆总线MVB（ESD+） 获取完整其功能的所有数据。 事件记录模块ERM是TCMS完成故障诊断、数据记录与 转储的核心模块，具备如下功能： 1）故障诊断 ：完成车载的故障诊断功能，并通过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，将车辆控制模块VCM的故障数据具体化； 3）数据转储：通过车载信息网（工业以太网网）将记录 的数据下载，供便携式维护工具分析。
二、机车网络控制系统基础知识
1、车辆总线MVB
4）通过设置总线重复器，网络拓扑可为总线型、星型或 混合型，每个总线段内互联的设备最多可达32个； 5）数据链路层支持三种基本的数据传输模式：过程数据、 消息数据、监督数据。
二、机车网络控制系统基础知识
2、MVB插头接线图
XD11 (9 芯布孔)
1 2 4 5 6 7 A_P A_N B_P B_N A_GND B_GND X4:A1 X4:A2 X4:A4 X4:A5 X4:A6 X4:A7
hxd3d机车网络控制系统、主变压器、应急处理-大连机车王乐民1022学习资料
系统的构成 机车控制监视系统在硬件上主要由电源模块、逻辑运算控制部分、 数字量输入/输出部分、模拟量信号采集部分、通信部分等组成。 主控制单元采用32位CPU，并在配置上采取冗余、双机热备措施， 以提高系统的可靠性。
机箱内包括AVR电源模块，为TCMS提供工作所需的各种直流电，如24V、±15V、 5V；
过程数据-网络控制-软件版本界面
过程数据-网络控制-信号信息界面
过程数据-网络控制-传送信息界面
过程数据-计数界面
过程数据-计数-设定界面
维护界面
数据输入-轮径界面
数据输入-轮径界面
数据输入-轮缘润滑界面
数据输入-日期/时间设置界面
数据输入-其它设置界面
数据输入-车辆号码界面
TCMS对外接口
名称 RS485 RS485 RS485 RS485 RS485 RS485 RS485 数据总线（Ethernet） 110V数字量输入 脉冲输入 110V数字量输出 110V数字量输出 模拟量输人0-8A 模拟量输人0-24V 模拟量输人0-5A 模拟量输入0-20mA
数量 2 2 2 1 1 1 1 2
维护测试-主司控器试验界面
维护测试-起动试验界面
维护测试-零级位试验界面
维护测试-辅助电源试验界面
维护测试-显示灯试验界面
维护测试-无人警惕试验界面
维护测试-轮缘润滑试验界面
事件履历-无过滤界面
详细-故障信息界面
事件履历-激活事件界面
司机诊断－事件确认界面
司机诊断－激活事件界面
显示界面 显示部分设计的原则是以HXD3B机车的显示画面为基础，融合
HXD3C机车现有的显示习惯，力求显示简洁、明了醒目。 画面的上部为各项功能选择的触摸键，系统能够根据不同的工况
机车TCMS网络控制系统自动化仿真测试平台
机车TCMS网络控制系统自动化仿真测试平台
随着技术的不断更新，客户对机车运行的稳定性、安全性和可靠性的不断提高，机车网络控制系统作为机车的信息通讯核心，其安全性和可靠性显得尤为重要。
由于机车网络控制系统的复杂性，对其进行准确调试的难度很大，因此在进行完调试的基础之上，对机车网络进行测试是非常重要的。
为克服传统网络控制系统测试过程中的诸多困难，采用TCMS 网络控制系统自动化测试平台。
解决方案
TCMS 网络控制系统自动化测试平台结构如下图所示：
网络控制系统自动化测试平台可以分为机车仿真系统和测试总控系统两个部分。
机车仿真系统采用以太网TCP/IP 为其主干网络，包括：TCMS 网络；分布式实时仿真系统，模拟机车各子系统；虚拟驾驶与场景，实现虚拟驾驶。
测试总控系统采用以太网作为其主干网络，测试总控系统基于统一的通信协议管理，在此基础之上，采用了自动化测试技术、分布式监控技术、自动分析判读技术、仿真司控台、以及大规模数据存储技术。
机车仿真系统
机车仿真系统主要功能是实现列车的行为仿真和测试，通过机车仿真机柜和HiGale 仿真系统实现对列车行为的仿真模拟，虚拟驾驶和场景提供列车运行的外界环境模拟。
