混合動力動車組網絡監控分析與實現

李淑英，邱瑞昌，楊 春，席海闊

（北京交通大學 電氣工程學院 北京市軌道交通電氣工程技術研究中心，北京　100044）

混合動力動車組網絡監控分析與實現

李淑英，邱瑞昌，楊 春，席海闊

（北京交通大學 電氣工程學院 北京市軌道交通電氣工程技術研究中心，北京100044）

混合動力動車組是集成了兩種不同動力源的動車組，可以根據運營路線及運營環境的變化改變其動力提供方式。針對混合動力動車組的結構特點設計了網絡監控系統，該系統以TI公司推出的數字處理器DSP28335為底層設備，建立動車組列車網關與列車牽引系統之間網絡通信，利用LabVIEW語言開發上位機監控系統，實現了對牽引系統的綜合網絡監控。

混合動力動車組；DSP；LabVIEW；網絡監控

混合動力動車組是具有不同動力輸入的動車組，其中一種為 “25 kV接觸網供電+內燃動力包供電+鋰電池供電”，簡稱DEMU；另一種為“25 kV接觸網供電+鋰電池供電”，簡稱EEMU。混合動力動車組結構復雜，在調試運行階段，需要采用實時性強、運行穩定性高的綜合監控系統進行監控。包括內燃動力包、鋰電池、牽引電機等各個系統的溫度值、接觸器開關狀態、故障狀態等參數的觀測，實時波形數據的采集，與中央管理單元（CCU）的通信數據交互等功能。

基于混合動力動車組結構的特殊性，文中在綜合分析其特點的基礎上以DEMU牽引系統為對象提出一種監控方法。該方法在傳統的儀表測量方式上實現創新，避免了由傳統儀表測量方法產生的影響，例如危及操作人員的人身安全、測試過程繁瑣程序復雜等。綜合監控技術具有強大的采集、判斷及運算能力，實現了將網關實時通信、運行狀態監控、波形顯示以及故障下載分析等多功能集于一體。

1　系統整體架構分析

混合動力動車組編組方式為2動1拖（M+T+M），圖1所示為DEMU拓撲結構，系統主要分為5大部分，分別為接觸網部分（包括受電弓和變壓器）、動力包部分（包括柴油發電機PP和鋰電池及雙向DC/DC設備BDC）四象限變流器(LC)、牽引變流系統（MC）以及輔助逆變器（APS）。

控制箱是將幾大部分的控制板及調理電路集成一體的裝置，為實現各部分的監控，需要在控制箱中安裝監控子系統和主控子系統。主控子系統主要完成相應電氣設備的控制，監控子系統主要完成對應系統的實時監控及與中央控制單元的數據通信。本文以牽引系統控制箱（包括柴油動力包PP、四象限變流器LC、牽引變流器MC、鋰電池組及雙向DC/ DC控制器BDC）為例，主要分析設計監控系統的上位機界面及下位機控制器，整個網絡監控系統結構如圖2所示，綜合監控系統下位機控制器實現與3個主控板（LC、MC、BDC）的CAN通信，同時與列車485網關通信，采集調理電路信號，并使用以太網將底層數據傳輸至上位機界面，上位機界面采用LabVIEW語言編寫，通過以太網協議監控下位機實時狀態。

2　監控系統下位機分析設計

2.1下位機系統總體硬件設計

監控系統作為車輛網關與底層主控系統通信的橋梁，不僅完成與車輛網關的實時數據通信，還需要為調試人員提供車輛各個相關設備的實時信息，包括波形數據采集、故障存儲等工作，而下位機作為核心控制設備，因此，結構合理的下位機設計尤為重要。如圖3所示為針對混合動力動車組牽引系統所設計的監控系統硬件控制結構。

圖1　混合動力動車組拓撲結構Fig．1　Topology structure of DEMU

圖2　網絡監控系統結構圖Fig．2　The structure of network monitoring system

圖3　網絡監控系統硬件設計圖Fig．3　Hardware design of network monitoring and control system

本監控系統底層核心芯片采用了TI公司推出的DSP28335微處理器。DSP28335是一種高性能的32位CPU，其處理功能強大，片上外設豐富［1］。DSP28338提供3個SCI模塊，為監控板與車輛485網關通信提供接口。同時，芯片內部集成的增強型CAN模塊，與CAN2．0B標準完全兼容，有效保證監控板與另外3個控制板之間的數據通信。

實時時鐘芯片DS12CR887的作用是為系統提供時間，記錄列車運行過程中故障發生的時間。FM24CL64是基于I2C總線的外設鐵電存儲器，其容量為64K，當系統發生故障時，FM24CL64將故障代碼及時間點存入芯片，供調試人員分析和研究。以太網芯片控制器采用SMSC公司生產的LAN91C111，該芯片是專門應用于嵌入式應用系統的第三代快速以太網控制器，支持 IEEE802．3/802．u-100Base-Tx/ 10Base-T規范，具有可編程、CRC校驗、同步或異步工作方式，且具有低功耗CMOS設計和小尺寸等特點，是設計嵌入式以太網網絡接口的良好選擇［2］。控制板數據及485網關數據通過以太網傳輸到上位機界面，同時上位機界面參數也可以通過以太網控制參數運行。FPGA即現場可編程門陣列，其作用是為時鐘芯片、RAM、以太網提供時序。

