基于CAN總線的城軌列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

劉文鴻

（中車唐山機(jī)車車輛有限公司海外事業(yè)部 河北省唐山市 064000）

隨著我國軌道交通行業(yè)的快速發(fā)展，城軌列車以其舒適、環(huán)保、低能耗、客運(yùn)量大等優(yōu)點(diǎn)成為解決城市交通擁堵問題的最佳方案，未來發(fā)展空間巨大，具有很高的社會意義。列車控制和管理系統(tǒng)（Train Control and Management System，簡稱：TCMS）作為列車的控制核心，應(yīng)用計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，因此也稱之為列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。目前行業(yè)內(nèi)已確立了使用現(xiàn)場總線作為列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的大方向，CAN總線在數(shù)據(jù)通信方面具有高可靠性、高實(shí)時(shí)性和高協(xié)議靈活性等優(yōu)點(diǎn)，是眾多列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)總線中的佼佼者。

本文基于實(shí)際項(xiàng)目，對基于CAN總線的城軌列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)深入的分析。通過CAN總線在實(shí)際項(xiàng)目中的成功應(yīng)用，闡述了基于CAN總線的列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)構(gòu)建方案，從較為深入的層面對列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進(jìn)行解析，同時(shí)也展示了我國軌道列車制造行業(yè)所取得的驕人成果。

1 列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)構(gòu)建

TCMS框架網(wǎng)絡(luò)采用總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示，由兩級網(wǎng)絡(luò)組成：

（1）車輛級總線：基于CAN總線（ISO 11898），通訊協(xié)議是CANopen協(xié)議，連接TCMS與受控列車子系統(tǒng)電子設(shè)備，進(jìn)行VCU與列車子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。

（2）列車級總線：列車重聯(lián)時(shí)，通過WTB總線在相同的CANopen網(wǎng)絡(luò)之間通訊，列車的網(wǎng)關(guān)控制器負(fù)責(zé)CANopen協(xié)議與WTB協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換。

下面對列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)主要設(shè)備及其功能進(jìn)行介紹：

（1）車輛控制單元（VCU）：作為CAN總線和TCMS的主控制器，VCU管理CAN總線，負(fù)責(zé)TCMS的控制、監(jiān)視、故障診斷、數(shù)據(jù)記錄功能。列車以冗余熱備的形式配置兩臺VCU。

（2）WTB/CAN網(wǎng)關(guān)控制器（GW）：負(fù)責(zé)WTB總線協(xié)議與CANopen協(xié)議之間變換。使兩列重聯(lián)車組TCMS之間能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。每列車配置一臺網(wǎng)關(guān)控制器。

（3）人機(jī)界面（HMI）：是駕駛司機(jī)與TCMS之間的可視化界面。顯示列車運(yùn)行狀態(tài)和故障信息，以幫助司機(jī)駕駛列車。

（4）遠(yuǎn)程輸入/輸出模塊（RIOM）：從列車線環(huán)路和列車子系統(tǒng)獲取硬線信號，將VCU指令傳輸給列車子系統(tǒng)。列車的每個(gè)車輛單元配置一臺RIOM。

（5）以太網(wǎng)（Ethernet）：用于VCU和HMI間的數(shù)據(jù)交換，通訊協(xié)議是Modbus over TCP/IP。

（6）列車線環(huán)路：是DC24V電氣環(huán)路，包含列車線和電氣控制設(shè)備，為列車重要功能發(fā)送列車線控制和監(jiān)視信號。當(dāng)列車TCMS失效，駕駛司機(jī)可通過列車線環(huán)路操控列車。

（7）列車子系統(tǒng)：列車子系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成其特定功能，受TCMS統(tǒng)一管理和調(diào)度，完成列車的全部操作。主要包括：受電弓、高速斷路器、牽引系統(tǒng)（CC400）、輔助供電系統(tǒng)、制動系統(tǒng)（EBCU）、門系統(tǒng)（EDCU）、旅客信息系統(tǒng)（PIS）、空調(diào)系統(tǒng)（HVAC）、照明系統(tǒng)、火警系統(tǒng)（FAS）等。

2 列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的用途

管理和調(diào)度列車子系統(tǒng)完成列車運(yùn)行控制，對列車子系統(tǒng)以及列車全部運(yùn)行過程進(jìn)行監(jiān)視、故障診斷、數(shù)據(jù)記錄，通過人機(jī)界面進(jìn)行顯示。實(shí)現(xiàn)駕駛司機(jī)對列車的操控，為檢修維護(hù)人員提供故障日志、數(shù)據(jù)記錄、在線測試以及在線監(jiān)視功能，幫助其完成車輛檢修作業(yè)。

