基于CANopen的轻轨牵引变流器网络控制系统(PDF X页)

第２２卷　Ｖｏ１．２２　第１５期　Ｎｏ．１５　电子设计工程　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　２０１４年８月　

Ａｕｇ．２０１４　

基于ＣＡＮｏｐｅｎ的轻轨牵引变流器网络控制系统　梁东升．方晓　（广州地铁运营事业总部基地广东广州５１００１０）　

摘要：轻轨以其舒适、快捷、便利等特点成为人们出行的一种重要运输工具，为缓解城市交通拥堵做出突出贡献。轻　轨牵引变流器负责为车辆提供牵引力，其可靠运行关系整个车辆的安全行驶。文中采用ＣＡＮｏｐｅｎ通信技术，针对轻　轨车辆牵引变流器设计了新型的网络控制系统，负责车辆各牵引单元的实时控制和数据通信，详细阐述了ＣＡＮｏｐｅｎ　网络控制系统的设计过程，并通过ＣＡＮ分析仪对网络控制系统的运行数据进行监测，验证了ＣＡＮｏｐｅｎ网络控制系　统的可行性及其通信的正确性。　关键词：轻轨车辆；ＣＡＮｏｐｅｎ；对象字典；通信对象　中图分类号：ＴＮ９１９　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７４—６２３６（２０１４）１５—００６７—０４　Ｎｅｔｗｏｒｋｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｌｉｇｈｔ　ｒａｉｌ　ｔｒａｃｔｉｏｎ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＣＡＮｏｐｅｎ　

ＬＩＡＮＧ　Ｄｏｎｇ—ｓｈｅｎｇ，ＦＡＮＧ　Ｘｉａｏ　（Ｇｕａｎｇｒｈｏｕ　Ｍｅｔｒｏ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　Ｂｕｓｉｎｅｓｓ　Ｈｅａｄｑｕａｒｔｅｒｓ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５１００１０，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｌｉｇｈｔ　ｒａｉｌ　ｉｓ　ｂｅｃｏｍｉｎｇ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｍｅａｎｓ　ｏｆ　ｔｒａｎｓｐｏｒｔ　ｗｉｔｈ　ｉｔｓ　ｃｏｍｆｏｒｔａｂｌｅ，ｆａｓｔ　ａｎｄ　ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ａｎｄ　ｉｔ　ｈａｓ　ｍａｄｅ　ｏｕｔｓｔａｎｄｉｎｇ　ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ　ｔｏ　ａｌｌｅｖｉａｔｅ　ｕｒｂａｎ　ｔｒａｆｆｉｃ　ｃｏｎｇｅｓｔｉｏｎ．Ｌｉｇｈｔ　ｒａｉｌ　ｔｒａｃｔｉｏｎ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｔｒａｃｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｖｅｈｉｃｌｅｓ，ｉｔｓ　ｒｅｌｉａｂｌｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｈａｓ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｎ　ｓａｆｅｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｖｅｈｉｃｌｅ．Ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｕｓｅｓ　ＣＡＮｏｐｅｎ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ａ　ｎｅｗ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｔｒａｃｔｉｏｎ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ．Ｉｔ＂Ｓ　ｒｅｓｐｏｎｓｉｂｌｅ　ｆｏｒ　ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　ｄａｔａ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｔｒａｃｔｉｏｎ　ｕｎｉｔ．Ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｅｘｐｏｕｎｄｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ＣＡＮｏｐｅｎ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ，　ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｄａｔａ　ｂｙ　ＣＡＮ　ａｎａｌｙｚｅｒ．Ｔｈｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ＣＡＮ　ａｎａｌｙｚｅｒ　ｖｅｒｉｆｙ　ｔｈｅ　ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ＣＡＮｏｐｅｎ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｌｉｇｈｔ　ｒａｉｌ　ｖｅｈｉｃｌｅ（ＬＲＶ）；ＣＡＮｏｐｅｎ；ｏｂｊｅｃｔ　ｄｉｃｔｉｏｎａｒｙ；ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｏｂｊｅｃｔ　

