CN102023637B - 一种基于can网络的轻轨车辆网络控制系统试验平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CAN网络的轻轨车辆网络控制系统试验平台，包括司机控制台A、司机控制台B、控制柜A、控制柜B和子系统模拟柜，所述的司机控制台A与司机控制台B结构相同，所述的控制柜A与控制柜B结构相同，所述的司机控制台A、控制柜A、子系统模拟柜、控制柜B和司机控制台B通过CAN网络连接。本发明可以极大的缩短车辆网络控制系统的调试时间，从而缩短主机厂向用户交付车辆的时间，最终可以实现车辆的提前交付或运营。为基于CAN网络技术的控制系统提供了一个试验平台和研究平台，有利于CAN网络系统在我国的推广应用，从而促进我国轨道交通车辆网络控制系统的多元化发展。

Description

一种基于CAN网络的轻轨车辆网络控制系统试验平台

技术领域

本发明涉及一种轻轨车辆的试验装置，特别是一种基于CAN网络的轻轨车辆网络控制系统试验平台。

背景技术

目前世界轨道交通行业进入快速发展时期，为了缓解日益严重的交通压力，同时提高交通运输的效率，新型的机车、动车组、轻轨车辆、地铁车辆等轨道车辆在全世界开始广泛使用。伴随着轨道交通行业的兴起，轨道交通车辆的控制越来越趋向于智能化，传统的车辆控制方式已经不能满足新形势下的技术要求，基于网络控制的智能轨道车辆开始在全世界的轨道交通行业开始广泛应用。但是如何针对不同的车辆，开发满足相关技术要求的安全的车辆控制系统，一直是轨道交通行业控制系统工程师所面临的问题。

在全世界的轨道交通行业中，所使用的网络控制技术主要包括西门子和庞巴迪等公司推荐的TCN网络、法国AlSton等公司推荐的WorldFip网络以及日本三菱等公司推荐的RS485网络等。这几种网络系统都具有多年的应用经验，较为成熟，尤其是一些世界上著名的大公司，都有非常完善的网络控制系统试验平台，用于对新开发车辆的网络控制系统进行相关的试验与验证。

然而，伴随着汽车工业的飞速发展，作为汽车行业的主要网络系统的CAN网络近几年也进入了蓬勃发展时期，由于汽车行业对成本要求较高，CAN网络为了适应汽车工业的发展，已经演变成为一种低成本高可靠的网络。而在轨道交通行业中所使用的TCN、WorldFip等网络技术垄断、轨道交通市场相对汽车行业市场小等原因，一直具有非常高的成本，已经严重影响了轨道交通车辆的整体成本。正是在这种情况下，国外一些从事轨道交通网络研究的公司开始将用于汽车工业的CAN网络引入轨道交通行业。在原有的CAN网络基础上通过对应用层进行一些协议的开发研究，从而研制出一种适合于轨道交通的CAN网络。这种应用近几年已经在国外的项目中得到验证。在我国轨道交通行业跨越式发展的要求下，这种新型的CAN网络业进入我国，并开始在国内的一些项目中开始尝试使用。但是由于国内还没有建立起基于这种CAN网络的控制系统试验平台，因此给CAN网络在国内的应用带来了很大的障碍，很多智能控制策略必须在车辆制造完成后通过上车调试才能实现，一方面使得车辆调试时间加长，影响车辆的交付周期，同时也给调试带来了很大的困难，增加了调试的成本，另一方面也影响了CAN网络控制系统在我国的快速应用。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种方便轻轨车调试、缩短调试周期、降低调试费用、易于在国内快速推广应用的基于CAN网络的轻轨车辆网络控制系统试验平台。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种基于CAN网络的轻轨车辆网络控制系统试验平台，包括司机控制台A、司机控制台B、控制柜A、控制柜B和子系统模拟柜，所述的司机控制台A与司机控制台B结构相同，所述的控制柜A与控制柜B结构相同，所述的司机控制台A、控制柜A、子系统模拟柜、控制柜B和司机控制台B通过CAN网络连接；

