一種輕軌車輛網絡控制系統試驗平臺的製作方法

2023-05-24 11:42:16

專利名稱：一種輕軌車輛網絡控制系統試驗平臺的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種輕軌車輛的試驗裝置，特別是一種輕軌車輛網絡控制系統試驗平臺。
背景技術：
目前世界軌道交通行業進入快速發展時期，為了緩解日益嚴重的交通壓力，同時提高交通運輸的效率，新型的機車、動車組、輕軌車輛、地鐵車輛等軌道車輛在全世界開始廣泛使用。伴隨著軌道交通行業的興起，軌道交通車輛的控制越來越趨向於智能化，傳統的車輛控制方式已經不能滿足新形勢下的技術要求，基於網絡控制的智能軌道車輛開始在全世界的軌道交通行業開始廣泛應用。但是如何針對不同的車輛，開發滿足相關技術要求的安全的車輛控制系統，一直是軌道交通行業控制系統工程師所面臨的問題。在全世界的軌道交通行業中，所使用的網絡控制技術主要包括西門子和龐巴迪等公司推薦的TCN網絡、法國AlMon等公司推薦的WorldFip網絡以及日本三菱等公司推薦的RS485網絡等。這幾種網絡系統都具有多年的應用經驗，較為成熟，尤其是一些世界上著名的大公司，都有非常完善的網絡控制系統試驗平臺，用於對新開發車輛的網絡控制系統進行相關的試驗與驗證。然而，伴隨著汽車工業的飛速發展，作為汽車行業的主要網絡系統的CAN網絡近幾年也進入了蓬勃發展時期，由於汽車行業對成本要求較高，CAN網絡為了適應汽車工業的發展，已經演變成為一種低成本高可靠的網絡。而在軌道交通行業中所使用的TCN、 WorldFip等網絡技術壟斷、軌道交通市場相對汽車行業市場小等原因，一直具有非常高的成本，已經嚴重影響了軌道交通車輛的整體成本。正是在這種情況下，國外一些從事軌道交通網絡研究的公司開始將用於汽車工業的CAN網絡引入軌道交通行業。在原有的CAN網絡基礎上通過對應用層進行一些協議的開發研究，從而研製出一種適合於軌道交通的CAN 網絡。這種應用近幾年已經在國外的項目中得到驗證。在我國軌道交通行業跨越式發展的要求下，這種新型的CAN網絡業進入我國，並開始在國內的一些項目中開始嘗試使用。 但是由於國內還沒有建立起基於這種CAN網絡的控制系統試驗平臺，因此給CAN網絡在國內的應用帶來了很大的障礙，很多智能控制策略必須在車輛製造完成後通過上車調試才能實現，一方面使得車輛調試時間加長，影響車輛的交付周期，同時也給調試帶來了很大的困難，增加了調試的成本，另一方面也影響了 CAN網絡控制系統在我國的快速應用。
發明內容為解決現有技術存在的上述問題，本實用新型要設計一種方便輕軌車調試、縮短調試周期、降低調試費用、易於在國內快速推廣應用的輕軌車輛網絡控制系統試驗平臺。為了實現上述目的，本實用新型的技術方案如下一種輕軌車輛網絡控制系統試驗平臺，包括司機控制臺A、司機控制臺B、控制櫃A、控制櫃B和子系統模擬櫃，所述的司機控制臺A與司機控制臺B結構相同，所述的控制櫃A與控制櫃B結構相同，所述的司機控制臺A、控制櫃A、子系統模擬櫃、控制櫃B和司機控制臺B通過CAN網絡連接；所述的子系統模擬櫃內安裝有多個用來模擬車輛的子系統，各子系統之間通過 