目前．轻轨运输系统以其舒适、安全、低能耗、承载人数　多等特点受到人们的青睐，成为市内交通的主要运输形式，　国内许多城市均展开轻轨的建设。其中牵引变流装置负责为　轻轨车辆提供动力并对电机运行情况进行监测。是轻轨建设　过程中的核心装置．直接影响着车辆运行的稳定性和安全　性。网络控制系统将车辆中不同位置的牵引变流器通过网络　线缆连接起来，形成一个信息交互网络。完成牵引变流器的　运行数据通信和监测。而轻轨车辆的高可靠性需求对牵引变　流器及其控制网络提出较高的要求［１－３１。　针对轻轨车辆牵引变流器的控制需求，文中采用　ＣＡＮｏｐｅｎ作为牵引变流器的控制网络，充分发挥ＣＡＮｏｐｅｎ可　靠灵活、实时性强的特点，设计了满足轻轨车辆运行高需求　的牵引变流器网络控制系统　。　１轻轨牵引变流器简介　牵引变流器结构如图１所示．负责为和牵引控制单元组　成，牵引变流器控制电机出力，为车辆提供牵引动力。每个牵　引变流器均有一个牵引控制单元对变流器及电机运行状态　收稿日期：２０１３—０８—０７　稿件编号：２０１３０８０５６　作者简介：粱东升（１９６５一），男，河南安阳人，总工程师。　进行监测和控制，实现变流器数字量和模拟量的采集和通　信，完成车辆制动控制以及车载设备的保护和故障检测。　ＤＣ７５０Ｖ　

图１轻轨牵引变流器结构图　Ｆｉｇ．１　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｒａｉｌ　ｔｒａｃｔｉｏｎ　

２　ＣＡＮｏｐｅｎ协议概述　

ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）是一种支持分布式控制的　总线式通信网络。ＣＡＮｏｐｅｎ协议是基于ＣＡＮ总线的应用层　协议，在机械制造、铁路、车辆、船舶、制药、食品加工等领域　已得到广泛应用。　ＣＡＮｏｐｅｎ协议的通信依赖于４种通信对象。分别是负责　