所述的子系统模拟柜内安装有多个用来模拟车辆的子系统，各子系统之间通过CAN网络依次串联；所述的多个子系统包括牵引子系统、辅助子系统、制动子系统和车门子系统；

所述的司机控制台A包括显示单元IDU、司机控制器、司机操作指令按钮和重联网关TBC，所述的显示单元IDU是车辆上的人机接口设备、用来显示车辆及子系统的运行状态，并具有车辆诊断功能；所述的司机控制器是车辆中主要的操作设备，司机通过操作司机控制器来控制车辆的运行；所述的司机操作指令按钮提供司机在驾驶操作过程中的一些辅助功能；所述的重联网关TBC为用于车辆重联控制的UIC网关，用来实现在列车重联时各个车辆之间的信息传输；

所述的控制柜A包括车辆控制单元VCU、车辆信号采集单元RIOM、速度信号模拟仪与模拟信号仪，所述的速度信号模拟仪与模拟信号仪产生的信号通过车辆信号采集单元RIOM采集，同时车辆信号采集单元RIOM还采集司机控制器与司机操作指令按钮信号，车辆控制单元VCU与车辆信号采集单元RIOM之间通过CAN网络连接；所述的车辆控制单元VCU用于实现车辆的所有控制功能，车辆信号采集单元RIOM负责采集车辆及子系统的I/O信号，并向车辆输出控制指令，速度信号模拟仪用来在实验室静态环境下模拟车辆的动态运行情况，模拟信号仪用来产生轻轨车辆中的各种4-20mA的模拟信号源；

本发明所述的子系统模拟柜内包括4个子系统，每个子系统具有完全相同的硬件结构和不同的软件，分别用来模拟车辆的牵引子系统、辅助子系统、制动子系统和车门子系统。

本发明所述的子系统模拟柜内包括4个以上的子系统，每个子系统具有完全相同的硬件结构和不同的软件，均通过CAN线缆串联起来，分别用来模拟车辆上4个以上的子系统。

本发明所述的重联网关TBC的车辆总线接口CANopen端口通过CANopen网络线缆依次与车辆控制单元VCU、显示单元IDU和车辆信号采集单元RIOM连接，车辆信号采集单元RIOM的CANopen端口通过CANopen网络线缆与子系统模拟柜内的几个子系统的CANopen端口串联，所有具有CANopen接口的设备通过CANopen线缆连接，形成CAN网络；所述的车辆信号采集单元RIOM还通过电源线和IO信号线分别与司机控制器、司机操作指令按钮、速度信号模拟仪与模拟信号仪连接。

本发明所述的车辆控制单元VCU、车辆信号采集单元RIOM以及子系统模拟柜内的每个子系统所使用的CPU均具有符合IEC61131-3标准的图形化编程能力和PLC的功能。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、由于本发明可以在车辆制造之前或制造期间，就可以进行智能控制系统的试验与验证，原来必须要在车辆制造完成后在车上进行的试验现在可以提前在该试验平台完成；同时由于该试验平台所提供的调试条件为其他所有子系统全部工作正常，这样就避免了在车上调试时由于其他子系统的原因影响网络控制系统的调试，通过该试验平台可以极大的缩短车辆网络控制系统的调试时间，从而缩短主机厂向用户交付车辆的时间，最终可以实现车辆的提前交付或运营。

2、原来必须要在车辆制造完成后在车上进行的试验，现在可以提前通过本发明完成，避免了在车上调试时各个系统之间资源冲突，责任相互推脱的现象，从而可以降低车辆的调试费用。

3、基于CAN网络的控制系统与TCN及WorldFip等网络相同相比本来就具有非常大的成本优势，本发明的应用，又可以降低车辆的调试周期及费用，从而最终实现了降低车辆整体成本的效益。

4、基于CAN网络的控制系统具有显著的成本优势，通过本发明的应用不但可以缩短调试周期，降低车辆成本，更主要的是为基于CAN网络技术的控制系统提供了一个试验平台和研究平台，有利于CAN网络系统在我国的推广应用，从而促进我国轨道交通车辆网络控制系统的多元化发展。

5、本发明中在控制柜A与控制柜B中分别使用了一个车辆控制单元VCU，这两个车辆控制单元VCU通过CANopen线缆串联到CANopen网络中，通过控制软件实现冗余功能。作为CANopen网络中的主控单元，在正常情况下只有一个车辆控制单元VCU处于工作状态，接收所有的控制信号，执行控制逻辑，并将控制指令通过CANopen网络输出到其他CANopen网络的从设备中(如RIOM、IDU、模拟子系统等)，另一个车辆控制单元VCU处于监听状态，接收所有控制信号，也执行控制逻辑，但并不向网络中发送控制指令，当处于监听状态的车辆控制单元VCU检测到处于运行状态的车辆控制单元VCU出现故障时，会立刻接替故障的车辆控制单元VCU向CANopen网络中发送控制指令，从而实现CANopen的网络的冗余管理与车辆的冗余控制功能。