CAN網絡依次串聯；所述的多個子系統包括牽引子系統、輔助子系統、制動子系統和車門子系統；所述的司機控制臺A包括顯示單元IDU、司機控制器、司機操作指令按鈕和重聯網關TBC，所述的顯示單元IDU是車輛上的人機接口設備、用來顯示車輛及子系統的運行狀態，並具有車輛診斷功能；所述的司機控制器是車輛中主要的操作設備，司機通過操作司機控制器來控制車輛的運行；所述的重聯網關TBC為用於車輛重聯控制的UIC網關，用來實現在列車重聯時各個車輛之間的信息傳輸；所述的控制櫃A包括車輛控制單元VCU、車輛信號採集單元RI0M、速度信號模擬儀與模擬信號儀，所述的速度信號模擬儀與模擬信號儀產生的信號通過車輛信號採集單元 RIOM採集，同時車輛信號採集單元RIOM還採集司機控制器與司機操作指令按鈕信號，車輛控制單元VCU與車輛信號採集單元RIOM之間通過CAN網絡連接；所述的車輛控制單元VCU 用於實現車輛的所有控制功能，車輛信號採集單元RIOM負責採集車輛及子系統的I/O信號，並向車輛輸出控制指令，速度信號模擬儀用來在實驗室靜態環境下模擬車輛的動態運行情況，模擬信號儀用來產生輕軌車輛中的各種4-20mA的模擬信號源；本實用新型所述的子系統模擬櫃內包括4個子系統，每個子系統具有完全相同的硬體結構，分別用來模擬車輛的牽引子系統、輔助子系統、制動子系統和車門子系統。本實用新型所述的子系統模擬櫃內包括4個以上的子系統，每個子系統具有完全相同的硬體結構，均通過CAN線纜串聯起來，分別用來模擬車輛上4個以上的子系統。本實用新型所述的重聯網關TBC的車輛總線接口 CANopen埠通過CANopen網絡線纜依次與車輛控制單元VCU、顯示單元IDU和車輛信號採集單元RIOM連接，車輛信號採集單元RIOM的CANopen埠通過CANopen網絡線纜與子系統模擬櫃內的幾個子系統的 CANopen埠串聯，所有具有CANopen接口的設備通過CANopen線纜連接，形成CAN網絡； 所述的車輛信號採集單元RIOM還通過電源線和IO信號線分別與司機控制器、司機操作指令按鈕、速度信號模擬儀與模擬信號儀連接。本實用新型所述的車輛控制單元VCU、車輛信號採集單元RIOM以及子系統模擬櫃內的每個子系統所使用的CPU均具有符合IEC61131-3標準的圖形化編程能力和PLC的功能。與現有技術相比，本實用新型具有以下有益效果1、由於本實用新型可以在車輛製造之前或製造期間，就可以進行智能控制系統的試驗與驗證，原來必須要在車輛製造完成後在車上進行的試驗現在可以提前在該試驗平臺完成；同時由於該試驗平臺所提供的調試條件為其他所有子系統全部工作正常，這樣就避免了在車上調試時由於其他子系統的原因影響網絡控制系統的調試，通過該試驗平臺可以極大的縮短車輛網絡控制系統的調試時間，從而縮短主機廠向用戶交付車輛的時間，最終可以實現車輛的提前交付或運營。2、原來必須要在車輛製造完成後在車上進行的試驗，現在可以提前通過本實用新型完成，避免了在車上調試時各個系統之間資源衝突，責任相互推脫的現象，從而可以降低車輛的調試費用。[0017]3、基於CAN網絡的控制系統與TCN及WorldFip等網絡相同相比本來就具有非常大的成本優勢，本實用新型的應用，又可以降低車輛的調試周期及費用，從而最終實現了降低車輛整體成本的效益。4、基於CAN網絡的控制系統具有顯著的成本優勢，通過本實用新型的應用不但可以縮短調試周期，降低車輛成本，更主要的是為基於CAN網絡技術的控制系統提供了一個試驗平臺和研究平臺，有利於CAN網絡系統在我國的推廣應用，從而促進我國軌道交通車輛網絡控制系統的多元化發展。