劉鸞，吳昌友，姚曉東

（株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司，湖南株洲412001）

SS4B型電力機(jī)車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)改造方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉鸞，吳昌友，姚曉東

（株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司，湖南株洲412001）

針對SS4B型電力機(jī)車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)改造后，邏輯控制單元MVB網(wǎng)卡板頻繁通信故障的問題，提出了一種在原有網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中添加RCM模塊，替代原有MVB網(wǎng)卡板實(shí)現(xiàn)RS485總線數(shù)據(jù)與MVB總線數(shù)據(jù)間轉(zhuǎn)換功能的方法。

RCM；網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)；改造設(shè)計(jì)

SS4B型電力機(jī)車是國產(chǎn)重載直流電力機(jī)車的典型代表，也是國內(nèi)功率最大的重載貨運(yùn)直流電力機(jī)車。雖然直流電力機(jī)車正在被交流傳動(dòng)電力機(jī)車所取代，但SS4B型電力機(jī)車依舊在干線重載運(yùn)輸中，特別是大秦線、朔黃線等萬噸重載運(yùn)輸中發(fā)揮著重要的作用。但由于運(yùn)營時(shí)間長，SS4B型電力機(jī)車面臨元器件停產(chǎn)、老化，故障率較高，故障定位困難，擴(kuò)展能力差，人機(jī)交互不友好等問題[1]。為此，中國神華神朔鐵路分公司聯(lián)合株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司立項(xiàng)對SS4B型電力機(jī)車進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)改造升級(jí)。

改造車試運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)邏輯控制單元（LCU）的MVB網(wǎng)卡板頻繁出現(xiàn)通信故障，導(dǎo)致保護(hù)程序頻繁啟動(dòng)，甚至燒毀電阻和部件的情況。為解決此問題，本文采用獨(dú)立RS485通信轉(zhuǎn)換的模塊RCM，來替換MVB網(wǎng)卡板實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的功能。

1　SS4B網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

SS4B網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)系統(tǒng)，如圖1所示，由中央控制單元CCU（AB組），牽引控制單元TCU（AB組），邏輯控制單元LCU1、LCU2，智能顯示單元IDU，轉(zhuǎn)換裝置，以太網(wǎng)交換機(jī)構(gòu)成。系統(tǒng)內(nèi)部通過三種接口（MVB接口、WTB接口、以太網(wǎng)接口）的互聯(lián)，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

圖1　原有網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)關(guān)聯(lián)關(guān)系圖

其中，邏輯控制單元LCU采用RS485總線通信，而CCU、CTM、TCU等均采用MVB總線通信，故LCU與其它設(shè)備間通信，需要對數(shù)據(jù)格式進(jìn)行轉(zhuǎn)化。在原有網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，采用在LCU內(nèi)添加MVB網(wǎng)卡板來實(shí)現(xiàn)這一功能。

2　原有網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)存在的問題

原有系統(tǒng)MVB網(wǎng)卡板由于干擾頻繁出現(xiàn)通信故障通信中斷，導(dǎo)致系統(tǒng)啟動(dòng)相應(yīng)的保護(hù)程序，而護(hù)程序頻繁啟動(dòng)和停止，最終導(dǎo)致電阻燒毀，模塊故障，機(jī)車不能正常運(yùn)行等問題。

3　網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)改進(jìn)方案設(shè)計(jì)

為解決這一問題，提出使用RS485數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化模塊RCM來替代MVB網(wǎng)卡板實(shí)現(xiàn)上述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能。

3.1硬件改造方案設(shè)計(jì)

RCM模塊主要提供RS485和MVB通信轉(zhuǎn)換接口的功能，無需改變CCU程序；具有MVB ESD+、CAN2.0、RS232、RS485及以太網(wǎng)通信接口，通信穩(wěn)定；且采用3U獨(dú)立模塊設(shè)計(jì)，封裝在IP42且具有散熱、抗振和EMC功能的機(jī)械結(jié)構(gòu)中，安裝性能優(yōu)良[2]。

經(jīng)實(shí)地考察確定，邏輯控制單元（LCU2）所在機(jī)柜左側(cè)，留有部分空余，足夠安裝RCM模塊；MVB總線布線改造較為簡單；RCM模塊本身具有良好的散熱功能，完全滿足數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的功能需求及安裝需求，因此考慮在此安裝RCM模塊。

改進(jìn)后的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D及CCU與LCU通信關(guān)系如圖2所示。

