城轨车辆网络控制系统的分析及故障排除毕业设计

毕业论文声明本人郑重声明：1．此毕业论文是本人在指导教师指导下独立进行研究取得的成果。除了特别加以标注地方外，本文不包含他人或其它机构已经发表或撰写过的研究成果。对本文研究做出重要贡献的个人与集体均已在文中作了明确标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。2．本人完全了解学校、学院有关保留、使用学位论文的规定，同意学校与学院保留并向国家有关部门或机构送交此论文的复印件和电子版，允许此文被查阅和借阅。本人授权大学学院可以将此文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本文。3．若在大学学院毕业论文审查小组复审中，发现本文有抄袭，一切后果均由本人承担，与毕业论文指导老师无关。4.本人所呈交的毕业论文，是在指导老师的指导下独立进行研究所取得的成果。论文中凡引用他人已经发布或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。论文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中已明确的方式标明。学位论文作者（签名）：年月关于毕业论文使用授权的声明本人在指导老师的指导下所完成的论文及相关的资料（包括图纸、实验记录、原始数据、实物照片、图片、录音带、手稿等），知识产权归属华北电力大学。本人完全了解大学有关保存，使用毕业论文的规定。同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版或电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权大学可以将本毕业论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存或编汇本毕业论文。如果发表相关成果，一定征得指导教师同意，且第一署名单位为大学。本人毕业后使用毕业论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为大学。本人完全了解大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存或汇编本学位论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入学校有关数据库和收录到《中国学位论文全文数据库》进行信息服务。在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。论文作者签名：日期：指导教师签名：日期：毕业设计任务书课题名称：城轨车辆网络控制系统的分析及故障排除2014届毕业设计任务书一、课题名称：列车网络控制系统分析及故障排除二、指导老师：三、设计内容与要求：1、课题概述:随着牵引动力的交流化和运行速度的提高，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。另外，为提高列车的舒适度，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网络控制方向发展，网络控制技术已经成为核心技术之一。本课题基于TCN、ARCNET等常见列车通信网络，分析其通信原理和通信特点，着重分析高速动车、大功率交传机车、城轨车辆等多类列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。2、设计内容与要求：（1）设计内容本课题下设3个子课题：①CRH动车组网络控制系统的分析及故障排除②HXD交传机车网络控制系统的分析及故障排除③城轨车辆网络控制系统的分析及故障排除每个子课题设计的主要内容可包括：①列车网络控制系统的发展历史及现状分析②列车网络控制系统的功能、特点及其与传统机车微机控制系统的区别③常见的列车网络通信标准④以某个车型为例，从结构、原理、可靠性、实时性等方面详细分析该车型的网络控制系统⑤列车网络控制系统常见故障的判断分析与处理⑥结论（2）要求①通过检索文献或其他方式，深入了解设计内容所需要的各种信息；②能够灵活运用《电力电子技术》、《计算机应用技术》、《机车总体》、《列车网络控制技术》等基础和专业课程的知识来分析城轨列车、大功率机车及高速动车组上的网络控制系统。③要求学生有一定的电子电路，轨道交通专业基础。