1、列车网络控制系统设计 HXD2型电力机车网络控制系统摘要随着列车运行速度的提高，列车网络控制系统具有越来越重要的意义。同时，列车网络控制系统是动车组的九大关键技术之一，因此建立可靠安全的车载通信网络是十分必要的。首先分析了列车网络系统的体系结构，功能模块及车载通信网络的拓扑结构、传输信息等。接着介绍了IEC-61375标准，即列车通信网络（TCN）标准是IEC联合UIC经过几十年的工作采用了一个用于规范车载设备数据通信的标准。介绍了TCN网络的基本结构、实时协议、数据传输及介质访问方式。并详细讨论了WTB和MVB总线的物理层 、报文、介质访问及链路层控制。其次分析比较了ARCnet和TCN两种
2、车载通信网络，并总结出各自的优势。ARCnet用于CRH2动车组，TCN用于CRH1、CRH3和CRH5动车组。 本设计说明书针对TCN、ARCnet等常见列车通信网络，分析其通信原理和通信特点，同时对列车网络控制技术的发展历史与现状进行阐述分析，着重分析HXD2型电力机车网络控制系统的拓扑结构、控制功能、硬件组成及工作原理，指出网络控制系统中常见的故障现象，阐述其故障应急处理方法。关键词：HXD2电力机车列车网络技术故障应急处理ABSTRACTWith the increase of train speed, train network control system is more and
3、more important. At the same time, train network control system is one of the key technologies in nine of EMU, therefore the establishment of vehicular communication network security is very necessary.This paper first analyzes the architecture of train network system, function module and vehicle comm
4、unication network topology structure, transmission information etc.Then introduces IEC-61375 standard, namely the train communication network (TCN) standard is IEC combined with UIC after decades of work by using a standard car equipment for data communication standard. This paper introduces the bas
5、ic structure, the TCN network protocol, data transmission and media access mode. And a detailed discussion of the physical layer, WTB and MVB bus message, media access and link layer control.Then compares ARCnet and TCN two kinds of vehicular communication network analysis, and sums up their respect
6、ive advantages. ARCnet for CRH2 EMU, TCN for CRH1, CRH3 and CRH5 emu.The design specification for TCN, ARCnet and other common train communication network, analyses the communication principle and communication features, the development history and current situation of train network control technolo
7、gy is analyzed, emphasizes on the analysis of HXD2 type electric locomotive topology structure, control function, hardware network control system composition and working principle, points out the common faults network control system, the fault emergency treatment methodKeywords: HXD2 electric locomo
