系统在城轨车辆中的应用

项目11　城市轨道交通车辆微机控制与诊断系统

【项目描述】

城市轨道交通车辆微机控制与诊断系统是城轨车辆的神经系统,由实现功能控制的目标单元和实现信息交换的通信网络组成；能够完成牵引控制的优化,使牵引力实现最大化；能够进行逻辑控制；能为司机提供故障和排除信息提示；还可提供车辆运行的状态信息。

【学习目标】

通过本项目的学习,要求掌握以下基本知识：

1.了解城市轨道交通车辆微机控制与诊断系统的种类及应用。

2.了解西安地铁2号线地铁车辆微机控制与诊断系统构成及功能。

3.了解西安地铁2号线地铁车辆微机控制与诊断系统的技术参数。

【技能目标】

1.能简要说明城市轨道交通车辆微机控制与诊断系统的种类及应用。

2.能简要说明ATI系统的构成及功能。

任务1　城轨车辆微机控制系统的认知

【活动场景】

在城市轨道交通车辆生产或检修车间的微控检测与检修班组进行现场教学,或在能够展示城市轨道交通车辆微机控制及诊断系统的多媒体教室与实训室进行教学。

【任务要求】

1.掌握城市轨道交通车辆微机控制及诊断系统的基础知识。

2.了解ATI系统的组成与功能。

【知识准备】

(1)城市轨道交通车辆微机控制及诊断系统概述

城轨车辆微机控制及诊断系统是基于车辆控制的复杂性需求和人们对于控制的智能化要求,随着计算机技术和控制技术的发展而发展。

①早期的地铁车辆采用传统的110V有接点逻辑电路,通过一系列开关组件的“接通”和“断开”来传递控制与检测信号,通过设在司机室控制按钮实现对列车的控制。其弊端很多,如果某个继电器不能正常工作,将会给车辆直接造成不良影响；如果某个继电器出现故障,列车将不能启动；如果司机不能迅速判断故障所在,将导致列车清客救援,有许多功能不可能实现,或实现起来太过复杂。

②随着人们对城轨车辆运用要求的提高和计算机技术的发展,容量大、速度快、应用可靠的城轨车辆微机控制与诊断系统相继诞生,并迅速地发展起来。这种控制系统,首先在控制策略上应用各种新型的控制方法和手段,使车辆微机控制与诊断系统具有更高的精度和智能化；其次,控制软件的硬件化使控制系统具有更快的响应速度和更高的可靠性；最后,速度快、处理能力强、体积小、容量大的存储器和可编程器件为实现这些功能提供了条件。

③车辆微机控制与诊断系统朝着分布式控制系统的方向发展。车辆微机控制及诊断系统分布式方向发展是车辆微机控制及诊断系统的一种自然趋势,也是提高车辆微机控制与诊断系统可靠性的要求。

④车辆微机控制及诊断系统将逐步融入公共的网络平台,即联入互联网。这是运营部门实现系统闭环控制的必然要求。在系统联网的技术方面比较容易实现,主要的问题在于安全性。作为一个公共交通工具的控制系统,其安全性是第一位的。因此,系统必须具备很好的安全防范性能,系统在受到恶意攻击时应具有“自卫”能力和应急处理措施,从而保证车辆运行安全。

车辆微机控制及诊断系统是多种技术结合的产物,是多学科综合应用的结合体。他运用了电工技术、模拟电子技术、数字电子技术和自动控制技术。车辆微机控制与诊断系统的发展在很大程度上依赖于电子器件和计算机技术的发展。当前计算机控制已进入嵌入式控制和网络控制的时代,相信随着电子技术、自动控制技术和计算机技术的发展,车辆微机控制与诊断系统也会随之发展到一个更新、更高的程度。

目前,我国城轨车辆应用较多的微机控制系统是ATI系统。

(2)ATI系统的认识

1)ATI系统的定义

ATI是车辆通信网络以车辆中央控制单元为核心的一个车辆监控系统。

2)ATI系统的功能

ATI由具有车辆控制级和车辆控制级功能的多台计算机系统和一些专门开发的高处理速度的微机组成。由于可以通过ATI的骨干传输和对设备传输方式收发车上的主要信息,因而可实现控制指令传输、车辆状态显示、异常检测、车上检查等功能。

