梁東升，方 曉

（廣州地鐵運(yùn)營(yíng)事業(yè)總部基地 廣東 廣州 510010）

目前，輕軌運(yùn)輸系統(tǒng)以其舒適、安全、低能耗、承載人數(shù)多等特點(diǎn)受到人們的青睞，成為市內(nèi)交通的主要運(yùn)輸形式，國(guó)內(nèi)許多城市均展開輕軌的建設(shè)，其中牽引變流裝置負(fù)責(zé)為輕軌車輛提供動(dòng)力并對(duì)電機(jī)運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，是輕軌建設(shè)過程中的核心裝置，直接影響著車輛運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)將車輛中不同位置的牽引變流器通過網(wǎng)絡(luò)線纜連接起來(lái)，形成一個(gè)信息交互網(wǎng)絡(luò)，完成牽引變流器的運(yùn)行數(shù)據(jù)通信和監(jiān)測(cè)。而輕軌車輛的高可靠性需求對(duì)牽引變流器及其控制網(wǎng)絡(luò)提出較高的要求[1-3]。

針對(duì)輕軌車輛牽引變流器的控制需求，文中采用CANopen作為牽引變流器的控制網(wǎng)絡(luò)，充分發(fā)揮CANopen可靠靈活、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了滿足輕軌車輛運(yùn)行高需求的牽引變流器網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)[4-5]。

1 輕軌牽引變流器簡(jiǎn)介

牽引變流器結(jié)構(gòu)如圖1所示，負(fù)責(zé)為和牽引控制單元組成，牽引變流器控制電機(jī)出力，為車輛提供牽引動(dòng)力。每個(gè)牽引變流器均有一個(gè)牽引控制單元對(duì)變流器及電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，實(shí)現(xiàn)變流器數(shù)字量和模擬量的采集和通信，完成車輛制動(dòng)控制以及車載設(shè)備的保護(hù)和故障檢測(cè)。

圖1 輕軌牽引變流器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Converter structure of rail traction

2 CANopen協(xié)議概述

CAN（Controller Area Network）是一種支持分布式控制的總線式通信網(wǎng)絡(luò)。CANopen協(xié)議是基于CAN總線的應(yīng)用層協(xié)議，在機(jī)械制造、鐵路、車輛、船舶、制藥、食品加工等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。

CANopen協(xié)議的通信依賴于4種通信對(duì)象，分別是負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)和管理的網(wǎng)絡(luò)管理對(duì)象NMT；進(jìn)行對(duì)象字典訪問的服務(wù)服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象SDO；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程數(shù)據(jù)對(duì)象PDO以及特殊功能/預(yù)定義連接集對(duì)象。

在CANopen協(xié)議規(guī)范中，通過設(shè)備模型對(duì)不同功能的設(shè)備進(jìn)行描述達(dá)到統(tǒng)一觀察和設(shè)計(jì)目的。設(shè)備模型如圖2所示，由通信單元、對(duì)象字典及應(yīng)用單元組成。

圖2 CANopen設(shè)備模型Fig.2 Device model of CANopen

其中，對(duì)象字典是CANopen協(xié)議的核心，集合了設(shè)備的所有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在CANopen網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有惟一的對(duì)象字典，且結(jié)構(gòu)基本相同，內(nèi)容依據(jù)設(shè)備而定，包含描述這個(gè)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)行為及其應(yīng)用對(duì)象的所有參數(shù)。對(duì)象字典是預(yù)先確定的，通過訪問對(duì)象字典可以得到各節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，確定網(wǎng)絡(luò)的通信模式[6-7]。

3 CANopen網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 方案設(shè)計(jì)

CANopen網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)主要針對(duì)牽引控制單元之間的通信而設(shè)計(jì)。在CANopen網(wǎng)絡(luò)中，為了便于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的管理，采用主從式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中存在一個(gè)主節(jié)點(diǎn)和多個(gè)從節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。主節(jié)點(diǎn)通過協(xié)議中的NMT對(duì)象實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理，如系統(tǒng)初始化、網(wǎng)絡(luò)配置、啟動(dòng)和停止從節(jié)點(diǎn)，偵測(cè)失效節(jié)點(diǎn)等功能，從而可對(duì)所有從節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)進(jìn)行管理及監(jiān)控。從節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將各節(jié)車輛的牽引運(yùn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鞴?jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信和管理。

圖3 CANopen網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)架構(gòu)Fig.3 Control system architecture of CANopen network

在本文中，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以6節(jié)列車車廂編組為研究對(duì)象，由3個(gè)車輛單元構(gòu)成，每個(gè)單元包括一節(jié)動(dòng)車和一節(jié)拖車，每節(jié)動(dòng)車安裝有牽引變流器。在車頭動(dòng)車中設(shè)置牽引主控單元做為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的主節(jié)點(diǎn)，構(gòu)成一個(gè)一主三從的CANopen網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。