8、tive fault train network emergency treatment引言提高列车运行速度是铁路技术发展的重要目标，保证列车运行安全是实现我国列车提速战略的重要保证，而列车控制系统则是实现这一重要保长的技术支持手段。随着牵引动力交流化和列车运行速度的提高，机车和列车上采用微机实现智能化控制的部件或装置也越来越多。各微机系统间的协调和信息交换显得越来越重要，特别是对动力分散型的动车组，为了提高旅客列车的舒适度，各种辅助装置的控制和服务装置的控制都必须纳入到这个微机控制系统中来。因此，列车控制也由单台机车的牵引传动控制逐渐向列车的网络控制方向发展，列车网络控制技术已经成为高速动车
9、组、城轨车辆的核心技术之一。本设计以网络通信基础知识和计算机控制基础知识作为铺垫，在此基础上详细讲述了能够用于列车通行的几种网络标准，包括LonWorks、ARCNET、CAN等现场总线标准，TCN列车通行网络标准以及新兴的控制网络工业以太网等。与此对应还介绍了应用不同网络标准的CRH系列动车组网络控制系统TCMS，最后简单介绍了列车自动运行控制系统。其主要分析是HXD2电力机车的网络通信，并详细解读HXD2电力机车的各项网络知识。 第一章网络控制系统的概述1.1 网络控制系统的概念网络控制系统又被成为基于网络的控制系统，它是一种完全网络化、分布化的控制系统，是通过网络构成闭环的反馈控制系统。
10、侠义的网络控制系统是以网络为基础，事先传感器、控制器和执行器等系统各部件之间的信息交换，从而实现资源共享、远程检测与控制。例如，基于现成总线技术的网络控制系统就可以堪称是一种侠义的网络控制系统。广义的网络控制系统不但包括侠义的网络控制系统在内，还包括通过Iternet、企业信息网络以及企业内部网络，事先对工厂车间、生产线以及工程现场设备的远程控制、信息传输、信息管理以及信息分布等。列车网络控制系统主要实现对列车关键设备运行状态监视，并根据需要对设备进行远程控制列车网络控制系统集列车控制系统、故障检测与诊断系统以放客信息腥务系统于一体， 以车载微机为主要技术手段，通过网络实现列车各系统之间的信息
11、交换，最终达到对车载设备的集散式监视。控制和管理的目的，实现列车控制系统的智能化、网络化与信息化 通过列车网络连接的列车上各智能控制单元通过传输过程数据、消息数据和监督数据柬实现列车的控制，诊断以及列车状态评估而其他未与列车网络连接的智C2控制单元则通过硬连线的连接来实现其控制功能 列车网络控制系统实现以下主要控制功能： (1)实现各动力车的重联控制 (2)实现全列车(动车和拖车)所有由计算机控制的单元联网通信 和资潭共享 (3)实现全列车的制动控制、门控制、空调控制及轴温检测等功 能1.2 网络控制系统的组成结构及层次模型网络控制系统一般由三部分组成：控制器、被控对象以及通信网络，被控对象一
12、般为连续系统，而控制器一般采用离散系统。被控对象的输出通过传感器采样的方式离散化并通过网络发送到控制的输入端。控制器进行运算后，将输出通过网络发送到被控对象的输入端，并由零阶保持器生成分段连续函数作为连续系统的输入。常见的网络控制系统结构有径直结构和分层结构。在径直结构中，控制器将传感器等检测装置从现场检测到的实际参数和预定的预期参数值进行对比计算，得出相应的控制结果后，输出到执行器，作用于被控对象。在分层结构中，主控制器将计算好的参数控制信号通过网络发送给远程控制系统，远程控制器根据参考信号执行本地闭环控制，并将传感器测量数据传给主控制器。网络控制系统的层次模型（1）设备层。设备层中的设备种
13、类繁多，有只能传感器、启动器、驱动器、I/O不见、变送器、变换器、阀门等。设备的多样性要求设备层满足开放性要求，各厂商遵循公认的标准，保证产品满足标准化。来自不同厂家的设备在功能上可以用相同功能的同类设备互换、事先可互换性；来自不同厂家的设备可以相互通信，并可以在多厂家的环境中完成功能，实现可互操作性。 设备层中的设备是智能化的。他们可独立完成系统的传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。设备控制功能的自治化使得分散在现场不通物理位置的现场设备之间以及现场设备与远程监控计算机之间，能够实现数据传输与信息交换，从而形成各种适应实际需要的自动控制系统。
14、（2）自动化层。自动化层事先控制系统的网络化，控制网络遵循开放的体系结构与协议。对设备层的开放性，允许符合开放标准的设备方便地接人；对信息化层的开放性，允许与信息化层互联、互通、互操作。（3）信息化层。信息化层已经较好的实现了开放性策略，各类局域网满足IEEE802标准，信息网络的互联遵循TCP/IP协议。信息网络的开放性为事先控制网络与信息网络的集成提供了有力支持。列车网络控制系统 (4)完成全列车的自检及故障诊断决策1.3 车载通信网络的基本结构车载通信网络的主要功能是作为沟通各个控制、诊断单元的信息通道将列车上众多由计算机控制的部件互相联网通信从而达到统一控制与诊断和资源共享的目的。车载
15、通信网络一般采用分层结构。用于连接数据采集站、设备站、司机控制站构成列车设备控制、监测与故障诊断的列车级网络,通常称为列车总线,用于连接车辆内的各种控制设备,构成车厢级数据采集、控制的车辆级网络通常称为车辆总线。在拓扑结构上则采用环形或总线形。列车控制网络把安装在列车上各动力车和车厢内的各种可编程设备互连在一起。通过车载通信网络传输的信息主要有以下六种;(1)列车运行的控制命令。(2)运行中的各车厢(包括有动力装置的机车和无动力装置的旅客车厢)的状态信息。(3)故障诊断所需的信息及结果。(4)显示单元所要显示和提示的各种信息。(5)通信网的管理信息。(6)其他与列车运行、安全及服务有关的需要在