人機(jī)界面主要包括運(yùn)行界面、故障診斷界面。運(yùn)行界面顯示列車的運(yùn)行信息，比如：列車速度、限速提示、司機(jī)控制器檔位、主斷路器位置、各個(gè)列車子系統(tǒng)運(yùn)行、通訊以及隔離狀態(tài)。駕駛司機(jī)也可通過HMI的觸屏功能進(jìn)行列車操控。故障診斷界面則顯示故障信息，以及在故障發(fā)生時(shí)，為駕駛司機(jī)提供處置建議。

TCMS使用總線網(wǎng)絡(luò)控制列車的優(yōu)點(diǎn)是可減少列車電氣接線的數(shù)量，而且使用軟件進(jìn)行控制和監(jiān)視可提供更好的靈活性。

提供常規(guī)駕駛模式和降級駕駛模式：常規(guī)駕駛模式下，TCMS負(fù)責(zé)管理列車運(yùn)行控制，TCMS收集司機(jī)指令，進(jìn)行處理后，發(fā)送給相關(guān)子系統(tǒng)。假定TCMS崩潰失效了，列車將切換成降級模式，列車完全憑借列車硬線環(huán)路進(jìn)行運(yùn)行控制。相關(guān)子系統(tǒng)通過列車硬線信號讀取司機(jī)操控指令，此時(shí)列車限速駕駛。

3 智能故障診斷功能

VCU將從列車子系統(tǒng)收集的故障數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理、分類、記錄。在故障發(fā)生時(shí)，環(huán)境數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)記錄在故障信息中，比如故障發(fā)生時(shí)的列車速度、高壓、駕駛模式、相關(guān)設(shè)備的狀況，幫助維護(hù)人員快速發(fā)現(xiàn)并維修故障。故障信息存儲到VCU的SD卡，維護(hù)人員通過VCU的USB或以太網(wǎng)端口下載故障信息，可使用工具軟件進(jìn)行離線分析。

每個(gè)故障信息包括：唯一的故障代碼、故障描述、故障類別、故障等級、發(fā)生故障的車輛號、發(fā)生故障的設(shè)備、故障發(fā)生時(shí)間結(jié)束時(shí)間、環(huán)境數(shù)據(jù)。依據(jù)用戶的需求，可以通過配置軟件建立包括環(huán)境數(shù)據(jù)的精確故障信息。下面以TCMS對受電弓子系統(tǒng)的故障診斷為例進(jìn)行解析。

受電弓設(shè)置在拖車（T車），駕駛司機(jī)手動操作司機(jī)操作臺上的受電弓控制開關(guān)完成升弓操作，通過列車線環(huán)路完成控制。MC車為有司機(jī)室的動車，TCMS通過MC車占用司機(jī)室的RIOM監(jiān)視升受電弓命令信號、降受電弓命令信號，通過T車的RIOM監(jiān)視受電弓升弓列車線狀態(tài)信號、受電弓降弓列車線狀態(tài)信號、受電弓升到位反饋信號、受電弓降到位反饋信號。

列車有高壓，沒有受電弓升到位反饋故障診斷：VCU判斷高速斷路器已閉合、列車有高壓電接入、庫用電源未連接這三個(gè)條件全部為真，與邏輯輸出結(jié)果為真。再判斷受電弓升到位條件為假，異或邏輯輸出結(jié)果為真，進(jìn)而診斷此故障，如圖2所示。VCU進(jìn)行故障記錄，在HMI的故障信息界面顯示。

圖1：TCMS總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

4 TCMS控制功能分析

依據(jù)列車對各子系統(tǒng)控制管理需求的不同，TCMS對列車的控制管理十分靈活而且可靠。TCMS對于受電弓、高速斷路器等系統(tǒng)，只使用列車線環(huán)路進(jìn)行控制，對于牽引、制動、輔助供電、車門、空調(diào)等系統(tǒng)，則需要使用CAN總線和列車線環(huán)路相結(jié)合的方法進(jìn)行控制，而對于旅客信息、火警等系統(tǒng)，則只使用CAN總線進(jìn)行控制。下面就TCMS對于列車牽引、輔助供電子系統(tǒng)的控制管理進(jìn)行解析：

