基于IsaGRAF的城軌車輛列控軟件設(shè)計與實現(xiàn)

楊小波，冉德強，張 楊，李 偉

(中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

目前軌道交通車輛列控軟件設(shè)計集成開發(fā)環(huán)境主要有Multiprog、IsaGRAF、CodeSys等，根據(jù)開發(fā)環(huán)境不同各開發(fā)平臺的軟件設(shè)計方式略有差異，但平臺內(nèi)使用的編程語言均遵循IEC61131-3標準。本文研究對象為IsaGRAF環(huán)境下，列控軟件的設(shè)計與實現(xiàn)方法，IsaGRAF軟件由芬蘭EKE電子公司開發(fā)。EKE電子有限公司致力于列車通信管理系統(tǒng)(TCMS)和列車通信網(wǎng)絡(luò)(TCN)設(shè)備的設(shè)計與生產(chǎn)。

1 ISaGRAF軟件

ISaGRAF是行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先，同時符合IEC61131-3標準和IEC61499標準的，用于創(chuàng)建工業(yè)自動化產(chǎn)品的固件和工作臺[1]。

ISaGRAF是一套與硬件無關(guān)，并以視窗為開發(fā)環(huán)境的可編程控制語言設(shè)計開發(fā)的軟件。在ISaGRAF3.3版中更將流程圖語言(Flow Chart，F(xiàn)C)納入成為第六種程序設(shè)計語言，使得ISaGRAF完全支持世界上自動化行業(yè)的六大程序設(shè)計語言，成為最強大的可編程開發(fā)工具[2]。ISaGRAF 支持IEC61131-3標準中的5種編程語言[3]。IEC61131-3定義了5種編程語言的語法和描述它們的表示法以及語言元素，如表1所示。

表1 IEC61131-3中的編程語言

1.1 組件及TDBuild工具

開發(fā)列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(以下簡稱：TCMS)軟件時，采用的組件有操作系統(tǒng)、固件和TDB文件以及車輛控制單元(以下簡稱：VCU)，遠程輸入輸出模塊(以下簡稱：RIOM)。

TDBuild為ISaGRAF的自帶工具，用于定義I/O硬件類型或增加新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、函數(shù)以及功能模塊。TDBuild工具可將子系統(tǒng)的所有變量組成一個結(jié)構(gòu)體，每個信號變量的字位偏移都能根據(jù)數(shù)據(jù)類型自動計算，在編碼時直接調(diào)用生成的結(jié)構(gòu)體即可，無需逐一命名軟件中所用的變量，極大地提高了開發(fā)效率。

1.2 程序執(zhí)行特點

ISaGRAF是基于多子程序(以下簡稱：PRG)的開發(fā)環(huán)境，軟件執(zhí)行嚴格按照程序循環(huán)周期執(zhí)行。并且軟件執(zhí)行的順序與PRG的先后順序完全對應(yīng)，如圖1所示。VCU程序周期可由用戶按需自行配置，在實際項目程序執(zhí)行周期一般為50 ms。

圖1 程序執(zhí)行示意圖

在軟件開發(fā)時，子程序的前后順序按圖2所示的數(shù)據(jù)流圖進行設(shè)置。

圖2 程序執(zhí)行數(shù)據(jù)流圖

1.3 數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)

設(shè)備間通信需要將傳輸?shù)淖止?jié)包轉(zhuǎn)化成具有實際意義的信號，這類工作在TDBuild里完成。在TDBuild建立數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)里的每個信號都確定偏移量，當該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)獲取到相應(yīng)長度的數(shù)據(jù)后，將按偏移量自動分解成每個信號的數(shù)值。

1.3.1 TCMS與MVB子系統(tǒng)

VCU與MVB子系統(tǒng)采用MVB端口的結(jié)構(gòu)，每個端口根據(jù)預(yù)先定義的數(shù)據(jù)量的不同體現(xiàn)為2字節(jié)、4字節(jié)、8字節(jié)、16字節(jié)或32字節(jié)的數(shù)據(jù)包，如圖3所示。

