CRH3動車組半實物仿真測試臺通信的設計與實現

黃根生，趙紅衛，王 欣，姚 放

（中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081）

CRH3動車組半實物仿真測試臺通信的設計與實現

黃根生，趙紅衛，王 欣，姚 放

（中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081）

根據CRH3型動車組的實車通信情況，以及半實物仿真測試平臺對通信的需求，對實車上的通信設備進行分類，并提出真實設備與仿真設備的概念。并在此基礎上，將半實物仿真測試平臺上的通信歸結為半實物仿真測試臺的真實設備之間數據通信、仿真設備之間數據通信、真實設備與仿真設備之間的數據通信以及不同牽引單元間的數據通信。重點解決了仿真設備與真實設備之間的MVB通信、PLC通信，以及不同牽引單元間的以太網通信。

半實物仿真；MVB通信；PLC通信；以太網通信；仿真設備；真實設備

隨著高速動車組在國內的廣泛運用，高速動車組神經中樞的列車網絡控制系統的研究也在不斷地深入。由于列車網絡控制系統控制和管理著列車上幾乎所有子系統，這些子系統與列車網絡控制系統之間有著十分復雜的網絡通信協議，以及基于網絡通信的復雜邏輯控制算法和故障診斷策略。要設計和實現如此復雜和龐大的控制系統，并確保安全可靠，無論是在設計和實現系統的網絡通信協議和內部邏輯控制算法時，還是在列車運行后期維護中的故障診斷時，都迫切需要一個地面仿真測試平臺，以便能夠在列車網絡控制系統的設計、開發、驗證、維護的各個階段，實現對列車的網絡通信協議、邏輯控制算法、網絡控制系統性能、故障診斷策略等方面的分析驗證，降低實車運行帶來的各種技術風險和成本風險。綜合考慮地面仿真測試平臺的靈活性、實用性和經濟性，采用純硬件平臺和純軟件仿真平臺相結合的半實物仿真的結構形式來搭建CRH3動車組半實物仿真測試平臺。半實物仿真測試平臺主要包括3大部分：車載電氣柜（司機控制臺）、采集系統和軟件仿真系統。這3部分之間準確、實時、有效、可靠的信息交互是半實物仿真平臺正常運行的基本要求。

1 CRH3動車組半實物仿真測試臺

1.1 半實物仿真測試臺結構

CRH3動車組半實物仿真測試平臺主要用于更深入、方便地研究高速動車組列車網絡控制系統的軟件、硬件技術，以及為高速動車組在運行維護中的故障復現、分析和排查服務。其結構主要包括以下3部分：

車載電氣柜：包含動車組上所有電氣柜的電子電氣控制電路，主要包括硬線電路、控制手柄、按鈕開關、繼電器、接觸器、空氣開關、熔斷器以及TCN網絡設備等。

采集系統（PLC開關柜）：主要由PLC控制系統及DC 110 V驅動繼電器組成，負責將整列車所有功能系統（例如牽引系統、制動系統、電源輔助系統等）與動車組車載電氣柜（司機控制臺）的硬件接口信號通過PLC系統將DC 110 V電平開關量信號轉換為數字信號，為仿真軟件提供接口；同時也將仿真軟件發出的數字信號通過PLC系統控制驅動繼電器轉換為相應的DC 110 V電平開關量信號，最終控制CRH3車載電氣柜中的繼電器或者網絡I/O設備實現整車的各個功能系統的監控功能。

軟件仿真系統：硬件采用工業控制計算機及相應IO板卡，軟件采用ControlBuilder（以下簡稱CB）仿真開發軟件。通過軟件仿真實現CRH3型動車組各個功能系統（牽引系統、制動系統、電源輔助系統、門控制系統、空調系統等）的功能模擬。該系統通過MVB網絡與車載電氣柜進行數據通信；通過以太網與采集系統的PLC主控制器進行數據通信。

