【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 列車的控制，車載列控設(shè)備需要獲得從地面控制中心發(fā)送的行車控制命令、前方列車的位置、速度、前方線路條件等信息，這些信息都是從地面發(fā)送到列車上，因此，地車信息傳輸通道是列車運(yùn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要組成部分，沒(méi)有良好的地車信息傳輸通道，自動(dòng)控制列車是不可能的。（1）出口速度檢查控制方式：該方式要求列車在閉塞分區(qū)內(nèi)將列車速度降低到目標(biāo)速度，設(shè)備在閉塞分區(qū)出口進(jìn)行檢查。如果列車實(shí)際速度未達(dá)到目標(biāo)速度以下則設(shè)備自動(dòng)進(jìn)行制動(dòng)。圖3—3 交流傳動(dòng)系統(tǒng)的控制方式由于線路上運(yùn)行的各種列車制動(dòng)性能各異，為了確保安全，系統(tǒng)只能按制動(dòng)性能最差的列車性能來(lái)確定制動(dòng)距離，這對(duì)于制動(dòng)性能好的列車來(lái)說(shuō)是個(gè)損失，影響進(jìn)—步提高運(yùn)行密度。 ATP制動(dòng)控制只進(jìn)行制動(dòng)和緩解兩種操作，不調(diào)整制動(dòng)力大小，因此列車減速度變化大，旅行舒適度差。（2）分級(jí)曲線控制方式：該方式要求每個(gè)閉塞分區(qū)入口速度(上一個(gè)閉塞分區(qū)的目標(biāo)速度)和出口速度(本閉塞分區(qū)目標(biāo)速度)用曲線連接起來(lái)，形成一段連續(xù)的控制曲線，曲線控制方式和階梯控制方式一樣，每一個(gè)閉塞分區(qū)只給定一個(gè)目標(biāo)速度。控制曲線把閉塞分區(qū)允許速度的變化連續(xù)起來(lái)。地面設(shè)備傳送給車載設(shè)備的信息是下一個(gè)閉塞分區(qū)的速度、距離和線路條件數(shù)據(jù)，沒(méi)有提供至目標(biāo)點(diǎn)的全部數(shù)據(jù)，所以系統(tǒng)生成的數(shù)據(jù)是分級(jí)連續(xù)制動(dòng)模式曲線(即以分級(jí)小曲線的變換點(diǎn)連成的準(zhǔn)一次制動(dòng)模式曲線)。法國(guó)TVM430系統(tǒng)采用了這種方式，TVM430是TVM300的換代產(chǎn)品，地面采用UM2000型軌道電路圖3—4 分級(jí)曲線控制方式示意圖在曲線控制方式下，列車在一個(gè)閉塞分區(qū)中運(yùn)行時(shí),列控設(shè)備判定列車超速的目標(biāo)速度不再是一個(gè)常數(shù)，而是隨著列車行駛不斷變化，即是距離的函數(shù)。因此列控設(shè)備除了需要接收目標(biāo)速度信息外，還要接收到閉塞分區(qū)長(zhǎng)度及換算坡度的信息。TVM430系統(tǒng)的軌道電路可以傳遞27 bit信息，其中目標(biāo)速度信息6bit，距離信息8bit，坡度信息4bit。階梯控制方式可不需要距離信息，只要在停車信號(hào)與最高速度間增加若干中間速度信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)階梯控制方式。因此軌道信息量較少，設(shè)備相對(duì)比較簡(jiǎn)單，這種傳統(tǒng)的控制方式是目前高速鐵路最普遍采用的控制方式。在交流調(diào)速傳動(dòng)發(fā)展初期，控制電路一般多是用模擬電路或模數(shù)混合電路實(shí)現(xiàn)的。近年來(lái)普遍采用微型計(jì)算機(jī)控制。微機(jī)控制比一般硬件模擬控制的優(yōu)越性是顯而易見(jiàn)的，它不僅能實(shí)現(xiàn)一般的控制，諸如控制信號(hào)的產(chǎn)生，運(yùn)行參數(shù)的檢測(cè)，傳動(dòng)方式的選擇和轉(zhuǎn)換，以及信號(hào)的存儲(chǔ)、運(yùn)算和變換；而且，它的快速性和高精度、能對(duì)建立在現(xiàn)代控制理論或復(fù)雜控制算法基礎(chǔ)上的控制方案進(jìn)行優(yōu)化處理，從而把許多過(guò)去只是在理論上認(rèn)識(shí)而實(shí)際上無(wú)法應(yīng)用的控制原理實(shí)用化。微處理機(jī)還可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的保護(hù)和監(jiān)視，并具有故障自診斷、自修復(fù)功能。