圖3 MVB端口的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖

1.3.2 TCMS與其他子系統(tǒng)

其他子系統(tǒng)包含非MVB/CAN通信的子系統(tǒng)，主要有SPDS、無線主機等。這些子系統(tǒng)通信所采用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義與MVB/CAN子系統(tǒng)類似，區(qū)別在于MVB/CAN的數(shù)據(jù)包大小固定，即使沒有足夠的數(shù)據(jù)也仍需要以0填充，而非MVB/CAN子系統(tǒng)則根據(jù)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口規(guī)范文件的需求定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)長度。

2 列控軟件設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)介紹

完整的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)軟件主要由參數(shù)、變量組、程序和功能塊組成。參數(shù)主要包括I/O配線和已定義的字，I/O配線是硬件設(shè)備板卡地址或各子系統(tǒng)的地址與結(jié)構(gòu)體變量綁定的體現(xiàn)。變量組程序則是按系統(tǒng)將變量分為不同的組，便于調(diào)試。程序是實現(xiàn)列車的邏輯控制功能。包括網(wǎng)絡(luò)初始化、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出和對各子系統(tǒng)診斷與控制。列車的邏輯控制部分的程序有的需要調(diào)用功能塊來實現(xiàn)其功能。如司機室占有、加減速度測試等。可根據(jù)項目需要自定義功能塊實現(xiàn)軟件功能。

2.2 軟件設(shè)計

2.2.1 軟件架構(gòu)

VCU由CPU板卡、MVB板卡以及電源板卡組成。板卡之間通過背板總線VME總線連接。VCU軟件結(jié)構(gòu)主要由7個模塊組成：硬件輸入輸出模塊、輸入輸出映射模塊、邏輯控制模塊、故障診斷模塊、記錄模塊、協(xié)議/時間管理模塊以及變量字典組成，如圖4所示。

圖4 VCU軟件架構(gòu)圖

根據(jù)TCMS系統(tǒng)要求，VCU軟件須滿足主從自動切換功能，主從設(shè)備互為熱備冗余。

TCMS中存在2個VCU，正常情況下只有一個VCU為車輛管理的主節(jié)點，稱之為強主，而另一個VCU則為備份的主節(jié)點，為弱主。強主和弱主的區(qū)別僅針對子系統(tǒng)而言，通常由主設(shè)備完成對車輛的控制。以六編組地鐵車輛為例，默認1車的VCU為強主。軟件啟動時，1車先給6車的VCU發(fā)送累加值，6車的VCU比1車VCU則慢1 s。所以6車的VCU先判斷出1車的VCU已在線，并且為強主，則6車VCU將不再給1車VCU發(fā)送累加值。主從VCU的判斷流程如圖5所示。

圖5 VCU主從判斷流程圖

ISaGRAF軟件應(yīng)用工程的組織結(jié)構(gòu)如圖6所示。在鏈路架構(gòu)中，用戶可定義程序使用的參數(shù)、變量組、程序、函數(shù)和功能塊；在硬件架構(gòu)中，用戶可配置程序的網(wǎng)絡(luò)屬性(連接到Target的總線類型)、Target配置屬性和資源屬性；在數(shù)據(jù)字典中，用戶定義變量和參數(shù)、定義函數(shù)和功能塊的變量屬性以及引用由TDB工具生成的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體；I/O配線實現(xiàn)了本地變量與其他TCMS設(shè)備的數(shù)據(jù)交換，首先I/O配線將本地變量映射至相應(yīng)協(xié)議的數(shù)據(jù)包中，再通過UDP、MVB或CAN協(xié)議邏輯將數(shù)據(jù)包發(fā)送至總線或以太網(wǎng)，UDP、MVB或CAN協(xié)議的實現(xiàn)封裝在底層庫。

圖6 ISaGRAF軟件應(yīng)用工程架構(gòu)圖

2.2.2 變量字典

軟件程序中使用到的所有變量均在變量字典中定義，包括全局變量、結(jié)構(gòu)體實例化等。VCU的變量字典依據(jù)列車各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口規(guī)范(MVB通信協(xié)議)進行設(shè)計。