圖2　改造后的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)關(guān)聯(lián)關(guān)系

3.2RCM程序需求分析

RCM程序需要包括以下幾個(gè)基本功能：

（1）程序初始化功能：配置波特率，校驗(yàn)方法，通道，數(shù)據(jù)包長度等。

（2）接收并應(yīng)答功能：RS485總線是半雙工通信，因此RCM需作為從設(shè)備，具有接收LCU發(fā)送的數(shù)據(jù)并應(yīng)答的功能。

（3）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能：RS485數(shù)據(jù)與MVB數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換的功能，將RS485數(shù)據(jù)解析并重新封裝成MVB數(shù)據(jù)發(fā)送給CCU；將MVB數(shù)據(jù)解析后發(fā)送給LCU的功能。

（4）自主診斷功能：能夠判CCU、LCU通信中斷、數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、校驗(yàn)錯(cuò)誤等問題，并提示故障的功能。

（5）故障記錄功能：診斷出相應(yīng)問題后，對通信中斷周期、校驗(yàn)和錯(cuò)誤、內(nèi)部故障等分類計(jì)數(shù)的功能。

（6）極端情況恢復(fù)功能：在極端情況下，恢復(fù)正常通信的功能。

（7）校驗(yàn)和計(jì)算和驗(yàn)證功能：計(jì)算和驗(yàn)證校驗(yàn)和的功能。

4　網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)改進(jìn)方案實(shí)現(xiàn)

4.1硬件改造實(shí)現(xiàn)

在每節(jié)車LCU2所在機(jī)柜的左側(cè)，安裝RCM模塊，去除邏輯控制單元中的MVB網(wǎng)卡版，將MVB總線連接至RCM，將RCM通道1、2分別連接LCU1、2，用RCM模塊來替代原有MVB網(wǎng)卡版實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的功能[3]。如圖3所示。

圖3　RCM模塊安裝

4.2RCM程序邏輯

RCM程序主要分為三個(gè)部分：

（1）程序初始化。

（2）RCM接收RS485數(shù)據(jù)，解析打包為MVB數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)發(fā)至CCU.

（3）RCM接收CCU發(fā)送的MVB數(shù)據(jù)，響應(yīng)LCU1/LCU2的發(fā)送請求，解析并與接收到的LCU1/ LCU2部分?jǐn)?shù)據(jù)一起，打包為RS485數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)LCU2/ LCU1.

4.3RCM程序初始化

RCM程序初始化功能包括配置波特率、校驗(yàn)方式、通信通道、數(shù)據(jù)長度、清空緩沖區(qū)、設(shè)置輪詢周期等。RCM接收數(shù)據(jù)的周期為5 ms；數(shù)據(jù)長度不超過25字節(jié)。

4.4RS485MVB

程序以5 ms為一周期接收RS485總線數(shù)據(jù)，執(zhí)行過程如下：

（1）程序初始化，已在上一節(jié)介紹。

（2）接收RS485數(shù)據(jù)，分離出數(shù)據(jù)。

（3）RCM向CCU發(fā)送生命信號(hào)。

（4）判斷幀頭是否正確，如果連續(xù)500 ms幀頭均不正確意味著RCM與LCU通信中斷，需向顯示器反饋“內(nèi)部故障”。為排除數(shù)據(jù)接收偏移導(dǎo)致的極端情況，對不正確的情況進(jìn)行鎖存，超過5個(gè)周期則清空緩存并解除鎖存保障程序不會(huì)因始終得不到正確的幀而鎖死。

（5）校驗(yàn)和計(jì)算，若校驗(yàn)和不為0，說明數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤或數(shù)據(jù)接收不完全，數(shù)據(jù)信息不可信，返回1）重新接收數(shù)據(jù)。

（6）完整幀判斷，同時(shí)滿足幀頭正確，校驗(yàn)和為0，幀尾不為0，則認(rèn)為已收到完整的正確的數(shù)據(jù)幀，幀內(nèi)數(shù)據(jù)可信。若不為完整幀返回1）重新接收數(shù)據(jù)

（7）緩存數(shù)據(jù)，由于RCM輪詢周期為5 ms，遠(yuǎn)小于LCU發(fā)送周期100 ms，且通信數(shù)據(jù)有25個(gè)字節(jié)，需要至少3個(gè)周期才能接收完全，因此，需要對接收到的正確數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，以區(qū)別于臨時(shí)的非正確數(shù)據(jù)。

（8）LCU生命信號(hào)判斷，此功能是為了判斷LCU斷電和通信中斷的情況，若連續(xù)400 ms內(nèi)生命信號(hào)不變，則認(rèn)為LCU已斷電，報(bào)出LCU內(nèi)部故障；若連續(xù)600 ms內(nèi)生命信號(hào)不變，則認(rèn)為緩存數(shù)據(jù)已過期，不可信，將所有數(shù)據(jù)清零。

（9）將緩存的正確數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至CCU.

