HXN3B型内燃机车数据交互技术改进的研究与实现

李　哲, 周庆强

(中车大连机车车辆有限公司， 辽宁大连 116022)

HXN3B型内燃机车是在HXN3型六轴大功率交流传动干线内燃机车技术平台的基础上衍生出的交流传动4400马力(3 282.4 kW)内燃机车。目前主要在沈阳、哈尔滨、武汉等铁路局担当调车和小运转任务。HXN3B型内燃机车继承了HXN3系列内燃机车的技术体系，沿用了HXN3机车主要技术特点和成熟结构。机车微机系统通过CAN总线与柴油机控制器、机车显示屏等终端子设备通信，实现整车控制的设计方案。在运用考核中发现机车出现紧急情况时，显示屏实时数据显示有延时，甚至发生机车相关设备无法及时采取有效动作的情况[1]，影响了机车的正常运行。

为解决实时数据显示有延时和有效动作采取不及时的问题，对所有可能导致延时问题的因素进行研究分析，查找问题发生的原因。主要包括两大方面，①软件方面：通过CAN总线抓包工具实时记录CAN总线传输数据和CAN总线负载率；②硬件方面：将故障车辆相关硬件送到质量检测中心，测试硬件质量是否符合装车标准。

1　现有技术方案

机车通信数据根据不同车型有所不同，主要是指：微机和显示屏通信数据，微机和主变流器通信数据、微机和辅助变流器通信数据、微机和制动机通信数据、微机和监控系统通信数据等。微机系统通过各子系统接收整车的实时状态信息，经过综合判断后输出控制指令；机车各子系统根据微机系统发送的控制指令对所负责的功能模块施加控制[2]。

HXN3B机车通信数据主要通过CAN总线传输。CAN总线通信通过CAN数据帧传输，CAN总线规定每个数据帧传输的通信数据长度不得超过固定长度，因此每帧中只能传输少量通信数据。因为机车安装大量子设备，分别负责显示、主变流器控制、辅助变流器控制、制动控制、监控控制等功能，同时子设备之间通信传输数据量大，因此整车数据交互传输数据量很大。而且所有通信数据需要通过CAN总线传输，所以当前机车CAN总线负载率接近饱和。

机车显示屏同机车微机、柴油机控制器、油表等机车设备进行数据交互。机车显示屏的数据变量显示界面，按照牵引系统、冷却系统、速度数据等功能模块分类，每个界面按照对应功能界面显示不同的变量数据信息。机车显示屏根据CAN总线上数据的收发周期实时更新显示屏显示的数据信息。

运用考核中发现调试需要同时显示不同功能界面的数据变量信息，造成了需要在不同数据显示页面之间迅速切换，同时得到的数据信息无法同步。同时全部机车数据信息有几千个变量，所以无法通过显示屏显示所有变量的数据信息。

2　故障原因的研究分析

运用考核中发现在部分情况下，接触器的反馈触点实际已经闭合，但是机车没有立刻采取对应保护动作，而是经过延时后才采取保护动作；同时发现快速增长或快速减少的模拟量通过显示屏显示时，显示的数值不是逐步增长，而是跳跃式上涨。

为查找发生上述现象的原因，通过硬件和软件两方面查找。关于硬件方面：质检中心对送检的硬件设备进行检查，检测项目包括温度试验、热冲击试验、存放试验、热寿命老化试验、振动试验、机械冲击试验、防潮灰尘试验、湿度试验、冷凝试验、电磁兼容试验。最终检测结果显示硬件设备完全符合对应铁路标准。

关于软件方面：在故障机车上安装CAN总线数据记录仪，记录一个月内所有CAN总线数据，最后进行汇总分析。对记录的数据进行汇总分析时发现：CAN总线负载率普遍较高。当机车出现紧急情况时，对机车数据的实时性要求较高，但是由于CAN总线的数据通信周期的时间较长，所以导致重要数据无法及时更新，机车相关设备无法及时采取有效动作[3]。

3　解决措施

3.1　延时问题解决措施

在数据通信方面，为了解决数据通信延时的问题。将所有CAN总线数据变量分为规则变量和特殊变量两种，特殊变量只有在有请求的情况下发送，同时缩短规则变量的通信周期；

提出规则变量的定义，将参与整车重要控制的变量定义为规则变量，例如：微机和主变流器数据流、微机和制动机数据流等，需要数据实时更新，以便控制机车的运行等。每个变量定义一个帧编码号，不同变量的帧编码号不同。在固定编码变量中，再次根据变量的重要性的不同，为每个变量定义不同的发送周期，周期性传输变量信息。

提出特殊变量的定义，将不参与整车控制的变量定义为特殊变量，例如：微机和监控系统数据流等，将机车状态信息记录并传输。每个变量定义一个帧编码号，不同变量的帧编码号不同。只有在请求数据的情况下，发送信号编码变量的信息。

在具体实施方面，每帧中设置一个标志位，标志位为0，则证明是规则变量；标志位为1，则证明是特殊变量。

如图1所示，机车设备接收CAN总线传输的数据变量，首先判断根据标志位判断是规则变量，还是特殊变量。然后根据帧编码号判断变量名，最后采集数据。

如图2所示，机车设备发送CAN总线传输的数据，首先根据标志位判断是规则变量，还是特殊变量，添加标志位的值。根据变量添加帧编码号，最后发送数据[4]。

3.2　数据显示问题解决措施

在显示屏显示方面，为了解决不能显示所有数据和不能把数据放到同一个页面显示的问题。机车显示屏接收来自CAN总线的数据变量，保留机车显示屏按照机车功能分类的数据显示界面，并在显示界面设置自主编辑界面，自主编辑界面上设有变量显示区域，可以根据需求显示1-20项变量信息，增加10个自主编辑界面，自主选择每个界面显示的变量，自主编辑界面上选择的变量可以通过变量的首字母快速查找选择。

如图3所示，自主编辑界面，自主选择界面显示的变量，所有机车变量都可以被选择。进入数据编辑模式，首先通过查找首字母查找所添加变量的大概位置，然后再通过上下按键查找变量的具体位置，最后通过保存按键确认自主编辑界面添加的变量。编辑的界面已选择的变量可以删除[5]。

图1　机车设备接收CAN总线流程图

图2　机车设备发送CAN总线流程图

4　结束语

针对CAN总线承载能力有限导致数据通信周期时间较长的情况，中车大连机车车辆有限公司从软件和硬件两个角度考虑可能导致数据延时问题的原因，再考虑CAN总线的数据承载能力和CAN数据帧发送的数据信息。提出了将数据变量根据变量重要性分为规则变量和特殊变量两部分，定期发送固定变量，有请求的情况下发送特殊变量，缩短定期发送数据的传送周期；以及自主选择显示的数据变量，所有数据变量都可以被选择，因此需要的数据变量可以在同一个页面中显示，同时所有数据变量都可以在显示屏上显示的总体解决思路。

图3　界面显示流程图

2015～2017年，HXN3B型内燃机车在郑州、沈阳、哈尔滨等铁路局进行了长达3年的实际运用，取得了良好的效果，可以实现关键数据的实时传输和查看所有机车数据变量，为后期机车的升级提供了坚实的理论和实际基础。