基于ECN的內(nèi)燃機(jī)車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

張彭，劉艷龍，黃品忠

（中車大連電力牽引研發(fā)中心有限公司，遼寧大連，116052）

0 引言

目前，擔(dān)當(dāng)國內(nèi)干線貨運(yùn)牽引任務(wù)的內(nèi)燃機(jī)車以直流傳動(dòng)為主，大部分機(jī)車已經(jīng)進(jìn)入報(bào)廢期或者產(chǎn)品壽命后期，存在機(jī)車排放較高、經(jīng)濟(jì)性差、維保工作量大等問題。

從2005年開始研制技術(shù)引進(jìn)的交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車，共計(jì)生產(chǎn)1066臺(tái)，交流傳動(dòng)具有的牽引力大、恒功控制范圍廣的特點(diǎn)受到用戶歡迎。

根據(jù)國家的鐵路發(fā)展規(guī)劃要求和用戶的需求，目前國內(nèi)鐵路市場上急需新一代的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的交流傳動(dòng)貨運(yùn)內(nèi)燃機(jī)車，是DF4D、DF8B等直流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車的升級(jí)換代產(chǎn)品。

該交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車首次采用編組以太網(wǎng)ECN作為車輛通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)單純的以太網(wǎng)控車，各網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備全部采用冗余配置，充分保證該車的高冗余性、高可靠性。

1 系統(tǒng)組成

該車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(TCMS，Train Control and Monitoring System)采用列車級(jí)總線WTB(Wire Train Bus)及車輛級(jí)總線以太網(wǎng)進(jìn)行控車，取代了以往TCN(Train Communication Network)網(wǎng) 絡(luò) 中 的MVB(Multifunction Vehicle Bus)總 線，各終端設(shè)備符合IEC61375-3-4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的通信規(guī)范，整個(gè)以太網(wǎng)編組網(wǎng)絡(luò)采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，列車級(jí)網(wǎng)絡(luò)采用WTB總線，用于兩臺(tái)機(jī)車之間的列車級(jí)控制指令、故障信息等數(shù)據(jù)的傳送及動(dòng)態(tài)編組的實(shí)現(xiàn)。實(shí)時(shí)以太網(wǎng)不僅大大提高了整車通信的實(shí)時(shí)性，還可以滿足海量數(shù)據(jù)通信，對(duì)比采用MVB通信的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)平臺(tái)，有了明顯的改進(jìn)和提升。

TCMS網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D

TCMS主要包括2個(gè)中央控制單元CCU(Central Control Unit)，2個(gè) 重 聯(lián) 網(wǎng) 關(guān)GW(Gateway)，其 中CCU和GW集成在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，2個(gè)機(jī)箱硬件相同相互冗余，6個(gè)遠(yuǎn)程輸入輸出單元RIOM(Remote Input & Output Module)，1個(gè)數(shù)據(jù)記錄單元ERM(Event Record Modem)，其他設(shè)備顯示單元DDU(Driver Display Unit)、牽引控制單元、勵(lì)磁控制單元等由其他廠商提供。

1.1 中央控制單元機(jī)箱

中央控制單元機(jī)箱為3U42TE結(jié)構(gòu)，由電源板、CCU板、CPU板和WTB板組成。

圖2 中央控制單元機(jī)箱

CCU板卡實(shí)現(xiàn)車輛級(jí)控制、列車級(jí)控制及設(shè)備通信狀態(tài)的診斷、故障診斷等功能。該車裝有2個(gè)中央控制單元機(jī)箱，2個(gè)CCU處于熱備冗余狀態(tài)，當(dāng)主CCU故障時(shí)，從CCU立即升級(jí)為主，使機(jī)車運(yùn)行不受影響或?qū)虬踩?/p>

重聯(lián)網(wǎng)關(guān)由CPU板與WTB板組成，實(shí)現(xiàn)WTB協(xié)議與TRDP協(xié)議的轉(zhuǎn)換。當(dāng)機(jī)車重聯(lián)編組發(fā)生改變時(shí)，網(wǎng)關(guān)會(huì)初運(yùn)行，自動(dòng)計(jì)算出編組中各節(jié)點(diǎn)的地址和節(jié)點(diǎn)方向，且能相互轉(zhuǎn)發(fā)和接收各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息。機(jī)車運(yùn)行中兩個(gè)重聯(lián)網(wǎng)關(guān)處于雙激活狀態(tài)，CCU根據(jù)網(wǎng)關(guān)首選、備選標(biāo)識(shí)狀態(tài)，確定哪個(gè)網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)有效可用。

完全自主的具有TCN-UIC自適應(yīng)能力的網(wǎng)關(guān)，既可以與不同廠家平臺(tái)網(wǎng)關(guān)互聯(lián)互通，也可以與既有采用UIC協(xié)議的HX機(jī)車或CRH動(dòng)車組互聯(lián)互通。通過硬件優(yōu)化設(shè)計(jì)增強(qiáng)網(wǎng)關(guān)板卡抗干擾能力，軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)完善冗余功能，改善WTB線路屏蔽效果等措施解決了重聯(lián)編組運(yùn)行時(shí)，由于線路外部干擾導(dǎo)致的設(shè)備故障。

