一文帶你看懂西門子SIBAS32系統(tǒng)在電力機(jī)車上的應(yīng)用

1 引言

sibas 32是德國(guó)西門子公司專為鐵路機(jī)車動(dòng)車控制而研制的專用微機(jī)控制系統(tǒng)，它的全稱為siemens bahn automatisierungs system （西門子鐵路自動(dòng)化系統(tǒng)）。sibas 32系統(tǒng)針對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置控制主要功能的發(fā)展遠(yuǎn)景來考慮的，因此對(duì)系統(tǒng)提出了極苛刻的要求。sibas 32系統(tǒng)是一種高功能通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它通過標(biāo)準(zhǔn)和專用外圍組件可與任意設(shè)備相連，基本能夠完成機(jī)車動(dòng)車所有的控制和監(jiān)控任務(wù)。sibas 32系統(tǒng)可根據(jù)司機(jī)指令和牽引回路狀態(tài)以及響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理，對(duì)各接觸器、繼電器、電磁閥、發(fā)光二極管或數(shù)碼管、斬波器等發(fā)出控制信號(hào)。控制單元同時(shí)還能夠完成多種監(jiān)測(cè)功能，包括對(duì)自身功能的診斷和外部數(shù)值的超限監(jiān)測(cè)。當(dāng)牽引電路在運(yùn)行中超過預(yù)先在程序中設(shè)置的上 （或下）限值時(shí)，系統(tǒng)將根據(jù)故障的嚴(yán)重程度做出相應(yīng)的處理，自動(dòng)記錄這一故障、產(chǎn)生相應(yīng)的保護(hù)并告知司機(jī)。sibas 32系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是適用于對(duì)各種車輛的控制，不論是相控整流機(jī)車、斬波機(jī)車還是交流傳動(dòng)機(jī)車都可以在其硬件結(jié)構(gòu)基本不變的情況下，通過簡(jiǎn)單地改換相應(yīng)的控制程序從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車的控制。

2 sibas 32系統(tǒng)的特點(diǎn)

sibas 32系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)hxd1型機(jī)車的調(diào)節(jié)和邏輯控制功能，并且對(duì)在試驗(yàn)或運(yùn)行中所出現(xiàn)的故障，可以在較短時(shí)間內(nèi)通過人機(jī)界面顯示故障并進(jìn)行相關(guān)保護(hù)。在機(jī)車故障診斷過程中，通過專家2診斷軟件（sibas expert 2）分析導(dǎo)致機(jī)車出現(xiàn)故障的軟硬件，提高檢修效率和故障判斷的準(zhǔn)確度；并可通過monitor 軟件進(jìn)行相關(guān)信號(hào)的檢測(cè)與模擬，實(shí)時(shí)查找故障的發(fā)生位置及發(fā)生原因，準(zhǔn)確無誤的判斷機(jī)車發(fā)生故障的部件。sibas 32系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

（1） 整個(gè)機(jī)車控制系統(tǒng)采用大容量信號(hào)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(jī)車的可靠運(yùn)行。

（2） sibas 32系統(tǒng)，采用sibas g設(shè)計(jì)語(yǔ)言，進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)與處理。該設(shè)計(jì)系統(tǒng)支持由輸入、編譯一直到自動(dòng)編制文件的整個(gè)過程，從而得到一個(gè)具有統(tǒng)一設(shè)計(jì)入口和標(biāo)準(zhǔn)的普遍適用系統(tǒng)。因此，設(shè)計(jì)新型控制系統(tǒng)無需更改大量的硬件設(shè)備，僅需修改部分軟件控制邏輯即可達(dá)到設(shè)計(jì)目的。

（3） 為了減少傳統(tǒng)的機(jī)車車輛布線，設(shè)有sibas klip（sks1a、sks1b、sks3）設(shè)備（智能外圍設(shè)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(jiǎn)單的雙絞電纜作為傳輸介質(zhì)，將指令及時(shí)準(zhǔn)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(chǔ)器組成）、輸入端口及輸出端口組成。由于它結(jié)構(gòu)結(jié)實(shí)，拆卸方便，可以自由靈活地布置在機(jī)車上。

（4） 為了擴(kuò)大已經(jīng)設(shè)在sibas 32系統(tǒng)的診斷功能，西門子公司開發(fā)了sibas專家系統(tǒng)（sibas expert 2）。利用這種專家系統(tǒng)，可以很簡(jiǎn)單的利用計(jì)算機(jī)的輔助功能，對(duì)診斷系統(tǒng)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)及內(nèi)容進(jìn)行有效的分析，必要時(shí)可以擴(kuò)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(shè)備，能通過串行總線連接實(shí)現(xiàn)大容量的人機(jī)通信。hxd1機(jī)車使用的是彩色液晶顯示器。通過擴(kuò)展這種顯示裝置的集成計(jì)算機(jī)容量，可以利用所有為個(gè)人計(jì)算機(jī)開發(fā)的工具對(duì)其進(jìn)行相關(guān)的修改與補(bǔ)充；而且其內(nèi)部操作系統(tǒng)采用windows 32系統(tǒng)，維護(hù)起來更方便。