另外以微機(jī)為基礎(chǔ)的全數(shù)字控制本身抗干擾能力較強(qiáng)，可以提高系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。圖3—5 交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)的控制電路變壓器同其它牽引變壓器一樣采用金屬波紋管式儲(chǔ)油柜。儲(chǔ)油柜安裝在牽引變壓器中央部附近。波紋管選用圓形不銹鋼焊接波紋管。儲(chǔ)油柜和主機(jī)油箱通過(guò)連接孔輸送絕緣油，油存放在波紋管外側(cè)。波紋管內(nèi)側(cè)與大氣相通。原邊線路側(cè)套管選用一體型耐熱環(huán)氧樹(shù)脂注塑成型套管。套管從變壓器主機(jī)前面朝向側(cè)面引出，連接到相鄰的高壓機(jī)器箱內(nèi)的斷路器上。主變流器（Converter ＆ Inverter，簡(jiǎn)稱CI ），由單相3點(diǎn)式PWM脈沖整流器和3相3點(diǎn)式PWM逆變器組成，采用的功率開(kāi)關(guān)器件為IPM/IGBT。主要技術(shù)參數(shù)如下：表3—6主變流器技術(shù)參數(shù)額定 繞組容量 (kVA)電壓 (V)電流 (A)原邊３０６０２５０００１２２牽引２５７０１５００８５７２輔助４９０４００１２２５表3—7牽引變壓器絕緣級(jí)別試驗(yàn)電壓繞組試驗(yàn)電壓感應(yīng)耐電壓工頻試驗(yàn)電壓雷擊耐電壓原邊線路側(cè)42kV10 分鐘全波：150kV截?cái)嗖ǎ?70kV原邊接地側(cè)－１分鐘－牽引－１分鐘－輔助－１分鐘－溫度上升限度:繞組： １２５Ｋ （電阻法）總重量: 2 9 1 0 kg （包括電動(dòng)送風(fēng)機(jī)）圖3—8 交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)的主電路主電路——由二極管整流器UR、PWM逆變器UI和中間直流電路三部分組成，一般都是電壓源型的，采用大電容C濾波，同時(shí)兼有無(wú)功功率交換的作用。限流電阻：為了避免大電容C在通電瞬間產(chǎn)生過(guò)大的充電電流，在整流器和濾波電容間的直流回路上串入限流電阻（或電抗），通上電源時(shí)，先限制充電電流，再延時(shí)用開(kāi)關(guān)K將短路，以免長(zhǎng)期接入時(shí)影響變頻器的正常工作，并產(chǎn)生附加損耗。泵升限制電路——由于二極管整流器不能為異步電機(jī)的再生制動(dòng)提供反向電流的通路，所以除特殊情況外，通用變頻器一般都用電阻吸收制動(dòng)能量。減速制動(dòng)時(shí)，異步電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，首先通過(guò)逆變器的續(xù)流二極管向電容C充電，當(dāng)中間直流回路的電壓（通稱泵升電壓）升高到一定的限制值時(shí)，通過(guò)泵升限制電路使開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通，將電機(jī)釋放的動(dòng)能消耗在制動(dòng)電阻上。為了便于散熱，制動(dòng)電阻器常作為附件單獨(dú)裝在變頻器機(jī)箱外邊。極管整流電流波形具有較大的諧波分量，使電源受到污染。為了抑制諧波電流，對(duì)于容量較大的PWM變頻器，都應(yīng)在輸入端設(shè)有進(jìn)線電抗器，有時(shí)也可以在整流器和電容器之間串接直流電抗器。還可用來(lái)抑制電源電壓不平衡對(duì)變頻器的影響。PWM信號(hào)產(chǎn)生——可以由微機(jī)本身的軟件產(chǎn)生，由PWM端口輸出，也可采用專用的PWM生成電路芯片。檢測(cè)與保護(hù)電路——各種故障的保護(hù)由電壓、電流、溫度等檢測(cè)信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理電路進(jìn)行分壓、光電隔離、濾波、放大等綜合處理，再進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器，輸入給CPU作為控制算法的依據(jù)，或者作為開(kāi)關(guān)電平產(chǎn)生保護(hù)信號(hào)和顯示信號(hào)。逆變器控制部分由頻率加法器（將轉(zhuǎn)差頻率基準(zhǔn)值信號(hào)與電機(jī)旋轉(zhuǎn)頻率信號(hào)相加得出定子頻率給定值信號(hào)）、電壓－頻率變換器（將定子頻率給定值信號(hào)變換成脈沖信號(hào)）、脈沖分配器（將電壓－頻率變換器輸出的脈沖進(jìn)行分頻并按照逆變器導(dǎo)通的要求與正、反轉(zhuǎn)指令進(jìn)行脈沖分配）以及脈沖放大器等組成。 