邢月華， 付 磊， 趙海院

(1 中車唐山機(jī)車車輛有限公司， 河北唐山 064000；2 山東普利森集團(tuán)有限責(zé)任公司， 山東德州 253000)

某調(diào)車機(jī)車用于某公司調(diào)車場、專用鐵路線和車站正線上，為直流永磁電傳動調(diào)車用內(nèi)燃機(jī)車，用于20輛普通碳鋼客車、16輛動車組以及滿載貨車進(jìn)行編組、調(diào)車及小運轉(zhuǎn)牽引作業(yè)。該調(diào)車機(jī)車適用于工業(yè)企業(yè)的調(diào)車和小運轉(zhuǎn)作業(yè)，保證機(jī)車連續(xù)穩(wěn)定工作。

CANopen協(xié)議是CIA(CAN in Automation)協(xié)會基于CAN總線定義的應(yīng)用層協(xié)議之一[5]，通過采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想，具有模塊化和高適應(yīng)性的特點，因此研究CANopen協(xié)議在調(diào)車機(jī)車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用具有很高的實用價值。

1 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計

1.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

某調(diào)車機(jī)車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)由車輛控制單元(VCU)、人機(jī)接口設(shè)備(HMI)、事件記錄儀(ERM)、遠(yuǎn)程輸入輸出模塊(RIOM)組成，見圖1網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

通過CANopen總線接入網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的設(shè)備有：人機(jī)接口設(shè)備(HMI)、車輛控制單元(VCU)、事件記錄儀(ERM)、遠(yuǎn)程輸入輸出模塊(RIOM)、牽引變流器(TCU)、輔助供電系統(tǒng)(APU)，其中VCU和ERM通過維護(hù)擴(kuò)展單元板卡連接，RIOM板卡與VCU通過背板通信。

通過CAN J1939總線接入網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的設(shè)備有：柴油機(jī)(ECM)、變頻一路(FC1)、變頻二路(FC2)。

在整個列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，VCU監(jiān)控其他子系統(tǒng)，主要完成柴油機(jī)監(jiān)控、牽引系統(tǒng)監(jiān)控、輔助供電系統(tǒng)監(jiān)控、冷卻系統(tǒng)監(jiān)控等，并協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信。該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有統(tǒng)一的時鐘，能自動收集、記錄、存儲及顯示列車故障，并通過服務(wù)軟件將列車故障數(shù)據(jù)下載到個人電腦，方便用戶及維護(hù)人員分析。

1.2 通信對象的設(shè)計

CANopen協(xié)議定義了4種報文格式用作不同功能，分別為系統(tǒng)管理命令(NMT)用于網(wǎng)絡(luò)管理；服務(wù)數(shù)據(jù)對象(SDO)用于傳輸非時間關(guān)鍵數(shù)據(jù)；過程數(shù)據(jù)對象(PDO)用于傳輸時間關(guān)鍵進(jìn)程數(shù)據(jù)；特殊功能對象用于同步、應(yīng)急和時間戳等。

(1)網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)(NMT)

網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)負(fù)責(zé)啟動配置網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)為主從結(jié)構(gòu)，一個CANopen網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中只有一個主節(jié)點，其余都為從節(jié)點[1]。CANopen子節(jié)點在上電后進(jìn)行內(nèi)部初始化，之后進(jìn)入預(yù)操作狀態(tài)。然后通過啟動消息報文(Boot up),將這一狀態(tài)的改變事件通知NMT主節(jié)點。NMT主節(jié)點會把Start_Remote_Node指令發(fā)送給所有子節(jié)點。Node-ID=0則針對所有的從節(jié)點模塊。操作狀態(tài)下，所有的CANopen通信服務(wù)都支持。此外，NMT主機(jī)的Stop_Remote_Node還可以強(qiáng)制設(shè)備進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)。在該狀態(tài)下，除了網(wǎng)絡(luò)管理和心跳服務(wù)之外，其他的所有CANopen通信服務(wù)都被禁止。

通過對列車的控制結(jié)構(gòu)分析可知，設(shè)置VCU為主節(jié)點，其余設(shè)備為從節(jié)點，見表1節(jié)點地址設(shè)置。

表1 節(jié)點地址設(shè)置

(2)服務(wù)數(shù)據(jù)對象(SDO)

SDO( Service Data Object) 用來在設(shè)備之間傳輸大的低優(yōu)先級數(shù)據(jù)，典型的是用來配置CANopen網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備[2]。SDO的通訊模式是客戶/服務(wù)器型，文中VCU為客戶端，其他從節(jié)點為服務(wù)端。SDO配置過程見表2。

