基于MVB 總線的機(jī)車智能化調(diào)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)

張浩ZHANG Hao；方陽(yáng)陽(yáng)FANG Yang-yang

（國(guó)能鐵路裝備有限責(zé)任公司，滄州 061113）

0 引言

隨著電力機(jī)車向大功率重載、高速方向發(fā)展，國(guó)內(nèi)外軌道交通行業(yè)對(duì)機(jī)車的安全系數(shù)要求越來(lái)越高。機(jī)車調(diào)試作為機(jī)車生產(chǎn)制造過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，調(diào)試質(zhì)量高低直接關(guān)系到機(jī)車的運(yùn)行安全性，因此該工序受到人們極大的關(guān)注。目前國(guó)內(nèi)機(jī)車的出廠檢查與調(diào)試工作普遍采用傳統(tǒng)的人工檢查方式，調(diào)試工序質(zhì)量主要受操作員工的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)、技能水平等人為因素影響，致使調(diào)試工作檢查效率低、故障數(shù)據(jù)收集少、安全檢查可靠性低等不良情況時(shí)有發(fā)生。隨著新世紀(jì)中國(guó)制造不斷創(chuàng)新與發(fā)展，制造業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展迫在眉睫，機(jī)車調(diào)試的智能檢測(cè)系統(tǒng)是提高調(diào)試工作效率、檢測(cè)質(zhì)量水平和產(chǎn)品質(zhì)量的必然選擇。

本文提出一種基于MVB 總線的機(jī)車智能調(diào)試系統(tǒng)，通過(guò)研制自動(dòng)化調(diào)試與機(jī)車綜合診斷子系統(tǒng)，提高調(diào)試數(shù)字化率以及自動(dòng)化率，提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，有效改善機(jī)車調(diào)試工序的效率與調(diào)試信息化水平。

1 現(xiàn)有機(jī)車調(diào)試平臺(tái)現(xiàn)狀

機(jī)車調(diào)試工藝作為機(jī)車出廠前的最后一道檢查，在機(jī)車設(shè)計(jì)制造的整個(gè)環(huán)節(jié)起著關(guān)鍵作用。機(jī)車在交付前需要實(shí)施各系統(tǒng)間的調(diào)整和驗(yàn)證，確保各系統(tǒng)之間可以暢通無(wú)阻地進(jìn)行銜接與通訊。由于電力機(jī)車的輔助、網(wǎng)絡(luò)、牽引等系統(tǒng)的技術(shù)含量很高，機(jī)車的調(diào)試工作一直具有很高的難度。據(jù)調(diào)查，目前國(guó)內(nèi)機(jī)車調(diào)試領(lǐng)域使用的調(diào)試設(shè)備往往兼容性較差、工序繁瑣、自動(dòng)化程度低、人為因素影響較大，且無(wú)法自動(dòng)提取關(guān)鍵測(cè)試數(shù)據(jù)[1]。因此我們需要更加智能、更加全面的機(jī)車調(diào)試系統(tǒng)。

2 MVB 總線特點(diǎn)

MVB 總線技術(shù)首先在瑞士Lok460 列車上進(jìn)行了應(yīng)用，是具備冗余線路傳輸并且使用曼徹斯特編碼校驗(yàn)的通信總線技術(shù)，符合IEC870-5FT2 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求[2]。MVB 體系結(jié)構(gòu)如表1 所示[3]。

表1 MVB 體系結(jié)構(gòu)

綜合調(diào)試系統(tǒng)的核心技術(shù)是數(shù)據(jù)的采集技術(shù)與調(diào)試自動(dòng)化執(zhí)行技術(shù)，它是基于MVB 數(shù)據(jù)車上狀態(tài)在調(diào)試流程自動(dòng)執(zhí)行與結(jié)果解析的方法，突破現(xiàn)有人工調(diào)試的效率低的現(xiàn)狀，并能夠提供調(diào)試流程的自動(dòng)化執(zhí)行所需要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，完成按照調(diào)試工藝流程的自動(dòng)化執(zhí)行[4]。基于MVB 總線技術(shù)的調(diào)試流程如圖1 所示。

