無線遙控調(diào)車系統(tǒng)在調(diào)車機車上的應用及實現(xiàn)

(中車株洲電力機車有限公司,湖南株洲 412000)

0 引言

目前在德國聯(lián)邦鐵路,調(diào)車機車都安裝有無線電遙控調(diào)車系統(tǒng)。在調(diào)車工作中,比如列車編組、解編和連接操作,無線遙控的機車要能夠做到機車上無人,操作人員在地面使用無線遙控手持裝置操作機車運行。用無線電遙控調(diào)車機車具有下述兩個目的:(1)降低人工費用的支出;(2)提高調(diào)車作業(yè)的可靠性。

1 無線遙控調(diào)車系統(tǒng)的介紹

1.1 無線遙控調(diào)車系統(tǒng)組成

無線遙控系統(tǒng)由便攜式傳輸單元和接收單元組成,能夠安全地可靠地控制調(diào)車機車。接收單元(無線電遙控主機)安裝于調(diào)車機車低壓電器柜中與整車的TCMS 通過CANOpen通信連接。機車上再安裝天線設備。便攜式傳輸單元(無線電遙控器)通過無線通信向接收單元傳送命令,進而控制機車運行。如圖1 所示:

1.2 安全協(xié)議

根據(jù)EN50159協(xié)議中對于安全通信的描述,使用接收單元的CANOpen接口實現(xiàn)安全相關(guān)的通信,需要保護接收單元和TCMS 之間的數(shù)據(jù)傳輸。

EN50159標準中描述安全通信數(shù)據(jù)傳輸過程中需要能發(fā)現(xiàn)如下的錯誤:

(1)錯誤的發(fā)送者;(2)錯誤的數(shù)據(jù)類型;(3)錯誤的數(shù)據(jù)內(nèi)容;(4)超時數(shù)據(jù);(5)通信丟失。

為了確保安全相關(guān)傳輸功能與非安全相關(guān)傳輸信道的物理層的功能獨立性。

為此,將采取以下安全措施:

(1)在接收單元中比較來自TCMS的傳輸源標識符:用于阻止錯誤的發(fā)送者;(2)傳輸數(shù)據(jù)的CRC校驗:用于阻止錯誤的數(shù)據(jù)類型和內(nèi)容;(3)傳輸生命信號和報文計數(shù):用于阻止超時數(shù)據(jù)和發(fā)現(xiàn)通信丟失。

圖2 描述安全數(shù)據(jù)傳輸報文的結(jié)構(gòu)。

圖2 安全協(xié)議報文結(jié)構(gòu)Fig.2 Message structure of security protocol

為保證通信安全,在傳輸安全相關(guān)的數(shù)據(jù)時,發(fā)送者和接收方都要執(zhí)行安全協(xié)議。

1.3 發(fā)送和接收通道的定義

1.3.1 TX PDO

發(fā)送方PDOs用來發(fā)送安全相關(guān)的數(shù)據(jù)到TCMS。為了達到需要的安全通信級別,需要制定相應的數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)內(nèi)容。

TPDO從字節(jié)1到字節(jié)6是用于存儲想要發(fā)送的數(shù)據(jù)。第7個字節(jié)配置為8bit的CRC校驗碼。第8字節(jié)的高4位用于存儲4bit的報文計數(shù)。

在數(shù)據(jù)發(fā)送前,需要發(fā)送的數(shù)據(jù)要做如下處理:可用數(shù)據(jù)在傳輸前,主節(jié)點的數(shù)據(jù)不需要做按位取反,從節(jié)點的數(shù)據(jù)需要按位取反。4bit的報文計數(shù)和CRC 校驗碼在兩個節(jié)點上都不需要按位取反[1]。

1.3.2 RX PDO

接收方PDOs用于接收來自TCMS的安全相關(guān)數(shù)據(jù)。為了滿足安全通信級別的要求,也需要制定相應的數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)內(nèi)容。

RPDO從字節(jié)1到字節(jié)6用于存儲接收的數(shù)據(jù)。第7個字節(jié)為8bit的CRC校驗碼。第8字節(jié)的高4字節(jié)用于存儲接收的4bit的報文計數(shù)。

