羅延具 何勇 鄒臣國 郭長夫

摘要：本文主要對在重慶單軌三號線監(jiān)控系統(tǒng)的項目中應(yīng)用的數(shù)據(jù)記錄單元的功能和設(shè)計方法進(jìn)行了詳細(xì)的介紹和描述。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)記錄單元，CANopen，監(jiān)控系統(tǒng)

1.項目背景

重慶單軌3號線列車網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)是一個響應(yīng)國家發(fā)改委提出的關(guān)于加大軌道車輛國產(chǎn)化率的目標(biāo)的項目，監(jiān)控系統(tǒng)的國產(chǎn)化研制有效的提升了列車的國產(chǎn)化率。監(jiān)控系統(tǒng)主要用于監(jiān)視車載牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)和列車內(nèi)各主要設(shè)備的狀態(tài)，實現(xiàn)車輛網(wǎng)絡(luò)的管理、監(jiān)視和診斷功能。

重慶單軌三號線車輛級監(jiān)控系統(tǒng)采用CANopen總線進(jìn)行組網(wǎng)，其具有高可靠性和強(qiáng)互操作性，在歐洲各國車輛監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)用廣泛。CANopen協(xié)議具有統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)，要求系統(tǒng)中所有設(shè)備均符合CANopen協(xié)議，數(shù)據(jù)記錄單元具有CANopen通信功能。

2.功能概述

數(shù)據(jù)記錄單元是車輛監(jiān)控系統(tǒng)重要的組成部分，通過CANopen總線與監(jiān)控系統(tǒng)中其他單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并有效記錄車輛各子系統(tǒng)實時運行數(shù)據(jù)，為車輛故障和運行狀態(tài)的分析提供了可靠的依據(jù)。使用的數(shù)據(jù)監(jiān)控和解析軟件是DatanalyzerC，利用DatanalyzerC在線實時監(jiān)測車輛運行數(shù)據(jù)的變化，可以讓工作人員準(zhǔn)確掌控車輛實時狀態(tài);數(shù)據(jù)記錄單元也為用戶提供了離線下載數(shù)據(jù)的功能，可以用DatanalyzerC將數(shù)據(jù)記錄單元存儲的數(shù)據(jù)離線下載后分析。

3.數(shù)據(jù)記錄單元設(shè)計

3.1 通信功能設(shè)計

標(biāo)準(zhǔn)化CANopen通信協(xié)議接口可以讓不同的設(shè)備在總線上通過收發(fā)通信對象來進(jìn)行通信，這一項服務(wù)為數(shù)據(jù)記錄單元提供了與監(jiān)控系統(tǒng)主控單元及其他單元進(jìn)行通信的通道。有4種通信對象在CANopen協(xié)議中有明確的定義：

（1）NMT對象，其作用是傳遞總線上主節(jié)點對各從節(jié)點的管理信息;

（2）SDO對象，是用來傳遞總線上的配置信息的;

（3）PDO對象，用來傳遞總線上的過程數(shù)據(jù)，比如主節(jié)點與從節(jié)點間的過程數(shù)據(jù);

（4）特殊功能對象，包括緊急對象（Emergency）、同步對象（Sync）、時間戳對象（Time Stamp）等[1]。

重慶單軌3號線數(shù)據(jù)記錄單元在監(jiān)控系統(tǒng)中作為從站與主控單元進(jìn)行通信，其通信功能的設(shè)計遵循CANopen協(xié)議預(yù)定義主從連接集，按照缺省寧標(biāo)識符（CAN-ID）分配表中預(yù)定義的強(qiáng)制性的元素進(jìn)行定義。

除了配置標(biāo)準(zhǔn)的CANopen節(jié)點所具備的4個發(fā)送PDO對象，4個接收PDO對象，1個SDO對象，1個SDO對象，1個節(jié)點錯誤控制對象和1個緊急對象，數(shù)據(jù)記錄單元還配置了各個車輛子系統(tǒng)的接收PDO對象來接收各個子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)實時記錄的功能。結(jié)合CANopen通信協(xié)議中數(shù)據(jù)幀的傳輸特點，以結(jié)構(gòu)體的形式來定義CAN報文、CANopen協(xié)議配置SDO對象、發(fā)送和接收PDO數(shù)據(jù)對象等。

3.2 數(shù)據(jù)記錄功能設(shè)計

重慶單軌三號線數(shù)據(jù)記錄單元可以對車輛現(xiàn)有各子系統(tǒng)過程數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，主要有：數(shù)字量模塊、受電弓系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)記錄，牽引系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)記錄，制動系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)記錄，門控系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)記錄，信號系統(tǒng)、PIS系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)記錄。