6、本发明中首次使用的重联网关TBC具有符合UIC556规范的列车重联控制功能，当系统试验的多个车辆通过列车线缆PowerLine连接时，该重联网关TBC能够实现列车间的自动编组，初运行功能，在各个列车间相互传输控制信息，当PowerLine线缆断开时该重联网关TBC又可以实现列车的自动解编功能。

7、本发明首次使用了模拟速度仪，在实验室的静态环境下可以模拟车辆动态运行的状况。

8、本发明首次使用了模拟信号仪，用来模拟实际车辆中的载荷传感器与压力传感器等设备，便于实现车辆对模拟信号的采集与处理。

9、本发明的子系统模拟设备都是供电后通过CAN线缆连接起来即可工作，因此需要增加模拟设备时，只要增加相同的设备并供电，即可。但是由于模拟设备的功能不同，只要更新设备内部的软件即可。因此，本发明具有开放的接口，用户可以根据实际需求任意的增加或减少模拟子系统的数量，因此该试验平台几乎可以满足任何轻轨车辆的控制系统试验。

10、本发明对于车辆控制单元所有的数字输出信号通过指示灯来直观的显示。

11、由于本发明的车辆控制单元VCU、车辆信号采集单元RIOM以及子系统模拟柜内的每个子系统所使用的CPU均具有符合IEC61131-3标准的图形化编程能力和PLC的功能，方便用户多对轻轨车辆控制功能的试验与验证。

附图说明

本发明共有附图3张，其中：

图1是基于CAN的网络控制系统试验平台结构图。

图2是基于CAN的网络控制系统试验平台网络拓扑图。

图3是基于CAN的网络控制系统试验平台所有CAN设备之间的网络连接关系示意图。

图中：1、司机控制台A，2、控制柜A，3、子系统模拟柜，4、控制柜B，5、司机控制台B，11、显示单元IDU，12、司机控制器，13、司机操作指令按钮，14、重联网关TBC，21、车辆控制单元VCU，22、车辆信号采集单元RIOM，23、速度信号模拟仪，24、模拟信号仪，31、牵引子系统，32、辅助子系统，33、制动子系统，34、车门子系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1-3所示，一种基于CAN网络的轻轨车辆网络控制系统试验平台，包括司机控制台A1、司机控制台B5、控制柜A2、控制柜B4和子系统模拟柜3，所述的司机控制台A1与司机控制台B5结构相同，所述的控制柜A2与控制柜B4结构相同，所述的司机控制台A1、控制柜A2、子系统模拟柜3、控制柜B4和司机控制台B5通过CAN网络连接；

所述的子系统模拟柜3内安装有多个用来模拟车辆的子系统，各子系统之间通过CAN网络依次串联；所述的多个子系统包括牵引子系统31、辅助子系统32、制动子系统33和车门子系统34；

所述的司机控制台A1包括显示单元IDU11、司机控制器12、司机操作指令按钮13和重联网关TBC14，所述的显示单元IDU11是车辆上的人机接口设备、用来显示车辆及子系统的运行状态，并具有车辆诊断功能；所述的司机控制器12是车辆中主要的操作设备，司机通过操作司机控制器12来控制车辆的运行；所述的司机操作指令按钮13提供司机在驾驶操作过程中的一些辅助功能；所述的重联网关TBC14为用于车辆重联控制的UIC网关，用来实现在列车重联时各个车辆之间的信息传输；

所述的控制柜A2包括车辆控制单元VCU21、车辆信号采集单元RIOM22、速度信号模拟仪23与模拟信号仪24，所述的速度信号模拟仪23与模拟信号仪24产生的信号通过车辆信号采集单元RIOM22采集，同时车辆信号采集单元RIOM22还采集司机控制器12与司机操作指令按钮13信号，车辆控制单元VCU21与车辆信号采集单元RIOM22之间通过CAN网络连接；所述的车辆控制单元VCU21用于实现车辆的所有控制功能，车辆信号采集单元RIOM22负责采集车辆及子系统的I/O信号，并向车辆输出控制指令，速度信号模拟仪23用来在实验室静态环境下模拟车辆的动态运行情况，模拟信号仪24用来产生轻轨车辆中的各种4-20mA的模拟信号源；

