基于CANopen的輕軌牽引變流器網(wǎng)絡控制系統(tǒng)

梁東升，方 曉

（廣州地鐵運營事業(yè)總部基地 廣東 廣州 510010）

目前，輕軌運輸系統(tǒng)以其舒適、安全、低能耗、承載人數(shù)多等特點受到人們的青睞，成為市內(nèi)交通的主要運輸形式，國內(nèi)許多城市均展開輕軌的建設，其中牽引變流裝置負責為輕軌車輛提供動力并對電機運行情況進行監(jiān)測，是輕軌建設過程中的核心裝置，直接影響著車輛運行的穩(wěn)定性和安全性。網(wǎng)絡控制系統(tǒng)將車輛中不同位置的牽引變流器通過網(wǎng)絡線纜連接起來，形成一個信息交互網(wǎng)絡，完成牽引變流器的運行數(shù)據(jù)通信和監(jiān)測。而輕軌車輛的高可靠性需求對牽引變流器及其控制網(wǎng)絡提出較高的要求[1-3]。

針對輕軌車輛牽引變流器的控制需求，文中采用CANopen作為牽引變流器的控制網(wǎng)絡，充分發(fā)揮CANopen可靠靈活、實時性強的特點，設計了滿足輕軌車輛運行高需求的牽引變流器網(wǎng)絡控制系統(tǒng)[4-5]。

1 輕軌牽引變流器簡介

牽引變流器結(jié)構(gòu)如圖1所示，負責為和牽引控制單元組成，牽引變流器控制電機出力，為車輛提供牽引動力。每個牽引變流器均有一個牽引控制單元對變流器及電機運行狀態(tài)進行監(jiān)測和控制，實現(xiàn)變流器數(shù)字量和模擬量的采集和通信，完成車輛制動控制以及車載設備的保護和故障檢測。

圖1 輕軌牽引變流器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Converter structure of rail traction

2 CANopen協(xié)議概述

CAN（Controller Area Network）是一種支持分布式控制的總線式通信網(wǎng)絡。CANopen協(xié)議是基于CAN總線的應用層協(xié)議，在機械制造、鐵路、車輛、船舶、制藥、食品加工等領域已得到廣泛應用。

CANopen協(xié)議的通信依賴于4種通信對象，分別是負責網(wǎng)絡啟動和管理的網(wǎng)絡管理對象NMT；進行對象字典訪問的服務服務數(shù)據(jù)對象SDO；實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程數(shù)據(jù)對象PDO以及特殊功能/預定義連接集對象。

在CANopen協(xié)議規(guī)范中，通過設備模型對不同功能的設備進行描述達到統(tǒng)一觀察和設計目的。設備模型如圖2所示，由通信單元、對象字典及應用單元組成。

圖2 CANopen設備模型Fig.2 Device model of CANopen

其中，對象字典是CANopen協(xié)議的核心，集合了設備的所有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在CANopen網(wǎng)絡系統(tǒng)中每個節(jié)點都有惟一的對象字典，且結(jié)構(gòu)基本相同，內(nèi)容依據(jù)設備而定，包含描述這個設備網(wǎng)絡行為及其應用對象的所有參數(shù)。對象字典是預先確定的，通過訪問對象字典可以得到各節(jié)點的狀態(tài)，確定網(wǎng)絡的通信模式[6-7]。

3 CANopen網(wǎng)絡控制系統(tǒng)設計

3.1 方案設計

CANopen網(wǎng)絡控制系統(tǒng)主要針對牽引控制單元之間的通信而設計。在CANopen網(wǎng)絡中，為了便于整個網(wǎng)絡的管理，采用主從式的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中存在一個主節(jié)點和多個從節(jié)點，網(wǎng)絡控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。主節(jié)點通過協(xié)議中的NMT對象實現(xiàn)網(wǎng)絡管理，如系統(tǒng)初始化、網(wǎng)絡配置、啟動和停止從節(jié)點，偵測失效節(jié)點等功能，從而可對所有從節(jié)點的工作狀態(tài)進行管理及監(jiān)控。從節(jié)點負責將各節(jié)車輛的牽引運行數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鞴?jié)點，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信和管理。

圖3 CANopen網(wǎng)絡控制系統(tǒng)架構(gòu)Fig.3 Control system architecture of CANopen network

在本文中，網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的設計以6節(jié)列車車廂編組為研究對象，由3個車輛單元構(gòu)成，每個單元包括一節(jié)動車和一節(jié)拖車，每節(jié)動車安裝有牽引變流器。在車頭動車中設置牽引主控單元做為整個網(wǎng)絡的主節(jié)點，構(gòu)成一個一主三從的CANopen網(wǎng)絡控制系統(tǒng)。

