LabVIEW在CRH380BL高速動(dòng)車組調(diào)試中的應(yīng)用

劉玉鈴，張永波，楊冠軍，李文斌，賈 敏

(中國(guó)北車集團(tuán)唐山軌道客車有限責(zé)任公司，河北 唐山 063035)

0 引言

隨著京滬高鐵的開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，國(guó)產(chǎn)新一代CRH380BL高速動(dòng)車組以其高度的安全可靠性以及卓越的舒適性贏得了社會(huì)各界的好評(píng)，并越來(lái)越受到人們的關(guān)注。而這一切成績(jī)則基于CRH380BL高速動(dòng)車組的精細(xì)制造，單車調(diào)試是動(dòng)車組制造過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，車輛組裝完成后就要對(duì)單個(gè)車輛進(jìn)行功能調(diào)試。單車調(diào)試的質(zhì)量和效率嚴(yán)重影響著其后的列車調(diào)試以及動(dòng)車組交付運(yùn)行。

本文針對(duì)CRH380BL高速動(dòng)車組的單個(gè)車輛的調(diào)試工作引入一種單車模擬試驗(yàn)臺(tái)，以LabVIEW虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)為工具，設(shè)計(jì)編寫(xiě)單個(gè)車輛中的各個(gè)子系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和控制界面，通過(guò)OPC技術(shù)完成與被調(diào)試車輛的MVB總線的連接，并順利通過(guò)CRH380BL動(dòng)車組現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試驗(yàn)證。

1 LabVIEW簡(jiǎn)介

LabVIEW是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境(Laboratory Virtual Instrument Engineering Warkbench)的簡(jiǎn)稱，是美國(guó)國(guó)家儀器公司(National InstrumentsTM，NI)推出的一種基于圖形程序的虛擬儀器儀表開(kāi)發(fā)平臺(tái)，與儀器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、分析、顯示部分一起協(xié)調(diào)工作，是簡(jiǎn)化且更易于使用的基于圖形化編程語(yǔ)言G的開(kāi)發(fā)環(huán)境［1］，其在測(cè)量測(cè)試、數(shù)據(jù)采集、儀器控制、數(shù)字信號(hào)分析、工廠自動(dòng)化等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用［2］。

一個(gè)完整的LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境包括基本模塊和擴(kuò)展模塊兩部分。引擎部分是整個(gè)圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境的核心，它包括編輯模塊、運(yùn)行模塊和調(diào)試模塊，其程序主要包括兩個(gè)部分:前面板(即人機(jī)界面)和程序框圖。

前面板(Front Panel)用于模擬真實(shí)儀器的面板操作，由控件和指示元件組成?？丶闪诵o、開(kāi)關(guān)等用戶輸入控制對(duì)象，可以為程序輸入數(shù)據(jù)。指示元件類似儀器的輸出裝置可以顯示輸出值以及實(shí)現(xiàn)圖表和文字顯示。

程序框圖是用圖標(biāo)連線方式的圖形，是程序的圖形化源代碼。工作指令由G語(yǔ)言編制的圖標(biāo)式流程圖獲得，它既可被用作最高的程序也可以是被其它程序調(diào)用的子程序［2］(每個(gè)程序都可以稱為一個(gè)VI)。流程式的程序設(shè)計(jì)與科技工程人員較為熟悉的數(shù)據(jù)流和方框圖的概念是一致的，而且由于流程圖與傳統(tǒng)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的語(yǔ)法細(xì)節(jié)無(wú)關(guān)，因此更易于工程設(shè)計(jì)人員上手，減少構(gòu)建和測(cè)試程序的時(shí)間。

2 單車調(diào)試系統(tǒng)組成

動(dòng)車組的單個(gè)車輛中的各個(gè)子系統(tǒng)通過(guò)MVB網(wǎng)絡(luò)與頭車司機(jī)室的中央控制單元連接，由中央控制單元集中控制管理［3-4］。單車調(diào)試時(shí)單個(gè)車輛中沒(méi)有中央控制單元，因此需要借助單車模擬試驗(yàn)臺(tái)，實(shí)現(xiàn)中央控制單元的部分功能。

單車調(diào)試系統(tǒng)主要由模擬試驗(yàn)臺(tái)和被調(diào)試車輛組成，模擬試驗(yàn)臺(tái)和被調(diào)試車輛中的各個(gè)子系統(tǒng)之間通過(guò)車輛總線 MVB(Multifunction Vehicles Bus)連接［5］，用單車模擬試驗(yàn)臺(tái)模擬中央控制單元指令輸出，完成單車調(diào)試工序各個(gè)子系統(tǒng)的例行試驗(yàn)項(xiàng)目，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 單車調(diào)試系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

