基于ECN的内燃机车网络控制系统

张彭，刘艳龙，黄品忠

（中车大连电力牵引研发中心有限公司，辽宁大连，116052）

0 引言

目前，担当国内干线货运牵引任务的内燃机车以直流传动为主，大部分机车已经进入报废期或者产品寿命后期，存在机车排放较高、经济性差、维保工作量大等问题。

从2005年开始研制技术引进的交流传动内燃机车，共计生产1066台，交流传动具有的牵引力大、恒功控制范围广的特点受到用户欢迎。

根据国家的铁路发展规划要求和用户的需求，目前国内铁路市场上急需新一代的具有自主知识产权的交流传动货运内燃机车，是DF4D、DF8B等直流传动内燃机车的升级换代产品。

该交流传动内燃机车首次采用编组以太网ECN作为车辆通信网络，实现单纯的以太网控车，各网络终端设备全部采用冗余配置，充分保证该车的高冗余性、高可靠性。

1 系统组成

该车网络控制系统(TCMS，Train Control and Monitoring System)采用列车级总线WTB(Wire Train Bus)及车辆级总线以太网进行控车，取代了以往TCN(Train Communication Network)网 络 中 的MVB(Multifunction Vehicle Bus)总 线，各终端设备符合IEC61375-3-4标准规定的通信规范，整个以太网编组网络采用环形结构，列车级网络采用WTB总线，用于两台机车之间的列车级控制指令、故障信息等数据的传送及动态编组的实现。实时以太网不仅大大提高了整车通信的实时性，还可以满足海量数据通信，对比采用MVB通信的网络控制系统平台，有了明显的改进和提升。

TCMS网络控制系统拓扑如图1所示。

图1 网络控制系统拓扑图

TCMS主要包括2个中央控制单元CCU(Central Control Unit)，2个 重 联 网 关GW(Gateway)，其 中CCU和GW集成在一个机箱内，2个机箱硬件相同相互冗余，6个远程输入输出单元RIOM(Remote Input & Output Module)，1个数据记录单元ERM(Event Record Modem)，其他设备显示单元DDU(Driver Display Unit)、牵引控制单元、励磁控制单元等由其他厂商提供。

1.1 中央控制单元机箱

中央控制单元机箱为3U42TE结构，由电源板、CCU板、CPU板和WTB板组成。

图2 中央控制单元机箱

CCU板卡实现车辆级控制、列车级控制及设备通信状态的诊断、故障诊断等功能。该车装有2个中央控制单元机箱，2个CCU处于热备冗余状态，当主CCU故障时，从CCU立即升级为主，使机车运行不受影响或导向安全。

重联网关由CPU板与WTB板组成，实现WTB协议与TRDP协议的转换。当机车重联编组发生改变时，网关会初运行，自动计算出编组中各节点的地址和节点方向，且能相互转发和接收各节点的数据信息。机车运行中两个重联网关处于双激活状态，CCU根据网关首选、备选标识状态，确定哪个网关数据有效可用。

完全自主的具有TCN-UIC自适应能力的网关，既可以与不同厂家平台网关互联互通，也可以与既有采用UIC协议的HX机车或CRH动车组互联互通。通过硬件优化设计增强网关板卡抗干扰能力，软件优化设计完善冗余功能，改善WTB线路屏蔽效果等措施解决了重联编组运行时，由于线路外部干扰导致的设备故障。

CCU启动过程冗余方案：2个CCU机箱拨码为5（CCU1）和9（CCU2），初始上电时都默认为从设备，CCU2设置延长启动，待CCU1启动后，如果没接收到CCU2的状态信号，那么CCU1自动升级成主设备，CCU2启动后发现CCU1已经为主，CCU2继续保持为从设备，处于热备冗余状态。

CCU启动过程如图3所示。

图3 CCU启动过程

运行中CCU冗余切换方案：当主CCU出现故障时，从CCU接收不到主CCU状态信号，则从CCU升级为主，接替主CCU控制功能，同时发送自己为主设备的信号。当原主CCU故障恢复后，发现原从CCU已经升为主设备，则保持主从状态继续作为从设备。

当从CCU发生故障时及故障恢复后，主CCU和从CCU的主从状态保持不变。

当从CCU物理连接不良时，会导致自己升级为主设备，一旦连接恢复正常，总线上会出现双主现象。此时原主CCU会自动降为从设备，交出总线控制权。双主切换过程如图4所示。

图4 CCU双主切换过程

1.2 远程输入输出单元RIOM机箱

两端司机室各装有两个互相冗余的RIOM机箱I型，如图5所示。机械间安装两个冗余的RIOM机箱II型，如图6所示。RIOMI型为3U26TE，具有2个板位；RIOMII为3U84TE，最多具有15个板位，各板卡通道响应速度为120ms。RIOM机箱主要包括DI、DO、AX板卡，不同机箱板卡配置不同，DI板用于车辆数字量信号的采集，单板支持24路110V数字量采集，DO板具有数字量输出功能，单板支持16路输出，AX板用于模拟量的输入和输出，包括电压、电流、压力及温度等信号，AX1型单板最多支持5路模拟量输入采集，AX2型单板最多支持12路模拟量采集。板卡内部采用CAN通信，通过RIOM网关转换为TRDP协议，与CCU进行信息交互，完成对信号的输入输出逻辑控制。