3.2 對象字典建立

根據(jù)CANopen協(xié)議規(guī)定，網(wǎng)絡中每個設備節(jié)點均需設計一個對象字典對其參數(shù)進行描述并完成相應的功能[8]。針對3.1中設計的一主三從的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，需要為主節(jié)點和各從節(jié)點分別設計對象字典。根據(jù)對象字典的通用結(jié)構(gòu)和建立規(guī)則，各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信主要以PDO和SDO方式進行。主節(jié)點對3個從節(jié)點進行管理，所以配置3個SDO服務數(shù)據(jù)對象，分別完成對應從節(jié)點的參數(shù)配置，同時主節(jié)點在網(wǎng)絡工作過程中要完成過程數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，所以配置一個過程數(shù)據(jù)對象PDO。主節(jié)點對象字典設計如表1所示。

表1 主節(jié)點對象字典Tab.1 Object dictionary of master node

各從節(jié)點需要配置一個過程數(shù)據(jù)對象PDO和一個服務數(shù)據(jù)對象SDO來響應主節(jié)點的管理并完成通信功能。各從節(jié)點功能相同，所以具有相同的對象字典如表2所示。

表2 從節(jié)點對象字典Tab.2 Object dictionary of slave node

CANopen網(wǎng)絡對象字典的建立有助于更好的進行軟件設計和試驗調(diào)試。在組網(wǎng)過程中，建立好的對象字典將寫成EDS文件的格式導入到主節(jié)點配置軟件，便于主節(jié)點通過對象字典配置所有節(jié)點的參數(shù)。

3.3 通信協(xié)議制定

CANopen網(wǎng)絡按照對象字典中定義的參數(shù)進行數(shù)據(jù)的收發(fā)通信。在收發(fā)過程中，數(shù)據(jù)需按照一定的規(guī)則進行，這個規(guī)則就是通信協(xié)議。本文針對輕軌車輛牽引控制單元之間的通信，主要是主牽引控制單元和各子牽引單元之間的信息交互，包括主牽引單元向子牽引單元發(fā)送以及子牽引單元向主牽引單元發(fā)送數(shù)據(jù)每個方面。這兩方面都需要設計相應的通信協(xié)議規(guī)定數(shù)據(jù)的具體交互形式，包括數(shù)據(jù)名稱、數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)描述等內(nèi)容。表3和表4分別列舉了牽引單元部分數(shù)據(jù)的通信協(xié)議是針對這兩個方面設計的通信協(xié)議。

從上表的通信協(xié)議中可以看到，主牽單元向子牽單元傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要是控制參數(shù)，用于對電機進行矢量控制。子牽單元向主牽單元傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要是車輛設備的運行監(jiān)測參數(shù)，實時反映車輛、變流器、電機等設備的運行情況。

3.4 網(wǎng)絡調(diào)度設計

在CANopen網(wǎng)絡中，數(shù)據(jù)通信采用載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測 （Carrier Sense Multiple Access/Collision Derect，CSMA/CD）和優(yōu)先級仲裁 （Arbitration on Message Priority，AMP）相結(jié)合的媒體訪問機制。網(wǎng)絡中的各設備節(jié)點通過標識符優(yōu)先級的高低競爭網(wǎng)絡信道的使用權。因此，CANopen網(wǎng)絡需要設計一種滿足需求的優(yōu)先級編寫規(guī)則，合理分配各種信息的優(yōu)先級，保證網(wǎng)絡調(diào)度的可行性。CANopen網(wǎng)絡中常用的調(diào)度方式是固定優(yōu)先級調(diào)度，本文同樣采用該調(diào)度方式對信息的優(yōu)先級進行設計[9-10]。

表3 主牽單元向子牽單元數(shù)據(jù)通信協(xié)議Tab.3 Data communication protocol from lord-led unit to sub-led unit

表4 子牽單元向主牽單元數(shù)據(jù)通信協(xié)議Tab.4 Data communication protocol from sub-led unit to lord-led unit

CANopen網(wǎng)絡中優(yōu)先級的高低取決于數(shù)據(jù)對象的標識符，標識符越小優(yōu)先級越高。本文中CANopen數(shù)據(jù)采用標準幀，幀格式如圖4所示。