HiGale 采用了x86 架构的处理器及PXI 高速通信总线，而且配备了实时操作系统，能够到达甚至超过真实的嵌入式控制器实时性能，并支持各种I/O 板卡及通信板卡，能够完全取代真实控制器的外部接口。
其中HiGale 分布式仿真系统能够提供仿真实时要求较低的模型运行环境，以及无法在纯软件环境下的高速模型运行环境，包括FPGA 等方式，仿真系统之间通过反射内存网实现。
HXD1C型电力机车网络控制系统
IDU功能
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
等参数进行更改与设定；
智能显示装置IDU结构
技术参数 1、机械尺寸 315*250*81.1 2、重 量 4.5kg
3、工作电源 工作电压：DC77V～DC133.5V 4、环境温度 -25℃～+45℃
由于采用模块化设计， 使得系统的构成十分灵活，但减少 了系统布线距离，而且容易扩展。 图中缩写的的含义： 中央控制单元CCU （VCM×2、GWM×1、ERM×1） 司机室输入输出单元CIO （DXM×1、DIM×1、AXM×1） 机械间输入输出单元MIO
（DXM×6、DIM×1）
3、网关模块GWM 每节机车装有1个WTB/MVB网关模块GWM，位于机械间内， WTB/MVB网关模块GWM通过多功能车辆总线MVB（ESD+）与车 辆控制模块VCM通信。 WTB/MVB网关模块GWM是TCMS实现机车重联运行的核 心模块，具备如下功能： 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TCMS系统的车辆控制模块VCM 进行与机车重联运行有关的数据交换。
二、机车网络控制系统基础知识
1、车辆总线MVB
4）通过设置总线重复器，网络拓扑可为总线型、星型或
混合型，每个总线段内互联的设备最多可达32个；
5）数据链路层支持三种基本的数据传输模式：过程数据、 消息数据、监督数据。
二、机车网络控制系统基础知识
2、MVB插头接线图
XD11 (9 芯布孔)
HXD3微机网络系统介绍
2.机车微机控制系统
• 微机控制系统（简称TCMS）是机车的控 制核心，微机控制柜连接机车主变流器、 辅助变流器、控制电器柜、司机室操作 台控制开关等电器设备，收集指令信息 和各个电器设备的状态信息，综合处理 后，完成机车的控制功能。 • 重联时通过Ethernet，向重联机车发送运 行指令，接收重联机车的反馈信息。
显示屏
与他车TCMS重联 各开关 速度传感器（PG） 蓄电池电压 电流互感器 司控器 LED指示灯
38.4kbps
通过Ethernet连接
2轴和5轴
原边电流 司机控制器级位 功率较小
110V数字量输出
19
BRAKE、VCB、升弓、撒沙等
功率较大
2.3 TCMS机箱外形结构
2.2 TCMS单元构成
2.3
TCMS主要完成的控制
• 牵引制动特性曲线的控制；（23t和25t切换：主CPU搭载 基板PUZ33上的开关SW1置”0”是23t,开关SW1置”0以 外的数”是25t) 图 • 定速控制;(速度≥15km/h,未采用空气制动) • 禁止功率输出； • 升弓控制；（控制上保证必须先断主断，才能降弓） • 压缩机起停控制； • 110V电源屏的控制； • 自动过分相控制； • 警惕装置控制；
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1）微机网络控制系统
电力机车微机网络控制系统是一个典型的集散控制系统DCS
（Distributed?Control?System ）。
DCS是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机、通信、显示和控制等技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。