图5 RIOM机箱I型

图6 RIOM机箱II型

CCU对冗余RIOM机箱信号有效判断逻辑如图7所示，DI、DO板卡具有自检功能，实时将各个通道自检状态发到以太网总线上。RIOM机箱拨码分别为1（RIOM1）、2（RIOM2）,两个机箱互为冗余，CCU对RIOM机箱IO输入输出进行逻辑判断，若RIOM1网关状态正常，DI板卡状态正常，板卡上通道自检正常，且有信号输入，则CCU信任该信号。

图7 RIOM机箱冗余判断逻辑

1.3 数据记录单元ERM

数据记录单元ERM配备非易失性存储器，机车管理系统断电后数据不丢失，主要实现对机车车载设备的运行状态和故障进行自动信息采集、记录，并可通过便携式测试单元PTU将数据读出和打印，如图8所示。记录功能包括运行记录和故障记录，借助PTU软件可以对运行数据进行解析处理，如图9所示。

图8 ERM单元

图9 PTU软件解析

故障为触发式记录，故障诊断记录包括车辆发生故障时的概要信息。概要信息以列表的形式显示出来，主要包括故障发生的日期时间、故障代码、故障子系统、故障名称、故障描述、故障等级、故障级位、速度、列车编号、距离和故障发生解除等信息。

2 以太网通信技术

列车采用以太网网络进行控制，符合IEC 61375-3-4标准的列车工业以太网实现整车编组、控制和通信。通过优化底层软件通信机制，及优化各厂家设备的以太网兼容性等措施解决以太网通信不稳定问题，增强整车以太网通信可靠性。解决大数据量、高实时性条件下，安全可靠的对整车进行控制。

TRDP过程数据报文格式如图10所示，TRDP过程数据报文体现在UDP数据报中的DataSet，而TRDP过程数据报文中的DataSet则是我们实际通信中定义的数据。网络控制系统设备都遵循TRDP协议，以组播IP的方式实现数据的交互，通信周期20ms，可高实时性、可靠的对整车进行控制。各个设备以Comid加以区分，CCU与终端设备之间通过组播通信完成数据传输。CCU每20ms向设备发送一帧CDR控制数据请求，该设备返回包含自身信息的CD数据帧作为响应。

图10 TRDP报文格式

3 系统冗余设计分析

中央控制单元CCU、重联网关GW、远程输入输出单元RIOM、显示屏DDU、牵引控制单元TCM及辅助控制单元ACU全部采用冗余配置，全部连接到2个网管型以太网交换机上，交换机相互连接组成环网结构。CCU热备冗余，主CCU故障，从CCU切换为主，切换时间小于100ms；重联网关采用双激活方式，CCU判断首选和备选来确定信任哪个重联网关转发的重联数据；远程输入输出单元机箱、信号输入输出都完全冗余，通道都有自检功能，由CCU判断网关心跳、板卡心跳、通道自检状态来确定信号状态的有效性，对外以太网通信接口冗余，一路以太网故障，另一路可继续实现通信。关键设备冗余配置分别接到不同交换机，设备或交换机故障，整个网络可继续正常工作网络拓扑如图11所示。

图11 环网拓扑图

3.1 可靠性分析

关键设备采用冗余配置可以实现网络上任何设备发生故障时都能保证机车正常运行。假设网络设备都采用单独配置，此时整个网络通信的可靠性为RC。设备采用冗余配置时，整个网络相当于冗余通信，可靠性为RS。

通过图12的对比可以发现，关键设备采用冗余配置可以极大地提高列车通信网络的可靠性。

图12 冗余与非冗余配置可靠性对比

3.2 冗余测试分析

重联网关GW和远程输入输出单元RIOM的冗余由CCU判断信任哪一个，网络上各个设备通信周期为20ms,CCU同时接收两个冗余设备的TRDP数据包，实时监测数据包中的心跳状态，若CCU默认信任的设备在10个周期内心跳不变化，则认为该设备出现问题，切换到信任另一个冗余设备。

CCU作为主控设备，对其冗余的可靠性、切换时间有较高的要求，因此对系统中CCU切换过程中TRDP数据进行抓包处理，CCU冗余切换时间小于100ms。

4 结语

该网络控制系统方案已经过实验室联合调试、实际车上测试、环铁线上动态试验及试运行，目前正在进行运用考核试验，运行状态良好，具备较高的可靠性和实时性，完全满足列车数据传输的要求，达到全面采用以太网实时通信控车。随着以太网技术在车上的应用与实践，网络控制系统的设计、制造及维护成本也将会大大降低。