半實物仿真測試平臺的總體結構如圖1所示。

1.2 半實物仿真測試臺通信

在CRH3動車組上，設備與設備之間的通信方式主要有4種（WTB網絡、MVB網絡、CAN網絡、硬線）。WTB網絡主要用于不同牽引單元網關之間的通信；MVB網絡主要用于同一牽引單元內不同MVB網絡設備之間的通信；CAN總線主要用于制動控制器與制動控制單元之間的通信；硬線主要用于傳統電子電氣元件之間以及與其他設備之間的IO接口通信。在CRH3動車組半實物仿真測試臺上，只有中央控制單元、人機界面、MVB中繼器、MVB IO設備和傳統電路設備以及司控臺是真實存在的（稱所有這些設備為真實設備）；其他的所有設備都是通過一臺工控機來模擬實現（稱所有這些設備為仿真設備）。因此所有仿真設備之間的通信都可以通過軟件來實現（包括MVB網絡和硬線）；真實設備之間的通信保持不變（包括WTB網絡、MVB網絡、硬線）；真實設備與仿真設備之間的通信通過MVB網絡、PLC通信和硬線來實現（包括MVB網絡、硬線、CAN網絡）。另外牽引單元之間的高壓信息、中壓信息、氣路信息以及機械信息的交互通過以太網來實現。

從以上的描述中可以看出，從數據通信角度來看CRH3動車組半實物仿真測試臺主要由3大部分組成：真實的TCN網絡設備（如：中央控制單元、人機界面、MVB中繼器、MVB IO設備等）、真實的電子電氣設備（如：控制手柄、開關按鈕、繼電器、接觸器、PLC工作站等）、仿真工控機（軟件仿真各功能子系統的受控模型和控制器模型）。它們之間的通信結構如圖2所示。

圖1 CRH3動車組半實物仿真測試平臺的總體結構圖

圖2 CRH3動車組半實物仿真測試平臺通信結構示意圖

2 半實物仿真測試臺通信的設計與實現

在半實物仿真測試臺中，除了中央控制單元、人機界面、MVB中繼器、MVB IO設備以及硬線電路外，其他功能子系統都是通過軟件仿真來實現的。由于在一臺工控機上需要模擬多個設備，且這些設備與外界都有信息交換（包括MVB網絡、CAN網絡和硬線）；因此需要解決的問題是如何實現仿真設備與真實設備之間的MVB通信和PLC通信。除此之外，不同牽引單元的仿真工控機之間的以太網通信也是需要解決的問題之一。

2.1 半實物仿真測試臺中MVB通信的設計與實現

在半實物仿真測試臺中，各個受控子系統的功能仿真采用CB仿真軟件來實現，這些仿真子系統之間以及它們與真實設備（包括中央控制單元、人機界面、MVB中繼器、MVB IO）之間均需要MVB網絡通信，才能實現動車組中列車網絡控制系統的各種功能。作為通用仿真軟件的CB自身沒有提供這樣的接口，需要在CB軟件的基礎上進行2次開發來實現MVB通信。

2.1.1 MVB通信的設計

（1）綜合NSDB文件

網絡配置數據庫（簡稱NSDB文件）是一個包含有網絡設備進行網絡通信所必須的所有配置信息的數據庫，每個網絡設備都有一個對應的NSDB文件。

在CRH3動車組上，每個子系統的控制器都有一塊MVB通信網卡，同時需要為相應控制器加載一個對應的NSDB文件，才能進行正確的MVB數據通信。在半實物仿真測試平臺中，為了優化平臺的結構、方便各功能子系統的仿真、降低平臺構建成本，僅用一臺工控機來仿真多個受控子系統，并將包含有所有仿真設備的MVB通信配置信息的NSDB文件（綜合NSDB文件）加載到仿真工控機上，從而實現所有仿真設備與所有真實設備之間的MVB通信。為此需要專門為所有仿真設備生成一個綜合了多個仿真設備通信配置的綜合NSDB文件，以供工控機仿真系統使用。

（2）XML文件

XML控制文件是一個包含有網絡設備輸入輸出變量信息的綜合文件，該控制文件用于將每個設備的輸入輸出變量導入到仿真程序中，方便仿真編程。如果設備是真實設備，則該設備的XML文件中包含該設備發送給其他所有仿真設備的信號；如果該設備是仿真設備，則該設備的XML文件中包含該設備發送給所有設備的信號。在半實物仿真測試臺中，由于CB仿真程序是一個通用的仿真軟件，不能直接將XML文件導入，因此需要開發一個中間轉換工具來實現XML文件導入到CB仿真軟件中，以便運用CB仿真軟件進行仿真編程。

