CR300BF动车组电池充电机通信故障研究

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2024年1月17日发(作者：)

CR300BF动车组电池充电机通信故障研究

摘要：针对CR300BF动车组电池充电机报通信故障，本文基于电池充电机工作原理进行分析，通过现车调查和地面试验确定故障原因，定位故障原因为充电机SD存储卡数据异常及以太网软件检测SD卡频率过高。车辆断电时如SD卡处于读操作过程中，长期会造成存储数据异常，累积的异常数据导致以太网软件运行卡滞，影响以太网通信；制定了有效的防控措施，优化充电机以太网软件，降低SD卡检测频率，同时增加列车断电前SD卡停止读写的保护逻辑，减少异常数据的产生，降低了动车组运营故障率，提搞了车组稳定安全运行。

关键词：动车组；电池充电机；以太网通信

1项目背景

CR300BF动车组电池充电机用于实现3AC 380V到DC 110V的电压转换，实现为蓄电池充电和列车DC110V照明等直流负载供电；在运行过程中闪报充电机通信故障，几秒后自动消除，故障期间充电机正常工作，未停机或报出其他故障。

2电池充电机控制原理

（1）控制原理（机理）/机械安装结构分析

CR300BF动车组电池充电机采用以太网通信方式，该功能由充电机主控制器（6U机箱）中的以太网板（Enet板）实现，如果充电机与列车网络的通信数据中断，则列车报充电机通信故障。如图1所示，充电机主控制器为6U机箱结构，机箱中包含了电源板、CPU板和Enet板等。其中，CR300BF平台Enet板卡集成了SD存储卡和TRDP模块，用于TRDP以太网控车（网络通信）和以太网数据维护；CR400BF平台Enet板仅用于以太网维护，用于网络通信的MVB模块集成于CPU板上。

（a）CR300BF平台充电机通信拓扑

（b）CR400BF平台充电机通信拓扑

图1 充电机以太网通信拓扑

CR300BF平台Enet板主要包含三部分：主控芯片、TRDP模块和SD存储卡。主控芯片用于执行以太网通信逻辑；TRDP模块包括A路和B路，均用于和CCU进行数据交互，两路互为冗余；SD存储卡用于充电机数据存储。CR400BF平台以太网板包含主控芯片和SD存储卡，用于以太网维护逻辑和充电机数据存储，无网络通信（控车）功能。

充电机主控制器启动后Enet板的A路、B路两个端口开始向列车网络发送生命信号。网络接收到充电机生命信号后，判断充电机以太网通信正常。以太网A、B路互为冗余，网络只要判断出一路正常，就能与充电机完成信息交互及控车功

能。HMI显示屏报出充电机以太网通信故障，原因为网络没有收到充电机以太网A、B两路的生命信号，或充电机生命信号长时间没有更新，说明充电机TRDP通信存在故障。

3 现车调查分析情况

充电机通信故障发生时，列车HMI屏报出充电机1通信故障（620F）和充电机2通信故障（6210），故障持续3s后消除，如图2所示。连接PTU监控软件并下载故障时刻的过程数据，如图3所示，故障时刻前后充电机丢失若干秒的过程数据；同时在以太网通信故障前后时刻，充电机运行状态正常，未报出其他故障而停机保护。分析多起充电机通信故障，故障现象均如图2和图3所示，HMI屏闪报几秒通信故障后自动恢复，充电机过程数据丢失若干秒，判断充电机数据记录异常。

图2 HMI屏闪报充电机通信故障

图3 故障时刻充电机的过程数据

4 地面试验分析情况

（1）故障件外观检查

对于返厂的故障Enet板卡，分别进行外观检查，如图4所示。板卡器件焊接正确，无漏焊、虚焊和缺件现象；钽电容极性和IC器件安装方向正确；TRDP模块和连接器等安装方向正确；SD存储卡安装牢固，打胶情况正常，无松动现象。Enet板的外观检查正常。

图 4 故障Enet板外观

（2）故障件上机测试

对于返厂的Enet板分别进行上机测试，采用工控机模拟列车网络与充电机进行TRDP通信，同时采用以太网上位机监控充电机的运行状态。持续观察充电机的运行状态，充电机运行稳定，无故障报出；在此期间充电机TRDP通信正常，无生命信号中断现象。

