西門子SIBAS32系統在電力機車上的應用

1 引言

　　sibas 32是德國西門子公司專為鐵路機車動車控制而研制的專用微機控制系統，它的全稱為siemens bahn automatisierungs system (西門子鐵路自動化系統)。sibas 32系統針對驅動裝置控制主要功能的發展遠景來考慮的，因此對系統提出了極苛刻的要求。sibas 32系統是一種高功能通用計算機系統，它通過標準和專用外圍組件可與任意設備相連，基本能夠完成機車動車所有的控制和監控任務。sibas 32系統可根據司機指令和牽引回路狀態以及響應信號進行相應的處理，對各接觸器、繼電器、電磁閥、發光二極管或數碼管、斬波器等發出控制信號。控制單元同時還能夠完成多種監測功能，包括對自身功能的診斷和外部數值的超限監測。當牽引電路在運行中超過預先在程序中設置的上 (或下)限值時，系統將根據故障的嚴重程度做出相應的處理，自動記錄這一故障、產生相應的保護并告知司機。sibas 32系統的最大優點是適用于對各種車輛的控制，不論是相控整流機車、斬波機車還是交流傳動機車都可以在其硬件結構基本不變的情況下，通過簡單地改換相應的控制程序從而實現對機車的控制。

2 sibas 32系統的特點

　　sibas 32系統實現了對hxd1型機車的調節和邏輯控制功能，并且對在試驗或運行中所出現的故障，可以在較短時間內通過人機界面顯示故障并進行相關保護。在機車故障診斷過程中，通過專家2診斷軟件(sibas expert 2)分析導致機車出現故障的軟硬件，提高檢修效率和故障判斷的準確度；并可通過monitor 軟件進行相關信號的檢測與模擬，實時查找故障的發生位置及發生原因，準確無誤的判斷機車發生故障的部件。sibas 32系統具有如下特點：

　　(1) 整個機車控制系統采用大容量信號處理器模塊和專用的軟件功能集成塊以及高集成度電路，保證了機車的可靠運行。

　　(2) sibas 32系統，采用sibas g設計語言，進行邏輯設計與處理。該設計系統支持由輸入、編譯一直到自動編制文件的整個過程，從而得到一個具有統一設計入口和標準的普遍適用系統。因此，設計新型控制系統無需更改大量的硬件設備，僅需修改部分軟件控制邏輯即可達到設計目的。

　　(3) 為了減少傳統的機車車輛布線，設有sibas klip(sks1a、sks1b、sks3)設備(智能外圍設備連接終端)。采用sibas klip，可以迅速地綜合控制指令和信息，僅僅通過一根簡單的雙絞電纜作為傳輸介質，將指令及時準確的傳輸給中央控制單元。sibas klip站由可編程控制裝置(由cpu和simatic存儲器組成)、輸入端口及輸出端口組成。由于它結構結實，拆卸方便，可以自由靈活地布置在機車上。

　　(4) 為了擴大已經設在sibas 32系統的診斷功能，西門子公司開發了sibas專家系統(sibas expert 2)。利用這種專家系統，可以很簡單的利用計算機的輔助功能，對診斷系統存儲的數據及內容進行有效的分析，必要時可以擴展或縮減信息查詢范圍，快速的定位故障所在。

　　(5) 容量越來越大的智能操作和圖象顯示設備，能通過串行總線連接實現大容量的人機通信。hxd1機車使用的是彩色液晶顯示器。通過擴展這種顯示裝置的集成計算機容量，可以利用所有為個人計算機開發的工具對其進行相關的修改與補充；而且其內部操作系統采用windows 32系統，維護起來更方便。

　　(6) 不僅向司機顯示所要求的運行信息，也可顯示故障時應采取的操作。維修保養人員可以利用這個接口得到進一步排除故障的指示；同時可以調用表示要控制或要更換部件的精確空間布置圖樣，并且給出附加的操作指示。

　　由此可見，sibas 32系統將比任何一種機車動車控制系統使用得更加廣泛。

3 sibas 32系統的結構

　　sibas 32 系統結構簡單，采用集散控制模式，由ccu、tcu、mmi和sks1(sks1a、sks1b)、sks3、locotrol等組成，應用于hxd1機車的sibas 32控制框圖如圖1所示。

圖1 hxd1機車控制框圖

　從圖中可以看到，sks1、ccu、tcu等為雙機冗備的。通過列車總線最多可以實現2臺(4節)機車的重聯，通過locotrol可以實現4臺(8節)機車的無線重聯，這樣就為大秦線的萬噸重載運輸提供了可靠的技術保證。

