基于CAN总线的城轨列车网络控制系统

刘文鸿

（中车唐山机车车辆有限公司海外事业部 河北省唐山市 064000）

随着我国轨道交通行业的快速发展，城轨列车以其舒适、环保、低能耗、客运量大等优点成为解决城市交通拥堵问题的最佳方案，未来发展空间巨大，具有很高的社会意义。列车控制和管理系统（Train Control and Management System，简称：TCMS）作为列车的控制核心，应用计算机和网络控制技术，因此也称之为列车网络控制系统。目前行业内已确立了使用现场总线作为列车网络控制系统的大方向，CAN总线在数据通信方面具有高可靠性、高实时性和高协议灵活性等优点，是众多列车网络控制系统总线中的佼佼者。

本文基于实际项目，对基于CAN总线的城轨列车网络控制系统进行详细深入的分析。通过CAN总线在实际项目中的成功应用，阐述了基于CAN总线的列车网络控制系统构建方案，从较为深入的层面对列车网络控制系统进行解析，同时也展示了我国轨道列车制造行业所取得的骄人成果。

1 列车网络控制系统构建

TCMS框架网络采用总线拓扑结构，如图1所示，由两级网络组成：

（1）车辆级总线：基于CAN总线（ISO 11898），通讯协议是CANopen协议，连接TCMS与受控列车子系统电子设备，进行VCU与列车子系统之间的数据传输。

（2）列车级总线：列车重联时，通过WTB总线在相同的CANopen网络之间通讯，列车的网关控制器负责CANopen协议与WTB协议之间的转换。

下面对列车网络控制系统主要设备及其功能进行介绍：

（1）车辆控制单元（VCU）：作为CAN总线和TCMS的主控制器，VCU管理CAN总线，负责TCMS的控制、监视、故障诊断、数据记录功能。列车以冗余热备的形式配置两台VCU。

（2）WTB/CAN网关控制器（GW）：负责WTB总线协议与CANopen协议之间变换。使两列重联车组TCMS之间能够进行数据交换。每列车配置一台网关控制器。

（3）人机界面（HMI）：是驾驶司机与TCMS之间的可视化界面。显示列车运行状态和故障信息，以帮助司机驾驶列车。

（4）远程输入/输出模块（RIOM）：从列车线环路和列车子系统获取硬线信号，将VCU指令传输给列车子系统。列车的每个车辆单元配置一台RIOM。

（5）以太网（Ethernet）：用于VCU和HMI间的数据交换，通讯协议是Modbus over TCP/IP。

（6）列车线环路：是DC24V电气环路，包含列车线和电气控制设备，为列车重要功能发送列车线控制和监视信号。当列车TCMS失效，驾驶司机可通过列车线环路操控列车。

（7）列车子系统：列车子系统负责完成其特定功能，受TCMS统一管理和调度，完成列车的全部操作。主要包括：受电弓、高速断路器、牵引系统（CC400）、辅助供电系统、制动系统（EBCU）、门系统（EDCU）、旅客信息系统（PIS）、空调系统（HVAC）、照明系统、火警系统（FAS）等。

2 列车网络控制系统的用途

管理和调度列车子系统完成列车运行控制，对列车子系统以及列车全部运行过程进行监视、故障诊断、数据记录，通过人机界面进行显示。实现驾驶司机对列车的操控，为检修维护人员提供故障日志、数据记录、在线测试以及在线监视功能，帮助其完成车辆检修作业。

人机界面主要包括运行界面、故障诊断界面。运行界面显示列车的运行信息，比如：列车速度、限速提示、司机控制器档位、主断路器位置、各个列车子系统运行、通讯以及隔离状态。驾驶司机也可通过HMI的触屏功能进行列车操控。故障诊断界面则显示故障信息，以及在故障发生时，为驾驶司机提供处置建议。

TCMS使用总线网络控制列车的优点是可减少列车电气接线的数量，而且使用软件进行控制和监视可提供更好的灵活性。

提供常规驾驶模式和降级驾驶模式：常规驾驶模式下，TCMS负责管理列车运行控制，TCMS收集司机指令，进行处理后，发送给相关子系统。假定TCMS崩溃失效了，列车将切换成降级模式，列车完全凭借列车硬线环路进行运行控制。相关子系统通过列车硬线信号读取司机操控指令，此时列车限速驾驶。

3 智能故障诊断功能

VCU将从列车子系统收集的故障数据，进行处理、分类、记录。在故障发生时，环境数据被实时记录在故障信息中，比如故障发生时的列车速度、高压、驾驶模式、相关设备的状况，帮助维护人员快速发现并维修故障。故障信息存储到VCU的SD卡，维护人员通过VCU的USB或以太网端口下载故障信息，可使用工具软件进行离线分析。