16、列车内互相传递的信息。1.4 列车通信网络中的数据传输列车通信网的主要功能是为控制、诊断单元的信息通信提供通道,实现各种信息的流通,从而达到控制的统一和资源共享的目的。在高速列车控制系统中传输的信息主要有以下几种;(1)列车在运行过程中的各种控制命令.(2)列车在运行过程中各个设备的状态信息.(3)故障诊断所需的信息及结果.(4)需要在显示单元上显示的各种信息.(5)其它与列车运行、安全、旅客服务相关的信息。根据通信网上所传输数据的性质和实时性的要求,把通信网上的数据分为三类;过程数据、消息数据、和管理数据。通信网采用不同的方法来传递这三类数据。（1）过程数据；过程变量的值叫作过程数据。它表示
17、车辆设备的状态和控制信息；如手柄位、列车运行速度、当前的时间、各单元的工作状态、操作员的命令等。过程数据的传输时间是确定的和有界的。其特点是长度短而时间性强传输时间确定而且有界，这些数据采用源地址数据广播方式。主设备通过发送含有功能码的主帧，来请求传送过程数据。发送过程数据的从设备将依据过程数据请求中的标识符来产生一个过程数据响应。过程数据将通过12位的逻辑地址和功能代码来识别，它们表明了过程数据的长度。对于每个逻辑地址，其相对应的过程数据的长度应在规定的操作开始前，在源设备和所有接收设备中被设定好。对于车辆总线上所有的重要变量，从一个应用到另一个应用的确定性传送的传送时间必须保证在16ms内
18、，车辆内总线数据发送周期小于50ms：而通过WTB从车辆总线到车辆总线的确定性传送的传送时间必须保证在100ms以内。为了保证这个时延，过程数据周期性地发送。（2）消息数据；它与事件有关，传输非实时性的信息，可以是诊断信息、显示信息和服务功能信息，这些数据可能数量较大而且传递没有确定的时间限制。因此它们的传送是采用点对点或广播数据报文的偶发性传送，而且可能根据需要分帧传送。一个消息数据帧应具有256bits的固定长度；从帧的前4bits定义了通信模式，用模式0001来指定单播消息数据，模式1111来指定广播消息数据，而其它模式将作为保留以供将来使用，接下来的12bits定义了目标设备的地址，一
19、旦使用广播模式，则该区域将被应用来使用，此后的4bits定义了协议类型，随后的12bits定义了源设备的地址，而后面的8bits里定义了随后的链接数据的有效长度。消息被分成小包，这些包分别被编号并由目的站确认。消息包及与之相关的控制数据形成消息数据。功能消息被应用层所使用，服务消息用于列车通信系统自身的管理等。为了确保消息数据端到端的可靠传输，应用过程间的通信可采用呼叫/应答方式。消息数据既可以点对点单独传输，也同样可以进行全网广播。（3）管理数据；是网络自身管理、维护和初始化时在通信网中传递的数据。监督数据是在相同总线内用于监视设备状态、检测寂静的设备、总线主设备权转移、事件轮询等的数据。它
20、是主设备对从设备的状态校验、联机设备检测、主权传输以及车辆初运和其他管理所用的数据，特点是帧很短，这些数据只有在网络重构或初始化时才传递，管理数据的传递与其它两种数据不会发生冲突。因此在列车运行时通信网上传送的只有过程数据和消息数据。管理数据响应将携带16bits帧数据。主设备可以向从设备请求管理数据或者向从设备发送管理数据，该数据带有一个管理数据请求的主帧。1.5 列车通信网络介质访问方式一般有动力装置的车厢（动车和机车）内的节点作为主节点无动力装置的车厢内的节点作为从节点。WTB介质访问控制方式为主从控制方式每一列车在运行中必须有且只能有一个控制总线工作的节点，称为控制节点，控制节点必须是
21、主节点，一般情况下以前导机车内的主节点为控制节点，称为主控节点。主控节点管理列车总线的运行，必要时主控节点可以切换，车厢总线由各车厢内的节点管理运行。主节点将总线带宽以25ns为基本周期进行划分，基本周期又分解为周期相和偶发相。周期相占总线时间的固定时段，与状态的发送相关联。在此时段，主节点依次轮询各变量，按预先生成的周期列表请求从节点向总线广播其过程数据，此外在WTB中有消息数据发送的从节点还在其过程数据中发送一个请求标志，主节点将记录此请求。因为数据是周期性重复发送的，所以周期性数据无需目标设备确认。一个基本周期的大小在MVB上是1ms或2ms，在WTB上是25ms。不是很紧急的变量可以以
22、2个、4个、8个等等基本周期长度的周期发送，其最长周期是1024ms。两个周期相间的偶发相允许设备按需要发送数据，偶发性发送是与事件的发送相关联的，事件是设备状态的改变，设备状态的改变引发发送要求。因此，事件必须得以确认，以确保不会丢失状态改变的信息。在此期间主节点向请求发送消息数据的节点依次发送消息数据传送请求，收到请求的节点将要发送的消息数据发向目的节点。这种介质访问方式可保证实时变量传输的确定性。实时变量的最大传送时延只与总线的基本周期有关，而与总线负载情况无关。在过程数据和消息数据之间，主节点还发送一些监控数据请求以监控总线状态。第二章 列车通信网络TCN2.1 TCN的标准化进程2.