5、本實用新型中在控制櫃A與控制櫃B中分別使用了一個車輛控制單元VCU，這兩個車輛控制單元VCU通過CANopen線纜串聯到CANopen網絡中，通過控制軟體實現冗餘功能。作為CANopen網絡中的主控單元，在正常情況下只有一個車輛控制單元V⑶處於工作狀態，接收所有的控制信號，執行控制邏輯，並將控制指令通過CANopen網絡輸出到其他 CANopen網絡的從設備中(如RIOM、IDU、模擬子系統等)，另一個車輛控制單元VCU處於監聽狀態，接收所有控制信號，也執行控制邏輯，但並不向網絡中發送控制指令，當處於監聽狀態的車輛控制單元VCU檢測到處於運行狀態的車輛控制單元VCU出現故障時，會立刻接替故障的車輛控制單元VCU向CANopen網絡中發送控制指令，從而實現CANopen的網絡的冗餘管理與車輛的冗餘控制功能。6、本實用新型中首次使用的重聯網關TBC具有符合UIC556規範的列車重聯控制功能，當系統試驗的多個車輛通過列車線纜PowerLine連接時，該重聯網關TBC能夠實現列車間的自動編組，初運行功能，在各個列車間相互傳輸控制信息，當PowerLine線纜斷開時該重聯網關TBC又可以實現列車的自動解編功能。7、本實用新型首次使用了模擬速度儀，在實驗室的靜態環境下可以模擬車輛動態運行的狀況。8、本實用新型首次使用了模擬信號儀，用來模擬實際車輛中的載荷傳感器與壓力傳感器等設備，便於實現車輛對模擬信號的採集與處理。9、本實用新型的子系統模擬設備都是供電後通過CAN線纜連接起來即可工作，因此需要增加模擬設備時，只要增加相同的設備並供電，即可。但是由於模擬設備的功能不同，只要更新設備內部的軟體即可。因此，本實用新型具有開放的接口，用戶可以根據實際需求任意的增加或減少模擬子系統的數量，因此該試驗平臺幾乎可以滿足任何輕軌車輛的控制系統試驗。10、本實用新型對於車輛控制單元所有的數字輸出信號通過指示燈來直觀的顯
7J\ ο11、由於本實用新型的車輛控制單元VCU、車輛信號採集單元RIOM以及子系統模擬櫃內的每個子系統所使用的CPU均具有符合IEC61131-3標準的圖形化編程能力和PLC 的功能，方便用戶多對輕軌車輛控制功能的試驗與驗證。

本實用新型共有附圖3張，其中圖1是基於CAN的網絡控制系統試驗平臺結構圖。圖2是基於CAN的網絡控制系統試驗平臺網絡拓撲圖。[0029]圖3是基於CAN的網絡控制系統試驗平臺所有CAN設備之間的網絡連接關係示意圖。圖中1、司機控制臺A，2、控制櫃A，3、子系統模擬櫃，4、控制櫃B，5、司機控制臺B， 11、顯示單元IDU，12、司機控制器，13、司機操作指令按鈕，14、重聯網關TBC，21、車輛控制單元V⑶，22、車輛信號採集單元RI0M，23、速度信號模擬儀，24、模擬信號儀，31、牽引子系統，32、輔助子系統，33、制動子系統，34、車門子系統。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型進行進一步地描述。