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1TCMS系統概述

西安地鐵三號線車輛為6輛編組，4動2拖，車輛的編組形式為:Tc1－Mp1－M1－M2－Mp2－Tc2。每輛動車有1個變壓變頻調速VVVF系統，每輛拖車有1個輔助逆變CVS系統，VVVF系統和CVS系統與列車網絡系統之間通過冗余的MVB總線實現通信。制動選用EP2002系統，整車有2個CAN單元，每個CAN單元由2個網關閥GV、1個RIO閥及3個智能閥SV組成，控制閥之間通過內部的CAN總線通訊。2個網關閥配置為冗余的工作模式。網關閥具有獨立的MVB接口，列車控制和監控系統(TCMS)通過網關閥傳輸和接收指令、故障等信息，實現對整車制動系統的控制和監視。

2TCMS系統結構

列車和車輛控制分3級:列車控制級、車輛控制級與子系統控制級。整車分為5個網段，TC1車和Mp1車組成網段1，M1車為網段2，M2車為網段3，TC2車和Mp2車組成網段4，以及主干網網段，如圖1所示。每輛拖車配置1臺中央控制單元CCU、1臺事件記錄儀ERM、1臺人機接口單元HMI，每輛動車配置1個MVB中繼器REP，每輛車配置1個遠程輸入輸出模塊RIOM。變壓變頻調速系統、制動系統和輔助逆變系統采用普通D－SUB9連接器的總線連接方式;車門系統、乘客信息系統、空調系統、廣播系統采用總線連接器的接線方式與網絡設備相連接，信號系統的RS485總線通過集成在RIOM上的網關轉換成MVB，再同RIOM數據一起通過總線連接器與網絡通信。

2．1冗余結構MVB冗余:MVB總線采用符合IEC—61375標準的冗余屏蔽雙絞線EMD電纜，各中繼器之間、各子系統之間、中繼器與子系統之間均為冗余布線，單點故障不會導致列車運行停止。MVB的線路A和線路B同步發送相同的數據，可以防止傳輸線、引腳接點以及收發器的錯誤導致MVB傳輸故障，MVB接線拓撲如圖2所示。CCU冗余:每列車的2臺CCU配置相同的應用級過程數據源端口及宿端口。同時，2臺設備之間還有1對獨立的端口，作為兩者之間的生命信號。每臺設備定義2個配置文件，其中一個文件正常定義，另一個文件將所有應用級源端口都定義為宿端口。從CCU作為熱備冗余，當主CCU故障時，從CCU接替主CCU。中繼器RPT冗余:中繼器板卡上的A、B路處理器采用了完全冗余的隔離供電、隔離處理芯片及隔離電氣接口，當一個模塊故障時，信號仍然可以通過中繼器進行傳輸。列車關鍵I/O信號冗余:關鍵的列車線I/O信號，如運行方向信號、牽引/制動指令等，均由Tc1車和Tc2車2個相互冗余的RIOM同時進行采集。重要的非列車線信號由RIOM的不同DI板卡進行采集。

2．2冗余設備的故障處理(1)CCU故障:單側的CCU發生故障時，如果該CCU是主設備，則需要進行冗余切換，切換后車輛沒有功能損失;如果該CCU是從設備，則不需進行切換。這2種情況顯示器均會提示故障報警。如果2個CCU均發生故障，則MVB網絡沒有主設備，車輛進入備用模式，采用人工駕駛的降級模式運行。(2)中繼器故障:中繼器只有在A、B兩路同時出現故障時才會無法正常工作。當位于Mp車的中繼器發生故障，MVB網絡干路中斷。此時車輛在故障點處分為2個網絡，兩側的CCU均作為主設備。因為兩側CCU信息不一致，無法正常行使控制功能，車輛須進入降級模式運行。當M車的中繼器發生故障，M車所有網絡設備從網絡中脫離，車輛可以在損失部分動力和制動的情況下運營。(3)ERM故障:整車安裝2個ERM模塊，任意1個ERM故障只會影響到該ERM的運行數據記錄功能，車輛無須降級運行。(4)RIOM故障:對于列車線信號，當一側Tc車RIOM無法正常采集信號時，由另外一側的RIOM進行采集，此時CCU會進行相應的判斷來保證車輛無須降級運行;對于重要的非列車線信號，通過不同的信號板進行采集，只有在2個信號板都無法正常采集時，才會導致功能缺失。此時車輛須視該信號的重要程度進行相應的降級處理。

3顯示屏界面結構

顯示屏界面按照功能主要分為2類，一類用于車輛參數的展示和功能按鈕的布置，如“運行”界面和“調試”界面;另一類用于提供輸入和操作，如“密碼”界面、“參數輸入”界面，此類界面一般在展示類界面間切換或針對某參數更改時彈出。顯示屏上電啟動后默認進入“網絡”界面，顯示所有入網MVB設備的在線狀態和主從狀態。從“網絡”界面中可以通過點擊“返回”按鈕跳至“主菜單”界面，也可以通過“調試界面”按鈕進入“調試”界面。“主菜單”界面用于司機或其他列車運營維護人員日常獲取列車狀態信息、設備參數更改、車輛控制等應用。通過“主菜單”界面下邊欄中的各個按鈕進入相應界面，這些界面可分為2類，一類是司機界面，通過“運行”、“制動狀態”、“牽引狀態”、“輔助狀態”、“旁路狀態”、“空調設置”等按鈕進入相應界面，另一類是維修界面，通過“維修菜單”按鈕進入維修界面。“調試”界面用于車輛調試過程中查看網絡和子設備狀態，也可用于運營維護時查詢列車詳細信息［1］。顯示屏界面結構如圖3所示。

