HXN3B型內燃機車數據交互技術改進的研究與實現

李　哲, 周慶強

(中車大連機車車輛有限公司， 遼寧大連 116022)

HXN3B型內燃機車是在HXN3型六軸大功率交流傳動干線內燃機車技術平臺的基礎上衍生出的交流傳動4400馬力(3 282.4 kW)內燃機車。目前主要在沈陽、哈爾濱、武漢等鐵路局擔當調車和小運轉任務。HXN3B型內燃機車繼承了HXN3系列內燃機車的技術體系，沿用了HXN3機車主要技術特點和成熟結構。機車微機系統通過CAN總線與柴油機控制器、機車顯示屏等終端子設備通信，實現整車控制的設計方案。在運用考核中發現機車出現緊急情況時，顯示屏實時數據顯示有延時，甚至發生機車相關設備無法及時采取有效動作的情況[1]，影響了機車的正常運行。

為解決實時數據顯示有延時和有效動作采取不及時的問題，對所有可能導致延時問題的因素進行研究分析，查找問題發生的原因。主要包括兩大方面，①軟件方面：通過CAN總線抓包工具實時記錄CAN總線傳輸數據和CAN總線負載率；②硬件方面：將故障車輛相關硬件送到質量檢測中心，測試硬件質量是否符合裝車標準。

1　現有技術方案

機車通信數據根據不同車型有所不同，主要是指：微機和顯示屏通信數據，微機和主變流器通信數據、微機和輔助變流器通信數據、微機和制動機通信數據、微機和監控系統通信數據等。微機系統通過各子系統接收整車的實時狀態信息，經過綜合判斷后輸出控制指令；機車各子系統根據微機系統發送的控制指令對所負責的功能模塊施加控制[2]。

HXN3B機車通信數據主要通過CAN總線傳輸。CAN總線通信通過CAN數據幀傳輸，CAN總線規定每個數據幀傳輸的通信數據長度不得超過固定長度，因此每幀中只能傳輸少量通信數據。因為機車安裝大量子設備，分別負責顯示、主變流器控制、輔助變流器控制、制動控制、監控控制等功能，同時子設備之間通信傳輸數據量大，因此整車數據交互傳輸數據量很大。而且所有通信數據需要通過CAN總線傳輸，所以當前機車CAN總線負載率接近飽和。

機車顯示屏同機車微機、柴油機控制器、油表等機車設備進行數據交互。機車顯示屏的數據變量顯示界面，按照牽引系統、冷卻系統、速度數據等功能模塊分類，每個界面按照對應功能界面顯示不同的變量數據信息。機車顯示屏根據CAN總線上數據的收發周期實時更新顯示屏顯示的數據信息。

運用考核中發現調試需要同時顯示不同功能界面的數據變量信息，造成了需要在不同數據顯示頁面之間迅速切換，同時得到的數據信息無法同步。同時全部機車數據信息有幾千個變量，所以無法通過顯示屏顯示所有變量的數據信息。

2　故障原因的研究分析

運用考核中發現在部分情況下，接觸器的反饋觸點實際已經閉合，但是機車沒有立刻采取對應保護動作，而是經過延時后才采取保護動作；同時發現快速增長或快速減少的模擬量通過顯示屏顯示時，顯示的數值不是逐步增長，而是跳躍式上漲。

為查找發生上述現象的原因，通過硬件和軟件兩方面查找。關于硬件方面：質檢中心對送檢的硬件設備進行檢查，檢測項目包括溫度試驗、熱沖擊試驗、存放試驗、熱壽命老化試驗、振動試驗、機械沖擊試驗、防潮灰塵試驗、濕度試驗、冷凝試驗、電磁兼容試驗。最終檢測結果顯示硬件設備完全符合對應鐵路標準。

關于軟件方面：在故障機車上安裝CAN總線數據記錄儀，記錄一個月內所有CAN總線數據，最后進行匯總分析。對記錄的數據進行匯總分析時發現：CAN總線負載率普遍較高。當機車出現緊急情況時，對機車數據的實時性要求較高，但是由于CAN總線的數據通信周期的時間較長，所以導致重要數據無法及時更新，機車相關設備無法及時采取有效動作[3]。

3　解決措施

3.1　延時問題解決措施

在數據通信方面，為了解決數據通信延時的問題。將所有CAN總線數據變量分為規則變量和特殊變量兩種，特殊變量只有在有請求的情況下發送，同時縮短規則變量的通信周期；

提出規則變量的定義，將參與整車重要控制的變量定義為規則變量，例如：微機和主變流器數據流、微機和制動機數據流等，需要數據實時更新，以便控制機車的運行等。每個變量定義一個幀編碼號，不同變量的幀編碼號不同。在固定編碼變量中，再次根據變量的重要性的不同，為每個變量定義不同的發送周期，周期性傳輸變量信息。

提出特殊變量的定義，將不參與整車控制的變量定義為特殊變量，例如：微機和監控系統數據流等，將機車狀態信息記錄并傳輸。每個變量定義一個幀編碼號，不同變量的幀編碼號不同。只有在請求數據的情況下，發送信號編碼變量的信息。

在具體實施方面，每幀中設置一個標志位，標志位為0，則證明是規則變量；標志位為1，則證明是特殊變量。

如圖1所示，機車設備接收CAN總線傳輸的數據變量，首先判斷根據標志位判斷是規則變量，還是特殊變量。然后根據幀編碼號判斷變量名，最后采集數據。

如圖2所示，機車設備發送CAN總線傳輸的數據，首先根據標志位判斷是規則變量，還是特殊變量，添加標志位的值。根據變量添加幀編碼號，最后發送數據[4]。

3.2　數據顯示問題解決措施

在顯示屏顯示方面，為了解決不能顯示所有數據和不能把數據放到同一個頁面顯示的問題。機車顯示屏接收來自CAN總線的數據變量，保留機車顯示屏按照機車功能分類的數據顯示界面，并在顯示界面設置自主編輯界面，自主編輯界面上設有變量顯示區域，可以根據需求顯示1-20項變量信息，增加10個自主編輯界面，自主選擇每個界面顯示的變量，自主編輯界面上選擇的變量可以通過變量的首字母快速查找選擇。

如圖3所示，自主編輯界面，自主選擇界面顯示的變量，所有機車變量都可以被選擇。進入數據編輯模式，首先通過查找首字母查找所添加變量的大概位置，然后再通過上下按鍵查找變量的具體位置，最后通過保存按鍵確認自主編輯界面添加的變量。編輯的界面已選擇的變量可以刪除[5]。

圖1　機車設備接收CAN總線流程圖

圖2　機車設備發送CAN總線流程圖

4　結束語

針對CAN總線承載能力有限導致數據通信周期時間較長的情況，中車大連機車車輛有限公司從軟件和硬件兩個角度考慮可能導致數據延時問題的原因，再考慮CAN總線的數據承載能力和CAN數據幀發送的數據信息。提出了將數據變量根據變量重要性分為規則變量和特殊變量兩部分，定期發送固定變量，有請求的情況下發送特殊變量，縮短定期發送數據的傳送周期；以及自主選擇顯示的數據變量，所有數據變量都可以被選擇，因此需要的數據變量可以在同一個頁面中顯示，同時所有數據變量都可以在顯示屏上顯示的總體解決思路。

圖3　界面顯示流程圖

2015～2017年，HXN3B型內燃機車在鄭州、沈陽、哈爾濱等鐵路局進行了長達3年的實際運用，取得了良好的效果，可以實現關鍵數據的實時傳輸和查看所有機車數據變量，為后期機車的升級提供了堅實的理論和實際基礎。