所述的子系统模拟柜3内包括4个子系统，每个子系统具有完全相同的硬件结构和不同的软件，分别用来模拟车辆的牵引子系统31、辅助子系统32、制动子系统33和车门子系统34。

所述的重联网关TBC14的车辆总线接口CANopen端口通过CANopen网络线缆依次与车辆控制单元VCU21、显示单元IDU11和车辆信号采集单元RIOM22连接，车辆信号采集单元RIOM22的CANopen端口通过CANopen网络线缆与子系统模拟柜3内的几个子系统的CANopen端口串联，所有具有CANopen接口的设备通过CANopen线缆连接，形成CAN网络；所述的车辆信号采集单元RIOM22还通过电源线和IO信号线分别与司机控制器12、司机操作指令按钮13、速度信号模拟仪23与模拟信号仪24连接。

所述的车辆控制单元VCU21、车辆信号采集单元RIOM22以及子系统模拟柜3内的每个子系统均具有符合IEC61131-3标准的图形化编程能力和PLC的功能。

下面结合图1-3对本发明的组成及功能作进一步的描述。

1、司机控制台

司机控制台包括司机控制台A1与司机控制台B5，这两个控制台在硬件结构上完全相同，因此下面具体描述一个司机控制台的组成。

司机控制台一般位于车辆的两端，主要放置了显示单元IDU11、列车重联网关TBC14、司机控制器12以及司机操作指令按钮13。其中显示单元IDU11采用PIXY公司的INC70显示单元IDU11，该显示单元IDU11具有CAN通讯接口，可以直接接入车辆的CAN网络中参与通讯；重联网关TBC14为符合车辆重联控制的网关模块，采用SELECTROL公司的重联网关TBC 702模块，通过该模块可以提供具有符合UIC556规范的列车重联控制功能；司机控制器12采用在地铁轻轨车中使用较多的RTS-220型司机控制器，同时在司机控制台上布置10个用于司机操作车辆的司机操作指令按钮13，用来模拟车辆上实际的信号。司机控制台上所有设备都是采用DC24V直接供电。

2、控制柜

控制柜包括控制柜A2与控制柜B4，这两个控制柜在硬件结构上完全相同，因此下面具体描述一个控制柜的组成：

控制柜内主要包含车辆控制单元VCU21、车辆信号采集单元RIOM22、速度模拟仪与模拟信号仪24，其中车辆控制单元VCU21采用SELECTROL公司的CPU731实现，该控制单元具有符合IEC61131-3标准的图形化编程能力，具有PLC的功能，同时车辆控制单元VCU21为CAN网络中的主控设备，实现对CAN网络的管理功能。控制柜A2与控制柜B4中的车辆控制单元VCU21互为冗余的设备，可以满足轨道车辆对冗余系统的要求。数据采集单元RIOM采用SLECTROL公司的CPU683模块，该模块具有40路DI采集通道、24路DO输出通道、8路模拟信号采集通道和4路模拟信号输出通道。该控制柜内集成了20个拨码开关，用来模拟车辆的各种IO信号，每个拨码开关的含义可以根据具体项目进行定义；该控制柜内集成了24路指示灯，用来将控制单元VCU的信号通过CPU683的DO通道输出到指示灯，方便查看。该控制柜内的速度模拟仪采用SPS-002型号，该速度模拟仪可以模拟产生出DC15V的方波信号，CPU683通过DI通道采集该方波信号，通过计算该方波频率从而计算出车辆速度。该控制柜内还装有4个4-20mA的模拟信号仪24，该模拟信号仪24可以模拟车辆中实际使用的载荷传感器与压力传感器，这些模拟信号通过CPU683模块的AI通道采集。

3、子系统模拟柜3

子系统模拟柜3主要用来模拟车辆中的子系统，包括牵引子系统31、辅助子系统32、制动子系统33和车门子系统34，这4个子系统的硬件结构相同，都是采用SELECTRO公司的CPU727实现。该CPU727具有符合IEC61131-3标准的图形化编程功能，用户可以根据项目实际需求，利用CPU727模拟各个子系统内部的控制功能，通过CPU727可以实现从CAN网络中接收数据及向CAN网络中的车辆控制单元VCU21发送控制指令的。子系统模拟柜3内还有子系统设备CPU727安装位置，试验过程中可以根据项目需求，任意的增加与减少模拟子系统的数量。

