李　哲, 周慶強

(中車大連機車車輛有限公司， 遼寧大連 116022)

HXN3B型內(nèi)燃機車是在HXN3型六軸大功率交流傳動干線內(nèi)燃機車技術平臺的基礎上衍生出的交流傳動4400馬力(3 282.4 kW)內(nèi)燃機車。目前主要在沈陽、哈爾濱、武漢等鐵路局擔當調(diào)車和小運轉任務。HXN3B型內(nèi)燃機車繼承了HXN3系列內(nèi)燃機車的技術體系，沿用了HXN3機車主要技術特點和成熟結構。機車微機系統(tǒng)通過CAN總線與柴油機控制器、機車顯示屏等終端子設備通信，實現(xiàn)整車控制的設計方案。在運用考核中發(fā)現(xiàn)機車出現(xiàn)緊急情況時，顯示屏實時數(shù)據(jù)顯示有延時，甚至發(fā)生機車相關設備無法及時采取有效動作的情況[1]，影響了機車的正常運行。

為解決實時數(shù)據(jù)顯示有延時和有效動作采取不及時的問題，對所有可能導致延時問題的因素進行研究分析，查找問題發(fā)生的原因。主要包括兩大方面，①軟件方面：通過CAN總線抓包工具實時記錄CAN總線傳輸數(shù)據(jù)和CAN總線負載率；②硬件方面：將故障車輛相關硬件送到質(zhì)量檢測中心，測試硬件質(zhì)量是否符合裝車標準。

1　現(xiàn)有技術方案

機車通信數(shù)據(jù)根據(jù)不同車型有所不同，主要是指：微機和顯示屏通信數(shù)據(jù)，微機和主變流器通信數(shù)據(jù)、微機和輔助變流器通信數(shù)據(jù)、微機和制動機通信數(shù)據(jù)、微機和監(jiān)控系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)等。微機系統(tǒng)通過各子系統(tǒng)接收整車的實時狀態(tài)信息，經(jīng)過綜合判斷后輸出控制指令；機車各子系統(tǒng)根據(jù)微機系統(tǒng)發(fā)送的控制指令對所負責的功能模塊施加控制[2]。

HXN3B機車通信數(shù)據(jù)主要通過CAN總線傳輸。CAN總線通信通過CAN數(shù)據(jù)幀傳輸，CAN總線規(guī)定每個數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)耐ㄐ艛?shù)據(jù)長度不得超過固定長度，因此每幀中只能傳輸少量通信數(shù)據(jù)。因為機車安裝大量子設備，分別負責顯示、主變流器控制、輔助變流器控制、制動控制、監(jiān)控控制等功能，同時子設備之間通信傳輸數(shù)據(jù)量大，因此整車數(shù)據(jù)交互傳輸數(shù)據(jù)量很大。而且所有通信數(shù)據(jù)需要通過CAN總線傳輸，所以當前機車CAN總線負載率接近飽和。

機車顯示屏同機車微機、柴油機控制器、油表等機車設備進行數(shù)據(jù)交互。機車顯示屏的數(shù)據(jù)變量顯示界面，按照牽引系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、速度數(shù)據(jù)等功能模塊分類，每個界面按照對應功能界面顯示不同的變量數(shù)據(jù)信息。機車顯示屏根據(jù)CAN總線上數(shù)據(jù)的收發(fā)周期實時更新顯示屏顯示的數(shù)據(jù)信息。

運用考核中發(fā)現(xiàn)調(diào)試需要同時顯示不同功能界面的數(shù)據(jù)變量信息，造成了需要在不同數(shù)據(jù)顯示頁面之間迅速切換，同時得到的數(shù)據(jù)信息無法同步。同時全部機車數(shù)據(jù)信息有幾千個變量，所以無法通過顯示屏顯示所有變量的數(shù)據(jù)信息。

2　故障原因的研究分析

運用考核中發(fā)現(xiàn)在部分情況下，接觸器的反饋觸點實際已經(jīng)閉合，但是機車沒有立刻采取對應保護動作，而是經(jīng)過延時后才采取保護動作；同時發(fā)現(xiàn)快速增長或快速減少的模擬量通過顯示屏顯示時，顯示的數(shù)值不是逐步增長，而是跳躍式上漲。

為查找發(fā)生上述現(xiàn)象的原因，通過硬件和軟件兩方面查找。關于硬件方面：質(zhì)檢中心對送檢的硬件設備進行檢查，檢測項目包括溫度試驗、熱沖擊試驗、存放試驗、熱壽命老化試驗、振動試驗、機械沖擊試驗、防潮灰塵試驗、濕度試驗、冷凝試驗、電磁兼容試驗。最終檢測結果顯示硬件設備完全符合對應鐵路標準。