四、设计参考书1、《列车网络控制技术原理与应用》2、《动车组网络控制系统》3、《CRH2型动车组》、《CRH5型动车组》4、《HXD大功率机车》五、设计说明书内容1、封面2、目录3、内容摘要(200-400字左右，中英文)4、引言5、正文（设计比较与选择，设计方案原理、分析、论证，设计结果的说明及特点）6、结束语7、附录(参考文献、图纸、材料清单等)六、设计进程安排第1周：资料准备与借阅，了解课题思路。第2-3周:设计要求说明及课题内容辅导。第4－7周：进行毕业设计，完成初稿。第7-10周：第一次检查，了解设计完成情况。第11周：第二次检查设计完成情况，并作好毕业答辩准备。第12周：毕业答辩与综合成绩评定。七、毕业设计答辩及论文要求1、毕业设计答辩要求1)答辩前三天，每个学生应按时将毕业设计说明书或毕业论文、专题报告等必要资料交指导教师审阅，由指导教师写出审阅意见。2)学生答辩时，自述部分内容包括课题的任务、目的和意义，所采用的原始资料或参考文献、设计的基本内容和主要方法、成果结论和。3)答辩小组质询课题的关键问题，质询与课题密切相关的基本理论、知识、设计方法、实验方法、测试方法，鉴别学生独立工作能力、创新能力。2、毕业设计论文要求文字要求:说明书要求打印(除图纸外)，不能手写。文字通顺，语言流畅，排版合理，无错别字，不允许抄袭。3、图纸要求:按工程制图标准制图，图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注，文字注释必须使用工程字书写。4、曲线图表要求：所有曲线、图表、线路图、程序框图、示意图等不准用徒手画，必须按国家规定的标准或工程要求绘制。摘要随着列车网络控制的发展，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城轨车辆关键技术之一。因此建立可靠安全的车载通信网络是十分必要的。本课题主要分析了城轨列车网络控制系统的故障排除及处理。首先介绍了列车网络控制系统的生产和发展，功能与特点，及其与传统机车的区别。接着介绍了列车通信网络的两条总线,即绞线式列车总线(WTB)和多功能车辆总线(MVB),并分析了两层网络拓扑结构。再根据成都1号线，广州3号线列车网络系统的应用,比较了WTB、MVB、LonWorks、CAN等几种总线的特点。最后，介绍了列车网络控制系统常见故障的分析及处理。并展望了我国城轨车辆网络控制系统的发展前景。关键词：城轨车辆列车网络控制系统故障分析与排除ABSTRACTWiththedevelopmentofpowerelectronictechnology,electrictractiondrivesystemgraduallytooktheplaceofearlyDCtractiondrivesystem,inthecityrailtransportationhasbeenappliedextensively,becometheorbittraffictoachievehighspeedandheavyhaultransportationonlyoptionandthemaindirectionofdevelopment.TheACdrivecontrolsystemofcityrailelectrictractiondrivecontrolisacorecomponentofthesystem,isthecityrailtraininthecentralnervoussystem.Throughtheanalysisofurbanrailvehicletractioncontrolsystemstructureandprinciple,tograspthecommonbreakdownprocessingmethodhasaveryimportantpracticalsignificance.ThemaintopicofcityrailwayvehicleACdrivecontrolsysteminelectrictractioncomponentsandeachcomponentisthemainfunctionprinciple,trainnetworkcontrolsystemisintroducedaswellasthecommonACdrivecontroltechnology,analyzesthecommonfaultsandemergencytreatmentmethod.AndlookforwardtodirectionofACdrivetechnologyofChina'surbanrailvehicleequipmentmanufacturingindustrydevelopmentprospect.Keywords:UrbanrailvehicleElectrictractionACdriveControlsystemTroubleshooting目录-1-2014届毕业设计任务书第１章列车网络控制系统的概述-7-1.1列车网络控制系统的概念-7-1.2列车网络控制系统的产生和发展-7-1.3TCN列车网络的现状及发展趋势-10-1.4列车网络控制系统功能与特点-12-1.5列车网络控制系统与传统机车微机控制系统的区别-12-第2章列车网络通信标准-14-2.1现场总线-14-2.2TCN列车通信网络-19-2.3工业以太网-21-第3章常见列车网络控制系统-25-3.1.SIBAS系统-25-3.2.MITRAC.