（3）MVB通信的結構設計

要實現半實物仿真測試平臺中仿真設備與真實設備的MVB通信，MVB驅動必須解決兩個結構設計的問題：一是CB仿真程序與MVB驅動之間的數據交換；另一個是MVB驅動與MVB網卡之間的數據交換。關于第1個問題，可以通過共享內存的方式來實現MVB驅動和CB仿真程序之間數據交換。其結構框圖如圖3所示。

圖3 CB仿真程序與MVB驅動數據交換結構框圖

關于第2個問題，可以在MVB網卡的底層硬件驅動的基礎上進行軟件開發來實現MVB驅動與MVB網卡之間的數據交換。其結構框圖如圖4所示。

圖4 MVB驅動與MVB網卡數據交換結構框圖

2.1.2 MVB通信的實現

MVB驅動的軟件開發平臺是基于Windows操作系統下的開發環境。在這種開發環境下，實現基于共享內存方式的多進程數據交互、PC104總線數據通信、基于TCP/IP協議的以太網通信、友好人機交互界面的常見方法有使用G語言的LABVIEW和使用C語言的Microsoft Visual C＋＋。由于Microsoft Visual C＋＋編程靈活，對程序開發者來說，具有很大的自由度，且在速度和穩定性方面具有較大優勢，所以在方案設計上選擇技術成熟的Microsoft Visual C＋＋開發平臺來實現MVB驅動的開發。MVB驅動程序作為一個進程，通過共享內存與CB仿真程序進行數據交換；同時MVB驅動程序通過PC104總線將數據發送給MVB網卡，或從MVB網卡接收數據。MVB驅動界面如圖5所示。

圖5 MVB驅動界面

（1）綜合NSDB文件的解析

NSDB文件中包含了所有與網絡通信相關的配置信息，包括設備地址、端口配置信息、變量配置信息、消息配置信息、宿時間監視信息以及版本信息等等。要使用NSDB文件，必須要分析它的組織結構。

NSDB文件是二進制文件。它是按照“段”的形式進行組織的，每個“段”都由相應的段標簽、段長度和段內容組成。每個NSDB文件都有“NSDB＿HEADER”段和“END＿OF＿NSDB”段，其他段的有無依據具體MVB設備的不同而不同。“NSDB＿HEADER”段表示NSDB文件的開始；＂END＿OF＿NSDB＂段表示NSDB文件的結束。

（2）共享內存的管理與訪問

MVB驅動和CB仿真程序是兩個相互獨立運行的程序。他們之間的通信是通過共享內存方式進行的。共享內存由CB仿真程序創建并由其進行管理。MVB驅動僅僅需要打開相應的共享內存并按照CB仿真軟件所規定的機制進行訪問即可。在MVB驅動中，使用CB仿真程序所產生的兩個輸入、輸出文件確定需要通過MVB網絡來進行數據傳輸的具體變量。訪問共享內存的軟件框圖如圖6所示。

（3）MVB數據的通信

在半實物仿真測試平臺中，MVB數據的通信是指將CB仿真程序中的數據通過工控機上的MVB網卡發送到MVB網絡，以及將MVB網絡上的數據接收到CB仿真程序中。在CB仿真環境中，MVB驅動中的數據是通過共享內存與CB仿真程序進行交換的。

CB仿真環境下，MVB數據通信的軟件框圖如圖7所示。

圖6 訪問共享內存的流程框圖

圖7 MVB數據通信的流程框圖

2.2 半實物仿真測試臺中以太網通信的設計與實現

在半實物仿真測試臺上，動車組的某些電氣連接電纜（如25 k V車頂高壓電纜、440 V3 AC供電母線等）在電氣控制柜中沒有實現連接，這部分線路在CB仿真軟件中利用仿真模型來實現。由于每個牽引單元對應一個CB仿真系統，在兩個牽引單元之間連接的這些電纜線，如果直接利用實物電纜線進行連接，一方面較為困難，另一方面也會使仿真系統更為復雜。因此采用簡單且傳輸速度快的以太網數據傳輸方式，在兩臺工控機（即兩個CB仿真系統）之間傳遞這些硬線的連接信息。

