基于地鐵列車LCU之間CAN通信應用和分析

鄭吳富 江 騰 黃凱宇 姜送來 陳秀珍

(南寧軌道交通集團有限責任公司運營分公司 廣西 南寧 530001)

0 引言

隨著地鐵車輛控制技術的發展，最近幾年地鐵無觸點邏輯控制單元(LCU)替代傳統繼電器進行列車控制的方案在地鐵行業內越來越受到認可。地鐵車輛一般采用4編組或者6編組，每編組車采用多臺LCU替代繼電器，每節車LCU通過MVB把各自狀態數據上傳到TCMS網絡[1]。南寧地鐵3號線車輛為6編組，采用的LCU技術方案為：各車LCU之間采用冗余CAN通信，僅在頭車LCU與TCMS之間通過MVB通信。該方案減少LCU占用整車TCMS控制網絡的端口資源，加強整車LCU控制單元之間整體性，能夠最大化利用LCU優勢特點，簡化車輛布線，豐富車輛功能。

1 技術方案分析

1.1 系統方案

南寧地鐵3號線車輛采用6臺LCU，所有車采用3U-B機箱配置；各車廂LCU之間通過CAN網絡進行數據共享；列車級CAN網絡采用冗余設計，由CAN1/CAN2兩路物理及接口上完全獨立的總線組成，實現當任意總線異?；蚪涌谒擅摃r，可保證LCU系統數據正常交互的功能；Tc車LCU承擔MVB通信功能，將整車LCU工作狀態上報至TCMS網絡。整車LCU網絡拓撲圖如圖1所示。

圖1 南寧地鐵3號線車輛整車LCU網絡拓撲

1.2 CAN數據處理

CAN數據傳輸分兩層進行，處理層級如圖2所示。第一層數據傳輸的優先級最高，主要為列車線數據。第二層數據傳輸的優先級較低，主要為故障數據和狀態數據，數據傳輸周期為300 ms。

圖2 CAN通信數據處理層級

1.3 CAN替代列車線可行性分析

在ISO 11898協議規范中，波特率與傳輸距離之間關系如表1所示。

表1 CAN通信波特率與傳輸距離

六節車編組車輛長度約180 m，LCU安裝在電氣柜內部，CAN通信線纜實際長度長于列車長度，粗約220 mm，因此選用250 Kbps以下波特率。再綜合傳輸及時和距離的降額設計，采用125 Kbps波特率，具體分析如下：

(1)125 Kbps的速率， 傳輸一位數據的時間是：0.000 008 s(1/125 Kbps)。

(2)一幀CAN通信擴展幀，共16字節，一幀時間：0.001 024 s(8×16×1/125 Kbps)。

(3)一幀中有8字節代表數據，共有8×8=64位數據，如果列車線硬線信號采用LCU的CAN網絡信號替代，一幀可以滿足64條列車線信號。目前LCU的CAN網絡信號替代的全車列車線信號有升降弓、受電弓監視、HSCB狀態監視、列車占有、列車門控制及狀態采集、零速、允許庫用、牽引制動控制、停放(空氣)制動控制及施加(緩解)等16條，CAN通信單幀可以滿足全部列車線信號要求。

(4)一列車6臺LCU全部傳輸完程列車線數據，則需要6×0.001 024 s=0.006 144 s。

(5)考慮容錯性，一列車6臺LCU 2次全部傳輸完程列車線數據總共需要時間：2×0.006 144 s=0.012 288 s，即12.2 ms。滿足輸入輸出響應時間。

(6)LCU的IO輸入輸出信號響應時間設計為30 ms。

1.4 CAN替代列車線可靠性分析

(1)獨立性

CAN1/CAN2網絡硬件物理層是完全獨立的。LCU內部兩路CAN通信電路設計采用2個接口、2個獨立CAN收發器、2個獨立處理器以及2個獨立供電電源(如圖3所示)，保證整車設備CAN通信在任意單點故障的情況下，不會造成冗余CAN網絡故障或網絡癱瘓[2]。

(2)冗余性

CAN1/CAN2通信收發數據完全一致，沒有主備用之分，LCU設備通過內部對兩路CAN通信數據進行優選處理。保持良好冗余特性。

圖3 LCU CAN獨立性

(3)容錯性

CAN 總線通信采用特別的策略對數據幀進行處理, 包括位填充、數據塊編碼、循環冗余檢驗等，用以提高數據傳輸的準確性。采用非破壞性仲裁機制篩選當前發送節點，提高總線使用效率的同時確?？煽啃訹3]。利用故障界定和總線管理的方式，處理已經出現的故障節點。