工控機(jī)通過(guò)PCI轉(zhuǎn)MVB卡和調(diào)試車輛上的各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行通信，PCI轉(zhuǎn)MVB卡使用西門(mén)子的MVB PC/104模塊，通過(guò)母板插接到工控機(jī)的PCI插槽上。工控機(jī)上安裝有PCI轉(zhuǎn)MVB卡的通信驅(qū)動(dòng)程序和OPC Server，LabVIEW運(yùn)行在工控機(jī)上，通過(guò)DSC模塊中的OPC客戶端與MVB卡的OPC服務(wù)器連接，實(shí)現(xiàn)與MVB總線的數(shù)據(jù)交互。西門(mén)子AS318模塊擔(dān)當(dāng)MVB BA(Bus Administrator)，負(fù)責(zé)MVB通信的管理和仲裁［6］。

3 單車調(diào)試模擬軟件設(shè)計(jì)

CRH380BL動(dòng)車組包括9種不同的車型，為滿足不同車型的調(diào)試需求需要為每種車型編制單獨(dú)的模擬軟件;根據(jù)CRH380BL的電路圖以及各系統(tǒng)控制邏輯，分析出各子系統(tǒng)控制信號(hào)的邏輯關(guān)系，然后用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)出各個(gè)子系統(tǒng)的調(diào)試監(jiān)控界面［7-9］。單車調(diào)試模擬軟件采用主界面VI+各個(gè)子系統(tǒng)界面VI的方式編制。

3.1 主界面VI設(shè)計(jì)

主界面VI主要負(fù)責(zé)各個(gè)子系統(tǒng)界面VI和MVB通訊數(shù)據(jù)處理VI的調(diào)用，滿足多個(gè)子系統(tǒng)界面VI同時(shí)執(zhí)行和使用權(quán)限控制的需求。主界面啟動(dòng)時(shí)首先會(huì)出現(xiàn)歡迎對(duì)話框和密碼輸入對(duì)話框，當(dāng)輸入密碼與預(yù)先存儲(chǔ)在文本文件中的密碼一致時(shí)才進(jìn)入主界面并啟動(dòng)MVB通訊數(shù)據(jù)處理VI;點(diǎn)擊主界面左側(cè)的子系統(tǒng)按鈕可以啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的子系統(tǒng)界面VI。圖2和圖3分別顯示了EC車的主界面和主界面程序框圖。

圖2 EC車模擬軟件主界面

圖3 EC車模擬軟件主界面程序框圖

3.2 子系統(tǒng)界面VI設(shè)計(jì)

各子系統(tǒng)界面VI實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)子系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和控制，包括各個(gè)子系統(tǒng)的部件狀態(tài)監(jiān)視、啟動(dòng)信號(hào)輸出、溫度數(shù)據(jù)和固件版本等顯示，采用中文和英文兩種語(yǔ)言顯示。EC車的輔助供電系統(tǒng)(APS)操作界面如圖4所示。

3.3 MVB通訊數(shù)據(jù)處理VI設(shè)計(jì)

MVB通訊數(shù)據(jù)處理VI主要負(fù)責(zé)各子系統(tǒng)界面操作數(shù)據(jù)和MVB總線上的數(shù)據(jù)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及MVB總線通信狀態(tài)檢測(cè)。利用被調(diào)試車輛中SKS(輸入輸出設(shè)備)［10］的生命信號(hào)來(lái)檢查MVB總線通信是否正常，該信號(hào)在0和1之間循環(huán)，程序中每次檢測(cè)到該信號(hào)為1時(shí)計(jì)數(shù)，然后以進(jìn)度條的形式在前面板顯示。MVB通訊數(shù)據(jù)處理VI的前面板和程序框圖如圖5所示。

圖4 EC車輔助供電系統(tǒng)操作界面

圖5 MVB通訊數(shù)據(jù)處理VI的前面板和程序框圖

4 與MVB總線通信的實(shí)現(xiàn)

OPC(OLE for Process Control—用于過(guò)程控制的OLE)［11］是一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它是許多世界領(lǐng)先的自動(dòng)化和軟、硬件公司與微軟公司合作的結(jié)晶。OPC為工業(yè)控制設(shè)備與應(yīng)用軟件之間建立了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存取規(guī)范，這個(gè)接口規(guī)范不但能夠應(yīng)用于獨(dú)立計(jì)算機(jī)，而且可以支持網(wǎng)絡(luò)上不同應(yīng)用程序之間的通信，以及不同平臺(tái)上應(yīng)用程序之間的通信［12］。單車調(diào)試模擬程序利用LabVIEW軟件自帶的DSC模塊中的OPC客戶端連接OPC服務(wù)器［13］，OPC服務(wù)器通過(guò)MVB卡及其驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)與MVB總線的數(shù)據(jù)交互。如圖6所示。