　　3.1 中央控制單元 ccu(central control unit type 3)

　　ccu是整個系統的核心單元，機車的控制、調節和監視由ccu實施和控制。hxd1機車的ccu采用type 3型32位微處理器，由網關gateway、中央處理器cpu、mvb32－4、電源組成，最多可以實現2臺(4節)機車的重聯。ccu采用冗余設計，每節車有2個ccu，一個主ccu，另一個為從ccu，結構功能完全相同，一個故障后另一個可以繼續工作，不影響機車正常運行。

　　ccu的主要功能是為本節機車參數設置存儲、本節機車事件記錄、重聯機車事件顯示、整車通訊檢測、通過rs232接口讀或轉儲數據，并且作為機車中央控制單元系統軟件上載的輸入端口。

　　3.2 牽引控制單元 tcu(traction control unit)

　　tcu是機車牽引的核心控制單元，由中央處理器模塊、存儲器模塊、斬波器控制模塊、數字接口模塊、數字輸入/輸出模塊、模擬接口模塊、控制系統檢測模塊、列車控制信號輸入變換模塊、數字信號輸入轉換模塊、接觸器驅動模塊、igbt觸發模塊、啟動單元等組成。其作用是控制和調節機車牽引、再生制動，從電氣上實現防空轉/滑行保護，并且實現了開閉環控制、速度頻率同步、故障處理與監測等功能。

　　3.3 智能終端接口單元 sks1a、sks1b、sks3(sibas kilp)

　　sks1a、sks1b、sks3為智能外圍設備連接終端，sks1a、sks1b是緊湊設計的數字輸入/輸出接口，專為司機室所用，它把司機控制指令轉化為數字信號，并通過編碼將信號傳輸給ccu；sks3采用分散化輸入/輸出，減少車內所需布線，增加控制和診斷能力。

　　3.4 顯示器 mmi

　　每個司機室都有一個顯示器mmi，內含一個微機處理單元。mmi提供機車信息狀態、故障信息及采取的措施和信息的設定，可以進行中英文轉換，操作系統為windows32系統，用戶界面采用windows圖形界面。mmi通過一個mvb接口與ccu通訊，利用筆記本電腦修改顯示器顯示的時間、機車號及機車的其他參數。

　　3.5 列車通信網絡 tcn(train communication network)

　　列車通信網絡(tcn)包括列車總線(wtb)和多功能車輛總線(mvb)兩部分，采用冗余設計，一路發生故障，數據可以在另一路交換。wtb負責機車a、b兩節間及機車間的外部通訊，而mvb負責單節機車內部的通信。

　　tcn網絡物理層由銅質雙絞線組成，數據傳輸速率1mbit/s。wtb總線長度為850m，mvb總線長達200m。為提高tcn總線系統可靠性，tcn總線采用全系統冗余設計技術。每個列車總線節點有四個接口；每單個總線節點有一個普通接口和冗余接口，每個接口連接上一節點以及下一節點；每根總線電纜從一個節點鋪設至另一節點并在每個總線節點處形成閉環。在總線終端節點，通過網關上的繼電器與匹配電阻相連。

4 sibas 32的圖形化原理設計軟件sibas g

　　sibas 32系統一個最突出的特點就是全圖形設計，sibas g語言作為開發設計工具。它采用簡單的工具就可有效地支持整個設計過程，而且圖形設計顯示在屏幕上。設計師可應用sibas g程序庫的功能集成塊，調用最小的集成塊構成整個裝置的軟件。它用鼠標在其功能圖上定位，通過簡單的輸入和輸出相互配對連接；而集成塊和信號名稱，則根據設計要求由設計師確定。因此，在設計、使用、維修和更改時，用戶不需要具有相關專業知識就可采用這種工具，而且可以象用傳統的方塊圖一樣來進行技術處理。更重要的是，設計師不必考慮與計算機中實際處理程序有關的所有數據的技術條件。sibas 32系統整個功能以幾個不同層次的級來表示和處理：控制程序→功能包→功能組件→圖象電子放大。最低一級是功能集成塊。幾個集成塊可以合成一個功能組件，幾個功能包又由幾個功能組件組成，最后所有功能包構成完整的程序。由于從外到內的展開和圖象電子放大，在采用這個系統工作時，可以直接存取想要變更的子功能。另外，在細微部分可以用最大分辨率處理，而在其他情況下也可選用一目了然的密集表示法。

　　圖形設計可用所需要的代碼在計算機內進行自動編譯過程，并且同時進行檢驗。不過，在功能圖輸入時還不能進行很多的檢查，所以接著要使用一種經檢驗過格式的可運行計算機程序。sibas g的結構采用手工操作，而且完全是針對文件編制設計的，在設計的同時自動地為控制功能提供文件，所以總是利用實時的資料進行工作。這種計算機程序和文獻中文件的持續密度，在質量(它能夠做到什么疏忽也沒有)和耗時(工作資料總是實時資料)方面有重大進步。因此，屏幕顯示與文件顯示完全一致。