每个故障信息包括：唯一的故障代码、故障描述、故障类别、故障等级、发生故障的车辆号、发生故障的设备、故障发生时间结束时间、环境数据。依据用户的需求，可以通过配置软件建立包括环境数据的精确故障信息。下面以TCMS对受电弓子系统的故障诊断为例进行解析。

受电弓设置在拖车（T车），驾驶司机手动操作司机操作台上的受电弓控制开关完成升弓操作，通过列车线环路完成控制。MC车为有司机室的动车，TCMS通过MC车占用司机室的RIOM监视升受电弓命令信号、降受电弓命令信号，通过T车的RIOM监视受电弓升弓列车线状态信号、受电弓降弓列车线状态信号、受电弓升到位反馈信号、受电弓降到位反馈信号。

列车有高压，没有受电弓升到位反馈故障诊断：VCU判断高速断路器已闭合、列车有高压电接入、库用电源未连接这三个条件全部为真，与逻辑输出结果为真。再判断受电弓升到位条件为假，异或逻辑输出结果为真，进而诊断此故障，如图2所示。VCU进行故障记录，在HMI的故障信息界面显示。

图1：TCMS总线拓扑结构

4 TCMS控制功能分析

依据列车对各子系统控制管理需求的不同，TCMS对列车的控制管理十分灵活而且可靠。TCMS对于受电弓、高速断路器等系统，只使用列车线环路进行控制，对于牵引、制动、辅助供电、车门、空调等系统，则需要使用CAN总线和列车线环路相结合的方法进行控制，而对于旅客信息、火警等系统，则只使用CAN总线进行控制。下面就TCMS对于列车牵引、辅助供电子系统的控制管理进行解析：

4.1 牵引系统控制

牵引档位指令发出：驾驶司机通过司机控制器手柄提供牵引档位指令。当手柄至牵引档位时，即发出牵引指令，牵引列车线激活。VCU通过MC车RIOM监视牵引列车线状态，确定列车是否处于牵引状态。牵引档位一般有7级可调。牵引档位指令通过三条二进制列车线编码，VCU通过MC车RIOM收集这些列车线信号，进行译码和处理后通过CAN总线发送给牵引子系统牵引变流器的TCU，TCU是牵引变流器的控制单元，负责CAN总线通讯、接收列车线信号。在降级模式中TCMS失效，牵引变流器通过TCU列车线接收牵引指令，保持运转。

电机牵引逆变器启动控制：列车升起受电弓且主断路器闭合后，TCMS通过CAN总线向牵引变流器发送牵引逆变器启动授权，牵引逆变器集成于牵引变流器，负责驱动电机。TCU告知VCU牵引逆变器的直流链路已做好预充电准备，然后VCU命令TCU进行直流链路预充电。当司机控制器发出牵引指令，VCU首先检测牵引安全环路列车线激活，然后通过CAN总线命令TCU进行电机磁化。全部电机磁化完成后，牵引逆变器启动程序完成。在降级模式下，TCU通过检测牵引变流器线电压，进行牵引逆变器启动控制。

牵引转矩计算：VCU通过司机控制器手柄发出的牵引指令计算得到电机转矩需求值，通过CAN总线将电机转矩需求值发送给每台牵引变流器，进而驱动电机。在降级模式下，TCU通过牵引档位编码列车线信号计算电机转矩需求值。VCU通过CAN总线向TCU发送列车基准速度。TCU利用列车基准速度完成电机控制。在降级模式下，TCU通过牵引系统的速度传感器获取列车速度值。

4.2 辅助供电系统控制解析

列车有两台辅助变流器设置在MC车向交流负载提供380V交流电，辅助变流器集成于牵引变流器，如图3所示。正常情况下，只有一台辅助变流器向列车交流负载供电。如果当前辅助变流器发生故障，另一台MC车的辅助变流器将被接通为列车交流负载供电。

TCMS通过RIOM输出模块闭合辅助变流器输出接触器，控制辅助变流器投入供电。VCU通过软件连锁可实现依据奇偶日期开闭输出接触器，以防止两个接触器同时闭合。TCMS通过本地RIOM监视输出接触器闭合状态，在HMI进行显示。

图2：故障诊断逻辑

图3：辅助供电系统

在司机控制台设有交流供电选择开关，通过列车线环路实现辅助变流器输出接触器手动控制，驾驶司机可以选择闭合任意一个输出接触器。正常情况下，当TCMS控制辅助变流器输出接触器时，其通过MC车RIOM输出连锁禁止手动控制。降级驾驶模式时，MC车RIOM的输出连锁被解除，可确保输出接触器的手动控制。

5 总结

在此项目列车投入运营维护期间，单列车行驶总里程平均超30万公里，日行驶里程平均超400公里。对单列车进行RAM可靠性评估，本文提到的基于CAN总线列车网络控制系统，有着MDBF（平均故障间隔里程）为12万公里、MTBF（平均故障间隔时间）为4700小时和25万公里0故障的高可靠性记录，可谓是运行稳定可靠性高，完全满足用户要求，得到高度评价。