23、1.1 TCN列车网络简介由于世界范围内列车通信网络技术的差异，造成了多种总线技术并存的局面。除TCN标准的列车总线之外，WorldFIP、LonWorks、CAN等其他总线形式也在列车通信网络中有不同程度的运用。上述几种列车网络技术，绝大部分都是在其他领域应用成熟的现场总线技术移植到列车控制系统中来的。它们依据各自的标准，不便进行互联。于是基于制订一种开放式列车通信系统，实现各种轨道车辆相互联挂，车载可编程电子设备统一接口标准而实现互换的构想，TCN列车通信网络标准应运而生。2.1.2 TCN列车网络雏形任何技术都不是凭空而生的，TCN列车网络也正是如此。它是由车载微机系统发展而来，在原有的
24、技术基础上加以遴选、改进和标准化而形成的。其主要参考的模型则是Siemens公司的SIBAS系统和Adtranz公司的MICAS系统。以上两种形式车载微机控制系统的发展已从最初的完成简单的单一功能，发展到现在的多功能集成的列车通信网络，为TCN列车网络技术的起步与成型，以及日后成为国际标准，做出了巨大贡献。2.1.3 SIBAS系统在铁路机车动车控制方面，德国Siemens公司早在1981年就研制出了相应的微机控制系统，并命名为SIBAS16，这个系统的样机首次应用在纽伦堡交通运输管理局地铁车辆上。SIBAS16中的数字代表其采用的是16位微处理器，这个系统由中央机、一个或多个子机以及存储单元
25、构成，各计算机之间采用串行通信来实现数据传送。这种机车控制系统形式新颖，扩展性好，可靠性高，使用安装便捷，大有取代传统控制技术的趋势，成为列车微机控制发展中的发轫之作，影响不可不谓之重大。 随着技术的不断革新以及SIBAS16的不断完善，Siemens公司不失时机地推出了基于32位控制器和信号处理器的列车微机控制系统SIBAS32，其在性能上较SIBAS16更具优越性，同时也对原有SIBAS16系统在接口上保持了向下兼容。20世纪90年代，列车通信网络国际标准正在制定当中，Siemens公司着眼于控制系统功能的长远发展，其推出的SIBAS32系统是一种多功能通用计算机系统。系统采用网络通信技术
26、，外围设备已经开始标准化、专用化、智能化，基本上可在保持硬件结构不变的情况下便捷地与任意终端相挂接，构成一个对各种机车车辆移植性很好的控制与监控系统。2.1.4 MICAS系统MICAS系统的出现是在20世纪80年代。瑞士布朗勃法瑞公司(BBC)最早研发的MICAS系统是应用于运输部门的微型计算机自动控制系统，能理想地实现机动车与船只等场合的控制功能。针对MICAS应用领域的不同，研发人员相应地开发出了适用于该场合的软件、硬件模块及工具，形成了以MICASS、MICASL和MICASE等不同系列。其中MICASS系统在1985年首次应用于牵引控制技术中，在对过程处理速度和性能要求苛刻的牵引控制
27、系统中很好地实现了控制功能。 1988年瑞典的阿西亚公司(ASEA)和瑞士的布朗勃法瑞公司(BBC)合并而成ABB集团。此后，ABB旗下的Adtranz公司在MICASS牵引控制系统基础上开发出了MICASS2，并于1992年第一次成功运用在瑞士Re460型变流机车上。MICASS2列车控制系统实行分级控制形式，由列车级、车辆级和传动级3级控制组成，各级系统控制单元之间的通信通过列车通信网络实现。列车通信网络采用总线型拓扑结构，分成车辆总线、列车总线两级局域网。车辆总线由同一车辆内的几个控制单元互连构成，采用RS485串行通信标准。列车总线为贯穿各车辆节点互连的通信线路，采用9芯EP电缆或18