系统-26-3.3.AGATE系统-28-3.4TIMS管理系统及其结构-29-3.5.TIS信息系统-30-3.6.DETECS系统-32-第4章城轨列车网络控制系统-35-4.1成铁１号线列车网络控制系统-35-4.2广铁３号线列车网络控制系统-38-4.3城轨列车网络控制系统对比-40-第5章列车网络控制系统常见故障的分析与处理-41-5.1MVB总线通信网络中断-41-5.2列车控制和诊断系统-41-5.3总线/列车线信号时间的限制-42-5.4软件设计缺陷-43-5.5北京地铁10号线故障分析-43-第6章总结-45-心得体会-46-参考文献-47-第１章列车网络控制系统的概述1.1列车网络控制系统的概念网络控制系统又被称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。列车网络控制系统是列车的核心部件，它包括以实现各功能控制为目标的单元控制机、实现车辆控制的车辆控制机和实现信息交换的通信网络。列车网络系统的发展过程从系统功能来看经历了由单一的牵引控制到车辆（列车）控制，再到现在已经进入分布式控制系统的发展阶段。狭义的网络控制系统是以网络为基础，实现传感器、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，基于现场总线技术的网络控制系统可以看成一种狭义的网络控制系统。广义的网络控制系统不但包括狭义的网络控制系统在内，还包括通过Interner、企业信息网络以及企业内部网络，实现对工厂车间、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析等。1.2列车网络控制系统的产生和发展70年代末至80年代初，车载微机的雏形分别在西门子公司和BBC公司出现。开始仅仅是用于传动装置的控制，随着控制、服务对象的增多，人们把铁道系统依次划分为6个层次：公司管理、铁路运营、列车控制、机车车辆控制、传动控制和过程驱动，于是列车通信网络在初期的串行通信总线的基础上应运而生，并从原来不同公司的企业标准推向国际标准，逐步形成了列车通信与控制系统的标准化、模块化的硬件系列和全方位的开发、调试、维护、管理软件工具。1988年IEC第9技术委员会TC9成立了第22工作组WG22，其任务是制订一个开放的通信系统，从而使得各种铁道机车车辆能够相互联挂，车上的可编程电子设备能够互换。1992年6月,TC9WG22以委员会草案CD（committeeDraft）的形式向各国发出列车通信网TCN（TrainCommunicationNetwork）的征求意见稿。该稿分成4个部分：第1部分总体结构，第2部分实时协议，第3部分多功能车辆总线MVB，第4部分绞式列车总线WTB。总体结构把列车通信网规定为由多功能车辆总线MVB和绞式列车总线WTB组成。MVB的传输介质可以是双绞线，也可以是光纤。在后一种场合，其跨距为2000m，最多可连接256个职能总线站。数据划分为过程数据、消息数据和监管数据。对过程数据的传输作了优化。发送的基本周期是lms或2ms。WTB的传输介质为双绞线，最多可连接32个节点，总线跨距860m。WTB具有列车初运行和接触处防氧化功能。发送的基本周期是25ms。1994年5月至1995年9月，欧洲铁路研究所（ERRI）耗资300万美元，在瑞士的Interlaken至荷兰的阿姆斯特丹的区段，对由瑞士SBB、德国DB、意大利FS、荷兰NS的车辆编组成的运营试验列车进行了全面的TCN试验。1999年6月，TCN标准草案正式成为国际标准，即IEC61735。该标准对列车通信网络的总体结构、连接各车辆的列车总线、连接车辆内部各智能设备的车辆总线及过程数据等内容进行了详细的规定。列车通信网络的标准化对目前和将来的开发设计提供了一个良好的基础，现已交付或投入运营的采用TCN的车辆达600辆以上，装备TCN的车辆数量正在迅速增长，Adtranz、Firema、Siemens等车辆制造工厂的所有新项目均以TCN为基础。我国列车通信网络的发展可以追溯到1991年，株洲电力机车研究所在购买ABB公司的牵引控制系统开发工具特别是软件开发工具的基础上，联合路内高被开发出了建国第一套力机车微机控制装置，安装于SS40038电力机车上。