表2 SDO配置過程為例

表2以VCU與HMI進(jìn)行SDO通信為例進(jìn)行說明，客戶端發(fā)送命令COB-ID為600+0Dh，服務(wù)器響應(yīng)命令為580+0Dh。由表2可見，序號1～22是主節(jié)點A對從節(jié)點D的對象字典進(jìn)行讀寫操作的SDO傳輸報文。其中序號1～4對應(yīng)的報文為主節(jié)點查詢從節(jié)點的設(shè)備類型和ID信息，確認(rèn)設(shè)備并保存信息。序號5～6為主節(jié)點配置從節(jié)點的心跳時間報文，通過SDO對從節(jié)點對象字典進(jìn)行寫操作，心跳時間修改為2 000 ms。序號7～14為主節(jié)點配置從節(jié)點的TPDO1通信參數(shù)，其中第1個子索引COB-ID為0x18D，第2個子索引Transmission Type為255，第3個索引Inhibit Time為250 ms，第5個子索引PDO event timer為2 000 ms。序號15～22為主節(jié)點配置從節(jié)點的RPDO1通信參數(shù)，其中第1個子索引COB-ID為0x20D，第2個子索引Transmission Type為255，第3個索引Inhibit Time為250 ms，第5個子索引PDO event timer為2 000 ms。SDO參數(shù)配置完后，0x70D的報文為7F與操作狀態(tài)。主節(jié)點發(fā)送NMT報文01 00，控制從節(jié)點進(jìn)入運行狀態(tài)，從節(jié)點心跳報文內(nèi)容由7F變?yōu)?5，開始主從節(jié)點間PDO報文的傳輸[3]。

(3) 過程數(shù)據(jù)對象(PDO)

PDO(Process Data Object)報文主要用來傳輸實時性較高的數(shù)據(jù)。PDO采用生產(chǎn)者/消費者通信方式[3]，數(shù)據(jù)從一個生產(chǎn)者傳到一個或多個消費者，數(shù)據(jù)長度限制在8個字節(jié)之內(nèi)。PDO分為兩種，發(fā)送過程數(shù)據(jù)對象TPDO和接收過程數(shù)據(jù)對象RPDO。報文主要通過對象詞典中的映射參數(shù)和通訊參數(shù)來描述,見圖2～圖3。

圖2 HMI發(fā)送TPDO1示意圖

圖3 VCU接收RPDO1示意圖

(4)特殊功能對象

時間戳用來同步系統(tǒng)內(nèi)從節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)主的內(nèi)部時鐘，見圖4。

時間戳的傳輸依據(jù)生產(chǎn)者/消費者模型，參數(shù)如下：

①生產(chǎn)者: VCU

②消費者: 所有CAN從節(jié)點

③數(shù)據(jù)類型: TIME_OF_DAY

TIME_OF_DAY 數(shù)據(jù)類型表現(xiàn)的是絕對時間。它由48 位數(shù)據(jù)組成(6個字節(jié))，編碼的規(guī)則如下：

①毫秒(ms): 由Unsigned28來表示, 它是從零時零分零秒開始計數(shù)的(0:00)；

②天(days): 由Unsigned16來表示，它是從1984年1月1日開始計數(shù)的；

③“毫秒”和“天”之間的4位‘0’為填充位

時間戳的數(shù)據(jù)組成如圖4所示，數(shù)據(jù)將先發(fā)送低位字節(jié)(LS-Byte) ，后發(fā)送高位字節(jié)(MS-Byte)。

圖4 時間戳定義示意圖

在此設(shè)置時間戳的周期為1 s，即信號tProducerTime_TS的值為1 s。

2 故障診斷

故障診斷的任務(wù)是為維修人員和列車人員排除故障提供一定的支持。如果機(jī)車發(fā)生故障，故障診斷系統(tǒng)能盡早辨認(rèn)故障，準(zhǔn)確指明功能限制和故障位置，指出對車輛行駛的影響并提供維修信息。這些信息將以純文本格式在HMI上顯示，工作人員可以根據(jù)不同的故障類別進(jìn)行故障評估，并給出合適的應(yīng)急指導(dǎo)。HMI故障診斷界面如圖5所示。

根據(jù)故障對子系統(tǒng)或者列車的性能或安全性的影響劃分為不同的故障等級：

(1)嚴(yán)重故障：嚴(yán)重影響系統(tǒng)的故障，系統(tǒng)自動關(guān)閉。

(2)中等故障：列車運行或者乘客服務(wù)等功能受限，允許列車維持運行至前方站點，再進(jìn)行處理；

(3)輕微故障：不影響列車運行或乘客服務(wù)功能，給出提示信息，司機(jī)或者機(jī)械師給予關(guān)注，允許列車完成運行圖規(guī)劃的全天運行后，再返回基地。

圖5 HMI故障診斷界面示意圖

3 試驗驗證

基于CANopen協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在某國產(chǎn)化直流永磁調(diào)車機(jī)車的現(xiàn)場運行試驗中，車輛能夠有效接收各子系統(tǒng)發(fā)來的數(shù)據(jù)，并控制車輛安全運行。通過CANaLyzer軟件采集網(wǎng)絡(luò)總線上的數(shù)據(jù)，如圖6所示，直觀顯示了總線中各報文的傳輸過程和傳輸數(shù)據(jù)，主從節(jié)點之間沒有報文丟失的現(xiàn)象[4]，各設(shè)備間通信正常，驗證了該網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的可用性和可靠性。

圖6 CANaLyzer采集的總線數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

基于CANopen總線技術(shù)，通過對NMT、SDO、PDO的設(shè)計和故障診斷的開發(fā)，提出了一種應(yīng)用廣泛、高可靠性的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，并在CANaLyzer軟件環(huán)境中進(jìn)行了通訊測試，成功完成了VCU與其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信調(diào)試。目前該網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)已經(jīng)在某調(diào)車機(jī)車裝車驗證。CANopen協(xié)議作為CAN總線的應(yīng)用層協(xié)議，在城市軌道交通領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，文中的研究成果可供該領(lǐng)域借鑒和參考。