2.2下位機軟件設計

整個系統的軟件設計包括數據采集、故障判斷、數據交互和以太網傳輸等部分，在主程序設計時需要綜合考慮任務調度問題，將任務分成幾個模塊進行設計。

在485通信和CAN通信主要完成與相應系統之間的數據傳輸，定時判斷是否接收到新數據，如果出現計數10次以上無通信數據，則系統將重新啟動相應功能。監控板通過判斷CAN傳輸數據中的故障代碼確定控制系統是否出現故障，如果出現故障，則獲取時鐘芯片的實時時間，將故障代碼及時間組合成故障信息保存在I2C外設電鐵存儲芯存儲器FM24CL64中。波形采集采用2K頻率，將采集到的波形數據按照堆棧形式存入波形數組，和網絡傳輸常規數據進行整合，通過以太網通信模塊傳輸到上位機監控界面。以太網傳輸協議采用簡潔性較高的UDP協議，每幀最多可傳輸1478字節。整個程序流程圖如圖4所示。

圖4　下位機軟件流程圖Fig．4　Software flow pattern of lower system

為了使系統外部擴展芯片正常工作，監控系統中的FPGA需要對其進行時序控制，為外設映射分配擴展區域地址空間。DSP2833x系列的XINTF的3個區域都具有獨立的片選信號，當一個區域被訪問時，相應地片選信號首先被拉到低電平［3］。本系統中的各個外設均映射到外部擴展區域0中，各地址映射區域如表1所示。

表1　外設芯片映射地址Tab.1　Peripheral chip map

3　上位機設計

3.1LabVIEW監控界面分析

基于LabVIEW語言的監控界面通過以太網與下層監控板進行通信，由于系統復雜程度高，數據量龐大，文中對監控界面提出以下幾個方面要求。

1）數據通信量齊全：監控界面必須實時刷新底層設備的所有關鍵數據，反映設備狀態，以便調試人員作出合理的控制策略和及時的故障判斷［4］。

2）通信可靠性高：由于控制系統操作的對象大部分為高壓設備，必須保證監控系統穩定可靠，避免突發的事故。

3）實時波形數據：監控界面除了能反應系統數字量和模擬量之外，還必須能實時體現電流電壓量波形。

4）操作簡單：監控界面應該避免繁瑣的操作程序，以簡單易實現為目的，方便現場操作。

3.2LabVIEW監控界面設計

根據以上要求，文中采用LabVIEW語言設計了功能較為齊全的監控界面，其功能結構如圖5所示。

圖5　監控界面軟件流程圖Fig．5　Software flow pattern of monitoring interface

監控主界面主要包括常規數據顯示、故障顯示、波形顯示、故障下載和測試模式幾個部分［5］。進入監控界面后，啟動監控系統，監控板將以0．5 s/幀的速率向界面發送常規數據，包括所有相關的數字量和模擬量。打開波形顯示功能，界面將AD采集的波形數據包分線程處理，反映到虛擬示波器上。在系統調試階段，調試人員可以使用測試模式，將參數打包通過以太網發送至監控板，監控板啟用CAN模式功能將參數指令轉發到各控制板中。由于在調試的過程中，監控板已經將故障信息存入I2C外設電鐵存儲芯片FM24CL64中，若要查看已經緩存的故障信息，只需啟用故障信息下載功能，故障信息即從緩存芯片中讀取出來，上傳至界面，并以TXT文本形式保存在PC機中［6］。

4　實驗調試結果

1）常規數據如圖6所示。

2）故障顯示如圖7所示。

3）故障下載如圖8所示。

4）測試模式如圖9所示。

5　結束語

文中介紹了混合動力動車組牽引系統網絡監控分析與設計過程，經過在實際裝置上的調試運用，監控系統底層工作穩定，通信可靠性高，上位機界面友好、軟件性能強、運行速度快、波形顯示實時性能良好。采用以太網傳輸機制，實現遠程監控，相對于采用測量方式及示波器安裝操作等繁瑣過程，本文所提出的監控系統結構簡單、易于操作、且實時性能良好，對軌道交通車輛網絡監控有重要借鑒意義。

圖6　常規數據Fig．6　Routine data

圖7　故障顯示Fig．7　Faults display

圖8　故障下載Fig．8　Download faults

圖9　測試模式Fig．9　Test pattern

［1］符曉，朱洪順．TMS320F2833xDSP應用開發與實踐［M］．北京:北京航空航天大學出版社，2013．

［2］胡俐蕊．嵌入式以太網控制器LAN91C111及其應用［J］．微計算機信息，2005（5）．

［3］劉陵順，高艷麗．TMS320F28335DSP原理及開發編程［M］．北京:北京航空航天大學出版社，2011．

［4］吳佐民．新型能饋式牽引供電系統嵌入式監控平臺設計［J］．機械與電子，2010（9）:34-37．

［5］徐碩．基于LABVIEW的能饋式牽引供電裝置監控軟件開發［J］．電子設計工程，2013，21（14）:30-34．

［6］劉君華，郭會軍，趙向陽，等．基于LabVlEW的虛擬儀器設計［M］．北京:電子工業出版社，2003．

The analysis and implementation of DEMU network monitoring

LI Shu-ying，QIU Rui-chang，YANG Chun，XI Hai-kuo
（Beijing Engineering Research Center of Electric Rail Transportation，The School of Electrical Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

DEMU is integrated with two different power，It can change its power providing way according to the change of power line and operation environment．According to the structural characteristics of DEMU this paper design a network monitoring system，this system uses TI company's digital processor DSP28335 as the underlying equipment，establish network communication system between train gateway and train traction system，apply LabVIEW language to develop the upper computer monitoring system，realizes the comprehensive monitoring of DEMU．

DEMU；DSP；LabVIEW；network monitoring system

TP274

A

1674－6236（2016）01-0117-04

2015-04-10稿件編號：201504111

國家科技支撐計劃項目（2013BAG21Q00）；國家自然科學基金（U1134204，51307006）

李淑英(1989—)，女，廣西南寧人，碩士研究生。研究方向：車輛通信與監控技術。