（6） 不僅向司機(jī)顯示所要求的運(yùn)行信息，也可顯示故障時(shí)應(yīng)采取的操作。維修保養(yǎng)人員可以利用這個(gè)接口得到進(jìn)一步排除故障的指示；同時(shí)可以調(diào)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(tǒng)將比任何一種機(jī)車動(dòng)車控制系統(tǒng)使用得更加廣泛。

3 sibas 32系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

sibas 32 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用集散控制模式，由ccu、tcu、mmi和sks1（sks1a、sks1b）、sks3、locotrol等組成，應(yīng)用于hxd1機(jī)車的sibas 32控制框圖如圖1所示。

圖1 hxd1機(jī)車控制框圖

從圖中可以看到，sks1、ccu、tcu等為雙機(jī)冗備的。通過列車總線最多可以實(shí)現(xiàn)2臺(tái)（4節(jié)）機(jī)車的重聯(lián)，通過locotrol可以實(shí)現(xiàn)4臺(tái)（8節(jié)）機(jī)車的無線重聯(lián)，這樣就為大秦線的萬(wàn)噸重載運(yùn)輸提供了可靠的技術(shù)保證。

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

ccu是整個(gè)系統(tǒng)的核心單元，機(jī)車的控制、調(diào)節(jié)和監(jiān)視由ccu實(shí)施和控制。hxd1機(jī)車的ccu采用type 3型32位微處理器，由網(wǎng)關(guān)gateway、中央處理器cpu、mvb32－4、電源組成，最多可以實(shí)現(xiàn)2臺(tái)（4節(jié)）機(jī)車的重聯(lián)。ccu采用冗余設(shè)計(jì)，每節(jié)車有2個(gè)ccu，一個(gè)主ccu，另一個(gè)為從ccu，結(jié)構(gòu)功能完全相同，一個(gè)故障后另一個(gè)可以繼續(xù)工作，不影響機(jī)車正常運(yùn)行。

ccu的主要功能是為本節(jié)機(jī)車參數(shù)設(shè)置存儲(chǔ)、本節(jié)機(jī)車事件記錄、重聯(lián)機(jī)車事件顯示、整車通訊檢測(cè)、通過rs232接口讀或轉(zhuǎn)儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并且作為機(jī)車中央控制單元系統(tǒng)軟件上載的輸入端口。

3.2 牽引控制單元 tcu（traction control unit）

tcu是機(jī)車牽引的核心控制單元，由中央處理器模塊、存儲(chǔ)器模塊、斬波器控制模塊、數(shù)字接口模塊、數(shù)字輸入/輸出模塊、模擬接口模塊、控制系統(tǒng)檢測(cè)模塊、列車控制信號(hào)輸入變換模塊、數(shù)字信號(hào)輸入轉(zhuǎn)換模塊、接觸器驅(qū)動(dòng)模塊、igbt觸發(fā)模塊、啟動(dòng)單元等組成。其作用是控制和調(diào)節(jié)機(jī)車牽引、再生制動(dòng)，從電氣上實(shí)現(xiàn)防空轉(zhuǎn)/滑行保護(hù)，并且實(shí)現(xiàn)了開閉環(huán)控制、速度頻率同步、故障處理與監(jiān)測(cè)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(shè)備連接終端，sks1a、sks1b是緊湊設(shè)計(jì)的數(shù)字輸入/輸出接口，專為司機(jī)室所用，它把司機(jī)控制指令轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并通過編碼將信號(hào)傳輸給ccu；sks3采用分散化輸入/輸出，減少車內(nèi)所需布線，增加控制和診斷能力。

3.4 顯示器 mmi

每個(gè)司機(jī)室都有一個(gè)顯示器mmi，內(nèi)含一個(gè)微機(jī)處理單元。mmi提供機(jī)車信息狀態(tài)、故障信息及采取的措施和信息的設(shè)定，可以進(jìn)行中英文轉(zhuǎn)換，操作系統(tǒng)為windows32系統(tǒng)，用戶界面采用windows圖形界面。mmi通過一個(gè)mvb接口與ccu通訊，利用筆記本電腦修改顯示器顯示的時(shí)間、機(jī)車號(hào)及機(jī)車的其他參數(shù)。

