绪论

一、我国机车控制技术的发展情况

机车控制系统作为机车运行的指挥控制中枢和大脑，根据铁路运输调度指挥命令和司机的操纵，协调和控制机车各种设备有序工作，保障机车安全、高效、经济运行。因此，机车控制技术是机车的核心、关键技术，始终是人们研究、开发的对象。

20世纪中后期，微电子技术、电力电子技术、计算机技术、自动控制技术、通信、网络技术的快速发展，推动了机车、列车控制技术的变革和进步。

我国在这一领域的研究起步较晚。近年来，通过走独立开发与引进国外先进技术相结合的技术研发途径，电力机车和电动车组的控制技术走上了快速发展的道路。从发展过程和技术特点来看，可大致分为四个阶段。

1.有触点模拟控制阶段

这一阶段的特点是以有触点的继电器、接触器控制为主，附之以分立元件和小规模集成电路构成的模拟电子线路进行控制，代表车型包括SS1和早期的SS3、SS4。

我国电力机车控制技术的发展历史可追溯到20世纪60年代末、70年代初，原株洲电力机车研究所的科技人员对SS2型试验用电力机车成功地进行了相控改造，为我国电力机车电传动控制技术的发展奠定了基础。电子控制技术真正用于国产电力机车始于1978年竣工的6轴SS3型电力机车。由于晶闸管应用技术的推广，该车采用了8级调压开关有级转换和级间相控平滑调压的主电路结构，因此电子控制系统相对比较复杂。其主要功能有：

（1）牵引工况恒电枢电流控制，具有最高电机电压限制功能；

（2）制动工况恒励磁电流控制，具有最大制动电流限制功能；

（3）具有超压、二次侧短路、电机过流等保护功能；

（4）具有调压开关进、退级与相控调压有关逻辑联锁、监控及保护电路。

在电路系统设计上，为提高装置的可靠性，采用了A、B两组相同的控制系统，当一组出现故障时，可人工切换至另一组，从而不影响机车运行。这一设计思想为后续各型机车控制系统所借鉴。经过不断地改进、完善，该车型电子控制装置成为技术比较成熟，最早批量装车的第一代产品。

1985年，首台SS4型8轴重载货运电力机车研制成功。该车采用了三段桥绕组不等分四段半控经济桥整流电路。在控制上，通过司机手柄操作方式的不同，可进行恒流控制、恒压控制和恒流、恒压同时给定的双重控制方式。制动工况采用电阻制动恒励磁电流控制。控制系统还设有各种过流保护电路，在后期，机车还加装了防空转防滑行控制装置。由于取消了调压开关，SS4型机车控制线路比SS3型机车简化了许多。从技术上而言，两种控制系统处于同一个水平。由于受电子器件水平的限制，SS3、SS4型电力机车电子控制线路主要采用的是以分立器件为主的模拟电子线路，存在许多不足之处：

（1）电路主要由电阻、电容、二极管、三极管、第一代运放（FC3C、F007等）和数字IC构成，电路板密度低、可靠性较差。

（2）控制功能简单，无特性控制、重联、功率因数补偿等控制功能。

（3）控制精度低，电路中很少用精密电阻、电容进行参数匹配，多采用可调电位器调整，因而电路板互换性差，调整难度大，系统精度仅能达到5％。

（4）系统在抗干扰设计上考虑较少，缺乏电路的高低电位隔离、屏蔽、过电压吸收、滤波等技术措施。

（5）在结构上防尘、防潮、散热效果较差。

（6）标准化程度低。

2.模数混合控制阶段

这一阶段的特点是大量增加了电子控制电路和中大规模集成电路，系统形成电子柜结构。对不同车型的电力机车电子控制装置初步实现了标准化、模块化，从而实现了我国电力机车控制技术的一次更新换代，技术上达到国际80年代初水平。