图5 故障Enet板上机测试

（3）存储卡检查

将故障板的SD存储卡拆除，并采用读卡器进行数据读取。正常情况下，存储卡内每天建立一个文件夹，并以当天日期命名，然后将每个小时的数据存储在该文件夹下。如图6所示，故障板的SD存储卡内数据文件夹名称紊乱，存在乱码现象，且无法进行访问；图7所示存储卡内存在大量同名“test”文件夹，通常一个根目录下一个文件夹仅对应一个名称，不允许出现同名文件，因此存储卡内文件系统已紊乱，以太网软件可能无法正常访问SD卡文件。

图 6 故障板SD卡数据

图7 故障板SD卡数据

（4）存储卡工作机制

1）存储卡读写机制

①SD卡写操作

常规操作：每天建立一个文件夹，文件名为当日日期，用于存放当日数据；每一小时创建一个文件，每秒钟记录一条数据。如果遇到时间同步、上位机导出数据和充电机故障等情况，会立即写一条操作日志记录。

数据删除：SD卡记录数据最长时间为30天，同时检查日期是否有变化，若有变化，检查是否有过期的数据文件，有的话则删除。

异常情况：如果SD卡数据异常或写操作出现问题，导致读写函数返回超时，以太网板卡软件卡滞。

②SD卡读操作

前提条件：以太网板连接PTU上位机监控软件或软件识别SD卡。

读操作过程：上位机发送数据读取指令，软件根据指令读取相应的文件；软件每个循环检测一次SD卡数据是否正常。

异常情况：如果SD卡数据异常，导致读取函数返回超时，造成以太网板卡软件卡滞。

2）存储卡数据异常原因

SD存储卡位于以太网板上，作用为存储充电机数据。SD卡数据异常的原因主要为文件系统损坏。不当的插拔方式容易使SD卡及文件系统受到损害，如：在读写数据时，意外停止，即读写过程中列车突然断电。SD卡检测周期约为毫秒级，检测频率过高，列车日常检修维护过程中，蓄电池断电时SD卡大概率处于检测过程中（读操作），长期如此会造成SD卡文件系统部分损坏，累积的损坏文件可能导致SD卡读写操作或删除操作卡滞，从而影响到以太网通信。

（5）以太网板软件调查

1）软件逻辑

以太网板上电后软件先进行相关硬件的配置初始化，然后进入程序主循环，主循环执行逻辑包括：

①TRDP初始化：接收到车号后配置IP参数，并进行TRDP网络配置；

②TRDP收发：初始化完成后进行网络数据接收和充电机数据发送；

③以太网时间校核、CAN数据收发、TCP数据维护；

④SD卡数据操作，内容包含：

SD卡检测，每个主循环执行一次，周期为毫秒级。如果检测到SD卡，则控制led指示灯长亮；如果未检测到SD卡，则不再进行与SD卡相关的操作逻辑；

过期数据删除，上电和日期发生改变时执行过期数据删除逻辑，遍历SD卡根目录下所有文件夹及文件，并判断文件是否过期，如过期则删除；

数据存储，1s执行一次，先判断存储路径是否存在（以当天日期命名的文件夹和以车号、时间命名的数据文件），如不存在则创建该路径，然后进行数据写入；

数据下载，连接PTU监控软件后，根据PTU发送指令找到对应时刻文件进行读取，并通过TCP传送至PTU；

SD卡格式化，连接PTU软件后，根据PTU发送指令进行格式化操作，此过程持续时间约20s。

图8 以太网板软件逻辑

2)软件测试

为确认软件中卡滞的位置，利用仿真器对以太网板软件进行在线仿真，关闭看门狗并打断点进行故障定位，着重观察涉及SD卡操作函数的运行情况，结果如下：

（1）检测函数

按照软件的执行顺序进行运行检测，经过在线仿真排查到软件卡滞在SD卡检测函数中，如图9所示。检测函数位于程序的主循环中，执行一次时间为毫秒级，首次检测到SD卡时建立一个test文件夹，此后每次检测时都对test文件进行识别，识别到SD卡后则不再建立test文件夹，进行下一步程序。此时软件正在访问的文件夹名称为“test”，正常情况下，SD卡中仅能存在一个test文件夹，该语句执行时间为毫秒级；但故障Enet板的SD卡中存在大量的同名test文件夹，测试发现软件卡滞在该语句处，无法及时跳出检测函数并执行以太网通信逻辑，造成了发送给网络的充电机生命信号无法实时更新，最终报出充电机通信故障。

