HXN3B型內燃機車數(shù)據(jù)交互技術改進的研究與實現(xiàn)

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(tǒng)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(xiàn)整車控制的設計方案。在運用考核中發(fā)現(xiàn)機車出現(xiàn)緊急情況時，顯示屏實時數(shù)據(jù)顯示有延時，甚至發(fā)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(shù)據(jù)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(fā)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(shù)據(jù)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(xiàn)有技術方案

機車通信數(shù)據(jù)根據(jù)不同車型有所不同，主要是指：微機和顯示屏通信數(shù)據(jù)，微機和主變流器通信數(shù)據(jù)、微機和輔助變流器通信數(shù)據(jù)、微機和制動機通信數(shù)據(jù)、微機和監(jiān)控系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)等。微機系統(tǒng)通過各子系統(tǒng)接收整車的實時狀態(tài)信息，經(jīng)過綜合判斷后輸出控制指令；機車各子系統(tǒng)根據(jù)微機系統(tǒng)發(fā)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(shù)據(jù)主要通過CAN總線傳輸。CAN總線通信通過CAN數(shù)據(jù)幀傳輸，CAN總線規(guī)定每個數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)耐ㄐ艛?shù)據(jù)長度不得超過固定長度，因此每幀中只能傳輸少量通信數(shù)據(jù)。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(jiān)控控制等功能，同時子設備之間通信傳輸數(shù)據(jù)量大，因此整車數(shù)據(jù)交互傳輸數(shù)據(jù)量很大。而且所有通信數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)交互。機車顯示屏的數(shù)據(jù)變量顯示界面，按照牽引系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、速度數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)信息。機車顯示屏根據(jù)CAN總線上數(shù)據(jù)的收發(fā)周期實時更新顯示屏顯示的數(shù)據(jù)信息。

運用考核中發(fā)現(xiàn)調試需要同時顯示不同功能界面的數(shù)據(jù)變量信息，造成了需要在不同數(shù)據(jù)顯示頁面之間迅速切換，同時得到的數(shù)據(jù)信息無法同步。同時全部機車數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)信息。

2　故障原因的研究分析

運用考核中發(fā)現(xiàn)在部分情況下，接觸器的反饋觸點實際已經(jīng)閉合，但是機車沒有立刻采取對應保護動作，而是經(jīng)過延時后才采取保護動作；同時發(fā)現(xiàn)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(shù)值不是逐步增長，而是跳躍式上漲。

為查找發(fā)生上述現(xiàn)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(shù)據(jù)記錄儀，記錄一個月內所有CAN總線數(shù)據(jù)，最后進行匯總分析。對記錄的數(shù)據(jù)進行匯總分析時發(fā)現(xiàn)：CAN總線負載率普遍較高。當機車出現(xiàn)緊急情況時，對機車數(shù)據(jù)的實時性要求較高，但是由于CAN總線的數(shù)據(jù)通信周期的時間較長，所以導致重要數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)通信方面，為了解決數(shù)據(jù)通信延時的問題。將所有CAN總線數(shù)據(jù)變量分為規(guī)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(fā)送，同時縮短規(guī)則變量的通信周期；

提出規(guī)則變量的定義，將參與整車重要控制的變量定義為規(guī)則變量，例如：微機和主變流器數(shù)據(jù)流、微機和制動機數(shù)據(jù)流等，需要數(shù)據(jù)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(jù)變量的重要性的不同，為每個變量定義不同的發(fā)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(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)流等，將機車狀態(tài)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(shù)據(jù)的情況下，發(fā)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(guī)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?shù)臄?shù)據(jù)變量，首先判斷根據(jù)標志位判斷是規(guī)則變量，還是特殊變量。然后根據(jù)幀編碼號判斷變量名，最后采集數(shù)據(jù)。

如圖2所示，機車設備發(fā)送CAN總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，首先根據(jù)標志位判斷是規(guī)則變量，還是特殊變量，添加標志位的值。根據(jù)變量添加幀編碼號，最后發(fā)送數(shù)據(jù)[4]。

3.2　數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)和不能把數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)變量，保留機車顯示屏按照機車功能分類的數(shù)據(jù)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(qū)域，可以根據(jù)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(shù)據(jù)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(fā)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)延時問題的原因，再考慮CAN總線的數(shù)據(jù)承載能力和CAN數(shù)據(jù)幀發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。提出了將數(shù)據(jù)變量根據(jù)變量重要性分為規(guī)則變量和特殊變量兩部分，定期發(fā)送固定變量，有請求的情況下發(fā)送特殊變量，縮短定期發(fā)送數(shù)據(jù)的傳送周期；以及自主選擇顯示的數(shù)據(jù)變量，所有數(shù)據(jù)變量都可以被選擇，因此需要的數(shù)據(jù)變量可以在同一個頁面中顯示，同時所有數(shù)據(jù)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(xiàn)關鍵數(shù)據(jù)的實時傳輸和查看所有機車數(shù)據(jù)變量，為后期機車的升級提供了堅實的理論和實際基礎。