目前，16位、32位單片機(jī)已進(jìn)入了實(shí)用階段，不僅硬件模塊化，而且軟件也可做成標(biāo)準(zhǔn)模塊形式，配上通用的標(biāo)準(zhǔn)接口，系統(tǒng)組成可以任意擴(kuò)展和修改，近年來(lái)，以微機(jī)為基礎(chǔ)的控制技術(shù)以及構(gòu)成的控制單元系列已經(jīng)在交流調(diào)速傳動(dòng)（PWM控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制及復(fù)雜的解耦控制）控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，使交流調(diào)速技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。在異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中，電機(jī)接受逆變器輸出的電壓而運(yùn)轉(zhuǎn)。對(duì)電機(jī)來(lái)說(shuō)，有用的是電壓的基波，希望SPWM波形中基波的成分越大越好。第4章　城軌列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng) TCN及LonWorks網(wǎng)絡(luò)1988年，ICE第9技術(shù)委員會(huì)TC9成立了第22工作組WG22.，其任務(wù)是制定一個(gè)開(kāi)放的通信系統(tǒng)，從而使得各道機(jī)車車輛能夠互相連掛，車上的可編程電子設(shè)備能夠互換。1992年6月，TC9WG22以委員會(huì)草案的形式向各國(guó)發(fā)出列車通信網(wǎng)絡(luò)TCN的征求意見(jiàn)稿。該稿分成4個(gè)部分：第一部分總體結(jié)構(gòu)，第二部分實(shí)時(shí)協(xié)議，第三部分多功能車輛總線，第四部分絞線式列車總線WTB。列車通信網(wǎng)絡(luò)尋址各鐵路車輛中所有相關(guān)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它包含兩級(jí)：連接各車輛的列車總線和連接一節(jié)車輛內(nèi)或車輛組閣設(shè)備的車輛總線。一節(jié)車輛可以有1條或幾條車輛總線，也可以沒(méi)有，車輛總線可以跨越幾節(jié)車輛。TNC網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4—1。圖4—1 TNC網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)TCN（IEC61375）標(biāo)準(zhǔn)適用于開(kāi)式列車的數(shù)據(jù)通信，它包括開(kāi)式列車的車輛與車輛間的數(shù)據(jù)通信及開(kāi)式車中一個(gè)車輛內(nèi)的數(shù)據(jù)通信。應(yīng)用TCN標(biāo)準(zhǔn)的列車通信總線（WTB）能實(shí)現(xiàn)國(guó)際交通擁的開(kāi)式列車中各個(gè)車輛的協(xié)同操作。車輛內(nèi)部的數(shù)據(jù)通信總線(MVB)作為T(mén)CN的推薦方案。在任何情況下，供應(yīng)商應(yīng)保證WTB與所建議的車輛總線兼容。開(kāi)式列車由一組車輛構(gòu)成的列車，其組成在正常運(yùn)行中是可以改變的，如UIC范圍內(nèi)的過(guò)軌列車；閉式列車由一組車輛組成的列車，在正常運(yùn)行中其組成不會(huì)改變，如地鐵，城郊列車或高速列車組；多單元列車由幾個(gè)閉式列車單元組成，在正常運(yùn)行中，組成列車單元數(shù)量可以改變。列車通信網(wǎng)絡(luò)（TCN）連接鐵路機(jī)車車輛上車載可編程設(shè)備，其支持如下功能：牽引和機(jī)車車輛上的控制，遠(yuǎn)程診斷及維護(hù)，旅客信息機(jī)舒適性。列車通信網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)是兩條總線組成的三層結(jié)構(gòu)，列車通信網(wǎng)絡(luò)包含了兩種總線：連接一個(gè)車輛設(shè)內(nèi)備的多功能車輛總線（MVB），總線能快速響應(yīng)，；連接列車中各車輛的絞線式列車總線（WTB），總線能自己組態(tài)，工作速率為1Mbit/s，介質(zhì)為雙絞線屏蔽線。 