2 CAN通信應用優點

(1)簡化列車信號硬線

如圖4所示，傳統硬線列車線一個信號需要兩根①②硬線完成。整車總共16根列車線信號，那么需要32個硬線信號。

而CAN網絡信號則只需要兩個通信線，所有列車線信號通過CAN網絡即可傳輸完成，實現列車線信號網絡化，簡化硬線布線，如圖5所示。

圖4 硬線列車線網絡拓撲

圖5 CAN列車線網絡拓撲

(2)優化TCMS網絡端口資源

從圖4和圖5網絡拓撲可知道，傳統網絡拓撲方式，LCU占用MVB端口6個資源，而LCU之間采用CAN通信后，整車LCU占用MVB端口2個資源，只有原來的1/3。

(3)列車控制功能擴展性

后續車輛新增列車控制功能，按圖4硬線列車線網絡拓撲方案，則需要新增兩條列車硬線，如果原先車輛預留列車硬線不足，則需要新增車端連接器等，增加改造難度和工作量。如果采用LCU CAN通信網絡替代硬線網絡，則不需要增加列車硬線，僅通過修改LCU邏輯軟件就可以實現列車硬線功能，大大簡化改造工作量。

3 現場應用問題分析

3.1 問題簡述

南寧3號線車輛初期現場調試以及試運行過程中，TCMS多次報出類似“TC2車LCU6 CAN2通信故障”和“TC2車LCU6 設備生命信號丟失”，此類閃報1 s故障，隨后故障消失。但LCU設備CAN通信控制功能又正常，不影響列車控制功能。

3.2 數據分析

根據日志記錄數據，發現TC1車、TC2車在故障發生時刻以及之后，均一直在正常進行CAN通信。故判定此次通信故障并非TC2 車LCU CAN2硬件故障，只可能是信號數據受到干擾而導致信號丟失。

3.3 機理分析

(1)TCMS診斷LCU設備生命信號丟失機理

如圖6所示，LCU1和LCU6車同時通過MVB通信上傳LCU1/LCU2/LCU3/LCU4/LCU5/LCU6設備生命信號。當TC1或者TC2車VCU收到LCU上報丟失狀態，則報出故障信息。

圖6 TCMS診斷機理邏輯

(2)LCU設備狀態傳輸過程

如圖7所示，LCU1和LCU6同時接收來自各節車LCU的狀態信息，其中就包括CAN通信故障信息和設備生命信號。

(3)LCU設備生命信號上報處理

LCU1和LCU6判斷其他設備生命信號時間為3 s。通過檢查軟件參數設置，可知CAN通信故障時間為1 s。

圖7 狀態數據傳輸圖

(4)數據分析過程

①LCU應用層MVB任務周期是99 ms，邏輯運算任務周期10 ms：T1=100 ms；

②LCU的故障數據以及狀態數據CAN通信周期延時是300 ms：T2=300 ms；

③TC1 LCU MVB數據通過主控板到MVB的時間是200 ms：T3=200 ms；

④TCMS接受MVB板數據時間：X=256 ms。

單次傳輸需要最大延時時間：T1+T2+T3+X=856 ms；二次傳輸需要最大延時時間：2×(T1+T2+T3+X)=1 712 ms；三次傳輸需要最大延時時間：3×(T1+T2+T3+X)=2 568 ms。

在現場復雜應用環境下，LCU間CAN通信受到不同程度的電磁干擾。那么CAN通信發生周期中斷、丟包、錯包以及延時等現象就存在可能；如果通信故障判斷機制過于靈敏，不設計足夠的濾波時間，就存在應用過程中偶爾上報通信故障和生命信號丟失現象，大大降低系統可靠性。

4 優化以及應用試驗

4.1 優化設計

(1)TCMS診斷機制

如圖8所示，將TC1 VCU和TC2 VCU邏輯由

“或”改成“與”[4]，發揮冗余特性，避免誤報故障，提高可用性。

圖8 TCMS診斷機理邏輯

(2)LCU處理機制

將LCU1和LCU6判斷其他設備生命信號時間從3 s延長設置為8 s，另外CAN通信故障時間設置為3 s，提高抗干擾性能和容錯性能，避免誤報故障。

4.2 優化后試驗結果

針對上述故障，在理論分析計算和邏輯梳理分析、修改優化設計后，經過一年多的現場實際運行跟蹤，列車運行狀態穩定，LCU運行狀態良好，再未出現過類似的問題。驗證了該設計優化的可行性和有效性。

5 結束語

本文對LCU采用雙CAN冗余網絡通信替代列車線信號進行了理論分析，從實際應用效果看，技術革新確實帶來了實際應用優勢。但同時在應用初期，LCU出現CAN通信誤報故障問題，經過深入分析、解決以及驗證確認過程，為后續車輛控制技術提升和新技術引進提供了參考經驗。