3.5 列車通信網(wǎng)絡(luò) tcn（train communication network）

列車通信網(wǎng)絡(luò)（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(shè)計(jì)，一路發(fā)生故障，數(shù)據(jù)可以在另一路交換。wtb負(fù)責(zé)機(jī)車a、b兩節(jié)間及機(jī)車間的外部通訊，而mvb負(fù)責(zé)單節(jié)機(jī)車內(nèi)部的通信。

tcn網(wǎng)絡(luò)物理層由銅質(zhì)雙絞線組成，數(shù)據(jù)傳輸速率1mbit/s。wtb總線長(zhǎng)度為850m，mvb總線長(zhǎng)達(dá)200m。為提高tcn總線系統(tǒng)可靠性，tcn總線采用全系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)技術(shù)。每個(gè)列車總線節(jié)點(diǎn)有四個(gè)接口；每單個(gè)總線節(jié)點(diǎn)有一個(gè)普通接口和冗余接口，每個(gè)接口連接上一節(jié)點(diǎn)以及下一節(jié)點(diǎn)；每根總線電纜從一個(gè)節(jié)點(diǎn)鋪設(shè)至另一節(jié)點(diǎn)并在每個(gè)總線節(jié)點(diǎn)處形成閉環(huán)。在總線終端節(jié)點(diǎn)，通過網(wǎng)關(guān)上的繼電器與匹配電阻相連。

4 sibas 32的圖形化原理設(shè)計(jì)軟件sibas g

sibas 32系統(tǒng)一個(gè)最突出的特點(diǎn)就是全圖形設(shè)計(jì)，sibas g語(yǔ)言作為開發(fā)設(shè)計(jì)工具。它采用簡(jiǎn)單的工具就可有效地支持整個(gè)設(shè)計(jì)過程，而且圖形設(shè)計(jì)顯示在屏幕上。設(shè)計(jì)師可應(yīng)用sibas g程序庫(kù)的功能集成塊，調(diào)用最小的集成塊構(gòu)成整個(gè)裝置的軟件。它用鼠標(biāo)在其功能圖上定位，通過簡(jiǎn)單的輸入和輸出相互配對(duì)連接；而集成塊和信號(hào)名稱，則根據(jù)設(shè)計(jì)要求由設(shè)計(jì)師確定。因此，在設(shè)計(jì)、使用、維修和更改時(shí)，用戶不需要具有相關(guān)專業(yè)知識(shí)就可采用這種工具，而且可以象用傳統(tǒng)的方塊圖一樣來進(jìn)行技術(shù)處理。更重要的是，設(shè)計(jì)師不必考慮與計(jì)算機(jī)中實(shí)際處理程序有關(guān)的所有數(shù)據(jù)的技術(shù)條件。sibas 32系統(tǒng)整個(gè)功能以幾個(gè)不同層次的級(jí)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(jí)是功能集成塊。幾個(gè)集成塊可以合成一個(gè)功能組件，幾個(gè)功能包又由幾個(gè)功能組件組成，最后所有功能包構(gòu)成完整的程序。由于從外到內(nèi)的展開和圖象電子放大，在采用這個(gè)系統(tǒng)工作時(shí)，可以直接存取想要變更的子功能。另外，在細(xì)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(shè)計(jì)可用所需要的代碼在計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行自動(dòng)編譯過程，并且同時(shí)進(jìn)行檢驗(yàn)。不過，在功能圖輸入時(shí)還不能進(jìn)行很多的檢查，所以接著要使用一種經(jīng)檢驗(yàn)過格式的可運(yùn)行計(jì)算機(jī)程序。sibas g的結(jié)構(gòu)采用手工操作，而且完全是針對(duì)文件編制設(shè)計(jì)的，在設(shè)計(jì)的同時(shí)自動(dòng)地為控制功能提供文件，所以總是利用實(shí)時(shí)的資料進(jìn)行工作。這種計(jì)算機(jī)程序和文獻(xiàn)中文件的持續(xù)密度，在質(zhì)量（它能夠做到什么疏忽也沒有）和耗時(shí)（工作資料總是實(shí)時(shí)資料）方面有重大進(jìn)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(yǔ)言寫入。正是因?yàn)閼?yīng)用這種高級(jí)語(yǔ)言，使得sibas g本身與目標(biāo)處理器無關(guān)，所以能簡(jiǎn)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(guān)，并且在變換處理器型號(hào)時(shí)必須更換。這樣保證將來對(duì)硬件也能夠改進(jìn)，而不必開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)很大的軟件，更不用增加過多開發(fā)費(fèi)用。