故障數(shù)據(jù)以BOOL量的形式傳輸?shù)綌?shù)據(jù)記錄單元，當(dāng)故障數(shù)據(jù)的值發(fā)生變化時，將其記錄下來并記錄它的值。主要包括數(shù)字量模塊、受電弓系統(tǒng)故障記錄，牽引系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)故障記錄，制動系統(tǒng)故障記錄，門控系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)故障記錄，信號系統(tǒng)、PIS系統(tǒng)故障記錄。故障記錄能夠?qū)囕v發(fā)生的故障進(jìn)行準(zhǔn)確記錄。

此外，車輛還具有胎壓系統(tǒng)，每列車的8個車節(jié)均安裝有胎壓系統(tǒng)，每節(jié)車胎壓系統(tǒng)下具有12個水平輪、8個走行輪、4個輔助輪。胎壓系統(tǒng)具有需要記錄的數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)類型復(fù)雜，故障記錄復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy，且調(diào)試周期長等特點。對胎壓系統(tǒng)故障進(jìn)行記錄時，采用數(shù)據(jù)分包的策略，通過在CANopen數(shù)據(jù)幀中加入分包標(biāo)志位，將一節(jié)車胎壓數(shù)據(jù)分為8包進(jìn)行傳送，有效的解決了數(shù)據(jù)記錄單元接收PDO數(shù)量有限的問題，減輕了CANopen總線負(fù)載。

重慶單軌3號線數(shù)據(jù)記錄單元在記錄過程數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)的同時，還增加故障記錄中對故障時間、故障車節(jié)、故障發(fā)生所在站點的記錄，以方便業(yè)主在故障發(fā)生時對故障進(jìn)行準(zhǔn)確定位，滿足業(yè)主故障分析的需求。

3.3 數(shù)據(jù)分析功能設(shè)計

（1）變量在線實時監(jiān)視

DayanalyzerC具有在線監(jiān)視變量功能，將需要監(jiān)視的變量添加到監(jiān)視列表里面，用戶就可以實時監(jiān)控所關(guān)注的變量，觀察其實時的變化情況。此外，DatanalyzerC還為用戶提供了豐富的數(shù)據(jù)監(jiān)控模式，圖形化監(jiān)控模式可以把每一個變量以單曲線的形式形象的表現(xiàn)出來，有利于用戶直觀地把控變量的變化趨勢;數(shù)值化監(jiān)控模式將數(shù)據(jù)的實時變化呈現(xiàn)出來，方便用戶查看其數(shù)值的大小。

對于用戶關(guān)注的變量，DatanalyzerC還提供了保存功能，可以將監(jiān)視到的數(shù)據(jù)保存下來，用戶在需要的時候可以對其進(jìn)行離線查看。重慶單軌3號線車輛在到達(dá)站點停車時制動命令和實際制動力大小值的曲線表現(xiàn)如圖1

（2）離線數(shù)據(jù)下載與分析

重慶單軌3號線數(shù)據(jù)記錄單元可以記錄監(jiān)控系統(tǒng)及車輛其它各子系統(tǒng)實時運行數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)，用戶可以用配置與數(shù)據(jù)記錄單元相同以太網(wǎng)IP網(wǎng)段的PC機(jī)對數(shù)據(jù)記錄文件和故障記錄文件進(jìn)行下載，通過DatanalyzerC提供的離線數(shù)據(jù)加載和分析功能來對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[2]。DatanalyzerC軟件離線加載數(shù)據(jù)如圖2所示：

3.4 自診斷功能設(shè)計

重慶單軌3號線監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄單元具有自診斷功能。車輛上電正常運行的過程中，數(shù)據(jù)記錄單元通過周期性的向監(jiān)控系統(tǒng)主控單元發(fā)送刷新信號。如果刷新信號沒有更新，則表示數(shù)據(jù)記錄單元與主控單元通信異常，那么將產(chǎn)生一個事件并發(fā)送給診斷系統(tǒng)，通知這個特定的單元已經(jīng)在CANopen上失去通信。事件通過HMI和診斷工具顯示給司機(jī)和維修人員。

4.結(jié)論：

數(shù)據(jù)記錄單元作為重慶單軌3號線監(jiān)控系統(tǒng)的一個子模塊，主要負(fù)責(zé)記錄車輛各子系統(tǒng)實時運行數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)，并為用戶提供數(shù)據(jù)在線實時監(jiān)測和離線下載分析的功能。重慶單軌3號線監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄單元在重慶現(xiàn)場實際運用過程中，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，增強(qiáng)了段方檢修工作人員故障檢測和診斷的能力，提高了故障定位的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)

[1]李礪工，吳濤，王延超.基于CANopen協(xié)議的城軌車輛網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn).鐵道機(jī)車與動車.2014.（3）.

[2]楊冬.北京地鐵6號線西延線列車控制及監(jiān)控系統(tǒng)測試分析.鐵道機(jī)車與動車.2018.（3）