　　功能集成塊本身用c程序語言寫入。正是因為應用這種高級語言，使得sibas g本身與目標處理器無關，所以能簡單地更換新型處理器。值得一提的是sibas g生成的程序與處理器有關，并且在變換處理器型號時必須更換。這樣保證將來對硬件也能夠改進，而不必開發風險很大的軟件，更不用增加過多開發費用。

　　從圖2中可以看到：左側為項目列表(7.00版本為48個項目)，中間為詳細列表，右側為詳細的邏輯控制原理圖。從圖中也可以看到，ccu的控制軟件是由相關的信號通過邏輯關系進行控制的，并且通過monitor軟件可以對相關的邏輯進行測試，從而加快判斷故障的速度；亦可通過修改相關的信號進行故障的模擬，以達到故障的再現。由于技術轉讓的原因，關于ccu的軟件設計已經交付給株洲電力機車有限責任公司，本文不在細述。

圖2 sibas g軟件設計界面

5 診斷軟件(sibas expert 2)的應用

　　當機車進入機務段整備場后，檢修人員利用筆記本電腦上的程序sibas expert com 通過rs232端口下載機車a、b節數據，將數據發送到段局域網服務器。這樣，技術人員就可運用sibas expert 2(客戶版)軟件進行分析。sibas expert 2軟件是一個可以在windows 2000，windows xp下運行的32位應用程序，目前不適宜在windows vista上使用。根據中國用戶的要求，西門子已對軟件進行了漢化，使用非常便捷。

　　5.1 診斷軟件的安裝

　　用戶使用西門子提供的cd安裝盤及安裝方法來安裝sibas expert 2程序，由于西門子公司進行技術保密和保護機車設定數據，用戶使用的是客戶版。但是通過技術轉讓及其他技術手段，目前相關的用戶權限已經基本上擁有。雖然軟件的實際功能已經不受相關限制，但是西門子公司對tcu的詳細數據是通過dsp軟件進行下載及分析的，目前中方無相關的軟件，正在試圖研制過程中。

5.2 分析數據、查找故障

　　(1) 分析數據。首先，在程序欄中打開sibas expert 2.exe，單擊將需要診斷的機車數據導入。然后，在sibas expert 2界面下，單擊啟動普通表格，可以看到ccu及tcu發生事件的詳細記錄。如何通過分析ccu、tcu的事件記錄迅速判斷故障位置？下面以hxd1 0077機車b節機車發生的故障為例，探討hxd1機車故障的查找方法。

　　例如：2008年9月5日，hxd1 0077機車多次出現因為tcu原因跳主斷的情況，通過分析下載數據發現，在短短幾秒之內，同時發生了34種故障，因代號為85的“檢測到接地故障”故障最早發生，同時檢測到故障代碼為86“檢測到逆變器接地故障”，于是封鎖了逆變器及tcu2的自動開關發生短時斷開。

　　(2) 查找故障。由于主逆變器的接地檢測是通過中間直流環節電壓傳感器的輸出電壓數字與接地環節電壓傳感器的輸出電壓數字之間的比率進行判斷的，所以根據故障代碼85、86可以判斷出故障可能為以下幾種：

　　確實存在接地故障，即第3、第4電機接地及主逆逆變模塊到第3、第4電機間接線接地；檢測回路出現故障，即接地電阻阻值不正確或接地電壓傳感器故障；判斷回路出現故障，即tcu2的電壓傳感器輸入板(l095)或主逆變器電壓控制及監測板(g019)故障。

　　現場通過測試信號$zfqmd及$tcntqmd信號正常(頻率代碼為3，延時為600)。故判斷tcu硬件沒有問題，也就是說第三種故障類型不存在，測試電機無接地。對調兩節機車的接地電阻及接地電壓傳感器，進行機車高低壓試驗，機車再次出現同一故障。于是故障應為主逆逆變模塊到第3、第4電機接線。通過吊裝輔助變壓器，發現機車第3、4電機接線柱燒損接地，電機接線柱燒損，設備更換后機車運行正常。

6 結束語

　　隨著我國在交流傳動控制技術方面的發展，現場運用單位要不斷的深入研究sibas 32微機控制系統，這樣才能逐步實現國產化，從而達到新技術引進、吸收、消化、再創新的目的。此外，伴隨著我國交流機車的大量運用，現場運用單位將會越來越多的依靠分析軟件來進行分析、處理問題，這對我國的國產機車設計制造具有很好的借鑒作用。