圖1 調(diào)試流程圖

3 調(diào)試平臺(tái)方案設(shè)計(jì)

交流機(jī)車網(wǎng)絡(luò)采用MVB 總線進(jìn)行通信，總線數(shù)據(jù)采集及分析通過(guò)MVB 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)診斷儀完成。設(shè)備通過(guò)下位機(jī)采集MVB 總線中的報(bào)文和物理波形，并且在上位機(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，來(lái)獲取總線和各端口的負(fù)載、誤碼率和波形參數(shù)等診斷信息，同時(shí)可按照客戶提供的機(jī)車拓?fù)鋱D逐個(gè)檢索設(shè)備和端口，定位故障點(diǎn)位置。設(shè)備同時(shí)具備無(wú)線上傳的功能，在無(wú)線數(shù)據(jù)采集工作模式下采集MVB 數(shù)據(jù)，并通過(guò)WIFI 或5G 等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)器，地面服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)以后可按照解析格式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。設(shè)備連接方式和通信方式如圖2 和圖3 所示。

圖2 設(shè)備連接拓?fù)鋱D

圖3 設(shè)備通信鏈路圖

4 硬件設(shè)計(jì)

4.1 硬件電路設(shè)計(jì)

MVB 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)診斷儀硬件組成主要可分為電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、顯示模塊、以太網(wǎng)交換模塊、機(jī)箱及外部接口模塊等六部分。圖4 是該設(shè)備硬件的框圖。

圖4 設(shè)備硬件原理框圖

4.2 功能模塊設(shè)計(jì)

4.2.1電源模塊

電源模塊保障設(shè)備內(nèi)部供電和外部供電，當(dāng)無(wú)外部供電時(shí)，電源模塊的電池需保證設(shè)備能正常采集MVB 數(shù)據(jù)和發(fā)送。電源模塊需支持DC110V（DC20V～DC154V 寬范圍）機(jī)車蓄電池電源供電、DC12V 適配器供電、內(nèi)置鋰電池供電3 種供電模式，3 種供電模式可根據(jù)優(yōu)先級(jí)自動(dòng)進(jìn)行切換，供電優(yōu)先級(jí)為：DC110V＞DC12V＞鋰電池。

4.2.2數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊為核心部分，包含載板和核心板。主要功能是MVB 數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集模塊支持EMD、ESD 和ESD+三種網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)的MVB 數(shù)據(jù)采集，支持中間節(jié)點(diǎn)設(shè)備連接；具有高阻輸入特性，輸入阻抗高達(dá)2.2MΩ。

采集硬件使用ADC 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，支持60MSps 數(shù)據(jù)采樣速率，通過(guò)FPGA 實(shí)時(shí)解碼并保存或上傳MVB 總線上雙通道數(shù)據(jù)。

4.2.3數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊主要功能是控制指令的接收和發(fā)送、MVB 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理設(shè)備狀態(tài)等。該模塊可實(shí)時(shí)判斷總線誤碼率和負(fù)載率，并通過(guò)觸發(fā)的方式抓取錯(cuò)誤報(bào)文。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的存儲(chǔ)器為容量256GB（容量可選配）NVMe M.2 接口工業(yè)級(jí)固態(tài)硬盤，可將采集到的波形和報(bào)文數(shù)據(jù)保存在存儲(chǔ)模塊中，保證數(shù)據(jù)的安全性和穩(wěn)定性。

4.2.4顯示模塊

顯示模塊可通過(guò)LCD 觸摸屏顯示設(shè)備時(shí)間、電池電量、介質(zhì)模式、網(wǎng)段、設(shè)備工作模式、存儲(chǔ)容量及存儲(chǔ)模式、處理器內(nèi)核溫度、電池電芯溫度、版本號(hào)等信息，并可定制開發(fā)觸控功能，對(duì)設(shè)備進(jìn)行配置。