通過以太網進行數據傳輸，用得最多最方便的就是客戶端/服務器模型結構。為了使數據傳輸更加穩定、可靠，以太網傳輸程序采用TCP/IP協議。基于CB軟件提供的共享內存接口，對其進行二次開發，實現兩個CB仿真系統之間的以太網數據傳輸。以太網通信總體結構框圖如圖8所示。

圖8 以太網通信總體結構框圖

2.3 半實物仿真測試臺中PLC通信的設計與實現

在半實物仿真測試臺中，車輛電氣控制柜通過采集系統PLC開關電氣柜連接到CB仿真系統中，在仿真系統和控制電氣硬線之間的輸入輸出信號轉換通過PLC工作站完成。每個PLC工作站都配有若干個數字輸入輸出模塊，可以進行24 V和110 V數字量讀入和置位，同時也可以根據實際需要進行模擬量輸入輸出的配置，多個PLC從站通過PROFIBUS DP主站/從站接口與PLC主站進行組態，PLC主站有一個以太網卡接口的模塊CP343，可以通過以太網通信與CB仿真系統實現網絡通信。

由于PLC與仿真系統之間的輸入輸出接口信號眾多，如何方便、高效地在CB內部的仿真信號與PLC工作站上的輸入輸出通道之間建立對應關系是一個必須解決的問題。通過綜合比較，最終采用了OPC通信方式。OPC通信的目的是為了使通信管理、通信信息處理系統等標準化，而無需處理特定協議的尋址問題，OPC客戶應用程序可以通過一個標準、開放的接口，與OPC服務器進行通信，可以利用PLC提供的SIMATIC NET軟件建立OPC服務器，由OPC服務器負責與PLC控制器通信，扮演“通信中心”的角色去讀寫PLC數據，CB仿真軟件作為OPC客戶端，直接通過控制器或者通過一個標準化的COM/DOM接口發送請求給OPC服務器。

在具體實現方法上，首先需要在仿真工控機上安裝OPC服務器，并完成相應的配置，同時在CB仿真軟件中完成仿真信號與PLC硬線信號對應關系的配置文件（根據硬件電路圖確定），并啟動OPC客戶端服務，就可以實現仿真系統對電氣柜的控制。整個OPC通信的結構如圖9所示。

圖9 OPC通信結構圖

3 結束語

本文所描述的通信設計及實現方案全面考慮了CRH3動車組上所有的數據通信（包括網絡和硬線），解決了CRH3動車組半實物仿真測試平臺中單個牽引單元內真實設備與仿真設備之間可靠、正確、實時的數據通信；以及不同牽引單元內仿真設備之間的可靠、正確、實時的數據通信。為搭建CRH3動車組半實物仿真測試平臺提供了有效、可靠、實時的通信保障。同時，也加快了高速動車組列車網絡控制系統軟件、硬件的國產化、自主化開發進程。

［1］ ［美］Jon Bates，Tim Tompkins著，何健輝，董方鵬譯.實用Visual C＋＋6.0教程［M］.北京：清華大學出版社，2000.

［2］ 李江全.西門子PLC通信與控制應用編程實例［M?］北京：中國電力出版社，2012.

Communication Design and Implementation of Semi-physical Simulation Test Platform for CRH3EMU

HUANG Gensheng，ZHAO Hongwei，WANG Xin，YAO Fang
（Locomotive＆Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

According to the actual communication situation of CRH3EMU and the communica-tion requirements of semi-physical simulation test platform，all the communication devices of CRH3EMU are classified，and the concept of physical device and simulation device is proposed.Base on that，all the kinds of communication for semi-physical simulation test platform are divided into the data communication among physical devices，the data communication among simulation devices，the data communication between physical devices and simulation devices，and the data communication among different traction units.The MVB communication and PLC communication between physical devices and simulation devices，and the Ethernet communication among different traction units are solved mainly.

semi-physical simulation；MVB communication；PLC communication；Ethernet communication；simulation device；physical device

U260

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.02.02

1008－7842（2014）02－0005－05

5—）男，助理研究員（

2014－02－17）