4通信協議

4．1物理層物理層對傳輸介質、設備屬性、收發器接口、電氣中距離EMD拓撲、EMD連接器進行規定。MVB總線在200m傳輸距離內最多可支持32個連接設備，信號速率為1．5M(1±0．01)bit/s，采用曼徹斯特編碼［2］。CCU具有設備在線判斷、過程數據、總線管理能力的設備屬性，設備等級為4級。列車網絡系統子設備僅具有設備在線判斷、過程數據的設備屬性，設備等級至少為1級。

4．2數據鏈路層數據鏈路層對報文時序、應答延時、源設備的幀間間隔、目標設備的幀間間隔、主設備的幀間間隔進行規定。報文由主幀以及響應此主幀的從幀組成。總線報文時序如圖4所示。應答延時默認值和最小值為42．7μs;在主幀結束之后，被尋址的從設備應答一個從幀，響應時間為:最小2．0μs，最大6．0μs;目標設備忽略在其接收到最后一個主幀之后發送的所有從幀，超時默認值為42．7μs;主設備在發送前一主幀后不遲于1．3ms的時間內發送后一主幀。

4．3應用層應用層規定了CCU與ERM、HMI、RIOM以及各子系統之間交換的周期變量，包括各變量的特征周期、端口地址、字節偏移、位偏移、數據類型、變量名、信號名等。

4．4數據格式過程數據信號類型有布爾型、字節、字和雙字等［3］。在MVB報文中所有的邏輯信號作為一個字被打印和發送。默認的邏輯狀態:高電平為1，脈沖信號停留至少2倍采樣周期的時間，以確保采樣時間足夠長，信號能被檢測到。每單個字段的位中Bit0是最高有效位。

4．5主幀調度MVB主幀調度滿足IEC61375—1標準，最小輪詢周期32ms。特征周期有32ms、64ms、256ms、512ms。每1ms輪詢端口長度不超過3個32字節或等同長度，以保證合理的總線負載率。

4．6主控與從控之間的通信規則主控設備和從控設備之間的通信根據功能分，主要有3種類型:命令、狀態、診斷。命令是主控設備發送給從控設備的，狀態是從控設備發送給主控設備的，而診斷信息是從控設備根據自身的故障或工作狀態信息發送給主控設備的診斷維護信息。主控設備和從控設備之間的通信根據通信形式分為過程變量和監視變量。過程變量是用戶可用通信變量，監視變量主要用于網絡系統運行監視及總線控制。過程變量根據通信速率分為快變量和慢變量，其中快變量用于關鍵設備的控制命令和狀態響應，采用32ms特征周期過程變量。慢變量主要用于不影響列車運行的非緊急列車診斷信息或狀態信息:非緊急但重要的信息采用64ms特征周期的過程變量;不緊急也不重要的信息采用256ms和512ms過程變量傳輸。

5TCMS系統的主要功能

5．1對牽引控制及監測功能(1)控制功能:TCMS向VVVF發送列車參考速度、司機室激活信號、牽引、制動指令、惰行信號、牽引制動力百分比信號、車重百分比信號、電制動切除指令、所有制動緩解信號、試驗時切除電制動指令、人工駕駛模式下的限速信號、各動車半磨耗輪徑值、洗車模式信號、能量計數器清零請求、TCMS轉發制動系統的車廂各軸軸速信號、復位隔離的VVVF等。(2)監測功能:網壓監測、網流監測、牽引能耗監測、電制動能量監測、制動電阻能耗監測等。

5．2對空氣制動系統控制及監測功能(1)控制功能:發送制動指令、牽引指令、制動級位請求、快速制動指令，要求制動系統執行自檢，停放制動的施加與緩解等。(2)監測功能:各軸速度、主風管壓力、ASP空氣簧壓力、BCP制動缸壓力、緊急制動安全環路旁路監視、停放制動緩解旁路監視、常用制動緩解旁路監視、總風低壓旁路監視、各轉向架載荷、乘車率、司機與信號系統啟車前確認ASP狀態、常用制動力監視、停放制動狀態、制動控制單元在線狀態、自檢狀態監視等。

5．3對輔助系統控制及監測功能(1)控制功能:輔助逆變器停機控制、擴展供電控制、復位所有可復位的中等故障等。(2)監測功能:CVS的生命信號、運行狀態、輸入輸出電壓、累計運行總時間和能耗值等。

5．4對空調及空壓機啟動控制功能TCMS系統可以控制空壓機組、空調機組順序啟動，空壓機的啟動優先級高于空調壓縮機的啟動優先級。當判斷有空壓機啟動時，空調壓縮機不能啟動;當空調系統正在啟動順序過程中，若空壓機啟動，則空調壓縮機啟動延時。

6故障診斷

故障記錄在數據記錄儀中，通過維護終端PTU導出列車運行及故障數據，便于維護人員進行分析。記錄內容包括故障發生的日期時間、故障代碼、故障子系統、故障名稱、故障描述、故障等級、故障級位、速度、網壓、列車編號、距離和故障發生解除等。

7結束語

MVB總線控制在國內外地鐵車輛上得到了廣泛應用，TCMS系統作為列車的“大腦”負責各子系統的分工協作，系統功能的合理性、網絡設備的穩定性、可靠性直接關系著地鐵車輛的運行質量。西安地鐵三號線車輛的列車控制和監測系統與一、二號線相比控制邏輯復雜，通過總線與各子系統交換的數據多，因此不僅要清楚系統的硬件組成，也要深入了解軟件結構，這樣對日后運營故障的排查和分析將有很大幫助。

作者：張津津 單位：西安市地下鐵道有限責任公司