如圖1-3所示，一種輕軌車輛網絡控制系統試驗平臺，包括司機控制臺Al、司機控制臺B5、控制櫃A2、控制櫃B4和子系統模擬櫃3，所述的司機控制臺Al與司機控制臺B5結構相同，所述的控制櫃A2與控制櫃B4結構相同，所述的司機控制臺Al、控制櫃A2、子系統模擬櫃3、控制櫃B4和司機控制臺B5通過 CAN網絡連接；所述的子系統模擬櫃3內安裝有多個用來模擬車輛的子系統，各子系統之間通過 CAN網絡依次串聯；所述的多個子系統包括牽引子系統31、輔助子系統32、制動子系統33 和車門子系統；34 ；所述的司機控制臺Al包括顯示單元IDU11、司機控制器12、司機操作指令按鈕13 和重聯網關TBC14，所述的顯示單元IDUll是車輛上的人機接口設備、用來顯示車輛及子系統的運行狀態，並具有車輛診斷功能；所述的司機控制器12是車輛中主要的操作設備，司機通過操作司機控制器12來控制車輛的運行；所述的重聯網關TBC14為用於車輛重聯控制的UIC網關，用來實現在列車重聯時各個車輛之間的信息傳輸；所述的控制櫃A2包括車輛控制單元V⑶21、車輛信號採集單元RI0M22、速度信號模擬儀23與模擬信號儀M，所述的速度信號模擬儀23與模擬信號儀M產生的信號通過車輛信號採集單元RI0M22採集，同時車輛信號採集單元RI0M22還採集司機控制器12與司機操作指令按鈕13信號，車輛控制單元V⑶21與車輛信號採集單元RI0M22之間通過CAN 網絡連接；所述的車輛控制單元VCU21用於實現車輛的所有控制功能，車輛信號採集單元 RI0M22負責採集車輛及子系統的I/O信號，並向車輛輸出控制指令，速度信號模擬儀23用來在實驗室靜態環境下模擬車輛的動態運行情況，模擬信號儀M用來產生輕軌車輛中的各種4-20mA的模擬信號源；所述的子系統模擬櫃3內包括4個子系統，每個子系統具有完全相同的硬體結構， 分別用來模擬車輛的牽引子系統31、輔助子系統32、制動子系統33和車門子系統34。所述的重聯網關TBC14的車輛總線接口 CANopen埠通過CANopen網絡線纜依次與車輛控制單元VCU21、顯示單元IDUll和車輛信號採集單元RI0M22連接，車輛信號採集單元RI0M22的CANopen埠通過CANopen網絡線纜與子系統模擬櫃3內的幾個子系統的 CANopen埠串聯，所有具有CANopen接口的設備通過CANopen線纜連接，形成CAN網絡； 所述的車輛信號採集單元RI0M22還通過電源線和IO信號線分別與司機控制器12、司機操作指令按鈕13、速度信號模擬儀23與模擬信號儀M連接。所述的車輛控制單元V⑶21、車輛信號採集單元RI0M22以及子系統模擬櫃3內的每個子系統均具有符合IEC61131-3標準的圖形化編程能力和PLC的功能。[0038]下面結合圖1-3對本實用新型的組成及功能作進一步的描述。1、司機控制臺司機控制臺包括司機控制臺Al與司機控制臺B5，這兩個控制臺在硬體結構上完全相同，因此下面具體描述一個司機控制臺的組成。司機控制臺一般位於車輛的兩端，主要放置了顯示單元IDU11、列車重聯網關 TBC14、司機控制器12以及司機操作指令按鈕13。其中顯示單元IDUll採用PIXY公司的 INC70顯示單元IDUl 1，該顯示單元IDUll具有CAN通訊接口，可以直接接入車輛的CAN網絡中參與通訊；重聯網關TBC14為符合車輛重聯控制的網關模塊，採用SELECTR0L公司的重聯網關TBC 702模塊，通過該模塊可以提供具有符合UIC556規範的列車重聯控制功能； 司機控制器12採用在地鐵輕軌車中使用較多的RTS-220型司機控制器，同時在司機控制臺上布置10個用於司機操作車輛的司機操作指令按鈕13，用來模擬車輛上實際的信號。司機控制臺上所有設備都是採用DC24V直接供電。