三層結(jié)構(gòu)是列車級(jí)控制、車廂級(jí)控制、設(shè)備級(jí)控制三層。 ：（1）過(guò)程數(shù)據(jù)：周期性的，源尋址廣播數(shù)據(jù)。（2）消息數(shù)據(jù)：按需傳送的，目標(biāo)尋址的數(shù)據(jù)報(bào)文。 ，TCN實(shí)時(shí)協(xié)議提供兩種與總線獨(dú)立的應(yīng)用服務(wù)：（1）變量群（分布式過(guò)程數(shù)據(jù)庫(kù)）。（2）消息群（呼叫/應(yīng)答及多播消息）。TCN分為上、下兩層，上層為列車總線，即WTB（wirst train bus）絞式列車總線；下層為車輛總線，即MVB（multifunction vehicle bus）如圖4—2：圖4—2 列車通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖 絞線式列車總線WTB （1） WTB物理層WTB采用屏蔽雙絞線，要求有較高的機(jī)械連接性能。使用該種介質(zhì)可以達(dá)到1Mbit/s通信速率，長(zhǎng)度為860m，對(duì)應(yīng)22節(jié)26m長(zhǎng)的UIC列車?？蛇B接至少32個(gè)節(jié)點(diǎn)；MVB采用曼徹斯特編碼，每一數(shù)據(jù)位碼元中間都有跳變，從高到低的跳變（負(fù)跳變）表示‘1’，正跳變則表示‘0’。圖4—3為WTB總線拓?fù)鋱D。 圖4—3 WTB總線拓?fù)鋱D （2） WTB 報(bào)文WTB規(guī)定了三種報(bào)文：過(guò)程數(shù)據(jù)報(bào)文；消息數(shù)據(jù)報(bào)文管理數(shù)據(jù)報(bào)文。 報(bào)文表問(wèn)表格式如下圖表44：圖4—4 WTB報(bào)文表格式（3） WTB列車的初運(yùn)行 絞線式列車總線通過(guò)手插式跨線電纜或自動(dòng)連接器來(lái)實(shí)現(xiàn)車輛之間的互換。WTB使用12線UTC電纜再加上一條能以1Mbit/s傳送數(shù)據(jù)的專用屏蔽線。中纜的布置采用冗余原則。裝車電纜每一側(cè)各有一根電纜。WTB無(wú)需中繼器傳送距離庫(kù)到860米。WTB最顯著的特色，是它的以連續(xù)順序給節(jié)點(diǎn)自動(dòng)編號(hào)和讓所有的節(jié)點(diǎn)識(shí)別何處是列車的左側(cè)或右側(cè)的能力。每當(dāng)列車組長(zhǎng)改變時(shí)，列車總線各節(jié)點(diǎn)執(zhí)行初運(yùn)行，初運(yùn)行后所有車輛獲得的結(jié)構(gòu)信息包括以下幾點(diǎn)： ① 相對(duì)于主節(jié)點(diǎn)，它們各自的地址、方向和位置 ② 列車中其他車輛的書(shū)庫(kù)量和位置。 ③ 其他車輛的型號(hào)和種類及支持功能。 ④ 各車輛的動(dòng)力學(xué)性能，該信息可以幫助制動(dòng)計(jì)算機(jī)列車長(zhǎng)度和重量。為實(shí)現(xiàn)初運(yùn)行，每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含兩個(gè)HDLC通道，每個(gè)通道對(duì)應(yīng)一個(gè)方向。 MVB總線MVB是將位于同一車輛，或不同車輛中的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備連到列車通信網(wǎng)絡(luò)上的車輛總線，它提供了兩種連接：一是可編程設(shè)備之間的互聯(lián)，二是將這些設(shè)備與它們的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)互聯(lián)。MVB能尋址至4095個(gè)設(shè)備，其中可有256個(gè)是能參與消息通信的站。（1）MVB也能用作正常運(yùn)行中不分開(kāi)的列車的列車總線。MVB傳送三種烈性的數(shù)據(jù)： ① 過(guò)程數(shù)據(jù)：源尋址數(shù)據(jù)的周期性廣播，最快的周期為1ms。 ② 消息數(shù)據(jù)：根據(jù)需要，目標(biāo)尋址的單播或廣播。 ③ 監(jiān)視數(shù)據(jù)：傳輸事件分解、主設(shè)備權(quán)分解、設(shè)備狀態(tài)等數(shù)據(jù)。