（10）接收LCU數(shù)據(jù)成功后，作為從設(shè)備，應(yīng)向LCU反饋數(shù)據(jù)，發(fā)送功能將在下一節(jié)詳細(xì)介紹。如圖4所示。

圖4　RCM接收RS485數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為MVB數(shù)據(jù)程序邏輯

4.5MVBRS485

RCM已正確接收來自LCU1/LCU2的幀后，須向發(fā)送方反饋信息，反饋的幀包括部分MVB數(shù)據(jù)及部分LCU2/LCU1的數(shù)據(jù)。該功能塊的執(zhí)行過程如下：

（1）判斷CCU生命信號(hào)，如果CCU生命信號(hào)超過500 ms不變，說明CCU已斷電，LCU會(huì)啟動(dòng)相應(yīng)的保護(hù)措施。

（2）組織數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)包括部分MVB數(shù)據(jù)，部分來自另一個(gè)LCU的數(shù)據(jù)。

（3）計(jì)算校驗(yàn)位，計(jì)算方法為所有數(shù)據(jù)求和后取反再加1，保證所有數(shù)據(jù)與校驗(yàn)和相加為0.

（4）判斷是否滿足發(fā)送條件，發(fā)送條件有：已正確接收到LCU發(fā)送來的數(shù)據(jù)；CCU通信正常即MVB數(shù)據(jù)可信；已延遲一個(gè)周期即滿足發(fā)送間隔要求。

（5）清除接收緩沖區(qū)，為保障RCM在下一周期接收到正確數(shù)據(jù)，需清空緩沖區(qū)，讓下一周期的RS485幀頭在緩沖區(qū)的開始處。

（6）滿足以上所有條件后，可以向LCU發(fā)送響應(yīng)數(shù)據(jù)。如圖5所示。

圖5　RCM接收MVB數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)化為RS485數(shù)據(jù)程序邏輯

5　實(shí)現(xiàn)結(jié)果與應(yīng)用前景

經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)改造后的SS4B型電力機(jī)車，可以實(shí)現(xiàn)原有SS4B型電力機(jī)車的全部功能，解決了原有網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)通信故障的問題。

經(jīng)現(xiàn)場驗(yàn)證，機(jī)車運(yùn)行過程中未出現(xiàn)丟幀、校驗(yàn)和錯(cuò)誤、通信中斷等問題，改造車正在神木段試運(yùn)行，試運(yùn)行期間運(yùn)行平穩(wěn)，未反饋故障。

目前，僅神木機(jī)務(wù)段就有SS4B型電力機(jī)車一百余臺(tái)，日后均需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)改造。本文在SS4B型電力機(jī)車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)改造方案的基礎(chǔ)上，對LCU與CCU的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換所做的修改，可以直接應(yīng)用到后續(xù)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)改造方案之中。

[1]姚曉東.SS4B機(jī)車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)說明書[Z].株洲：株洲南車時(shí)代電氣股份有限公司，2013.

[2]RCM硬件使用說明書[Z].株洲：株洲南車時(shí)代電氣股份有限公司，2010.

[3]陳冬.《RCM模塊用戶手冊[Z].株洲：株洲南車時(shí)代電氣股份有限公司，2010.

Lmproved Design and Implement of Type SS4B Electric Locomotive’s Network Control System

LIU Luan，WU Chang-you，YAO Xiao-dong
（Zhuzhou Zhongche Era Electrical Limited by Share Co.，Ltd.，Zhuzhou Hunan 412001，China）

According to the network control system in SS4B electric locomotive after the transformation，the logic control unit MVB card board frequent communication fault problem，proposes a RCM module is added in the original network control system，to replace the original MVB card board realization method to convert RS485 data bus and MVB bus data.

RCM；network control system；improvement design

U264

A

1672-545X（2016）10-0028-03

2016-07-29

劉鸞（1988-），女，吉林人，碩士，助理工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)車網(wǎng)絡(luò)控制。