图9 SD存储卡检测代码

（2）删除函数

屏蔽SD卡检测函数，按照上述方法再次运行软件，在线观测到软件卡滞到数据删除函数中，如图10所示，软件长时间卡滞在do…while循环中，通过打断点发现，程序一直在访问的文件夹名称为“test”。正常情况下，SD卡中仅能存在一个test文件夹，仅访问一次；但故障板测试过程中发现软件一直在访问test文件夹，并且长时间无法跳出do…while循环。由于程序卡滞在此处，无法及时跳出数据删除函数并执行以太网通信逻辑，造成了以太网数据无法实时更新，进而网络报出充电机通信故障。

图10 SD存储卡删除函数代码

同时屏蔽SD卡检测函数、数据删除函数后，板卡重新上电并在线仿真观测，以太网软件运行正常无卡滞现象。故障Enet板卡软件在线运行过程中，分别出现 SD卡检测函数卡滞和数据删除函数卡滞，由于软件中以太网通信和SD卡操作

函数循环执行，因此SD卡操作函数卡滞影响了以太网通信逻辑（TRDP数据收发函数）的执行，发送给网络的充电机生命信号无法实时更新，最终报出通信故障。

5故障原因分析

充电机闪报以太网通信故障原因为SD存储卡数据异常导致。由于软件中SD卡检测频率过高，列车断电时充电机存储卡大概率处于检测过程中（读操作），长此以往会造成存储卡文件系统异常（文件乱码无法访问、大量相同命名文件），积累的异常数据会导致数据读写、删除操作时软件卡滞，造成以太网通信逻辑无法及时执行，报出通信故障。

6 结论

（1）临时过渡措施

定期将SD卡中的数据进行格式化，清除损坏的数据文件，可以预防软件执行过程卡滞。采用PTU监控软件格式化存储卡，该过程耗时较长，地面测试耗时＞20s，在此期间充电机向列车网络发送的生命信号停止更新，最终HMI屏上报出充电机以太网通信故障；存储卡格式化完成后，充电机生命信号恢复更新，HMI屏上充电机通信故障消除。

因此，存储卡格式化有如下注意事项：

1）建议在列车入库检修维护时进行存储卡格式化，列车线上运行期间如无特殊原因不建议进行格式化操作；

2）定期进行存储卡格式化操作，建议周期：1次/3月（结合M1级修进行）、或者故障处理完成后进行（两种情况以先到者为准）；

3）格式化过程耗时较长，期间容易报出以太网通信故障，操作前与列车工作人员报备，并说明此为正常现象。

（2）整治方案

充电机软件逻辑优化，软件升级内容如下：

1）降低存储卡检测频率

现车方案：软件每个循环检测一次SD存储卡，周期为1ms，检测SD卡存在后才能进行写操作，而写操作为1s执行一次（数据每1s记录一次），仅在写操作前进行的检测为有效检测，其余时间的检测均为无效工作；如此在蓄电池断电时SD卡大概率处于检测中（读操作），时间长了易造成SD卡文件异常。

优化方案：软件运行后每1s检测一次SD存储卡，然后进行写操作，减少软件的无效工作。

2）蓄电池断电机制处理

现车方案：SD存储卡实时读写，断电后停止，读写过程中突然断电，时间长了易造成SD卡文件异常。

优化方案：结合蓄电池OFF信号发出后延时30s整车断电的实际情况，充电机检测到列车发送的蓄电池OFF信号后延时15s，停止SD卡读写操作，即在整车断电前15s时存储卡停止读写操作，避免读写过程中突然断电导致的SD卡文件异常。

如此则降低存储卡文件系统紊乱的概率，防止软件卡滞造成通信故障。

6结束语

整治前后不影响充电机正常功能和整车的安全运营。整治后能够减少SD存储卡数据紊乱和以太网通信故障的情况，对于充电机的正常运行和列车运行情况无影响，进一步提高电池充电机工作的稳定性，因此以上措施可以大大降低、规避此故障率，保证车组安全稳定运营。

参考文献

[1]CR300BF动车组部件说明书-电池充电机V1.0，2020.10.

作者简介：黄少东，男，硕士学位，高级工程师，主要从事轨道车辆研发设计以及车辆运维技术研究工作，曾参与设计多种车型的车辆设计工作。现担任中车唐山机车车辆有限公司国铁服务事业部西北区域中心主任职务。

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本文标签： 充电机数据故障软件进行