（2）MVB可采用三種不同的物理介質(zhì)，它們都在相同速度下工作： ① 20m以內(nèi)采用電氣短距離介質(zhì)（ESD），允許使用標(biāo)準(zhǔn)的RS485收發(fā)器，每段最多可支持32個(gè)設(shè)備。 ② 200m以內(nèi)采用電氣中距離介質(zhì)(EMD），每段最多支持32個(gè)設(shè)備，采用雙絞屏蔽線和變壓器作電氣隔離，允許使用標(biāo)準(zhǔn)的 ICE11582 變壓器和收發(fā)器。 ③ 2000m以內(nèi)采用的光纖介質(zhì)（OGF），采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或星耦連接。MVB介質(zhì)訪問(wèn)控制采用主從方式，由唯一的主控器以定時(shí)輪詢的方式發(fā)送主控幀。總線上其它設(shè)備均為從屬設(shè)備，需要根據(jù)收到的主控幀來(lái)回送從屬幀。它們不能同時(shí)發(fā)送信息。MVB由專用主設(shè)備—總線管理器進(jìn)行管理。管理器是唯一的主設(shè)備。為增加可用性，可能有多個(gè)總線管理器，可能有多個(gè)總線管理器，它們以令牌方式傳遞主設(shè)備控制權(quán)。在列車運(yùn)行時(shí)通信網(wǎng)上傳送的只有過(guò)程數(shù)據(jù)和消息數(shù)據(jù)，這兩種數(shù)據(jù)用周期傳送和非周期傳送來(lái)區(qū)分。周期性和偶發(fā)性數(shù)據(jù)通信共享同一總線。但在各設(shè)備中被分別處理。周期性和偶發(fā)性數(shù)據(jù)發(fā)送由充當(dāng)主節(jié)點(diǎn)的一個(gè)設(shè)備控制圖4—5為MVB周期數(shù)據(jù)傳輸。圖4—5 數(shù)據(jù)傳輸圖 LonWorks網(wǎng)絡(luò) 列車通信網(wǎng)絡(luò)也可以使用LonWorks技術(shù),LonWorks技術(shù)是目前幾種有影響的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)之一。支持雙絞線、電力線、無(wú)線電、紅外線和光纖等多種介質(zhì)，支持總線型、環(huán)型。自由拓?fù)湫投喾N拓?fù)洌瑐鬏斝盘?hào)采用分曼徹斯特編碼；是現(xiàn)有各種現(xiàn)場(chǎng)總線中唯一提供了OSI參考模型中所定義的全部7層服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)，它有配套的節(jié)點(diǎn)，路由器或網(wǎng)關(guān)開(kāi)發(fā)，網(wǎng)絡(luò)調(diào)試、安裝設(shè)備，可以在較高層次上實(shí)施網(wǎng)絡(luò)工程。LonWorks是一個(gè)開(kāi)放的控制網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)技術(shù)，它的特點(diǎn)是具有公平性，對(duì)等性。網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)設(shè)備都可以獨(dú)立接受，傳送和處理網(wǎng)絡(luò)信息。與其他設(shè)備無(wú)關(guān)‘傳輸速率78kbps。LonWorks可以有域子網(wǎng)和節(jié)點(diǎn)3層結(jié)構(gòu)，每個(gè)域可以最多255個(gè)子網(wǎng)。每個(gè)子網(wǎng)可以有127個(gè)節(jié)點(diǎn)。 ARCNET網(wǎng)絡(luò)和CAN總線 ARCNET 網(wǎng)絡(luò)概述ARCNET是一種基于令牌傳遞協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)總線，它最初是美國(guó)Datapoint公司20世紀(jì)70年代末作為辦公自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展起來(lái)的，由于其具有快速性、確定性、可擴(kuò)展性和支持長(zhǎng)距離傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，非常適合過(guò)程實(shí)時(shí)制，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化領(lǐng)域，是一種理想的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。下面介