在该装置中，系统被明确划分为人机界面显示级、机车控制级和传动控制级三级,级与级之间通过串行总线连接，形成了二级总线的雏形。其中连接司机台显示器与机车控制级之间的显示总线在“春城”号动力分散电动车组上扩展为贯穿列车连接各动力车的机车控制级与司机台显示器的列车显示总线：连接机车控制级与传动控制级的近程控制器总线在“先锋”号动力分散交流传动电动车组上扩展为连接动力车节点与传动控制单元和ATP的中程控制器总线。近年来，国内机车车辆工业发展迅速，相继开发成功了动车组、200公里高速车等产品，以及目前尚处于开发研制阶段的摆式列车、轻轨车等产品。这些产品需要对列车的运行状况和故障做出快速准确的判断和处理，而传统的机车车辆控制技术已不能满足这方面的要求。同时，随着电子技术的飞速发展，应用于车辆上的智能设备也越来越多，如集中轴报、电动塞拉门、电子防滑器、电空制动、信息显示等系统都装在K型车上。这些系统需要配备大量的控制线路，且有的系统自成一个小型网络，使一个车辆有多种网络存在，各系统间的数据不能共享，信号重复检测。为解决上述存在的问题，引入列车通信网络技术将全列车的智能用电设备连接起来，达到数据共享是非常必要的。90年代中期，随着动车组在我国升温，对列车通信网络特别是机车的重联控制通信的需求十分迫切。一方面，铁道部开展了列车通信网络研究课题，另一方面路内外许多单位也先后自发地开展了自我开发、联合开发或技术引进工作，这些工作主线局域网、现场总线、TCN、通信介质、基于RS485的通信协议等领域展开。如：上海铁道大学与株洲电力机车研究所合作开发的基于ARCNET的列车总线和基于HDLC的车辆总线的列车通信网络的研究；上海铁道大学用CAN作为连接司机台和列车控制单元的局部总线的研究；国防科技大学用CAN作为磁悬浮列车的列车总线的研究；西南交通大学用RS485+议作为摆式列车倾摆特制总线的研究；北方交通大学对通信介质及其转换的研究；大同机车厂对列车通信网结构及其协议的研究和对BITBUS的研究；株洲电力机车研究所的基于FSK的列车通信的研究，基于RS485＋协议的局部总线的研究，基于Lonworks的列车总线和局部总线的研究，CAN总线用于列车监控装置和摆式列车局部控制总线的研究，基于ModBus的I/O局部总线的研究，MVB、WTB的研究等以及国产化的MVB产品与其他公司的MVB产品的兼容性试验；四方机车车辆研究所、铁道科学研究院、西南交通大学、武进市剑湖铁路客车附件厂、武汉正远公司等对Lonworks、MVB、WTB进行了研究。购买了或准备购买Lonworks、MVB、WTB的开发工具。以上这些研究，有一些成果得到了应用，其中，“新曙光”号是首列采用Lonworks列车总线技术的内燃动车组。在该项目中，Lonworks列车总线网卡插在成熟的内燃机车微机控制装置EXP机箱中。首尾动力车的重联通信通过Lonworks列车总线以显式报文方式实现，而EXP机箱内的主CPU通过机箱背部的并行FE总线访问网卡上的双口RAM实现信息交换。“神州”号Lonworks列车重联通信与此类似，但采用了二路，即设置了一路Lonworks冗余通道。“先锋”号是首列采用了株洲电力机车研究所的TEC列车通信与控制系统的动力分散交流传动电动车组。在该项目中，每节动车或拖车上都有一个列车总线节点，列车总线贯穿全列车连接各个节点。在每节动车或拖车内，各智能控制设备通过MVB或控制器总线与节点交换信息。在司机台显示器上可以选择查看全列车各个设备的状态。“中原之星”号是第二列采用TEC技术的动力分散交流传动电动车组。该项目与“先锋“号项目的主要区别是采用了MVB光缆连接一个车组单元内三节车的所有智能控制设备（大部分布置在车辆的地板底下）。而整列车仅设置了2个列车总线节点，即每个车组单元只设置1个列车总线节点。从而从列车总线往下着，好象整个列车是由2个基本运转单元构成，简化了控制信号在列车总线上的传递。另外，“中原之星”号的车辆总线、列车总线、列车控制单元、某些重要设备的数字输入/输出通通（如继电器）等采取了冗余措施。“新曙光”号、“神州”号列车重联通信的成功，特别是“先锋”号、“中原之星”号的较为完备的列车通信与控制系统的成功，标志着我国列车通信与控制系统的发展已经进入实用化的新阶段。列车网络控制系统的功能主要包括：实现牵引控制，即牵引特性曲线的实现和牵引功能的优化；实现列车牵引黏着控制，使列车在各种运用条件下，都能保持轮轨间的牵引力，并尽可能地使机车运用在轮轨间的牵引力实现最大化；实现并联和电路的连接，即逻辑控制功能；以及实现列车运行过程中的故障信息处理，即进行故障信息的采集、处理、传输、显示和记录，并为列车乘务提供故障的现场处理和排除信息的提示。