SS4B型電力機車網絡控制系統改造方案設計與實現

劉鸞，吳昌友，姚曉東

（株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南株洲412001）

SS4B型電力機車網絡控制系統改造方案設計與實現

劉鸞，吳昌友，姚曉東

（株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南株洲412001）

針對SS4B型電力機車網絡控制系統改造后，邏輯控制單元MVB網卡板頻繁通信故障的問題，提出了一種在原有網絡控制系統中添加RCM模塊，替代原有MVB網卡板實現RS485總線數據與MVB總線數據間轉換功能的方法。

RCM；網絡控制系統；改造設計

SS4B型電力機車是國產重載直流電力機車的典型代表，也是國內功率最大的重載貨運直流電力機車。雖然直流電力機車正在被交流傳動電力機車所取代，但SS4B型電力機車依舊在干線重載運輸中，特別是大秦線、朔黃線等萬噸重載運輸中發揮著重要的作用。但由于運營時間長，SS4B型電力機車面臨元器件停產、老化，故障率較高，故障定位困難，擴展能力差，人機交互不友好等問題[1]。為此，中國神華神朔鐵路分公司聯合株洲中車時代電氣股份有限公司立項對SS4B型電力機車進行網絡控制系統改造升級。

改造車試運行后，發現邏輯控制單元（LCU）的MVB網卡板頻繁出現通信故障，導致保護程序頻繁啟動，甚至燒毀電阻和部件的情況。為解決此問題，本文采用獨立RS485通信轉換的模塊RCM，來替換MVB網卡板實現數據轉換的功能。

1　SS4B網絡控制系統

SS4B網絡控制系統系統，如圖1所示，由中央控制單元CCU（AB組），牽引控制單元TCU（AB組），邏輯控制單元LCU1、LCU2，智能顯示單元IDU，轉換裝置，以太網交換機構成。系統內部通過三種接口（MVB接口、WTB接口、以太網接口）的互聯，構成網絡系統。

圖1　原有網絡控制系統關聯關系圖

其中，邏輯控制單元LCU采用RS485總線通信，而CCU、CTM、TCU等均采用MVB總線通信，故LCU與其它設備間通信，需要對數據格式進行轉化。在原有網絡控制系統中，采用在LCU內添加MVB網卡板來實現這一功能。

2　原有網絡控制系統存在的問題

原有系統MVB網卡板由于干擾頻繁出現通信故障通信中斷，導致系統啟動相應的保護程序，而護程序頻繁啟動和停止，最終導致電阻燒毀，模塊故障，機車不能正常運行等問題。

3　網絡控制系統改進方案設計

為解決這一問題，提出使用RS485數據轉化模塊RCM來替代MVB網卡板實現上述數據轉換功能。

3.1硬件改造方案設計

RCM模塊主要提供RS485和MVB通信轉換接口的功能，無需改變CCU程序；具有MVB ESD+、CAN2.0、RS232、RS485及以太網通信接口，通信穩定；且采用3U獨立模塊設計，封裝在IP42且具有散熱、抗振和EMC功能的機械結構中，安裝性能優良[2]。

經實地考察確定，邏輯控制單元（LCU2）所在機柜左側，留有部分空余，足夠安裝RCM模塊；MVB總線布線改造較為簡單；RCM模塊本身具有良好的散熱功能，完全滿足數據轉換的功能需求及安裝需求，因此考慮在此安裝RCM模塊。

改進后的網絡控制系統拓撲圖及CCU與LCU通信關系如圖2所示。

圖2　改造后的網絡控制系統關聯關系

3.2RCM程序需求分析

RCM程序需要包括以下幾個基本功能：

（1）程序初始化功能：配置波特率，校驗方法，通道，數據包長度等。

（2）接收并應答功能：RS485總線是半雙工通信，因此RCM需作為從設備，具有接收LCU發送的數據并應答的功能。

（3）數據轉換功能：RS485數據與MVB數據類型轉換的功能，將RS485數據解析并重新封裝成MVB數據發送給CCU；將MVB數據解析后發送給LCU的功能。

（4）自主診斷功能：能夠判CCU、LCU通信中斷、數據錯誤、校驗錯誤等問題，并提示故障的功能。

（5）故障記錄功能：診斷出相應問題后，對通信中斷周期、校驗和錯誤、內部故障等分類計數的功能。

（6）極端情況恢復功能：在極端情況下，恢復正常通信的功能。

（7）校驗和計算和驗證功能：計算和驗證校驗和的功能。

4　網絡控制系統改進方案實現

4.1硬件改造實現

在每節車LCU2所在機柜的左側，安裝RCM模塊，去除邏輯控制單元中的MVB網卡版，將MVB總線連接至RCM，將RCM通道1、2分別連接LCU1、2，用RCM模塊來替代原有MVB網卡版實現數據轉換的功能[3]。如圖3所示。

圖3　RCM模塊安裝

4.2RCM程序邏輯

RCM程序主要分為三個部分：

（1）程序初始化。

（2）RCM接收RS485數據，解析打包為MVB數據后轉發至CCU.