3.2 對(duì)象字典建立

根據(jù)CANopen協(xié)議規(guī)定，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)均需設(shè)計(jì)一個(gè)對(duì)象字典對(duì)其參數(shù)進(jìn)行描述并完成相應(yīng)的功能[8]。針對(duì)3.1中設(shè)計(jì)的一主三從的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，需要為主節(jié)點(diǎn)和各從節(jié)點(diǎn)分別設(shè)計(jì)對(duì)象字典。根據(jù)對(duì)象字典的通用結(jié)構(gòu)和建立規(guī)則，各節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信主要以PDO和SDO方式進(jìn)行。主節(jié)點(diǎn)對(duì)3個(gè)從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理，所以配置3個(gè)SDO服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象，分別完成對(duì)應(yīng)從節(jié)點(diǎn)的參數(shù)配置，同時(shí)主節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)工作過程中要完成過程數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，所以配置一個(gè)過程數(shù)據(jù)對(duì)象PDO。主節(jié)點(diǎn)對(duì)象字典設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 主節(jié)點(diǎn)對(duì)象字典Tab.1 Object dictionary of master node

各從節(jié)點(diǎn)需要配置一個(gè)過程數(shù)據(jù)對(duì)象PDO和一個(gè)服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象SDO來(lái)響應(yīng)主節(jié)點(diǎn)的管理并完成通信功能。各從節(jié)點(diǎn)功能相同，所以具有相同的對(duì)象字典如表2所示。

表2 從節(jié)點(diǎn)對(duì)象字典Tab.2 Object dictionary of slave node

CANopen網(wǎng)絡(luò)對(duì)象字典的建立有助于更好的進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)和試驗(yàn)調(diào)試。在組網(wǎng)過程中，建立好的對(duì)象字典將寫成EDS文件的格式導(dǎo)入到主節(jié)點(diǎn)配置軟件，便于主節(jié)點(diǎn)通過對(duì)象字典配置所有節(jié)點(diǎn)的參數(shù)。

3.3 通信協(xié)議制定

CANopen網(wǎng)絡(luò)按照對(duì)象字典中定義的參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)通信。在收發(fā)過程中，數(shù)據(jù)需按照一定的規(guī)則進(jìn)行，這個(gè)規(guī)則就是通信協(xié)議。本文針對(duì)輕軌車輛牽引控制單元之間的通信，主要是主牽引控制單元和各子牽引單元之間的信息交互，包括主牽引單元向子牽引單元發(fā)送以及子牽引單元向主牽引單元發(fā)送數(shù)據(jù)每個(gè)方面。這兩方面都需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的通信協(xié)議規(guī)定數(shù)據(jù)的具體交互形式，包括數(shù)據(jù)名稱、數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)描述等內(nèi)容。表3和表4分別列舉了牽引單元部分?jǐn)?shù)據(jù)的通信協(xié)議是針對(duì)這兩個(gè)方面設(shè)計(jì)的通信協(xié)議。

從上表的通信協(xié)議中可以看到，主牽單元向子牽單元傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要是控制參數(shù)，用于對(duì)電機(jī)進(jìn)行矢量控制。子牽單元向主牽單元傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要是車輛設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)測(cè)參數(shù)，實(shí)時(shí)反映車輛、變流器、電機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行情況。

3.4 網(wǎng)絡(luò)調(diào)度設(shè)計(jì)

在CANopen網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)通信采用載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測(cè) （Carrier Sense Multiple Access/Collision Derect，CSMA/CD）和優(yōu)先級(jí)仲裁 （Arbitration on Message Priority，AMP）相結(jié)合的媒體訪問機(jī)制。網(wǎng)絡(luò)中的各設(shè)備節(jié)點(diǎn)通過標(biāo)識(shí)符優(yōu)先級(jí)的高低競(jìng)爭(zhēng)網(wǎng)絡(luò)信道的使用權(quán)。因此，CANopen網(wǎng)絡(luò)需要設(shè)計(jì)一種滿足需求的優(yōu)先級(jí)編寫規(guī)則，合理分配各種信息的優(yōu)先級(jí)，保證網(wǎng)絡(luò)調(diào)度的可行性。CANopen網(wǎng)絡(luò)中常用的調(diào)度方式是固定優(yōu)先級(jí)調(diào)度，本文同樣采用該調(diào)度方式對(duì)信息的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)[9-10]。

表3 主牽單元向子牽單元數(shù)據(jù)通信協(xié)議Tab.3 Data communication protocol from lord-led unit to sub-led unit

表4 子牽單元向主牽單元數(shù)據(jù)通信協(xié)議Tab.4 Data communication protocol from sub-led unit to lord-led unit

CANopen網(wǎng)絡(luò)中優(yōu)先級(jí)的高低取決于數(shù)據(jù)對(duì)象的標(biāo)識(shí)符，標(biāo)識(shí)符越小優(yōu)先級(jí)越高。本文中CANopen數(shù)據(jù)采用標(biāo)準(zhǔn)幀，幀格式如圖4所示。

圖4 CANopen標(biāo)準(zhǔn)幀結(jié)構(gòu)Fig.4 The standard frame structure of CANopen