20世纪80年代我国采用技贸结合的方式从欧洲50Hz集团采购了150台8K型电力机车，其中2台机车在株洲合作生产。株洲电力机车研究所在此期间承担了电子控制装置的合作生产和技术国产化工作，并在此基础上，在“七五”、“八五”期间成功地开发出了SS5、SS6、SS3B、SS4改进型、SS6B、SS7等不同车型的电力机车电子控制装置。这一阶段控制技术的特点是：

（1）电路组成单元主要以LM124、LM139、74HC等新一代数模集成电路为主；

（2）采用国际标准，具有良好的防尘、防潮、防震和电磁屏蔽性能；

（3）在系统设计上，较完整地考虑了电位隔离、滤波等抗干扰措施；

（4）系统电路设计上采用了高精度电流、电压传感器等措施，可保证电路板精度和系统精度；

（5）系统充分考虑了各种控制需要，功能模块齐全，可满足特性控制，防空转滑行控制，功率因数补偿控制，加馈或再生制动控制，重联控制以及各种保护的功能要求；

（6）工艺上采用绕接、压接布线，自动波峰焊接，全自动功能测试等新工艺，提高了产品质量。

3.微机控制阶段

这一阶段的机车控制技术是以微型计算机技术为核心的新一代控制技术。我国电力机车微机控制技术1987年开始起步，并于1991年底首次在SS438号车上装车运行考核。目前已成功地推广应用于SS8准高速客运电力机车、SS4B重载货运电力机车和首次出口伊朗的动车组头车（TM1）。

从机械结构上来看，微机控制装置沿用了第二代控制系统一样的电气柜、插件箱、板三层结构，但增加了司机室诊断显示功能。在系统上采用三级分层结构。

（1）人机对话级

本级由显示屏、键盘及显示控制装置组成。它除具有替代原机车模拟仪表显示机车工况及参数的功能外，还具有日历、时针显示，机车累计运行参数统计，机车轮径设置，故障记录查询，自检项选择和自检结果及参数显示等功能。早期为等离子体显示屏，主CPU为8088，采用汇编语言编程以提高汉字图形方式下的屏幕响应速度，现采用TFT彩色液晶屏，并将显示控制装置与显示屏融为一体，主机为486，PCI总线，并采用C语言编程。

（2）特性控制级

主CPU为80186，采用功能块图形语言编程（FUPLA），以便提高编程效率，便于移植，它担负着机车级机车特性控制及各种保护和诊断功能。

（3）变流器控制级

CPU为8097，采用汇编语言编程以满足脉冲触发部分实时快速的要求。级间通信采用RS485标准，CPU为8031。

经过6年的考核、改进以及1年的批量装车运行表明，电力机车微机控制系统经受住了考验，其优越性已为大多数用户所认可，概括其特点主要有：

①硬件标准化、通用化程度高，不同的特性、参数和控制功能只有在软件上的区别，硬件通用，因而系统的灵活性高。

②可靠性提高。经SS8型电力机车郑武线运行考核表明，微机控制系统平均无故障工作时间（MTBF）近10000h，远远高于以前系统4000h的水平。

③智能化程度高，具有故障诊断、显示、实时监测功能，便于确认系统状态，查找分析故障原因。

④可扩展性高，便于功能的扩展和升级。例如与其他部件或系统（辅助变流器、PLC、制动单元、速度分级控制系统）通过串行通信方式建立联系、交换信息。

4.网络控制阶段

基于通信网络技术的机车控制系统是这一阶段的特点，也代表了机车、列车控制技术的发展方向。

二、网络控制技术的发展状况

随着铁路机车（电动车组，电动列车）控制技术的发展，网络控制技术已经成为新型机车（电动车组，电动列车）的关键技术，在世界范围内得到了越来越广泛的应用。由于铁路运输在不同国家和地区的发展情况有所差别，在网络控制技术上采用了不同的模式和技术途径。