CCU啟動(dòng)過程冗余方案：2個(gè)CCU機(jī)箱撥碼為5（CCU1）和9（CCU2），初始上電時(shí)都默認(rèn)為從設(shè)備，CCU2設(shè)置延長啟動(dòng)，待CCU1啟動(dòng)后，如果沒接收到CCU2的狀態(tài)信號(hào)，那么CCU1自動(dòng)升級(jí)成主設(shè)備，CCU2啟動(dòng)后發(fā)現(xiàn)CCU1已經(jīng)為主，CCU2繼續(xù)保持為從設(shè)備，處于熱備冗余狀態(tài)。

CCU啟動(dòng)過程如圖3所示。

圖3 CCU啟動(dòng)過程

運(yùn)行中CCU冗余切換方案：當(dāng)主CCU出現(xiàn)故障時(shí)，從CCU接收不到主CCU狀態(tài)信號(hào)，則從CCU升級(jí)為主，接替主CCU控制功能，同時(shí)發(fā)送自己為主設(shè)備的信號(hào)。當(dāng)原主CCU故障恢復(fù)后，發(fā)現(xiàn)原從CCU已經(jīng)升為主設(shè)備，則保持主從狀態(tài)繼續(xù)作為從設(shè)備。

當(dāng)從CCU發(fā)生故障時(shí)及故障恢復(fù)后，主CCU和從CCU的主從狀態(tài)保持不變。

當(dāng)從CCU物理連接不良時(shí)，會(huì)導(dǎo)致自己升級(jí)為主設(shè)備，一旦連接恢復(fù)正常，總線上會(huì)出現(xiàn)雙主現(xiàn)象。此時(shí)原主CCU會(huì)自動(dòng)降為從設(shè)備，交出總線控制權(quán)。雙主切換過程如圖4所示。

圖4 CCU雙主切換過程

1.2 遠(yuǎn)程輸入輸出單元RIOM機(jī)箱

兩端司機(jī)室各裝有兩個(gè)互相冗余的RIOM機(jī)箱I型，如圖5所示。機(jī)械間安裝兩個(gè)冗余的RIOM機(jī)箱II型，如圖6所示。RIOMI型為3U26TE，具有2個(gè)板位；RIOMII為3U84TE，最多具有15個(gè)板位，各板卡通道響應(yīng)速度為120ms。RIOM機(jī)箱主要包括DI、DO、AX板卡，不同機(jī)箱板卡配置不同，DI板用于車輛數(shù)字量信號(hào)的采集，單板支持24路110V數(shù)字量采集，DO板具有數(shù)字量輸出功能，單板支持16路輸出，AX板用于模擬量的輸入和輸出，包括電壓、電流、壓力及溫度等信號(hào)，AX1型單板最多支持5路模擬量輸入采集，AX2型單板最多支持12路模擬量采集。板卡內(nèi)部采用CAN通信，通過RIOM網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換為TRDP協(xié)議，與CCU進(jìn)行信息交互，完成對(duì)信號(hào)的輸入輸出邏輯控制。

圖5 RIOM機(jī)箱I型

圖6 RIOM機(jī)箱II型

CCU對(duì)冗余RIOM機(jī)箱信號(hào)有效判斷邏輯如圖7所示，DI、DO板卡具有自檢功能，實(shí)時(shí)將各個(gè)通道自檢狀態(tài)發(fā)到以太網(wǎng)總線上。RIOM機(jī)箱撥碼分別為1（RIOM1）、2（RIOM2）,兩個(gè)機(jī)箱互為冗余，CCU對(duì)RIOM機(jī)箱IO輸入輸出進(jìn)行邏輯判斷，若RIOM1網(wǎng)關(guān)狀態(tài)正常，DI板卡狀態(tài)正常，板卡上通道自檢正常，且有信號(hào)輸入，則CCU信任該信號(hào)。

圖7 RIOM機(jī)箱冗余判斷邏輯

1.3 數(shù)據(jù)記錄單元ERM

數(shù)據(jù)記錄單元ERM配備非易失性存儲(chǔ)器，機(jī)車管理系統(tǒng)斷電后數(shù)據(jù)不丟失，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車車載設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和故障進(jìn)行自動(dòng)信息采集、記錄，并可通過便攜式測(cè)試單元PTU將數(shù)據(jù)讀出和打印，如圖8所示。記錄功能包括運(yùn)行記錄和故障記錄，借助PTU軟件可以對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理，如圖9所示。

圖8 ERM單元

圖9 PTU軟件解析

故障為觸發(fā)式記錄，故障診斷記錄包括車輛發(fā)生故障時(shí)的概要信息。概要信息以列表的形式顯示出來，主要包括故障發(fā)生的日期時(shí)間、故障代碼、故障子系統(tǒng)、故障名稱、故障描述、故障等級(jí)、故障級(jí)位、速度、列車編號(hào)、距離和故障發(fā)生解除等信息。