由圖4可知，標(biāo)準(zhǔn)幀格式下，每個(gè)通訊對(duì)象由11位標(biāo)識(shí)符組成，其中高4位的功能碼定義通信對(duì)象的功能，低7位表示網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的節(jié)點(diǎn)號(hào)，即節(jié)點(diǎn)地址ID。對(duì)于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的節(jié)點(diǎn)ID是確定的，所以重點(diǎn)對(duì)高4位的功能碼進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)的類型和功能特點(diǎn)，將牽引變流器運(yùn)行數(shù)據(jù)分為事件控制數(shù)據(jù)、運(yùn)行控制數(shù)據(jù)及運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)3類，設(shè)計(jì)如圖5所示的不同信息功能碼結(jié)構(gòu)，其中事件控制數(shù)據(jù)緊急情況下產(chǎn)生，具有最高的實(shí)時(shí)性要求，通過設(shè)置功能碼最高位為0實(shí)現(xiàn)；運(yùn)行控制數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均屬于周期性產(chǎn)生、傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，但運(yùn)行控制數(shù)據(jù)用于傳輸網(wǎng)絡(luò)控制信息，實(shí)時(shí)性要高于運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。所以，首先通過功能碼最高位設(shè)置為1使該兩種數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)低于事件控制數(shù)據(jù)。其次，設(shè)置次高位分別為0和1來(lái)保證同等競(jìng)爭(zhēng)條件下，運(yùn)行控制數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)高于運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從而滿足不同的實(shí)時(shí)性需求。

圖5 CANopen通信對(duì)象功能碼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.5 The function code structure design of communication object of CANopen

3.5 CANopen通信程序設(shè)計(jì)

CANopen網(wǎng)絡(luò)控制的通信程序設(shè)計(jì)流程如圖3.16所示。首先進(jìn)行主節(jié)點(diǎn)CANopen接口配置。選擇波特率，完成CANopen板卡的初始化，將從節(jié)點(diǎn)添加為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。在系統(tǒng)中將各從節(jié)點(diǎn)配置成節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)狀態(tài)，主節(jié)點(diǎn)通過檢測(cè)從節(jié)點(diǎn)發(fā)送的周期性心跳報(bào)文（Heartbeat）來(lái)判斷各從節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)。首先上電后，當(dāng)從節(jié)點(diǎn)處于Pre—operational狀態(tài)時(shí)，可以接收主節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的SDO報(bào)文進(jìn)行對(duì)象字典的配置，操作完畢向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送發(fā)送Boot—up報(bào)文，通知主節(jié)點(diǎn)已進(jìn)入Pre—operational狀態(tài)。然后繼續(xù)等待，當(dāng)接收到主節(jié)點(diǎn)的NMT報(bào)文后進(jìn)入Operational狀態(tài)，此時(shí)主、從節(jié)點(diǎn)可以通過PDO報(bào)文進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息交互，主節(jié)點(diǎn)也可以發(fā)送NMT報(bào)文改變從節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)。按照以上流程進(jìn)行通信實(shí)驗(yàn)，至此本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于CANopen協(xié)議的監(jiān)控單元主控系統(tǒng)間的網(wǎng)絡(luò)控制。

圖6 CANopen通信程序流程圖Fig.6 The communication program flowchart of CANopen

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的CANopen網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的可行性及其通信的正確性，對(duì)CANopen網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進(jìn)行了組網(wǎng)測(cè)試。測(cè)試中主節(jié)點(diǎn)采用Selectron可編程控制器PLC模塊CPU727，從節(jié)點(diǎn)采用DSP28335控制板。主節(jié)點(diǎn)PLC配套軟件CAP1131集成了CANopen組網(wǎng)工具，對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、PDO對(duì)象參數(shù)、SDO對(duì)象參數(shù)、節(jié)點(diǎn)保護(hù)參數(shù)等網(wǎng)絡(luò)通信關(guān)鍵內(nèi)容進(jìn)行配置，之后便可進(jìn)行整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)。在試驗(yàn)中，采用CAN分析儀對(duì)主節(jié)點(diǎn)及各從節(jié)點(diǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖7所示。從圖中可以清晰看到CANopen網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)的內(nèi)容。通過對(duì)比圖中各從節(jié)點(diǎn)和主節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可充分說明整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信的正確性[11]。

圖7 CAN分析儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.7 Monitoring data of CAN-analyzer

5 結(jié)束語(yǔ)

文中針對(duì)輕軌牽引變流器中運(yùn)行數(shù)據(jù)的傳輸和控制，設(shè)計(jì)了基于CANopen協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，通過實(shí)際的調(diào)試以及對(duì)通信數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證了該網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)可充分發(fā)揮其實(shí)時(shí)可靠的運(yùn)行特點(diǎn)，滿足輕軌牽引變流器的數(shù)據(jù)傳輸需求。隨著CANopen技術(shù)的不斷完善，基于CANopen的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在輕軌牽引領(lǐng)域?qū)⒂兄鼮閺V闊的應(yīng)用前景。

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