4.2.5網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)模塊

交換模塊的交換機(jī)連接核心板網(wǎng)口，實(shí)現(xiàn)MVB 總線數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)送至服務(wù)器。此外，對(duì)外提供一個(gè)RJ45 以太網(wǎng)接口做備用，通信速率10/100Mbps；無(wú)線采用具有成熟解決方案的設(shè)備，提供WIFI 和5G 無(wú)線傳輸模塊，該模塊滿足IEEE 802.11a/b/g/n 標(biāo)準(zhǔn)的要求，且SSID自主開閉，64 位和128 位WEP 加密，符合WPA/WPA2數(shù)據(jù)安全標(biāo)準(zhǔn)。支持移動(dòng)、聯(lián)通、電信的5G 數(shù)據(jù)傳輸。

4.2.6外箱及外部接口模塊

機(jī)箱面板有電源開關(guān)、交流電源接口、直流電源接口、MVB 數(shù)據(jù)接口、RJ45 以太網(wǎng)接口、指示燈和WIFI 以及5G天線，抽屜式SIM 卡座。

5 軟件設(shè)計(jì)

MVB 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)診斷儀的軟件分為上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件，下位機(jī)軟件主要負(fù)責(zé)MVB 總線中波形和報(bào)文的采集，并通過(guò)WIFI/5G 或以太網(wǎng)將采集到的MVB 數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳。上位機(jī)軟件主要負(fù)責(zé)對(duì)設(shè)備采集到的波形和報(bào)文進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析和診斷，以此獲取MVB 總線和各端口的負(fù)載、誤碼率和波形參數(shù)等診斷信息，同時(shí)也具備MVB 總線主發(fā)送功能，按照客戶提供的設(shè)備列表逐個(gè)檢索設(shè)備和端口，定位故障點(diǎn)位置。設(shè)備同時(shí)具備在無(wú)線數(shù)據(jù)采集工作模式下采集MVB 數(shù)據(jù)，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)器的功能。

5.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

5.1.1系統(tǒng)架構(gòu)

設(shè)備有兩種工作模式下位機(jī)采用ZYNQ 芯片，操作系統(tǒng)采用petalinux 系統(tǒng)。下位機(jī)軟件完成的功能主要有報(bào)文采集、表達(dá)式解析、波形采集觸發(fā)、上下位機(jī)數(shù)據(jù)通信、波形和報(bào)文數(shù)據(jù)處理、顯示屏控制等功能，圖5 為設(shè)備的嵌入式整體系統(tǒng)架構(gòu)。

圖5 嵌入式軟件結(jié)構(gòu)

下位機(jī)應(yīng)用程序從結(jié)構(gòu)上可分為三個(gè)層次，從上到下依次為應(yīng)用層、功能層、驅(qū)動(dòng)層，應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能模塊的總體調(diào)度，驅(qū)動(dòng)層為對(duì)硬件外設(shè)操作的封裝。

5.1.2采集內(nèi)容

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)診斷儀可以通過(guò)MVB 網(wǎng)絡(luò)獲取本單元及本機(jī)車的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)，包括但不限于：

①制動(dòng)及供風(fēng)系統(tǒng)（制動(dòng)控制、制動(dòng)系統(tǒng)監(jiān)視、防滑保護(hù)、壓縮機(jī)監(jiān)視，空氣壓力監(jiān)視等）；