2、控制櫃控制櫃包括控制櫃A2與控制櫃B4，這兩個控制櫃在硬體結構上完全相同，因此下面具體描述一個控制櫃的組成控制櫃內主要包含車輛控制單元V⑶21、車輛信號採集單元RI0M22、速度模擬儀與模擬信號儀M，其中車輛控制單元VCU21採用SELECTR0L公司的CPU731實現，該控制單元具有符合IEC61131-3標準的圖形化編程能力，具有PLC的功能，同時車輛控制單元VCU21 為CAN網絡中的主控設備，實現對CAN網絡的管理功能。控制櫃A2與控制櫃B4中的車輛控制單元V⑶21互為冗餘的設備，可以滿足軌道車輛對冗餘系統的要求。數據採集單元RIOM 採用SLECTR0L公司的CPTO83模塊，該模塊具有40路DI採集通道、M路DO輸出通道、8路模擬信號採集通道和4路模擬信號輸出通道。該控制櫃內集成了 20個撥碼開關，用來模擬車輛的各種IO信號，每個撥碼開關的含義可以根據具體項目進行定義；該控制櫃內集成了 M路指示燈，用來將控制單元VCU的信號通過CPTO83的DO通道輸出到指示燈，方便查看。 該控制櫃內的速度模擬儀採用SPS-002型號，該速度模擬儀可以模擬產生出DC15V的方波信號，CPTO83通過DI通道採集該方波信號，通過計算該方波頻率從而計算出車輛速度。該控制櫃內還裝有4個4-20mA的模擬信號儀M，該模擬信號儀M可以模擬車輛中實際使用的載荷傳感器與壓力傳感器，這些模擬信號通過CPTO83模塊的AI通道採集。3、子系統模擬櫃3子系統模擬櫃3主要用來模擬車輛中的子系統，包括牽引子系統31、輔助子系統 32、制動子系統33和車門子系統34，這4個子系統的硬體結構相同，都是採用SELECTR0公司的CPU727實現。該CPU727具有符合IEC61131-3標準的圖形化編程功能，用戶可以根據項目實際需求，利用CPU727模擬各個子系統內部的控制功能，通過CPU727可以實現從CAN 網絡中接收數據及向CAN網絡中的車輛控制單元VCU21發送控制指令的。子系統模擬櫃3 內還有子系統設備CPU727安裝位置，試驗過程中可以根據項目需求，任意的增加與減少模擬子系統的數量。4、CAN網絡線纜的連接如圖1-3所示，圖中的兩個重聯網關TBC14分別為CANopen網絡中的兩個終端設備，網絡線纜從司機控制臺Al的重聯網關TBC14出發，依次向下一個設備連接，一直到司機控制臺B5的重聯網關TBC14終止。同時重聯網關TBC14設備具有CAN PowerLine接口，提供從控制系統試驗平臺一端到另一端的列車網絡。
權利要求1.一種輕軌車輛網絡控制系統試驗平臺，其特徵在於包括司機控制臺A(I)、司機控制臺B(5)、控制櫃AO)、控制櫃B(4)和子系統模擬櫃(3)，所述的司機控制臺A(I)與司機控制臺B(5)結構相同，所述的控制櫃A(2)與控制櫃B(4)結構相同，所述的司機控制臺 A(I)、控制櫃AQ)、子系統模擬櫃(3)、控制櫃B(4)和司機控制臺B(5)通過CAN網絡連接；所述的子系統模擬櫃(3)內安裝有多個用來模擬車輛的子系統，各子系統之間通過 CAN網絡依次串聯；所述的多個子系統包括牽引子系統(31)、輔助子系統(32)、制動子系統 (33)和車門子系統(34)；所述的司機控制臺A(I)包括顯示單元IDU(Il)、司機控制器(12)、司機操作指令按鈕 (13)和重聯網關TBC(14)，所述的顯示單元IDU(Il)是車輛上的人機接口設備、用來顯示車輛及子系統的運行狀態，並具有車輛診斷功能；所述的司機控制器(12)是車輛中主要的操作設備，司機通過操作司機控制器(1 