圖4 CANopen標準幀結(jié)構(gòu)Fig.4 The standard frame structure of CANopen

由圖4可知，標準幀格式下，每個通訊對象由11位標識符組成，其中高4位的功能碼定義通信對象的功能，低7位表示網(wǎng)絡中設備的節(jié)點號，即節(jié)點地址ID。對于一個網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，網(wǎng)絡中設備的節(jié)點ID是確定的，所以重點對高4位的功能碼進行設計。根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)的類型和功能特點，將牽引變流器運行數(shù)據(jù)分為事件控制數(shù)據(jù)、運行控制數(shù)據(jù)及運行監(jiān)測數(shù)據(jù)3類，設計如圖5所示的不同信息功能碼結(jié)構(gòu)，其中事件控制數(shù)據(jù)緊急情況下產(chǎn)生，具有最高的實時性要求，通過設置功能碼最高位為0實現(xiàn)；運行控制數(shù)據(jù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)均屬于周期性產(chǎn)生、傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，但運行控制數(shù)據(jù)用于傳輸網(wǎng)絡控制信息，實時性要高于運行監(jiān)測數(shù)據(jù)。所以，首先通過功能碼最高位設置為1使該兩種數(shù)據(jù)的優(yōu)先級低于事件控制數(shù)據(jù)。其次，設置次高位分別為0和1來保證同等競爭條件下，運行控制數(shù)據(jù)的優(yōu)先級高于運行監(jiān)測數(shù)據(jù)，從而滿足不同的實時性需求。

圖5 CANopen通信對象功能碼結(jié)構(gòu)設計Fig.5 The function code structure design of communication object of CANopen

3.5 CANopen通信程序設計

CANopen網(wǎng)絡控制的通信程序設計流程如圖3.16所示。首先進行主節(jié)點CANopen接口配置。選擇波特率，完成CANopen板卡的初始化，將從節(jié)點添加為網(wǎng)絡節(jié)點。在系統(tǒng)中將各從節(jié)點配置成節(jié)點監(jiān)測狀態(tài)，主節(jié)點通過檢測從節(jié)點發(fā)送的周期性心跳報文（Heartbeat）來判斷各從節(jié)點的工作狀態(tài)。首先上電后，當從節(jié)點處于Pre—operational狀態(tài)時，可以接收主節(jié)點發(fā)送來的SDO報文進行對象字典的配置，操作完畢向主節(jié)點發(fā)送發(fā)送Boot—up報文，通知主節(jié)點已進入Pre—operational狀態(tài)。然后繼續(xù)等待，當接收到主節(jié)點的NMT報文后進入Operational狀態(tài)，此時主、從節(jié)點可以通過PDO報文進行實時數(shù)據(jù)信息交互，主節(jié)點也可以發(fā)送NMT報文改變從節(jié)點的工作狀態(tài)。按照以上流程進行通信實驗，至此本設計實現(xiàn)了基于CANopen協(xié)議的監(jiān)控單元主控系統(tǒng)間的網(wǎng)絡控制。

圖6 CANopen通信程序流程圖Fig.6 The communication program flowchart of CANopen

4 實驗驗證

為了進一步驗證本文設計的CANopen網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的可行性及其通信的正確性，對CANopen網(wǎng)絡控制系統(tǒng)進行了組網(wǎng)測試。測試中主節(jié)點采用Selectron可編程控制器PLC模塊CPU727，從節(jié)點采用DSP28335控制板。主節(jié)點PLC配套軟件CAP1131集成了CANopen組網(wǎng)工具，對網(wǎng)絡節(jié)點、PDO對象參數(shù)、SDO對象參數(shù)、節(jié)點保護參數(shù)等網(wǎng)絡通信關鍵內(nèi)容進行配置，之后便可進行整個網(wǎng)絡的組網(wǎng)實驗。在試驗中，采用CAN分析儀對主節(jié)點及各從節(jié)點運行數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖7所示。從圖中可以清晰看到CANopen網(wǎng)絡中傳輸數(shù)據(jù)的內(nèi)容。通過對比圖中各從節(jié)點和主節(jié)點的監(jiān)測數(shù)據(jù)，可充分說明整個網(wǎng)絡通信的正確性[11]。

圖7 CAN分析儀監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.7 Monitoring data of CAN-analyzer

5 結(jié)束語

文中針對輕軌牽引變流器中運行數(shù)據(jù)的傳輸和控制，設計了基于CANopen協(xié)議的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，通過實際的調(diào)試以及對通信數(shù)據(jù)的監(jiān)測，驗證了該網(wǎng)絡控制系統(tǒng)可充分發(fā)揮其實時可靠的運行特點，滿足輕軌牽引變流器的數(shù)據(jù)傳輸需求。隨著CANopen技術的不斷完善，基于CANopen的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)在輕軌牽引領域?qū)⒂兄鼮閺V闊的應用前景。

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