②牽引（牽引控制，牽引系統(tǒng)監(jiān)視等）；

③空調(diào)（HVAC 控制，采暖、通風(fēng)和制冷設(shè)備的監(jiān)視等）；

④機(jī)車運(yùn)行控制系統(tǒng)；

⑤輔助變流單元；

⑥充電機(jī)；

⑦中央控制單元；

⑧高壓系統(tǒng)（受電弓、主斷路器等）；

⑨中、低壓設(shè)備（斷路器的監(jiān)視，車載電氣系統(tǒng)管理）；

⑩火警系統(tǒng)；

?給水衛(wèi)生系統(tǒng)；

?安全環(huán)路（緊急制動(dòng)環(huán)等）；

?轉(zhuǎn)向架；

?內(nèi)外照明。

5.1.3無(wú)線數(shù)據(jù)采集模式

無(wú)線數(shù)據(jù)采集模式，自動(dòng)采集MVB 報(bào)文數(shù)據(jù)，然后通過(guò)無(wú)線的方式發(fā)送，下文簡(jiǎn)稱無(wú)線模式。在無(wú)線模式下，系統(tǒng)可自動(dòng)采集MVB 報(bào)文數(shù)據(jù)，然后通過(guò)WIFI 和5G 發(fā)送到地面服務(wù)器中。

5.1.4自動(dòng)化分析數(shù)據(jù)采集模式

在自動(dòng)化分析數(shù)據(jù)采集模式下，通過(guò)接收上位機(jī)指令來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量分析和偶發(fā)故障分析，上位機(jī)并將分析結(jié)果以報(bào)告的型式展示出來(lái)，下文簡(jiǎn)稱分析模式。在分析模式下進(jìn)行MVB 報(bào)文和波形采集和分析，然后通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到上位機(jī)。

5.1.5設(shè)備工作模式切換

設(shè)備啟動(dòng)后默認(rèn)為無(wú)線模式。兩種工作模式不會(huì)直接進(jìn)行相互切換，會(huì)有一個(gè)中間等待狀態(tài)，即設(shè)備切換到分析模式時(shí)，需要先停止無(wú)線模式的功能，進(jìn)入等待狀態(tài)，再啟動(dòng)自動(dòng)化分析功能，進(jìn)入分析模式。由分析模式切換到無(wú)線模式時(shí)也同樣需要經(jīng)過(guò)等待狀態(tài)。

設(shè)備的工作模式切換由上位機(jī)通過(guò)udp 報(bào)文控制，如圖6 所示。

圖6 工作模式切換圖

設(shè)備啟動(dòng)后處于無(wú)線模式，上位機(jī)連接設(shè)備后，發(fā)送激活指令，進(jìn)入等待狀態(tài)；此時(shí)上位機(jī)再發(fā)送啟動(dòng)分析指令，設(shè)備進(jìn)入分析模式；分析完成后，上位機(jī)發(fā)送結(jié)束分析指令，進(jìn)入等待狀態(tài)；再發(fā)送取消激活指令，回到無(wú)線模式。當(dāng)設(shè)備處于激活狀態(tài)時(shí)（分析模式和等待狀態(tài)），若心跳線程接收超時(shí)，則會(huì)直接回到無(wú)線模式。

5.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

MVB 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)診斷儀上位機(jī)軟件主要用于查看MVB 通信質(zhì)量，展示總線中的報(bào)文和波形信息，分析總線負(fù)載率、誤碼率信息，分析總線各端口、設(shè)備對(duì)應(yīng)誤碼及波形特征信息，最終生成網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量報(bào)告，協(xié)助工程師和檢修人員全面了解機(jī)車總線狀態(tài)。當(dāng)MVB 網(wǎng)絡(luò)存在通信故障時(shí)，也可初步定位故障可能位置信息。MVB 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)診斷儀包含三個(gè)應(yīng)用功能模塊：①網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量分析模塊；②偶發(fā)故障分析模塊；③分記錄查看。

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)目前我國(guó)現(xiàn)有電力機(jī)車調(diào)試工序分析，針對(duì)其操作繁瑣、且調(diào)試設(shè)備兼容性較差、工序繁瑣、自動(dòng)化程度低、人為因素影響較大等問題，提出了基于MVB 總線技術(shù)的智能化調(diào)試系統(tǒng)平臺(tái)，通過(guò)研制自動(dòng)化調(diào)試與機(jī)車綜合診斷子系統(tǒng)，提高調(diào)試數(shù)字化率以及自動(dòng)化率，提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，有效改善機(jī)車調(diào)試工序的效率與調(diào)試信息化水平，實(shí)現(xiàn)便捷化功能。