机车微机网络控制系统就是通过现场总线将不同的功能单元连接起来，在中央控制单元（CCU）的协调下，共同完成机车的控制工作。
根据机车车辆的特点和网络拓扑结构，车载网络的拓扑形式通常构造成两级或三级总线结构。
最高层为列车网，它用于与整个列车的重联控制和逻辑顺序控制相关的一些指令信息发布和状态信息反馈，实现多个车辆网的数据交换。
中间层为车辆网，它用于整个车辆网内部的智能电子设备的互连，实现本车厢内部的数据交换。
第三层为设备网，它直接与系统的检测传感器、执行机构相连。
根据拓扑需要，车载网络有时不需设备网，只使用列车网和车辆网。
工业现场总线种类繁多，用于列车网的现场总线主要有WTB、WorldFIP、工业以太网等，用于车辆网的现场总线主要有MVB、WorldFIP、LonWorks、CAN、工业以太网等，用于设备网的现场总线主要有CAN、MVB或RS485等。
（1）微机网络控制系统结构
图5-20是机车微机网络控制系统拓扑图。
图5-20 微机网络控制系统拓扑图
网络控制系统由中央控制单元（CCU）、牵引控制单元（TCU）、司机显示单元（HMI）、远程输入输出模块（RIOM）、制动控制单元（BCU）、辅助控制单元（ACU）、网关（GW）等组成。
①网关（GW）：负责列车网络和车辆网络之间的数据传输。
②中央处理单元（CCU）：既可以完成网络的总线管理功能，也可以完成网络控制系统的中央处理功能，即实现车辆控制功能，主要功能包括：设备监视（自诊断功能）、总线管理、机车逻辑控制、机车牵引/制动特性控制、轴重转移补偿控制、自动过分相控制、空电联合制动控制等功能。
③远程I/O单元（RIOM）：负责采集控制柜内的现场数据，同时驱动控制台的模拟仪表及显示灯和执行控制命令，驱动各屏柜内的继电器、接触器等现场执行设备。
④牵引控制单元（TCU）：负责机车电气牵引与制动控制功能，具体包括：牵引变流器中间直流电压的闭环控制、牵引电机的转矩转速控制、开关器件的逻辑控制、防滑及防空转控制、牵引变流器主要部件的状态监控、通过网络与机车网络控制系统交换数据。
⑤辅助控制单元（ACU）：负责辅助变流器及充电机控制功能。
⑥司机显示单元（HMI）：负责实时显示机车运行信息和正常的设备工作状态，配置机车网络参数和维护处理故障信息等功能.
⑦制动控制单元（BCU）：负责机车空气制动控制功能。
（2）机车控制功能
机车由司机控制时，远程I/O单元（RIOM）获取司机通过操纵台上的控制部件（如司机控制器、扳键开关、显示屏等）发出的控制指令，经过中央控制单元CCU的处理，传递给相关设备，控制设备动作，完成司机发出的控制指令。
控制功能包括：机车运行控制功能、电力牵引及高压控制功能、辅助供电系统控制功能、制动与压缩空气供应控制功能和机车故障诊断功能。
①机车运行控制功能
机车运行控制功能主要包括：蓄电池控制、司机室投入运营、微机控制单元供电控制、库内动车控制、撒沙控制、轮缘润滑控制、火灾报警、窗加热、机械间通风控制、空调系统控制、内外部照明控制、轴温报警装置控制、能耗记录装置控制和人机界面交互控制等。
②电力牵引及高压控制功能
电力牵引/制动控制功能共主要包括：受电弓控制、主断路器控制、钥匙箱连锁控制、高压隔离开关控制、自动过分相控制、主变压器保护、牵引/制动命令与运行方向控制、牵引电机的选择与隔离控制等。
③辅助供电系统控制功能
辅助供电系统控制功能主要包括：辅助控制单元供电控制、辅助系统接触器控制、列车供电系统控制等。
④制动与压缩空气供应功能
制动与压缩空气供应功能主要包括：制动系统控制、紧急制动与制动系统状态反馈、风笛控制、辅助风源控制和主风源控制等。
⑤机车故障诊断功能
机车故障诊断功能涵盖了电气系统、机械部分、空气管路和其它部分。
其中电气系统包括受电弓、主变压器、主变流器、牵引电机、辅助电机系统、电气控制设备、控制及辅助电源和网络控制系统等；机械部件包括转向架、车体和轮对及轴承；空气管路部分包括空气管路、气动装置、电空制动装置、压缩机和储气缸等；其它部分包括火灾报警、防寒装置和蓄电池照明等。