（3）RCM接收CCU發送的MVB數據，響應LCU1/LCU2的發送請求，解析并與接收到的LCU1/ LCU2部分數據一起，打包為RS485數據轉發LCU2/ LCU1.

4.3RCM程序初始化

RCM程序初始化功能包括配置波特率、校驗方式、通信通道、數據長度、清空緩沖區、設置輪詢周期等。RCM接收數據的周期為5 ms；數據長度不超過25字節。

4.4RS485MVB

程序以5 ms為一周期接收RS485總線數據，執行過程如下：

（1）程序初始化，已在上一節介紹。

（2）接收RS485數據，分離出數據。

（3）RCM向CCU發送生命信號。

（4）判斷幀頭是否正確，如果連續500 ms幀頭均不正確意味著RCM與LCU通信中斷，需向顯示器反饋“內部故障”。為排除數據接收偏移導致的極端情況，對不正確的情況進行鎖存，超過5個周期則清空緩存并解除鎖存保障程序不會因始終得不到正確的幀而鎖死。

（5）校驗和計算，若校驗和不為0，說明數據傳輸過程中出現錯誤或數據接收不完全，數據信息不可信，返回1）重新接收數據。

（6）完整幀判斷，同時滿足幀頭正確，校驗和為0，幀尾不為0，則認為已收到完整的正確的數據幀，幀內數據可信。若不為完整幀返回1）重新接收數據

（7）緩存數據，由于RCM輪詢周期為5 ms，遠小于LCU發送周期100 ms，且通信數據有25個字節，需要至少3個周期才能接收完全，因此，需要對接收到的正確數據進行緩存，以區別于臨時的非正確數據。

（8）LCU生命信號判斷，此功能是為了判斷LCU斷電和通信中斷的情況，若連續400 ms內生命信號不變，則認為LCU已斷電，報出LCU內部故障；若連續600 ms內生命信號不變，則認為緩存數據已過期，不可信，將所有數據清零。

（9）將緩存的正確數據轉發至CCU.

（10）接收LCU數據成功后，作為從設備，應向LCU反饋數據，發送功能將在下一節詳細介紹。如圖4所示。

圖4　RCM接收RS485數據并轉換為MVB數據程序邏輯

4.5MVBRS485

RCM已正確接收來自LCU1/LCU2的幀后，須向發送方反饋信息，反饋的幀包括部分MVB數據及部分LCU2/LCU1的數據。該功能塊的執行過程如下：

（1）判斷CCU生命信號，如果CCU生命信號超過500 ms不變，說明CCU已斷電，LCU會啟動相應的保護措施。

（2）組織數據，發送數據包括部分MVB數據，部分來自另一個LCU的數據。

（3）計算校驗位，計算方法為所有數據求和后取反再加1，保證所有數據與校驗和相加為0.

（4）判斷是否滿足發送條件，發送條件有：已正確接收到LCU發送來的數據；CCU通信正常即MVB數據可信；已延遲一個周期即滿足發送間隔要求。

（5）清除接收緩沖區，為保障RCM在下一周期接收到正確數據，需清空緩沖區，讓下一周期的RS485幀頭在緩沖區的開始處。

（6）滿足以上所有條件后，可以向LCU發送響應數據。如圖5所示。

圖5　RCM接收MVB數據并轉化為RS485數據程序邏輯

5　實現結果與應用前景

經網絡控制系統改造后的SS4B型電力機車，可以實現原有SS4B型電力機車的全部功能，解決了原有網絡控制系統通信故障的問題。

經現場驗證，機車運行過程中未出現丟幀、校驗和錯誤、通信中斷等問題，改造車正在神木段試運行，試運行期間運行平穩，未反饋故障。

目前，僅神木機務段就有SS4B型電力機車一百余臺，日后均需要進行網絡控制系統改造。本文在SS4B型電力機車網絡控制系統改造方案的基礎上，對LCU與CCU的數據轉換所做的修改，可以直接應用到后續的網絡控制系統改造方案之中。

[1]姚曉東.SS4B機車網絡控制系統方案設計說明書[Z].株洲：株洲南車時代電氣股份有限公司，2013.

[2]RCM硬件使用說明書[Z].株洲：株洲南車時代電氣股份有限公司，2010.

[3]陳冬.《RCM模塊用戶手冊[Z].株洲：株洲南車時代電氣股份有限公司，2010.

Lmproved Design and Implement of Type SS4B Electric Locomotive’s Network Control System

LIU Luan，WU Chang-you，YAO Xiao-dong
（Zhuzhou Zhongche Era Electrical Limited by Share Co.，Ltd.，Zhuzhou Hunan 412001，China）

According to the network control system in SS4B electric locomotive after the transformation，the logic control unit MVB card board frequent communication fault problem，proposes a RCM module is added in the original network control system，to replace the original MVB card board realization method to convert RS485 data bus and MVB bus data.

RCM；network control system；improvement design

U264

A

1672-545X（2016）10-0028-03

2016-07-29

劉鸞（1988-），女，吉林人，碩士，助理工程師，研究方向為機車網絡控制。