2.2.3 硬件輸入輸出

硬件輸入輸出是VCU與其他子系統(tǒng)進行通信的鏈接，VCU為每個子系統(tǒng)設(shè)定通信參數(shù)以及配置數(shù)據(jù)映射。如前述的輸入輸出變量通過綁定相應(yīng)的IO配線通道進行數(shù)據(jù)交換。

2.2.4 輸入輸出映射

輸入輸出映射是以ISaGRAF程序的POU形式體現(xiàn)的，輸入輸出映射塊用于數(shù)據(jù)的匯總及篩選。加速度測試由P_AccTest程序進行輸入輸出映射。

2.2.5 邏輯控制

邏輯控制是VCU軟件的核心功能，軟件的所有控制功能均在這部分完成。

2.2.6 循環(huán)記錄

循環(huán)記錄功能主要用于記錄周期性的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包括數(shù)字信號和模擬信號，具體的數(shù)據(jù)列表根據(jù)項目確定，記錄功能由TDB文件提供的底層C功能塊LogData實現(xiàn)。

2.2.7 故障檢測

故障檢測模塊是將VCU獲取的各子系統(tǒng)故障信號判定是否觸發(fā)或恢復(fù)，并記錄至本地內(nèi)存，需要記錄的信號列表根據(jù)項目需求確定。

2.3 軟件實現(xiàn)

本文以加速度測試程序開發(fā)為例，主要講述列控軟件設(shè)計的邏輯控制部分。加速度測試程序使用FBD語言實現(xiàn)。在該程序中調(diào)用AccTest功能塊來計算列車運行時的加速度。AccTest功能塊需要計算列車運行的加速度，利用ST語言來編寫更加簡潔、容易。加速度測試的程序開發(fā)使用FBD語言與ST語言相結(jié)合的方式，很好地利用了2種編程語言的優(yōu)勢，提高了開發(fā)者的工作效率。加速度測試功能塊的參數(shù)定義如表2所示。

表2 加速度測試功能塊的參數(shù)定義

說明：如圖7所示，HMI占有端設(shè)置的加速度測試起始速度和加速度測試終止速度均有乘以10的運算，此處為單位換算(1=0.1 km/h)。輸入變量及其含義如表3所示。

圖7 加速度測試程序框圖

表3 加速度測試輸入變量及其含義

輸出變量及其含義如表4所示。

表4 加速度測試輸出變量及其含義

車輛操作人員在HMI屏上設(shè)置加速度測試的起始速度和終止速度并點擊開始測試時，VCU將通過如圖7所示的程序計算出列車在該測試區(qū)間內(nèi)的實時加速度、平均加速度和加速距離，再將三者的數(shù)據(jù)值發(fā)送給HMI進行顯示。AccTest是加速度測試功能塊，其內(nèi)部流程如圖8所示。

圖8 加速度測試功能塊實現(xiàn)流程圖

加速度測試功能塊將加速度相關(guān)量計算的具體實現(xiàn)過程封裝在一起，這樣該功能塊具有更好的移植性，并且可以對其單獨加密，在必要時可以增強技術(shù)的安全性。

3 結(jié)語

本文利用ISaGRAF實現(xiàn)了列車加減速度計算程序，該程序僅僅是列控軟件中的一個子程序，其他程序開發(fā)遵循相同的開發(fā)規(guī)范及設(shè)計流程，共同完成車輛的邏輯控制。此外，文中提到的FBD和ST兩種編程語言結(jié)合的軟件開發(fā)方式，提高了軟件開發(fā)效率，便于軟件調(diào)試，也為軌道交通領(lǐng)域軟件模塊化設(shè)計思想提供了參考。該設(shè)計方式已在寧波、昆明等地鐵車輛中運用，能高效、可靠地完成車輛控制功能，具有良好的實際應(yīng)用效果。