神华交流传动电力机车网络控制系统优化研究

2018-02-18吴昌友刘烨轩

装备制造技术 2018年11期

吴昌友，郭亮，钟盛，刘烨轩

（株洲中车时代电气股份有限公司，湖南株洲412001）

0 引言

神华交流机车隶属于HXD1型交流传动电力机车，HXD1型神华八轴机车运用于神华集团，是适用于中国干线铁路重载货运的新型机车[1]，自2011年12月上线运营以来，已逐步成为神华集团运煤的主力军。目前上线运营机车达150余台，运用在神朔铁路、包神铁路、朔黄铁路等铁路干线，各线路的总计运煤总量达万亿吨，产品性能得到用户的一致认可。

但是长期以来，神华号八轴交流机车在朔黄段上线运行后，从2013年6月份开始出现网络不明原因异常中断现象，导致机车自动降弓，对机车运用的稳定性造成不良影响。虽然此前采取的措施取得了比较理想的成效，但在LTE无线重联列车开通，GDTE装置投入使用后，网络干扰问题再次在机车运行中频发导致网络中断，导致机车自动降弓。为了从根本上解决神华八轴机车网络干扰问题，首先解决受电弓硬件故障问题，其次提高网络硬件设备的可靠性，最后从系统的角度必须将目前的网络架构进行优化，避免类似问题的产生。

1 优化分析及思路

1.1 原因分析

自从出现网络不明原因异常中断而导致神华号八轴交流机车降弓现象以后，通过对下载的ERM数据记录进行分析、实验室和现场数据测试以及检测试验中心的一致性试验等有效措施，总结出导致自动降弓的原因为以下几个方面：

（1）控制系统正常保护降弓

通过部件故障确认，为保护部件防止故障进一步扩大，控制系统进行有效的保护，从而产生机车降弓的主要原因有TCU充电超时而导致两个变流器被隔离、电压传感器故障而导致两个变流器被隔离和变流器整流模块故障而导致两个变流器被隔离。

（2）受电弓硬件原因

通过数据分析和检修确认，导致的自动降弓的受电弓硬件原因主要有滑板部分脱落、受电弓滑条掉块、受电弓碳板故障、受电弓滑板中的风管破损等。

（3）MVB网络通信受到干扰

通过数据分析，在机车发生降弓的时间段，ERM记录的网络数据清晰地显示了MVB通信网络受到了严重干扰。发生自动降弓时的事件记录数据解析图中显示的信号出现跳变表明MVB网络通信出现异常，单个或者多个设备故障引起整个网络故障。

因为MVB网络是总线式结构，在任意时刻只允许某个设备独自使用网络（往总线上发送数据），如同时存在多个设备同时发送数据时，发送的波形会进行叠加或导致波形错误，这时网络中的其他设备也无法接收网络上的任何数据。

同时，第三方设备在启动过程中，或重启过程中，会导致网络通信中断或总线存在大量的错帧。主要由于网络中所有的设备共用MVB总线，总线空闲采用偏置电阻来控制总线电平，总线采用端末并联2个120 Ω的电阻进行阻抗匹配。

其中和网络的构架相关的主要原因是MVB网络通信受到干扰，因此必须将目前的网络架构进行优化，避免类似问题的产生。

1.2 优化原则

网络控制系统的构架优化主要基于以下两个原则：

（1）根据设备和信号的冗余分类，保证划分后的网络具有更高的冗余度；

（2）一致性较高的设备在同一网段，第三方设备在同一网段。

1.3 利弊分析

网络控制系统的构架优化的优点主要有以下几点：

（1）提高网络抗干扰能力，确保个别设备的故障不影响整个网络瘫痪，将故障影响降到最低；（2）各网段的电缆总长度远小于原来电缆长度；（3）提高网络冗余度，部分设备故障不影响机车运用；