RPDO接收到緩存的數(shù)據(jù),使用之前需要進行如下處理:從節(jié)點的數(shù)據(jù)要按bit 取反,然后與主節(jié)點的數(shù)據(jù)進行對比。用于判斷是否存在通信錯誤。

1.4 通信參數(shù)設定

1.4.1 安全通信的反饋時間

TCMS 和無線遙控主機的安全反饋時間為:500ms。

1.4.2 CRC公式

CRC計算公式為:x8+x5+x4+1。

1.4.3 Node IDs

CANOpen主接口Node ID=10(0xAh)

CANOpen從接口Node ID=11(0xBh)

1.4.4 COB ID

COB-ID TXPDO1=x180h

COB-ID RXPDO1=x180h

2 CANOpen網(wǎng)關(guān)的軟件實現(xiàn)

CANOpen網(wǎng)關(guān)主要作用是實現(xiàn)CANOpen協(xié)議和MVB協(xié)議的轉(zhuǎn)換功能。CANOpen只對數(shù)據(jù)進行簡單的讀取輸出。不進行任何的數(shù)據(jù)處理。

具體實現(xiàn)采用符合標準IEC 61131的FBD(功能塊)語言編寫。

第一步:配置Inputs_PDO和Outputs_PDO,見圖3。

圖3 配置Inputs_PDO 和Outputs_PDOFig.3 Configuring Inputs_PDO and Outputs_PDO

第二步:配置MVB 端口并從端口數(shù)據(jù)讀取到緩存數(shù)組中,見圖4。

圖4 配置MVB 端口Fig.4 Configuring MVB ports

第三步:將緩存數(shù)組的數(shù)據(jù)與CANOpen變量進行綁定,見圖5。

圖5 緩存數(shù)組Fig.5 Cache array

3 TCMS部分的軟件實現(xiàn)

根據(jù)2.2節(jié)安全協(xié)議的介紹,TCMS部分要按照安全協(xié)議的內(nèi)容進行軟件編寫。這樣才能保證從TCMS 到Gate Way 到無線遙控主機整個通信過程的安全等級要求。

TCMS 軟件實現(xiàn)主要包括:

(1)配置MVB源、宿端口;根據(jù)TCMS與GateWay之間的數(shù)據(jù)傳輸,需要配置兩個源端口,兩個宿端口。

(2)讀取數(shù)據(jù)或者發(fā)送數(shù)據(jù);應用層使用底層功能塊進行數(shù)據(jù)的讀取或者發(fā)送。

(3)CRC 校驗函數(shù);采用讀表法實現(xiàn)CRC 計算公式:x8+x5+x4+1。該部分使用IEC 61131的ST語言編寫。

(4)數(shù)據(jù)按位取反函數(shù)。實現(xiàn)從節(jié)點通道的數(shù)據(jù)按位取反,見圖6。

圖6 數(shù)據(jù)按位Fig.6 Data Bit by Bit

(5)比較兩路通道的數(shù)據(jù)是否一致;比較主節(jié)點接收數(shù)據(jù)與從節(jié)點取反后的數(shù)據(jù)是否一致。數(shù)據(jù)一致,才能代表指令有效,見圖7。

圖7 兩路通道的數(shù)據(jù)Fig.7 Data of two channels

(6)使用收到的正確信號,進行車輛控制;包括控制車輛牽引方向、牽引力控制、直接制動控制、自動制動控制、直接制動模式選擇、自動制動模式選擇、撒砂、鳴笛、坡停啟動、無線遙控警示燈控制。

4 結(jié)語

本文主要對調(diào)車機車使用的無線遙控調(diào)車系統(tǒng)的應用原理和實現(xiàn)方法進行了全面的介紹。包括系統(tǒng)架構(gòu),如何符合EN 50159的安全協(xié)議,以及CANOpen網(wǎng)關(guān)和TCMS系統(tǒng)如何配合工作實現(xiàn)整車控制。目前無線遙控調(diào)車系統(tǒng)主要應用于歐洲鐵路的調(diào)車機車。并且有非常成熟的安全應用經(jīng)驗。希望本文的實踐經(jīng)驗對國內(nèi)軌道調(diào)車機車在今后該領(lǐng)域的應用起到一定作用。