關于軟件方面：在故障機車上安裝CAN總線數(shù)據(jù)記錄儀，記錄一個月內(nèi)所有CAN總線數(shù)據(jù)，最后進行匯總分析。對記錄的數(shù)據(jù)進行匯總分析時發(fā)現(xiàn)：CAN總線負載率普遍較高。當機車出現(xiàn)緊急情況時，對機車數(shù)據(jù)的實時性要求較高，但是由于CAN總線的數(shù)據(jù)通信周期的時間較長，所以導致重要數(shù)據(jù)無法及時更新，機車相關設備無法及時采取有效動作[3]。

3　解決措施

3.1　延時問題解決措施

在數(shù)據(jù)通信方面，為了解決數(shù)據(jù)通信延時的問題。將所有CAN總線數(shù)據(jù)變量分為規(guī)則變量和特殊變量兩種，特殊變量只有在有請求的情況下發(fā)送，同時縮短規(guī)則變量的通信周期；

提出規(guī)則變量的定義，將參與整車重要控制的變量定義為規(guī)則變量，例如：微機和主變流器數(shù)據(jù)流、微機和制動機數(shù)據(jù)流等，需要數(shù)據(jù)實時更新，以便控制機車的運行等。每個變量定義一個幀編碼號，不同變量的幀編碼號不同。在固定編碼變量中，再次根據(jù)變量的重要性的不同，為每個變量定義不同的發(fā)送周期，周期性傳輸變量信息。

提出特殊變量的定義，將不參與整車控制的變量定義為特殊變量，例如：微機和監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)流等，將機車狀態(tài)信息記錄并傳輸。每個變量定義一個幀編碼號，不同變量的幀編碼號不同。只有在請求數(shù)據(jù)的情況下，發(fā)送信號編碼變量的信息。

在具體實施方面，每幀中設置一個標志位，標志位為0，則證明是規(guī)則變量；標志位為1，則證明是特殊變量。

如圖1所示，機車設備接收CAN總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)變量，首先判斷根據(jù)標志位判斷是規(guī)則變量，還是特殊變量。然后根據(jù)幀編碼號判斷變量名，最后采集數(shù)據(jù)。

如圖2所示，機車設備發(fā)送CAN總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，首先根據(jù)標志位判斷是規(guī)則變量，還是特殊變量，添加標志位的值。根據(jù)變量添加幀編碼號，最后發(fā)送數(shù)據(jù)[4]。

3.2　數(shù)據(jù)顯示問題解決措施

在顯示屏顯示方面，為了解決不能顯示所有數(shù)據(jù)和不能把數(shù)據(jù)放到同一個頁面顯示的問題。機車顯示屏接收來自CAN總線的數(shù)據(jù)變量，保留機車顯示屏按照機車功能分類的數(shù)據(jù)顯示界面，并在顯示界面設置自主編輯界面，自主編輯界面上設有變量顯示區(qū)域，可以根據(jù)需求顯示1-20項變量信息，增加10個自主編輯界面，自主選擇每個界面顯示的變量，自主編輯界面上選擇的變量可以通過變量的首字母快速查找選擇。

如圖3所示，自主編輯界面，自主選擇界面顯示的變量，所有機車變量都可以被選擇。進入數(shù)據(jù)編輯模式，首先通過查找首字母查找所添加變量的大概位置，然后再通過上下按鍵查找變量的具體位置，最后通過保存按鍵確認自主編輯界面添加的變量。編輯的界面已選擇的變量可以刪除[5]。

圖1　機車設備接收CAN總線流程圖

圖2　機車設備發(fā)送CAN總線流程圖

4　結束語

針對CAN總線承載能力有限導致數(shù)據(jù)通信周期時間較長的情況，中車大連機車車輛有限公司從軟件和硬件兩個角度考慮可能導致數(shù)據(jù)延時問題的原因，再考慮CAN總線的數(shù)據(jù)承載能力和CAN數(shù)據(jù)幀發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。提出了將數(shù)據(jù)變量根據(jù)變量重要性分為規(guī)則變量和特殊變量兩部分，定期發(fā)送固定變量，有請求的情況下發(fā)送特殊變量，縮短定期發(fā)送數(shù)據(jù)的傳送周期；以及自主選擇顯示的數(shù)據(jù)變量，所有數(shù)據(jù)變量都可以被選擇，因此需要的數(shù)據(jù)變量可以在同一個頁面中顯示，同時所有數(shù)據(jù)變量都可以在顯示屏上顯示的總體解決思路。

圖3　界面顯示流程圖

2015～2017年，HXN3B型內(nèi)燃機車在鄭州、沈陽、哈爾濱等鐵路局進行了長達3年的實際運用，取得了良好的效果，可以實現(xiàn)關鍵數(shù)據(jù)的實時傳輸和查看所有機車數(shù)據(jù)變量，為后期機車的升級提供了堅實的理論和實際基礎。