緒論

一、我國機車控制技術的發展情況

機車控制系統作為機車運行的指揮控制中樞和大腦，根據鐵路運輸調度指揮命令和司機的操縱，協調和控制機車各種設備有序工作，保障機車安全、高效、經濟運行。因此，機車控制技術是機車的核心、關鍵技術，始終是人們研究、開發的對象。

20世紀中后期，微電子技術、電力電子技術、計算機技術、自動控制技術、通信、網絡技術的快速發展，推動了機車、列車控制技術的變革和進步。

我國在這一領域的研究起步較晚。近年來，通過走獨立開發與引進國外先進技術相結合的技術研發途徑，電力機車和電動車組的控制技術走上了快速發展的道路。從發展過程和技術特點來看，可大致分為四個階段。

1.有觸點模擬控制階段

這一階段的特點是以有觸點的繼電器、接觸器控制為主，附之以分立元件和小規模集成電路構成的模擬電子線路進行控制，代表車型包括SS1和早期的SS3、SS4。

我國電力機車控制技術的發展歷史可追溯到20世紀60年代末、70年代初，原株洲電力機車研究所的科技人員對SS2型試驗用電力機車成功地進行了相控改造，為我國電力機車電傳動控制技術的發展奠定了基礎。電子控制技術真正用于國產電力機車始于1978年竣工的6軸SS3型電力機車。由于晶閘管應用技術的推廣，該車采用了8級調壓開關有級轉換和級間相控平滑調壓的主電路結構，因此電子控制系統相對比較復雜。其主要功能有：

（1）牽引工況恒電樞電流控制，具有最高電機電壓限制功能；

（2）制動工況恒勵磁電流控制，具有最大制動電流限制功能；

（3）具有超壓、二次側短路、電機過流等保護功能；

（4）具有調壓開關進、退級與相控調壓有關邏輯聯鎖、監控及保護電路。

在電路系統設計上，為提高裝置的可靠性，采用了A、B兩組相同的控制系統，當一組出現故障時，可人工切換至另一組，從而不影響機車運行。這一設計思想為后續各型機車控制系統所借鑒。經過不斷地改進、完善，該車型電子控制裝置成為技術比較成熟，最早批量裝車的第一代產品。

1985年，首臺SS4型8軸重載貨運電力機車研制成功。該車采用了三段橋繞組不等分四段半控經濟橋整流電路。在控制上，通過司機手柄操作方式的不同，可進行恒流控制、恒壓控制和恒流、恒壓同時給定的雙重控制方式。制動工況采用電阻制動恒勵磁電流控制。控制系統還設有各種過流保護電路，在后期，機車還加裝了防空轉防滑行控制裝置。由于取消了調壓開關，SS4型機車控制線路比SS3型機車簡化了許多。從技術上而言，兩種控制系統處于同一個水平。由于受電子器件水平的限制，SS3、SS4型電力機車電子控制線路主要采用的是以分立器件為主的模擬電子線路，存在許多不足之處：

（1）電路主要由電阻、電容、二極管、三極管、第一代運放（FC3C、F007等）和數字IC構成，電路板密度低、可靠性較差。

（2）控制功能簡單，無特性控制、重聯、功率因數補償等控制功能。

（3）控制精度低，電路中很少用精密電阻、電容進行參數匹配，多采用可調電位器調整，因而電路板互換性差，調整難度大，系統精度僅能達到5％。

（4）系統在抗干擾設計上考慮較少，缺乏電路的高低電位隔離、屏蔽、過電壓吸收、濾波等技術措施。

（5）在結構上防塵、防潮、散熱效果較差。

（6）標準化程度低。

2.模數混合控制階段

這一階段的特點是大量增加了電子控制電路和中大規模集成電路，系統形成電子柜結構。對不同車型的電力機車電子控制裝置初步實現了標準化、模塊化，從而實現了我國電力機車控制技術的一次更新換代，技術上達到國際80年代初水平。

20世紀80年代我國采用技貿結合的方式從歐洲50Hz集團采購了150臺8K型電力機車，其中2臺機車在株洲合作生產。株洲電力機車研究所在此期間承擔了電子控制裝置的合作生產和技術國產化工作，并在此基礎上，在“七五”、“八五”期間成功地開發出了SS5、SS6、SS3B、SS4改進型、SS6B、SS7等不同車型的電力機車電子控制裝置。這一階段控制技術的特點是：