欧洲的铁路运输市场竞争较为充分，用户对机车车辆及其控制技术的要求也较高，同时由于欧盟的形成，客观上对列车及其控制系统的互通、互联提出了更高的要求。TCN（列车通信网络）国际标准就是以Siemens和ADtranz等大公司的原有技术为原型经共同开发后形成的。在国际铁路联盟（UIC）等用户组织的支持下，该技术最终于1999年9月被采纳为列车通信网络国际标准IEC61375-1。另外，国际电工委员会第九技术分会（IEC TC9）还成立了专门的工作组（WG38），完成了IEC TCN网络一致性测试标准（IEC61375-2）的制定工作。近年来，TCN网络技术在欧盟范围内得到了一些控制部件供应商的开发支持，除Siemens，ADtranz外，芬兰的EKE电子公司、意大利的Far-system公司以及捷克的Unicontrol公司都开发出了符合TCN和UIC标准的网关产品，瑞士的Duagon等公司则开发出了基于FPGA的系列MVB网卡和I/O设备，用户可以通过购买网络部件来进行TCN网络控制系统的集成和应用开发。

目前，TCN网络技术的开发和应用主要由Siemens，Bombardier等公司主导，其主要应用在互操作性和控制实时性要求高的国际联运高速机车/动车组、重载以及地铁列车等关键的轨道交通领域。我国也把IEC61375-1国际标准等效采纳为铁路行业标准（列车通信网络标准TB/T 3035—2002）之一，并在SS3B型重联电力机车、HXD1C重载电力机车等项目上推广应用。

日本的铁路运输业十分发达，由于受到地理条件的限制，其网络控制技术模式不同于欧洲，采用了一种适用主义的技术路线。列车总线采用实时的ARCNET令牌环形或梯形网络，而车辆总线则采用基于HDLC的RS485总线，满足了包括新干线高速列车在内的各种列车的控制需求，且具有较高的性价比，我国CRH2型动车组采用此种网络控制技术。

美国铁路运输业有辉煌的过去，而目前主要以重载货运为主，其网络控制技术以实用为原则，采用包括Lon Works，CAN，无线网络等通用或在通用技术基础上的改进技术，也较好地满足了铁路运输的需要。

Lon Works全称为Local Operating Networks（局部操作网络），它是美国Echelon公司开发的一种通用的工业现场总线，经过十多年的应用和改进，目前已经发展到第三代技术和产品。Lon Works在家庭控制网络、半导体制造、智能楼宇、加油站监视与控制以及货运列车制动控制等领域被ANSI，AAR，SEMI，ASHRE，IFSF和IEEE等世界标准化组织认证为各自的行业标准。近年来，Lon Works网络技术在列车控制领域中的应用有了长足的发展。在国外，Lon Works网络已成功应用在车门、辅助电源、照明、供暖和空调等的监视与控制，货车电空联合制动控制（ECP）以及机车的重联控制等领域。在我国，Lon Works网络主要应用在客车电气设备的监视与控制、内燃机车/动车组的重联控制等领域。

此外，在机车（电动车组，电动列车）网络控制方面有一定影响和应用的还有World FIP和CAN。World FIP的前身是FIP（Factory Instrumentation Protocol）现场总线技术，初为法国标准，后经World FIP用户组织推荐于1999年被采纳为现场总线国际标准IEC61158-2，即World FIP。World FIP用户组织目前有100多个成员，经过十多年的应用与改进，World FIP已经是一项完全成熟的技术，具有品种齐全的通信部件、产品和开发工具，在输电、化工、空间技术、汽车制造等领域获得了广泛应用。World FIP在轨道交通领域的应用由Alstom公司主导，并在高速铁路机车/动车组、地铁列车等关键项目上获得了广泛应用。

CAN是由德国Bosch公司在20世纪80年代末提出的控制器局域网（Controller Area Network），最初CAN主要作为汽车上各电子控制装置ECU之间的信息交换网络。1993年，CAN已成为国际标准ISO11898（高速应用）和ISO11519（低速应用）。由于CAN总线具有实时性高、成本低、高的抗噪声性能和灵活性，目前已经在汽车、航空、工业控制、安全防护等领域中得到了广泛应用。

近年来，CAN与CANopen协议在轻轨、地铁、货车等轨道车辆以及车门、空调、倾摆、制动、牵引以及旅客信息等控制子系统中获得了广泛应用。