4、CAN网络线缆的连接

如图1-3所示，图中的两个重联网关TBC14分别为CANopen网络中的两个终端设备，网络线缆从司机控制台A1的重联网关TBC14出发，依次向下一个设备连接，一直到司机控制台B5的重联网关TBC14终止。同时重联网关TBC14设备具有CAN PowerLine接口，提供从控制系统试验平台一端到另一端的列车网络。

Claims (4)

1.一种基于CAN网络的轻轨车辆网络控制系统试验平台，其特征在于：包括司机控制台A(1)、司机控制台B(5)、控制柜A(2)、控制柜B(4)和子系统模拟柜(3)，所述的司机控制台A(1)与司机控制台B(5)结构相同，所述的控制柜A(2)与控制柜B(4)结构相同，所述的司机控制台A(1)、控制柜A(2)、子系统模拟柜(3)、控制柜B(4)和司机控制台B(5)通过CAN网络连接；

所述的子系统模拟柜(3)内安装有多个用来模拟车辆的子系统，各子系统之间通过CAN网络依次串联；所述的多个子系统包括牵引子系统(31)、辅助子系统(32)、制动子系统(33)和车门子系统(34)；

所述的司机控制台A(1)包括显示单元IDU(11)、司机控制器(12)、司机操作指令按钮(13)和重联网关TBC(14)，所述的显示单元IDU(11)是车辆上的人机接口设备、用来显示车辆及子系统的运行状态，并具有车辆诊断功能；所述的司机控制器(12)是车辆中主要的操作设备，司机通过操作司机控制器(12)来控制车辆的运行；所述的司机操作指令按钮(13)提供司机在驾驶操作过程中的一些辅助功能；所述的重联网关TBC(14)为用于车辆重联控制的UIC网关，用来实现在列车重联时各个车辆之间的信息传输；

所述的控制柜A(2)包括车辆控制单元VCU(21)、车辆信号采集单元RIOM(22)、速度信号模拟仪(23)与模拟信号仪(24)，所述的速度信号模拟仪(23)与模拟信号仪(24)产生的信号通过车辆信号采集单元RIOM(22)采集，同时车辆信号采集单元RIOM(22)还采集司机控制器(12)与司机操作指令按钮(13)信号，车辆控制单元VCU(21)与车辆信号采集单元RIOM(22)之间通过CAN网络连接；所述的车辆控制单元VCU(21)用于实现车辆的所有控制功能，车辆信号采集单元RIOM(22)负责采集车辆及子系统的I/O信号，并向车辆输出控制指令，速度信号模拟仪(23)用来在实验室静态环境下模拟车辆的动态运行情况，模拟信号仪(24)用来产生轻轨车辆中的各种4-20mA的模拟信号源；

所述的重联网关TBC(14)的车辆总线接口CANopen端口通过CANopen网络线缆依次与显示单元IDU(11)、车辆控制单元VCU(21)和车辆信号采集单元RIOM(22)连接，车辆信号采集单元RIOM(22)的CANopen端口通过CANopen网络线缆与子系统模拟柜(3)内的几个子系统的CANopen端口串联，所有具有CANopen接口的设备通过CANopen线缆连接，形成CAN网络；所述的车辆信号采集单元RIOM(22)还通过电源线和IO信号线分别与司机控制器(12)、司机操作指令按钮(13)、速度信号模拟仪(23)与模拟信号仪(24)连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于CAN网络的轻轨车辆网络控制系统试验平台，其特征在于：所述的子系统模拟柜(3)内包括4个子系统，每个子系统具有完全相同的硬件结构和不同的软件，分别用来模拟车辆的牵引子系统(31)、辅助子系统(32)、制动子系统(33)和车门子系统(34)。

3.根据权利要求1所述的一种基于CAN网络的轻轨车辆网络控制系统试验平台，其特征在于：所述的子系统模拟柜(3)内包括4个以上的子系统，每个子系统具有完全相同的硬件结构和不同的软件，均通过CAN线缆串联起来，分别用来模拟车辆上4个以上的子系统。

4.根据权利要求1所述的一种基于CAN网络的轻轨车辆网络控制系统试验平台，其特征在于：所述的车辆控制单元VCU(21)、车辆信号采集单元RIOM(22)以及子系统模拟柜(3)内的每个子系统均具有符合IEC61131-3标准的图形化编程能力和PLC的功能。

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