（1）電路組成單元主要以LM124、LM139、74HC等新一代數模集成電路為主；

（2）采用國際標準，具有良好的防塵、防潮、防震和電磁屏蔽性能；

（3）在系統設計上，較完整地考慮了電位隔離、濾波等抗干擾措施；

（4）系統電路設計上采用了高精度電流、電壓傳感器等措施，可保證電路板精度和系統精度；

（5）系統充分考慮了各種控制需要，功能模塊齊全，可滿足特性控制，防空轉滑行控制，功率因數補償控制，加饋或再生制動控制，重聯控制以及各種保護的功能要求；

（6）工藝上采用繞接、壓接布線，自動波峰焊接，全自動功能測試等新工藝，提高了產品質量。

3.微機控制階段

這一階段的機車控制技術是以微型計算機技術為核心的新一代控制技術。我國電力機車微機控制技術1987年開始起步，并于1991年底首次在SS438號車上裝車運行考核。目前已成功地推廣應用于SS8準高速客運電力機車、SS4B重載貨運電力機車和首次出口伊朗的動車組頭車（TM1）。

從機械結構上來看，微機控制裝置沿用了第二代控制系統一樣的電氣柜、插件箱、板三層結構，但增加了司機室診斷顯示功能。在系統上采用三級分層結構。

（1）人機對話級

本級由顯示屏、鍵盤及顯示控制裝置組成。它除具有替代原機車模擬儀表顯示機車工況及參數的功能外，還具有日歷、時針顯示，機車累計運行參數統計，機車輪徑設置，故障記錄查詢，自檢項選擇和自檢結果及參數顯示等功能。早期為等離子體顯示屏，主CPU為8088，采用匯編語言編程以提高漢字圖形方式下的屏幕響應速度，現采用TFT彩色液晶屏，并將顯示控制裝置與顯示屏融為一體，主機為486，PCI總線，并采用C語言編程。

（2）特性控制級

主CPU為80186，采用功能塊圖形語言編程（FUPLA），以便提高編程效率，便于移植，它擔負著機車級機車特性控制及各種保護和診斷功能。

（3）變流器控制級

CPU為8097，采用匯編語言編程以滿足脈沖觸發部分實時快速的要求。級間通信采用RS485標準，CPU為8031。

經過6年的考核、改進以及1年的批量裝車運行表明，電力機車微機控制系統經受住了考驗，其優越性已為大多數用戶所認可，概括其特點主要有：

①硬件標準化、通用化程度高，不同的特性、參數和控制功能只有在軟件上的區別，硬件通用，因而系統的靈活性高。

②可靠性提高。經SS8型電力機車鄭武線運行考核表明，微機控制系統平均無故障工作時間（MTBF）近10000h，遠遠高于以前系統4000h的水平。

③智能化程度高，具有故障診斷、顯示、實時監測功能，便于確認系統狀態，查找分析故障原因。

④可擴展性高，便于功能的擴展和升級。例如與其他部件或系統（輔助變流器、PLC、制動單元、速度分級控制系統）通過串行通信方式建立聯系、交換信息。

4.網絡控制階段

基于通信網絡技術的機車控制系統是這一階段的特點，也代表了機車、列車控制技術的發展方向。

二、網絡控制技術的發展狀況

隨著鐵路機車（電動車組，電動列車）控制技術的發展，網絡控制技術已經成為新型機車（電動車組，電動列車）的關鍵技術，在世界范圍內得到了越來越廣泛的應用。由于鐵路運輸在不同國家和地區的發展情況有所差別，在網絡控制技術上采用了不同的模式和技術途徑。