圖6 LabVIEW軟件與MVB總線的通訊示意圖

當(dāng)OPC服務(wù)器收到MVB總線的數(shù)據(jù)時(shí)，OPC服務(wù)器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的OPC格式［14］，供OPC客戶端訪問(wèn)。OPC客戶端可讀取數(shù)據(jù)并將要發(fā)送新數(shù)據(jù)寫(xiě)入OPC服務(wù)器，由OPC服務(wù)器發(fā)布到MVB總線上。OPC服務(wù)器將數(shù)據(jù)分為組和項(xiàng)，并將數(shù)據(jù)在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口上顯示。OPC客戶端的數(shù)據(jù)被分為不同的組后，可以組為單位，發(fā)出更新通知的請(qǐng)求。項(xiàng)是OPC服務(wù)器所發(fā)布的數(shù)據(jù)的相關(guān)信息。

通過(guò)DSC模塊內(nèi)建的與OPC Server通訊的機(jī)制，使系統(tǒng)復(fù)雜性大大簡(jiǎn)化，編程規(guī)模和讀寫(xiě)速度皆不受變量數(shù)量的限制，大大縮短了軟件開(kāi)發(fā)周期，提高了軟件運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，便于系統(tǒng)的升級(jí)與維護(hù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

LabVIEW的圖形化編程環(huán)境，可以使用戶靈活設(shè)計(jì)各種監(jiān)控系統(tǒng)而無(wú)需具備太多編程經(jīng)驗(yàn);通過(guò)CRH380BL動(dòng)車組的單車調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證，基于LabVIEW編寫(xiě)的該單車調(diào)試模擬軟件)能夠很好地與被調(diào)試車輛的MVB總線上的各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行通訊，可以實(shí)現(xiàn)被調(diào)試車輛上的各個(gè)子系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和控制，滿足各個(gè)子系統(tǒng)的例行測(cè)試要求。單車模擬試驗(yàn)臺(tái)的應(yīng)用使動(dòng)車組單車調(diào)試更加智能，大大提高了CRH380BL動(dòng)車組調(diào)試工序的效率。

［1］陳敏，湯安.虛擬儀器軟件LabVIEW與數(shù)據(jù)采集［J］.小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，2001，22(4):501-503.

［2］楊樂(lè)平，李海濤，肖相生，等.LabVIEW程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2001.

［3］劉建強(qiáng)，鄭瓊林，張永鋒，等.CRH3型動(dòng)車組列車網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)電氣特性研究［J］.機(jī)車電傳動(dòng)，2010(6):7-11.

［4］沙淼，王偉，徐建波.CRH5型和CRH3型動(dòng)車組列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的比較［J］.鐵道車輛，2012，50(1):25-27.

［5］IEC61375-1，Electric Railway Equipment-Train Bus-Part 1:Train Communication Network［S］.

［6］凌青，張進(jìn)元.基于LabVIEW的地鐵車輛控制單元軟件測(cè)試系統(tǒng)［J］.機(jī)車電傳動(dòng)，2010(6):63-66.

［7］王建群，南金瑞，孫逢春，等.基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2003，39(21):122-125.

［8］雷振山，肖成勇，魏麗，等.LabVIEW高級(jí)編程與虛擬儀器工程應(yīng)用(第2版)［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2012.

［9］陳樹(shù)學(xué)，劉萱.LabVIEW寶典［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2011.

［10］張順廣，王欣，張翔.具有MVB接口的輸入輸出設(shè)備的分析［J］.鐵道機(jī)車車輛，2010，30(5):4-7.

［11］Ffyy0106.OPC Overview 1.0.pdf［EB/OL］.http://download.csdn.net/detail/ffyy0106/373678，2008-03-08.

［12］何奇文.OPC技術(shù)在LabVIEW 8.0 DSC模塊中的運(yùn)用［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2006，27(22):4389-4391.

［13］National Instruments.LabVIEW User Manual［Z］.Temas:National Instruments，2010.

［14］0PC Foundation.OPC Data Access Custom Interface Specification 3.0［EB/OL］.http://en.pudn.com/downloads90/doc/detail342104_en.html，2012-09-21.