2 以太網(wǎng)通信技術(shù)

列車采用以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制，符合IEC 61375-3-4標(biāo)準(zhǔn)的列車工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)整車編組、控制和通信。通過優(yōu)化底層軟件通信機(jī)制，及優(yōu)化各廠家設(shè)備的以太網(wǎng)兼容性等措施解決以太網(wǎng)通信不穩(wěn)定問題，增強(qiáng)整車以太網(wǎng)通信可靠性。解決大數(shù)據(jù)量、高實(shí)時(shí)性條件下，安全可靠的對(duì)整車進(jìn)行控制。

TRDP過程數(shù)據(jù)報(bào)文格式如圖10所示，TRDP過程數(shù)據(jù)報(bào)文體現(xiàn)在UDP數(shù)據(jù)報(bào)中的DataSet，而TRDP過程數(shù)據(jù)報(bào)文中的DataSet則是我們實(shí)際通信中定義的數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)備都遵循TRDP協(xié)議，以組播IP的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，通信周期20ms，可高實(shí)時(shí)性、可靠的對(duì)整車進(jìn)行控制。各個(gè)設(shè)備以Comid加以區(qū)分，CCU與終端設(shè)備之間通過組播通信完成數(shù)據(jù)傳輸。CCU每20ms向設(shè)備發(fā)送一幀CDR控制數(shù)據(jù)請(qǐng)求，該設(shè)備返回包含自身信息的CD數(shù)據(jù)幀作為響應(yīng)。

圖10 TRDP報(bào)文格式

3 系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)分析

中央控制單元CCU、重聯(lián)網(wǎng)關(guān)GW、遠(yuǎn)程輸入輸出單元RIOM、顯示屏DDU、牽引控制單元TCM及輔助控制單元ACU全部采用冗余配置，全部連接到2個(gè)網(wǎng)管型以太網(wǎng)交換機(jī)上，交換機(jī)相互連接組成環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。CCU熱備冗余，主CCU故障，從CCU切換為主，切換時(shí)間小于100ms；重聯(lián)網(wǎng)關(guān)采用雙激活方式，CCU判斷首選和備選來確定信任哪個(gè)重聯(lián)網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)的重聯(lián)數(shù)據(jù)；遠(yuǎn)程輸入輸出單元機(jī)箱、信號(hào)輸入輸出都完全冗余，通道都有自檢功能，由CCU判斷網(wǎng)關(guān)心跳、板卡心跳、通道自檢狀態(tài)來確定信號(hào)狀態(tài)的有效性，對(duì)外以太網(wǎng)通信接口冗余，一路以太網(wǎng)故障，另一路可繼續(xù)實(shí)現(xiàn)通信。關(guān)鍵設(shè)備冗余配置分別接到不同交換機(jī)，設(shè)備或交換機(jī)故障，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可繼續(xù)正常工作網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D11所示。

圖11 環(huán)網(wǎng)拓?fù)鋱D

3.1 可靠性分析

關(guān)鍵設(shè)備采用冗余配置可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上任何設(shè)備發(fā)生故障時(shí)都能保證機(jī)車正常運(yùn)行。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都采用單獨(dú)配置，此時(shí)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性為RC。設(shè)備采用冗余配置時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于冗余通信，可靠性為RS。

通過圖12的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，關(guān)鍵設(shè)備采用冗余配置可以極大地提高列車通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

圖12 冗余與非冗余配置可靠性對(duì)比

3.2 冗余測(cè)試分析

重聯(lián)網(wǎng)關(guān)GW和遠(yuǎn)程輸入輸出單元RIOM的冗余由CCU判斷信任哪一個(gè)，網(wǎng)絡(luò)上各個(gè)設(shè)備通信周期為20ms,CCU同時(shí)接收兩個(gè)冗余設(shè)備的TRDP數(shù)據(jù)包，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包中的心跳狀態(tài)，若CCU默認(rèn)信任的設(shè)備在10個(gè)周期內(nèi)心跳不變化，則認(rèn)為該設(shè)備出現(xiàn)問題，切換到信任另一個(gè)冗余設(shè)備。

CCU作為主控設(shè)備，對(duì)其冗余的可靠性、切換時(shí)間有較高的要求，因此對(duì)系統(tǒng)中CCU切換過程中TRDP數(shù)據(jù)進(jìn)行抓包處理，CCU冗余切換時(shí)間小于100ms。

4 結(jié)語

該網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)方案已經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合調(diào)試、實(shí)際車上測(cè)試、環(huán)鐵線上動(dòng)態(tài)試驗(yàn)及試運(yùn)行，目前正在進(jìn)行運(yùn)用考核試驗(yàn)，運(yùn)行狀態(tài)良好，具備較高的可靠性和實(shí)時(shí)性，完全滿足列車數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅_(dá)到全面采用以太網(wǎng)實(shí)時(shí)通信控車。隨著以太網(wǎng)技術(shù)在車上的應(yīng)用與實(shí)踐，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造及維護(hù)成本也將會(huì)大大降低。