（4）不明原因的故障可以明确定位；

网络控制系统的构架优化的劣势主要有以下几点：

1）增加成本和安装空间，包括新增设备和电缆以及协调主机厂增加设备安装空间；

2）增加布线长度和布线难度，总体的电缆布线距离变长，电缆多次穿过司机室墙体，由原单一的总线结构变为总线+星型混合结构网络；

3）新增网络设备，增加该设备的故障点。

2 优化方案

2.1 优化方案探索

问题解决和优化方案制定是不断探索的过程。根据原因分析和现场运用的情况，最优方案制定之前，分别采用了三个临时性的处理措施。以下详细介绍优化前的初步处理措施。首先，现场售后人员通过与段方技术科进行沟通和协调，关闭一台机车的CTU电源开关上线运行，该台机车自上线至现场改造前从未出现因网络干扰而导致的自动降弓现象。其次，通过将不同车（一台常出现网络干扰机车和一台从未出现网络干扰的机车）上的GWM模块互换，出现网络干扰而自动降弓的机车多次出现相同现象，另外未出现网络干扰的机车还是从未出现网络干扰。再次，考虑到网络CCU的主权会造成WTB初始化进而出现自动降弓，因而考虑切除一个GWM模块上线运行。出现自动降弓的机车仍然发生与之前相同的故障现象，即MVB网络通信受到干扰而自动降弓。最后，通过中继器形式将MVB网络整体进行分段划分的改造方案，保证了网络系统和机车运用的稳定性。

2.2 网络控制系统简介

网络控制系统（TCMS）作为整车控制系统，通过信号采集模块，采集司机的操作指令、机车各个工况下的状态等信号，经过运算及逻辑处理，给出操作机车各部件的控制指令，并通过MVB总线实现与牵引变流器、空气制动系统、无线重联装置等部件的数据交换。列车处于重联牵引时，主控机车与从控机车之间的数据交换通过绞线式列车总线WTB[2]或者无线重联实现，关联关系如图1所示。

图1 关联关系图

2.3 总体结构描述

网络控制系统采用二层总线结构：列车级和车辆级控制，列车控制级采用绞线式列车总线WTB，车辆控制级采用多功能车辆总线MVB_EMD[3]。由于多功能车辆总线MVB_EMD网段涉及大量设备（其中包含第三方设备），为进一步划分网段，同时在一致性试验未充分验证的前提下，充分的利用总线+星型混合网络结构，最大限度的隔离故障设备，因而提高网络的抗干扰能力，更有效的管理网络。

网络控制系统使用分布式控制技术，即分布采集及执行，中央集中控制与管理的模式[4]。机车网络控制系统硬件由网关模块GWM、事件记录模块EDRM、中继器REP、数字量输入输出模块DXM、数字量输入模块DIM、模拟量输入输出模块AXM和智能显示单元DDU等组成，通过MVB与主变流器控制单元TCU、制动控制单元BCU、列车供电系统ETS和无线重联装置OCE等智能设备进行通信。各单元之间通过MVB_EMD接口完成数据通信，各模块通信接口定义符合IEC61375标准。

2.4 改造方案说明

一套完整神八机车的MVB网络系统共包含21个设备，通过电缆将所有设备串联起来。DXM11到AXM13这四个设备位于司机室中，其它设备均在机械间内。其中HMI安装在司机台上，DXM11、DIM12与AXM13位于司机台下方的柜体中，从ERM到DXM38共11个设备安装低压柜内，OCE与GDTE的机箱位于机械间同一个机柜，CTU安装在信号柜中，TCU1&TCU2和BCU各自具有独立的柜体或机体。

在此方案中，将原本的网络系统划分为两个网段，其中OCE、GDTE和CTU划分于一个网段，其它的网络设备划分于另一个网段，两个网段通过中继单元进行数据透明转发。

单节车的改造量具体如下（一台车的改造量是2套）：

新增一个BCM模块、三根EMD线缆（两根1 m的线缆，一根15 m的线缆）、两个EMD终端（一公一母）以及一个2芯电源插头。