ATI具有控制指令传输、车辆状态显示、异常检测、车上检查等功能。实现此功能需通过串行传输与其他主要设备进行循环传输。ATI的主干传输为双重系统,当一处发生故障时可通过迂回控制继续进行信息收发,以此确保车辆的冗余性。ATI具有自检功能,可在显示器上操作进行自检,也可将自检结果显示在显示器上。

3)ATI系统的结构

在城轨车辆中的每个带司机室的拖车即Tc车设1个ATI中央局,整列车共有两个ATI中央局。ATI系统的中央局与其他车辆的终端局、中央局进行信息交换,并且也与其他设备进行信息交换。ATI中央局具有自检功能。ATI中央局的CPU采用高效率的32位微处理器,按照与其他设备交换的信息实现诊断功能。

【任务实施】

下面以西安地铁2号线的ATI系统为例,认识ATI系统结构及功能。

(1)西安地铁2号线ATI系统主要设备简介

西安地铁2号线ATI中央局的主要设备均设置在驾驶台的背面等处的地面上,主要考虑减少与驾驶台的配线、方便与计算机的连接。ATI终端局的标准是设置在车底板下,在有VVVF的车中,设置在VVVF箱内,T车的ATI终端局单独设置在车底下部。

1)列车级主要设备

如图11.1和图11.2所示分别为西安地铁2号线的ATI中央控制单元的实物图和西安地铁2号线的ATI终端控制单元的实物图。如图11.3所示为西安地铁2号线的列车设在驾驶室司机台上的显示器。

图11.1　ATI中央控制单元

图11.2　ATI终端控制单元

2)车辆级主要设备

西安地铁2号线ATI系统车辆级的设备通过RS-485串行传输或接点信号主要与电气牵引控制单元；空气制动电气控制单元；列车空调控制单元；列车车门控制单元；列车辅助电源控制单元；列车广播系统；乘客信息显示系统,ATO车载信号设备等进行信息交换。

(2)ATI中央控制单元的主要功能

ATI中央控制单元与其他车辆的终端控制单元、中央控制单元进行信息交换,也与其他设备进行信息交换。ATI中央控制单元的CPU采用高效率的32位微机。按照与其他设备交换的信息实现诊断功能。Tc车(带司机室的头车)设1个ATI中央控制单元。另一端的ATI中央控制单元作为主控单元进行主干传输的管理。各车辆的中央控制单元、终端控制单元收发的数据通过主干传输向其他车辆的中央控制单元、终端控制单元传输。在不影响列车的安全性、冗余性的情况下,尽量通过ATI传输,避免使用导线。列车运行时,通过主控单元端的中央控制单元向其他车辆的终端控制单元、中央控制单元传输控制指令信息。基本上以Tc1端为主控单元,当检测到主控单元故障时,子单元作为主控单元开始工作。中央控制单元、终端控制单元具有自我监视功能,当看门狗定时器工作时自动再次启动。

图11.3　司机台显示器

①ATI中央控制单元的主要功能。ATI中央控制单元具有自检功能,通过主干传输与其他车辆的终端控制单元、中央控制单元进行信息交换；通过RS-485对设备传输,与该车辆的主要设备进行信息交换；异常检测与显示、记录；牵引、制动指令的传输；累计行驶距离的记录；司机台显示器的信息显示；自检功能；通过RS-232C与PC机的接口；RS-485接口通信；故障信息、检查记录、累计信息等记录数据通过便携式测试单元PTU读取。

②ATI可以显示高速断路器的控制、控制辅助逆变器电源负载分配方式(正常与故障状态)、列车自动驾驶(仅负责牵引、制动指令的传输)、乘客信息系统的控制(仅传输当前位置信息、车门状态等必要的信息)、空压机组、空调机组顺序启动的状态信息。

③ATI还可将从司机控制器接收到的牵引、制动指令发送给各车辆的VVVF装置和制动装置。虽然列车控制功能在ATI的功能范围之外,但需要ATI系统列车中央控制单元的牵引、制动控制指令传输到电气牵引控制单元及空气制动微机控制单元,电气牵引控制单元与制动控制单元之间的信息交换不需要经过ATI就可直接进行。

④ATI的车门监视功能。ATI的中央控制单元通过车门控制子系统传送来的车门开/关到位的反馈信息监视列车的车门动作情况,并记录车门故障。在司机室显示器上显示车门状态和车门故障。