研究方向：城市轨道车辆通信与信号。　６７—．　《电子设计工程￣２０１４年第ｌ５期　网络启动和管理的网络管理对象ＮＭＴ；进行对象字典访问的　服务服务数据对象ＳＤＯ：实时数据传输的过程数据对象ＰＤＯ　以及特殊功能／预定义连接集对象。　在ＣＡＮｏｐｅｎ协议规范中．通过设备模型对不同功能的设　备进行描述达到统一观察和设计目的。设备模型如图２所　示，由通信单元、对象字典及应用单元组成。　应用部分　对象字典　通讯接口　服务数据对象　●　＋　应用程序　●—＋　数据类型　●——■　过程数据对象　●—＿．　通讯对象　网络管理对象　设备描述　应用对象　特殊功能对象　图２　ＣＡＮｏｐｅｎ设备模型　Ｆｉｇ．２　Ｄｅｖｉｃｅ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ＣＡＮｏｐｅｎ　其中，对象字典是ＣＡＮｏｐｅｎ协议的核心，集合了设备的　所有数据结构。在ＣＡＮｏｐｅｎ网络系统中每个节点都有惟一的　对象字典，且结构基本相同，内容依据设备而定，包含描述这　个设备网络行为及其应用对象的所有参数。对象字典是预先　确定的，通过访问对象字典可以得到各节点的状态，确定网　络的通信模式　。　３　ＣＡＮｏｐｅｎ网络控制系统设计　３．１方案设计　ＣＡＮｏｐｅｎ网络控制系统主要针对牵引控制单元之间的　通信而设计。在ＣＡＮｏｐｅｎ网络中，为了便于整个网络的管理，　采用主从式的网络结构．系统中存在一个主节点和多个从节　点．网络控制系统架构如图３所示。主节点通过协议中的　ＮＭＴ对象实现网络管理，如系统初始化、网络配置、启动和停　止从节点．侦测失效节点等功能，从而可对所有从节点的工　作状态进行管理及监控。从节点负责将各节车辆的牵引运行　数据传输到主节点，实现数据的通信和管理。　ＣＡＮｏｐｅｎ总线　主牵单元　主节点　子牵单元１　从节点１　子牵单元２　从节点２　子牵单元３　从节点ｎ　图３　ＣＡＮｏｐｅｎ网络控制系统架构　Ｆｉｇ．３　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ＣＡＮｏｐｅｎ　ｎｅｔｗｏｒｋ　在本文中，网络控制系统的设计以６节列车车厢编组为　研究对象，由３个车辆单元构成，每个单元包括一节动车和　节拖车，每节动车安装有牵引变流器。在车头动车中设置　牵引主控单元做为整个网络的主节点。构成一个一主三从的　ＣＡＮｏｐｅｎ网络控制系统。　３．２对象字典建立　根据ＣＡＮｏｐｅｎ协议规定，网络中每个设备节点均需设计　个对象字典对其参数进行描述并完成相应的功能【８】。针对　３．１中设计的一主三从的网络结构．需要为主节点和各从节　点分别设计对象字典。根据对象字典的通用结构和建立规　则。各节点之间的数据通信主要以ＰＤＯ和ＳＤＯ方式进行。主　节点对３个从节点进行管理，所以配置３个ＳＤＯ服务数据对　象，分别完成对应从节点的参数配置，同时主节点在网络工　６８－　作过程中要完成过程数据的接收和发送，所以配置一个过程　数据对象ＰＤＯ。主节点对象字典设计如表１所示。　

表１主节点对象字典　Ｔａｂ．１　０ｂｊｅｃｔ　ｄｉｃｔｉｏｎａｒｙ　ｏｆ　ｍａｓｔｅｒ　ｎｏｄｅ　

各从节点需要配置一个过程数据对象ＰＤＯ和一个服务　数据对象ＳＤＯ来响应主节点的管理并完成通信功能。各从节　点功能相同，所以具有相同的对象字典如表２所示。　表２从节点对象字典　Ｔａｂ．２　Ｏｂｊｅｃｔ　ｄｉｃｔｉｏｎａｒｙ　ｏｆ　ｓｌａｖｅ　ｎｏｄｅ　

ＣＡＮｏｐｅｎ网络对象字典的建立有助于更好的进行软件　设计和试验调试。在组网过程中，建立好的对象字典将写成　ＥＤＳ文件的格式导入到主节点配置软件，便于主节点通过对　象字典配置所有节点的参数。　３．３通信协议制定　ＣＡＮｏｐｅｎ网络按照对象字典中定义的参数进行数据的　收发通信。在收发过程中，数据需按照一定的规则进行，这个　规则就是通信协议。本文针对轻轨车辆牵引控制单元之间的　通信，主要是主牵引控制单元和各子牵引单元之间的信息交　互，包括主牵引单元向子牵引单元发送以及子牵引单元向主　牵引单元发送数据每个方面。这两方面都需要设计相应的通　信协议规定数据的具体交互形式，包括数据名称、数据格式、　数据描述等内容。表３和表４分别列举了牵引单元部分数据　的通信协议是针对这两个方面设计的通信协议。　从上表的通信协议中可以看到，主牵单元向子牵单元传　输的数据主要是控制参数．用于对电机进行矢量控制。子牵　单元向主牵单元传输的数据主要是车辆设备的运行监测参　数，实时反映车辆、变流器、电机等设备的运行情况。　３．４网络调度设计　在ＣＡＮｏｐｅｎ网络中．数据通信采用载波监听多路访问／