歐洲的鐵路運輸市場競爭較為充分，用戶對機車車輛及其控制技術的要求也較高，同時由于歐盟的形成，客觀上對列車及其控制系統的互通、互聯提出了更高的要求。TCN（列車通信網絡）國際標準就是以Siemens和ADtranz等大公司的原有技術為原型經共同開發后形成的。在國際鐵路聯盟（UIC）等用戶組織的支持下，該技術最終于1999年9月被采納為列車通信網絡國際標準IEC61375-1。另外，國際電工委員會第九技術分會（IEC TC9）還成立了專門的工作組（WG38），完成了IEC TCN網絡一致性測試標準（IEC61375-2）的制定工作。近年來，TCN網絡技術在歐盟范圍內得到了一些控制部件供應商的開發支持，除Siemens，ADtranz外，芬蘭的EKE電子公司、意大利的Far-system公司以及捷克的Unicontrol公司都開發出了符合TCN和UIC標準的網關產品，瑞士的Duagon等公司則開發出了基于FPGA的系列MVB網卡和I/O設備，用戶可以通過購買網絡部件來進行TCN網絡控制系統的集成和應用開發。

目前，TCN網絡技術的開發和應用主要由Siemens，Bombardier等公司主導，其主要應用在互操作性和控制實時性要求高的國際聯運高速機車/動車組、重載以及地鐵列車等關鍵的軌道交通領域。我國也把IEC61375-1國際標準等效采納為鐵路行業標準（列車通信網絡標準TB/T 3035—2002）之一，并在SS3B型重聯電力機車、HXD1C重載電力機車等項目上推廣應用。

日本的鐵路運輸業十分發達，由于受到地理條件的限制，其網絡控制技術模式不同于歐洲，采用了一種適用主義的技術路線。列車總線采用實時的ARCNET令牌環形或梯形網絡，而車輛總線則采用基于HDLC的RS485總線，滿足了包括新干線高速列車在內的各種列車的控制需求，且具有較高的性價比，我國CRH2型動車組采用此種網絡控制技術。

美國鐵路運輸業有輝煌的過去，而目前主要以重載貨運為主，其網絡控制技術以實用為原則，采用包括Lon Works，CAN，無線網絡等通用或在通用技術基礎上的改進技術，也較好地滿足了鐵路運輸的需要。

Lon Works全稱為Local Operating Networks（局部操作網絡），它是美國Echelon公司開發的一種通用的工業現場總線，經過十多年的應用和改進，目前已經發展到第三代技術和產品。Lon Works在家庭控制網絡、半導體制造、智能樓宇、加油站監視與控制以及貨運列車制動控制等領域被ANSI，AAR，SEMI，ASHRE，IFSF和IEEE等世界標準化組織認證為各自的行業標準。近年來，Lon Works網絡技術在列車控制領域中的應用有了長足的發展。在國外，Lon Works網絡已成功應用在車門、輔助電源、照明、供暖和空調等的監視與控制，貨車電空聯合制動控制（ECP）以及機車的重聯控制等領域。在我國，Lon Works網絡主要應用在客車電氣設備的監視與控制、內燃機車/動車組的重聯控制等領域。

此外，在機車（電動車組，電動列車）網絡控制方面有一定影響和應用的還有World FIP和CAN。World FIP的前身是FIP（Factory Instrumentation Protocol）現場總線技術，初為法國標準，后經World FIP用戶組織推薦于1999年被采納為現場總線國際標準IEC61158-2，即World FIP。World FIP用戶組織目前有100多個成員，經過十多年的應用與改進，World FIP已經是一項完全成熟的技術，具有品種齊全的通信部件、產品和開發工具，在輸電、化工、空間技術、汽車制造等領域獲得了廣泛應用。World FIP在軌道交通領域的應用由Alstom公司主導，并在高速鐵路機車/動車組、地鐵列車等關鍵項目上獲得了廣泛應用。

CAN是由德國Bosch公司在20世紀80年代末提出的控制器局域網（Controller Area Network），最初CAN主要作為汽車上各電子控制裝置ECU之間的信息交換網絡。1993年，CAN已成為國際標準ISO11898（高速應用）和ISO11519（低速應用）。由于CAN總線具有實時性高、成本低、高的抗噪聲性能和靈活性，目前已經在汽車、航空、工業控制、安全防護等領域中得到了廣泛應用。

近年來，CAN與CANopen協議在輕軌、地鐵、貨車等軌道車輛以及車門、空調、傾擺、制動、牽引以及旅客信息等控制子系統中獲得了廣泛應用。