⑤ATI的其他管理功能。发送在画面上设定的空调控制模式；向制动系统发送控制指令； ATP模式下对列车广播进行控制。发送ATI上具有的前方信息、当前位置信息；ATP模式下对乘客信息系统进行控制。但可发送ATI上具有的前方信息、当前位置信息。

【效果评价】

评价表

续表

任务2　ATI系统在城轨车辆中的应用

【活动场景】

在城市轨道交通车辆生产或检修车间的微控检测与检修班组进行现场教学,或在能够展示城市轨道交通车辆微机控制与诊断系统的多媒体教室与实训室进行教学。

【任务要求】

能够分析并简要描述城轨ATI的应用,并进行简单的调试工作。

【知识准备】

1)城轨车辆故障诊断和记录功能

ATI可根据从各装置接收到的故障信息进行车辆故障诊断。车辆的中央控制单元设有32bit的微处理器,用于处理故障数据,连接在ATI上的各子系统的控制单元可以诊断到各子系统的最小可更换单元。中央控制单元通过主干传输和监视传输系统接收从各子系统传来的故障信息。ATI系统可对重要的故障信息进行记录,可接收并保存或生成跟踪数据。车辆故障诊断功能包括对故障信息的识别和处理、输出故障信息等。

ATI具有自诊断功能,可以识别主要部分的异常。ATI所记录的事件记录、跟踪数据等可通过中央控制单元的RS-232C端口进行下载。事件故障附带速度、牵引/制动指令等环境数据。通过读取软件将下载的数据还原成可用于分析故障的故障记录表和相关的模拟量/数字量图形,可以在通用PC机(读取PC)上完成。

ATI系统可根据车辆故障对子系统、车辆性能、安全性的影响将故障划分为不同的等级,并在司机室显示屏上显示,同时发出警报提醒司机。车级故障等级可分：1级故障,车辆必须在最近一站停靠、疏散乘客,空车返回基地；2级故障,允许车辆维持完成运行图规定的本次交路后,再返回基地；3级故障,允许车辆完成运行图规定的全天运行交路后,再返回基地等3个级别。子系统的部件故障也可划分为3个等级：轻微故障,不影响部件系统功能的故障；中等故障,限制部件系统功能的故障；严重故障,严重影响系统的故障,系统自动关闭。在子系统部件发生单个故障时,ATI能根据整车辆的故障情况及该子系统部件故障对车辆运营的影响程度,显示事先确定的指引内容。

ATI系统可实时监控行车设备的信息状态,检测并记录发生的故障。当检测到一个故障时,有报警音响并自动将司机显示画面切换到故障信息画面。ATI的故障等时间记录数在1000件之内,以200ms的采样周期保存各种信息,数据的保存时间为6h,取决于所记录的信息内容。信息以滚动方式(FIFO)保存,可通过PC机读取。中央控制单元的事件记录可以反映各车辆的终端控制单元、中央控制单元所收发的信息。可以采用便携式测试单元PTU通过中央控制单元下载故障信息。记录数据包括如下内容：车号；日期和时间；地点及运行区间；车辆控制信息(如,牵引和制动级位等)；车辆速度；接触网电压；故障详细内容等。

2)司机台的显示信息功能

在城轨车辆Tc车司机台设置一台司机显示器,将车辆操作系统、应用软件及故障等数据存储在闪存卡中。显示器的通常模式画面可供司机在内的所有工作人员调试,而维护模式画面仅限于维护人员使用,维护模式有密码保护。司机台显示器包括以下的显示内容：通过ATI的自诊断画面显示主干传输及对设备传输的状态,可识别发生故障的系统；向司机显示列车的基本运行数据、故障与评估、车辆状态信息(包括所有空气制动施加/缓解状态、每辆车的停放制动缓解状态、每个车门开关状态、每个空调状态等)；向维修人员显示故障信息的记录及已定义的环境条件等。

3)城轨车辆监控功能

ATI系统可实现对车辆牵引、制动、广播、空调、门系统的监控功能。ATI具有信息采集、记录和显示功能,用于对车辆主要设备的运行状态和故障进行自动信息采集、记录和显示并兼有对车辆辅助设备的控制功能,可通过便携式测试单元PTU将数据读出和打印。具有出库检查功能,即在车辆出库前,对VVVF、制动、车门等主要装置的基本动作进行自动判断,并显示状态,但部分操作为手动。ATI启动时,系统自动显示在显示器上。具有乘务员业务支持功能、检修作业支持功能和车辆试运行测试功能。准确、高效并具有完备的保护功能和强抗干扰能力。车辆监控系统的监控对象包括VVVF逆变器系统；辅助电源系统；空气制动系统；空调系统；客室电动门；司机室侧门信号；车辆广播设备和乘客信息系统；网压、网流及高速断路器的分/合状态(均由VVVF或SIV等其他设备传送过来)；司机控制器及其他控制信号；紧急报警信号；ATO信号及车载ATP给出的接点信号。