來控制車輛的運行；所述的重聯網關TBC(14)為用於車輛重聯控制的UIC網關，用來實現在列車重聯時各個車輛之間的信息傳輸；所述的控制櫃AO)包括車輛控制單元VCW21)、車輛信號採集單元RIOMO^、速度信號模擬儀與模擬信號儀(M)，所述的速度信號模擬儀與模擬信號儀04)產生的信號通過車輛信號採集單元RIOMO^採集，同時車輛信號採集單元RIOMO^還採集司機控制器(1 與司機操作指令按鈕(1 信號，車輛控制單元VCW21)與車輛信號採集單元 RIOM(22)之間通過CAN網絡連接；所述的車輛控制單元VCU Ql)用於實現車輛的所有控制功能，車輛信號採集單元RI0MQ2)負責採集車輛及子系統的I/O信號，並向車輛輸出控制指令，速度信號模擬儀用來在實驗室靜態環境下模擬車輛的動態運行情況，模擬信號儀04)用來產生輕軌車輛中的各種4-20mA的模擬信號源。
2.根據權利要求1所述的一種輕軌車輛網絡控制系統試驗平臺，其特徵在於所述的子系統模擬櫃(3)內包括4個子系統，每個子系統具有完全相同的硬體結構，分別用來模擬車輛的牽引子系統(31)、輔助子系統(32)、制動子系統(33)和車門子系統(34)。
3.根據權利要求1所述的一種輕軌車輛網絡控制系統試驗平臺，其特徵在於所述的子系統模擬櫃(3)內包括4個以上的子系統，每個子系統具有完全相同的硬體結構，均通過 CAN線纜串聯起來，分別用來模擬車輛上4個以上的子系統。
4.根據權利要求1所述的一種輕軌車輛網絡控制系統試驗平臺，其特徵在於所述的重聯網關TBC(14)的車輛總線接口 CANopen埠通過CANopen網絡線纜依次與顯示單元 IDU(Il)、車輛控制單元VCW21)和車輛信號採集單元RIOMO^連接，車輛信號採集單元 RIOM(22)的CANopen埠通過CANopen網絡線纜與子系統模擬櫃(3)內的幾個子系統的 CANopen埠串聯，所有具有CANopen接口的設備通過CANopen線纜連接，形成CAN網絡； 所述的車輛信號採集單元RIOM02)還通過電源線和IO信號線分別與司機控制器(12)、司機操作指令按鈕(13)、速度信號模擬儀與模擬信號儀04)連接。
5.根據權利要求1所述的一種輕軌車輛網絡控制系統試驗平臺，其特徵在於所述的車輛控制單元VCW21)、車輛信號採集單元RI0MQ2)以及子系統模擬櫃(3)內的每個子系統均具有符合IEC61131-3標準的圖形化編程能力和PLC的功能。
專利摘要本實用新型公開了一種輕軌車輛網絡控制系統試驗平臺，包括司機控制臺A、司機控制臺B、控制櫃A、控制櫃B和子系統模擬櫃，所述的司機控制臺A與司機控制臺B結構相同，所述的控制櫃A與控制櫃B結構相同，所述的司機控制臺A、控制櫃A、子系統模擬櫃、控制櫃B和司機控制臺B通過CAN網絡連接。本實用新型可以極大的縮短車輛網絡控制系統的調試時間，從而縮短主機廠向用戶交付車輛的時間，最終可以實現車輛的提前交付或運營。為基於CAN網絡技術的控制系統提供了一個試驗平臺和研究平臺，有利於CAN網絡系統在我國的推廣應用，從而促進我國軌道交通車輛網絡控制系統的多元化發展。
文檔編號G05B23/02GK202049388SQ20102066698
公開日2011年11月23日 申請日期2010年12月17日 優先權日2010年12月17日
發明者任寶兵, 張立斌, 李礫工, 王建強, 趙國平 申請人:中國北車股份有限公司大連電力牽引研發中心