地铁是人们出行的重要交通工具,随着地铁线路全面铺设,人们对于地铁的安全性能越来越关注,尤其是地铁屏蔽门的可靠性,那么在复杂的地铁控制系统中,如何进行地铁屏蔽门 CAN 总线故障排查呢?本文将做详细介绍。

 

一、地铁屏蔽门控制系统——CAN 总线的应用

目前地铁采用了自动化的技术来实现全方位的控制,地铁综合控制系统包括 ATC(列车自动控制)、SCADA(电力监控系统)、BAS(环境监控系统)、FAS(火灾报警系统)、PSD(屏蔽门 / 安全门系统)等,这些系统在全线形成网络,由控制中心统一分级控制。

 

其中,地铁屏蔽门系统 PSD 是基于 CAN 总线实现的,如图 1 所示该系统包括以下子单元:

 

图 1  地铁屏蔽门控制系统示意图

 

  • PSC(中央接口盘):屏蔽 / 安全门控制系统的核心部分,每个车站的都会配备一套 PSC,由两套相同、相互独立的子系统组成;

 

  • PSA(远方报警盘):用于监控屏蔽门状态、诊断屏蔽门故障及运行状态等;

 

  • PSL(就地控制盘):设置在每侧站台的列车始发端站台上,如图 2 所示,用于系统级控制失效时,供工作人员向各 DCU 发出开关门指令,实现站台级控制,;

 

  • DCU(门控单元):滑动门电机的控制装置,每个屏蔽门都配置一个门控单元。安全门每对滑动门有两个 DCU(主、从)。

 

图 2  地铁 PSL 示意图

 

从上述介绍中,我们可以发现,地铁屏蔽门系统是由 PSC 通过 CAN 总线来直接控制 DCU 门单元,同时,由 PSA 来监控 DCU 的开关状态,并通过 CAN 总线来反馈给 PSC。由于 CAN-bus 总线的错误处理机制,可以保证网络中任何一个节点发生故障时,不会影响到整个网络的运行,也便于定位错误节点。同时,也因为 CAN-bus 总线的报文是以广播的方式发送到总线上,可以保证屏蔽门的安全关闭或打开,提高安全稳定性。

 

如果 PSC 与 DCU 之间出现 CAN 通信错误,将直接导致地铁屏蔽门发生故障,严重会导致地铁列车系统无法正常运行,甚至威胁乘客生命安全。那么,当故障发生时该如何入手解决?或者如何避免屏蔽门故障发生呢?下文做简单介绍。

 

二、PSC 与 DCU 通讯故障——总线分支过长 / 过多

从图 1 地铁控制拓扑图可以知道,地铁屏蔽门一旦发生故障,我们可以考虑是否是由于 PSC 和 DCU 之间布线不规范造成的。 如图 3 所示,是用 CANScope 分析仪抓取的总线支线过长产生的波形。PSC 与 DCU 之间的总线分支过长会出现导致上升沿和下降沿产生“台阶”现象,容易出现位宽度失调,从而造成 PSC 和 DCU 之间的通讯错误。

 

这种情况可以参考以下解决方案:

 

图 3  总线支线过长波形

 

  •  PSC 与 DCU 之间使用如图 4 所示的标准“手牵手”的接口布线规范,收发器应靠近接口摆放;

 

图 4  “手牵手”布线规范

 

 

  • 如图 5 所示,根据不同的波特率,指定不同分支距离规范;

 

图 5  波特率与支线距离关系

 

  • 按照分支越长,匹配电阻越小,匹配电阻在 120-680 欧之间,总并联电阻在 30-60 欧之间的原则;

 

  • 可以使用 CANBridge+进行设备分支组网。

 

三、PSC 与 DCU 通讯故障——总线电容过大

在设计 PSC 与 DCU 通讯电路时,应考虑到电容的影响,无论是线间电容还是节点内部电容,都会影响整个网络的通讯,造成屏蔽门故障。如图 6 所示是 CANScope 分析仪采集到电容过大时的波形,电容越大边沿越缓,容易导致位采样错误。

 

可以参考以下解决方案:

 

图 6  电容过大产生的波形

 

  • 减小终端电阻,加快电容放电,如图 7 所示;

 

图 7  终端电阻与电压幅值关系

 

  • 更换成低电容导线;

 

  • 使用 CANBridge+进行波形整顿。

 

  • 查看波特率的设定问题,从 SJW 入手。

 

五、PSC 与 DCU 通讯故障——总线干扰过大

地铁控制系统现场环境较为复杂,内部线路众多,加上人流量过大,遇到高峰期时,容易出现夹人夹包、强行开门等现象,给地铁屏蔽门造成很大的干扰,所以在 PSC 与 DCU 构成的总线上不可避免的总会被干扰,这也是导致屏蔽门通讯失败的重要原因之一。

 

为了更好的提高 PSC 和 DCU 抗干扰的能力,保证通讯质量,可以参考以下方案:

 

  • 保证每个 DCU 节点都电气隔离,可以使用隔离 CAN 收发器 CTM1051;

 

  • 屏蔽门之间的总线使用屏蔽双绞线,加强双绞程度,可以有效的屏蔽共模干扰;

 

  • 增加信号保护器,提高抗浪涌脉冲能力;

 

  • 增加磁环、共模电感等保护电路。

 

上述内容,提到一些简单的错误解决方案,不过,在解决错误时,最难的是如何找到错误。通常,最简单的办法就是将 DCU 节点一个一个往上接,直到发生错误为止。或者使用致远电子研发的 CANScope 分析仪,接入到地铁控制系统中,从 CAN 底层进行分析,可以更方便去定位错误节点及通过波形分析错误原因。

 

六、CANScope 总线综合分析仪系列

地铁屏蔽门发送通讯故障时,很难去定位错误原因,这时,工程师们可以考虑使用 CANScope 分析仪去快速诊断定位。如图 8 所示,CANScope 总线综合分析仪是一款综合性的 CAN 总线开发与测试的专业工具,集海量存储示波器、网络分析仪、误码率分析仪、协议分析仪及可靠性测试工具于一身,并把各种仪器有机的整合和关联;重新定义 CAN 总线的开发测试方法,可对 CAN 网络通信正确性、可靠性、合理性进行多角度全方位的评估;帮助用户快速定位故障节点,解决 CAN 总线应用的各种问题。

 

图 8  CANScope 分析仪示意图

 

七、CAN 网络黑匣子 -CANDTU

为了方便工程师,能够实时的检测 CAN 设备或系统的运行情况,广州致远电子有限公司推出 CAN 网络总线“黑匣子”,我们称之为 CANDTU,如图 9 所示,CANDTU 集成有 2 路或 4 路符合 ISO11898 标准的独立 CAN-bus 通道,并可标配存储介质为 32G 高速 SD 卡,可以进行长时间记录、条件记录、预触发记录和定时记录等多种模式。

 

同时,CANDTU 可以实时采集的 CAN 总线数据和定位信息,实时云端曲线,提供 CAN 报文数据可视化分析,通过 4G 通信实时上传到指定的云端服务器上。另外,用户可以直接对车辆进行标准的 UDS 诊断,云端操作更加方便快捷;用户可通过手机等终端登录云,可灵活配置 CAN 通道、LIN 通道等,实时查看汽车北斗 /GPS 轨迹定位,对设备实时定位监控,实现用户终端的人工智能大数据处理。

 

 

图 9  CANDTU 产品示意图