4)状态显示和数据累计及输出功能

具有列车出库状态监测支持功能,车辆出库时可进行车门开闭状态监测、制动功能监测、牵引测试等；具有当前车站自动显示功能；具有累计数据记录功能,可累计并存储运行距离；车辆在牵引时的耗电量；车辆在再生时的再生电量；辅助电源SIV的消耗电量等数据；具有乘车率记录及显示功能,可显示和通过便携式测试单元PTU读出：日期和时间；车站名称；每辆车的乘车率等信息；具有可通过司机显示屏设定编组号、时日等数据的功能；具有列车运行信息记录功能并且可通过便携式测试单元PTU读出,可累计下列数据：1d的运行距离(单位= 10m,可设置)；1d的运行时间(单位=分)；自最后设置起的运行里程(单位=1km)；牵引电量；再生电量；空气压缩机的工作时间；辅助电源电量。

5)具有试运行测试功能

ATI系统可通过司机显示屏的车辆性能测定画面的操作,对下列数据进行测定并记录和显示测试结果,还可通过便携式测试单元PTU读出。

试运行测试功能具有以下两种性能：

①加速性能(起点为主电路开始有电流时),包括平均加速度-1(0～40km/h)和平均加速度-2(0～80km/h)。

②减速性能(起点为制动指令发出时),包括平均减速度；制动初速度(制动指令发出时)；制动距离(单位：m)；制动模式(电制动/空气制动)等。

6)其他辅助功能

其他辅助功能主要表现在以下4个方面：

①具有轨迹跟踪(波形)数据记录功能并可通过便携式测试单元PTU读出。

②具有对车载设备测试和诊断功能。

③具有密码功能。

④具有ATI的控制功能。

【任务实施】

本次任务以西安地铁2号线ATI系统的实际操作设置为例,对ATI系统的功能操作进行学习和实践。

(1)ATI的基本操作模式

1)正常模式

如图11.4所示为西安地铁2号线车辆正常运行时,乘务员使用的画面,车辆正常运行时的数据显示主要有电网电压、牵引/制动级位、VVVF状态、SIV状态、运行方向、乘车率、制动压力、车速等；如图11.5所示是当车辆发生故障时自动转入故障显示画面,主要有车号、故障项目、故障记录、故障种类、故障数量等,还有记录车辆运行状况,显示车门的开/关状态；显示空调或电热器的工作状态；显示空气压缩机的工作状态,具体内容均可用便携式测试单元PTU读出,包括日期、时间、车号以及故障时相关信号的波形等。

【注意】ATI系统在正常情况下,当出现故障时对乘务员提供故障指南。故障指南一定要采用简单明了的方式,尽量少采用较长的文字叙述。文字应采用标准简体中文。具有显示各站到发时间的时刻表显示功能。该数据应事先由PC机生成,保存在中央控制单元内置的CF卡中。

图11.4　运行画面

图11.5　故障画面

2)维修模式

西安地铁2号线的ATI维修模式的内容主要有详细的故障记录；便携式测试单元PTU (PC机)读出并打印故障记录；SIV和控制电源电压检查；空压机工作状态及打风时间检查；某些点空气压力检查；车门开闭状况检查；参数初始化；空调状态显示；滑行、空转模拟测试(但前提是VVVF、制动等装置能够应对)；系统自动测试,显示并记录测试结果,并且可在PC机读出后通过打印机打印测试结果。

3)软件和便携式测试单元PTU软件

ATI系统软件的更新应可通过用便携PC机经由标准连接电缆与RS-232C串口相连来实现。便携式测试单元PTU软件读取ATI记录的PC(PTU)软件主要用于维修的目的,用于车辆功能试验和基本校准。更深一步的功能包括：读取事件记录读取轨迹数据读取车上检查结果读取、变更累计行驶里程。