4.1 牽引系統(tǒng)控制

牽引檔位指令發(fā)出：駕駛司機(jī)通過司機(jī)控制器手柄提供牽引檔位指令。當(dāng)手柄至牽引檔位時(shí)，即發(fā)出牽引指令，牽引列車線激活。VCU通過MC車RIOM監(jiān)視牽引列車線狀態(tài)，確定列車是否處于牽引狀態(tài)。牽引檔位一般有7級可調(diào)。牽引檔位指令通過三條二進(jìn)制列車線編碼，VCU通過MC車RIOM收集這些列車線信號，進(jìn)行譯碼和處理后通過CAN總線發(fā)送給牽引子系統(tǒng)牽引變流器的TCU，TCU是牽引變流器的控制單元，負(fù)責(zé)CAN總線通訊、接收列車線信號。在降級模式中TCMS失效，牽引變流器通過TCU列車線接收牽引指令，保持運(yùn)轉(zhuǎn)。

電機(jī)牽引逆變器啟動控制：列車升起受電弓且主斷路器閉合后，TCMS通過CAN總線向牽引變流器發(fā)送牽引逆變器啟動授權(quán)，牽引逆變器集成于牽引變流器，負(fù)責(zé)驅(qū)動電機(jī)。TCU告知VCU牽引逆變器的直流鏈路已做好預(yù)充電準(zhǔn)備，然后VCU命令TCU進(jìn)行直流鏈路預(yù)充電。當(dāng)司機(jī)控制器發(fā)出牽引指令，VCU首先檢測牽引安全環(huán)路列車線激活，然后通過CAN總線命令TCU進(jìn)行電機(jī)磁化。全部電機(jī)磁化完成后，牽引逆變器啟動程序完成。在降級模式下，TCU通過檢測牽引變流器線電壓，進(jìn)行牽引逆變器啟動控制。

牽引轉(zhuǎn)矩計(jì)算：VCU通過司機(jī)控制器手柄發(fā)出的牽引指令計(jì)算得到電機(jī)轉(zhuǎn)矩需求值，通過CAN總線將電機(jī)轉(zhuǎn)矩需求值發(fā)送給每臺牽引變流器，進(jìn)而驅(qū)動電機(jī)。在降級模式下，TCU通過牽引檔位編碼列車線信號計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)矩需求值。VCU通過CAN總線向TCU發(fā)送列車基準(zhǔn)速度。TCU利用列車基準(zhǔn)速度完成電機(jī)控制。在降級模式下，TCU通過牽引系統(tǒng)的速度傳感器獲取列車速度值。

4.2 輔助供電系統(tǒng)控制解析

列車有兩臺輔助變流器設(shè)置在MC車向交流負(fù)載提供380V交流電，輔助變流器集成于牽引變流器，如圖3所示。正常情況下，只有一臺輔助變流器向列車交流負(fù)載供電。如果當(dāng)前輔助變流器發(fā)生故障，另一臺MC車的輔助變流器將被接通為列車交流負(fù)載供電。

TCMS通過RIOM輸出模塊閉合輔助變流器輸出接觸器，控制輔助變流器投入供電。VCU通過軟件連鎖可實(shí)現(xiàn)依據(jù)奇偶日期開閉輸出接觸器，以防止兩個(gè)接觸器同時(shí)閉合。TCMS通過本地RIOM監(jiān)視輸出接觸器閉合狀態(tài)，在HMI進(jìn)行顯示。

圖2：故障診斷邏輯

圖3：輔助供電系統(tǒng)

在司機(jī)控制臺設(shè)有交流供電選擇開關(guān)，通過列車線環(huán)路實(shí)現(xiàn)輔助變流器輸出接觸器手動控制，駕駛司機(jī)可以選擇閉合任意一個(gè)輸出接觸器。正常情況下，當(dāng)TCMS控制輔助變流器輸出接觸器時(shí)，其通過MC車RIOM輸出連鎖禁止手動控制。降級駕駛模式時(shí)，MC車RIOM的輸出連鎖被解除，可確保輸出接觸器的手動控制。

5 總結(jié)

在此項(xiàng)目列車投入運(yùn)營維護(hù)期間，單列車行駛總里程平均超30萬公里，日行駛里程平均超400公里。對單列車進(jìn)行RAM可靠性評估，本文提到的基于CAN總線列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，有著MDBF（平均故障間隔里程）為12萬公里、MTBF（平均故障間隔時(shí)間）為4700小時(shí)和25萬公里0故障的高可靠性記錄，可謂是運(yùn)行穩(wěn)定可靠性高，完全滿足用戶要求，得到高度評價(jià)。