28、芯UIC电缆，线路通过两种总线之间的网关实现总线耦合。 在MICASS2的基础上Adtranz公司又推出了MITRAC系统，这是更新一代的分布式列车控制与通信系统。MITRAC系统中没有集中的控制柜和机箱，各个控制单元或I/O单元均自成一体，分别封装在一个配备独立电源和标准车辆总线接口的壳体中，并分布于车体内靠近控制对象的各个位置。其良好的电磁兼容性能保证各车辆控制单元工作在环境恶劣的列车中。之后Adtranz公司几易其主，2001年4月，Bombardier公司从Daimler Chrysler手中将其子公司Adtranz收购。Bombardier公司对MITRAC系统继续不断改进，并按照不
29、同客户需求加以系列化，如今该系统有MITRAC500系列、1000系列和3000系列等。2.2 TCN列车网络技术的现状在推出TCN国际标准后，基于TCN标准的产品需求增加，对于TCN产品的研制有了越来越多的单位支持，TCN列车网络在世界范围内也得到了日趋广泛的应用。2.2.1 TCN列车网络产品主要供应商目前，TCN标准列车通信网络的推广形成以Siemens、Bombardier等大公司主导，日趋增多的第三方广泛支持的局面。 Bombardier、Siemens等公司推出了一系列符合TCN标准的产品，诸如列车网络专用芯片(MVBC01、MVBD、AMED)以及网络实时协议(RTP)软件等。
30、此外，一些第三方公司(如Farsystem、Firema、EKE、Duagon、Unicontrol)等也相继推出了TCN网关和相关网络产品，用户可以选择需要的网络部件来集成、开发符合自己要求的TCN网络控制系统。其他可以提供TCN产品的公司还有：自动控制方面的Holec、Ansaldo、AEG，制动方面的Knorr Electronic、Westinghouse Brakes，门控方面的IFE，采暖通风与空调方面的Hagenuk。另外，一些中小公司也能提供MVB板卡、WTB网关、实时协议文件等。 我国作为TCN标准的制定成员国之一，也对该标准大力支持。在研发方面，我国南车、北车集团等单位通过
31、自主研发与技术引进相结合，目前也具有了提供TCN相关产品的能力。铁道科学研究院、西南交通大学、同济大学、北京交通大学等研究单位在TCN方面也进行了广泛研究，取得了一定的成果。2.2.2 TCN列车网络产品应用现状TCN网络主要应用在高速动车组、重载列车以及地铁车辆等轨道交通领域，这些场合对产品的互操作性和控制实时性要求一般很高，只有通过可靠、实时的列车网络技术才能达到要求。 目前采用TCN方案的国家有德国、法国、英国、瑞士、瑞典、挪威、芬兰、丹麦、印度、澳大利亚、菲律宾、美国、巴西等，包括高速列车、摆式列车、城市轨道车辆。我国列车网络技术采用的形式繁多，但TCN技术应用的比重很大，并且采用TC
32、N标准已经成为趋势，如和谐号动车组CRH1、CRH3、CRH5和CRH380A等车型，各大城市的地铁（如上海轨道交通1、2、4、9、11号线，北京地铁15号线、房山线、昌平线、亦庄线，广州地铁2、3、8号线等）均广泛采用。2.2.3 TCN列车网络的研究推广自从TCN国际标准推出以后，得到了越来越广泛的应用。究其原因，离不开TCN网络自身的实时、可靠、安全、开放的优点，能很好地满足列车通信需求。当然，更离不开Siemens、Bombardier等大公司不遗余力的研发和推广，使得支持和应用TCN产品的公司和国家在十几年间有了很大的增长。在TCN标准采纳以后，世界范围内很多研究单位积极地设计了相应的电路、仿真软件和验证工具，极大地推进了TCN技术的发展。2.2.4 TCN列车网络的发展趋势从TCN标准推出到今天，已经十余年了，期间各方面科学技术飞速发展。可以说，尽管TCN标准的推出为解决列车以及车载控制设备之间的相互联挂的问题贡献巨大，但总体看来，TCN网络技术中的核心部分仍基本由若干家大