(2)中央局、终端局开关设置

1)中央局、终端局机架的SW设置

①FTR电路板。请按表11.1设置中央局FTR-1电路板及终端局FRT-2电路板SW1～ SW8的设定值。请按表11.2设置中央局FTR-1电路板及终端局FRT-2电路板SW9的设定值。

表11.1　FTR基板SW1～SW8设定值

表11.2　FTR基板SW9设定值

②MBF电路板。请按表11.3设置中央局MBF电路板SW1的设定值。

表11.3　MBF基板SW1设定值

2)驾驶台显示器的设置

西安地铁2号线列车在开始运用ATI时或转换中央局和终端局机架时,要从驾驶台显示器中进行设置,在其中任何一台驾驶台上设置即可,想要切换到设定画面,需要输入4位保护密码,初始设定值为“0123”,输入初始设定值后,切换到各设定画面上,进行以下设定。

①时钟设置。如图11.6所示是西安地铁2号线的时钟设置画面。具体设置步骤如下：

a.触碰画面右上方的“设置”键,输入维修用密码后,切换为设置菜单画面,请在该画面触碰“时钟设置”键。

b.选择“月日”键,并输入“月日”,再按下画面右下方的“设置”键。

c.选择“时刻”键,并输入“时刻”,再按下画面右下方的“设置”键,即可完成设置。

②编号设置。

如图11.7所示是西安地铁2号线的时钟编号设置画面。具体设置步骤如下：

a.当按下画面右上方的“设置”键(见图11.7),便转换到设置选项单画面,此时,请在该画面按下“编号设置”键。

b.输入编组号,再按下画面右下方的“设置”键,即可完成其设置。

图11.6　时钟设置画面

图11.7　编号设置画面

3)车轮径设置

如图11.8所示是西安地铁2号线的轮径设置画面。具体设置步骤如下：

a.当按下画面右上方的“设置”键(见图11.8),便转换到设置选项单画面,此时,请在该画面中按下“车轮径设置”键。

b.设置各车辆的轮径平均值(4轴之平均)。

【注意】作为初始值设置840mm；设置后使电瓶后备,即使在电源再投入时也仍保持该设置。

图11.8　轮径设置画面

【效果评价】

评价表

项目小结

城市轨道车辆微机控制与诊断系统是基于车辆控制的复杂性需求和人们对于控制的智能化要求,随着计算机技术和控制技术的发展所提供的可能性而逐步发展的。车辆微机控制与诊断系统是多种技术结合的产物,是多学科综合应用的结合体。他运用了电工技术、模拟电子技术、数字电子技术和自动控制技术。车辆微机控制与诊断系统的发展在很大程度上依赖于电子器件和计算机技术的发展。

车辆微机控制与诊断系统是城市轨道车辆的核心部件,它包括以实现各种功能控制为目标的单元、实现车辆控制的车辆控制机和实现信息交换的通信网络。车辆微机控制与诊断系统的主要功能包括实现牵引控制及牵引特新曲线的实现和牵引功能的优化；实现车辆牵引的黏着控制,使车辆在各种运用条件下,都能保持轮轨间的牵引力,并尽可能地使机车运用在轮轨间的牵引力实现最大化；实现关联和电路连接,即逻辑控制功能,以及实现车辆运行过程中的故障信息处理,即进行故障信息的采集、处理、传输、显示和记录,并为司机提供故障现场处理和排除信息提示。车辆微机控制与诊断系统还可以提供车辆运行的状态信息。我国城市轨道交通车辆中应用的微机控制与诊断系统主要有：SIBAS系统、MITRAC系统、AGATE系统、TIS信息系统、DTECS系统、TIMS管理系统、ATI系统,其中DTECS系统是我国自行开发的微机控制系统。

以西安地铁2号线车辆微机控制与诊断系统为例,重点讲述了ATI系统的构成及功能。 ATI系统是车辆通信网络以车辆中央控制单元为核心的一个车辆监控系统。它由具有车辆控制级和车辆控制级功能的多台计算机系统和一些专门开发的高处理速度的微机组成。由于可以通过ATI的骨干传输和对设备传输方式收发车上的主要信息,因而可实现控制指令传输、车辆状态显示、异常检测、车上检查等功能。

复习思考题

1.车辆微机控制与诊断系统的主要功能是什么?

2.我国城市轨道交通车辆中应用的微机控制与诊断系统主要有哪些?

3.ATI系统主要由哪些设备构成?阐述ATI中央控制单元主要功能有哪些?