從圖2中可以看到：左側(cè)為項(xiàng)目列表（7.00版本為48個(gè)項(xiàng)目），中間為詳細(xì)列表，右側(cè)為詳細(xì)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(guān)的信號(hào)通過邏輯關(guān)系進(jìn)行控制的，并且通過monitor軟件可以對(duì)相關(guān)的邏輯進(jìn)行測(cè)試，從而加快判斷故障的速度；亦可通過修改相關(guān)的信號(hào)進(jìn)行故障的模擬，以達(dá)到故障的再現(xiàn)。由于技術(shù)轉(zhuǎn)讓的原因，關(guān)于ccu的軟件設(shè)計(jì)已經(jīng)交付給株洲電力機(jī)車有限責(zé)任公司，本文不在細(xì)述。

圖2 sibas g軟件設(shè)計(jì)界面

5 診斷軟件（sibas expert 2）的應(yīng)用

當(dāng)機(jī)車進(jìn)入機(jī)務(wù)段整備場(chǎng)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(jī)車a、b節(jié)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到段局域網(wǎng)服務(wù)器。這樣，技術(shù)人員就可運(yùn)用sibas expert 2（客戶版）軟件進(jìn)行分析。sibas expert 2軟件是一個(gè)可以在windows 2000，windows xp下運(yùn)行的32位應(yīng)用程序，目前不適宜在windows vista上使用。根據(jù)中國(guó)用戶的要求，西門子已對(duì)軟件進(jìn)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(jìn)行技術(shù)保密和保護(hù)機(jī)車設(shè)定數(shù)據(jù)，用戶使用的是客戶版。但是通過技術(shù)轉(zhuǎn)讓及其他技術(shù)手段，目前相關(guān)的用戶權(quán)限已經(jīng)基本上擁有。雖然軟件的實(shí)際功能已經(jīng)不受相關(guān)限制，但是西門子公司對(duì)tcu的詳細(xì)數(shù)據(jù)是通過dsp軟件進(jìn)行下載及分析的，目前中方無相關(guān)的軟件，正在試圖研制過程中?！?.2 分析數(shù)據(jù)、查找故障

（1） 分析數(shù)據(jù)。首先，在程序欄中打開sibas expert 2.exe，單擊將需要診斷的機(jī)車數(shù)據(jù)導(dǎo)入。然后，在sibas expert 2界面下，單擊啟動(dòng)普通表格，可以看到ccu及tcu發(fā)生事件的詳細(xì)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(jī)車b節(jié)機(jī)車發(fā)生的故障為例，探討hxd1機(jī)車故障的查找方法。

例如：2008年9月5日，hxd1 0077機(jī)車多次出現(xiàn)因?yàn)閠cu原因跳主斷的情況，通過分析下載數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在短短幾秒之內(nèi)，同時(shí)發(fā)生了34種故障，因代號(hào)為85的“檢測(cè)到接地故障”故障最早發(fā)生，同時(shí)檢測(cè)到故障代碼為86“檢測(cè)到逆變器接地故障”，于是封鎖了逆變器及tcu2的自動(dòng)開關(guān)發(fā)生短時(shí)斷開。

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

確實(shí)存在接地故障，即第3、第4電機(jī)接地及主逆逆變模塊到第3、第4電機(jī)間接線接地；檢測(cè)回路出現(xiàn)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(xiàn)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(jiān)測(cè)板（g019）故障。

現(xiàn)場(chǎng)通過測(cè)試信號(hào)$***qmd及$tcntqmd信號(hào)正常（頻率代碼為3，延時(shí)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(cè)試電機(jī)無接地。對(duì)調(diào)兩節(jié)機(jī)車的接地電阻及接地電壓傳感器，進(jìn)行機(jī)車高低壓試驗(yàn)，機(jī)車再次出現(xiàn)同一故障。于是故障應(yīng)為主逆逆變模塊到第3、第4電機(jī)接線。通過吊裝輔助變壓器，發(fā)現(xiàn)機(jī)車第3、4電機(jī)接線柱燒損接地，電機(jī)接線柱燒損，設(shè)備更換后機(jī)車運(yùn)行正常。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)在交流傳動(dòng)控制技術(shù)方面的發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用單位要不斷的深入研究sibas 32微機(jī)控制系統(tǒng)，這樣才能逐步實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，從而達(dá)到新技術(shù)引進(jìn)、吸收、消化、再創(chuàng)新的目的。此外，伴隨著我國(guó)交流機(jī)車的大量運(yùn)用，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用單位將會(huì)越來越多的依靠分析軟件來進(jìn)行分析、處理問題，這對(duì)我國(guó)的國(guó)產(chǎn)機(jī)車設(shè)計(jì)制造具有很好的借鑒作用。