还提供列车运行的状态信息。1.3TCN列车网络的现状及发展趋势在推出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。1.3.1TCN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。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KnorrElectronic、WestinghouseBrakes，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。1.3.2TCN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TCN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。1.3.3TCN列车网络的研究推广及发展趋势自从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。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公司所垄断，技术门槛较高也限制了它更大范围的应用。TCN并没有完全满足列车在所有场合的控制需要，在技术与日俱新的今天，它需要新的发展。列车网络技术已经成熟，也是当代轨道车辆必然采用的核心技术之一。随着通信网络技术的应用范围不断扩大，用户对网络的开放性、性价比、开发和应用的多样性及灵活性等方面都提出了更高的要求。由于TCN网络自身也难免存在一些不足，所以不可能完全取代其他形式的控制网络，完全满足铁路用户的所有应用需求。因此，在将来，列车网络技术不可能是TCN的天下，必然是多种网络技术的融合。列车控制网络技术的发展趋势可能会是以TCN为主，在轨道车辆的高速动车组、地铁车辆等高端市场应用；其他各种形式的总线形式作为列车网络的重要补充，在各种适用的场合找到应用的空间。这些通用网络技术在今后一段时间内将和原有TCN网络共同发展，取长补短并相互融合，形成有机的整体。另外，随着列车通信要求的不断提高，TCN自身方面的改进是必要的。如在可靠性方面，目前对列车通信网络的可靠性进行量化的评估在国内外还是鲜见的，对于可靠性要求高的列车网络，全面引入可靠性工程的分析、评价、设计及验证的方法是必要的；在安全性方面，近些年提出了功能安全通信的理念，并在2007年推出了《IEC617843用于工业网络功能安全通信行规》国际标准，随后很多种用于工业控制的总线标准也应用该标准，对自身的协议加以完善，添加了功能安全通信层来保证通信网络的功能完整性等级。那么，列车通信网络对安全性如此强调的总线形式，是否要执行功能安全标准，是非常值得考虑的问题。随着列车服务质量水平和乘客需求的不断提高，列车信息化服务的要求也越来越高，TCN在此方面显然是不能满足的。因此，为乘客提供优质的信息娱乐服务，包括移动电视、移动网络等，也必将是TCN未来的方向。1.4列车网络控制系统功能与特点列车通信网络是用于列车这一流动性大、环境恶劣、可靠性要求高、实时性高、与控制系统紧密相关的特殊环境的计算机局域网络，它属于控制网络的范畴。列车网络控制系统是列车的核心部件。它包括以实现各种功能控制为目标的单元控制机、实现车辆控制的车辆控制机和实现信息交换的通信网络。其功能主要包括以下方面：1.实现牵引控制，即牵引性曲线的实现牵引功能的优化。2.实现列车牵引的黏着控制，使列车在各种运行条件下，都能保持轮轨间的牵引力，并尽可能地使机车运用在轮轨间的牵引力实现最大化。3.实现列车运用过程中各种可能需要的功能关联和电路连接，即逻辑控制功能。4.实现列车运行过程中的故障信息处理，即进行故障信息的采集、处理、传输、显示和记录，并为列车乘务员提供故障的现场处理和排除的信息提示。5.提供列车运行的状态信息。网络控制适用于大范围区域的控制，系统包含大量的相互交换信号信息的设备。网络控制系统的特征是通过一系列的通信信道构成一个或多个控制闭环，同时具备信号处理、优化决策和控制操作的功能，控制器可以分散在网络中的不同地点。与传统的点对点控制系统相比，网络控制系统具备共享信息资源、远程监与控制，减少系统布线、易于扩展和维护、增加了系统的灵活性和可靠性等特点。1.5列车网络控制系统与传统机车微机控制系统的区别传统控制系统采用一对一的设备连线，按控制回路的信号传递需要连线。位于现场的测量变送器与位于控制室的控制器之间，控制器与位于现场的执行器、开关、电动机之间均为一对一的物理连接。网络化控制系统则借助网络在传感器、控制器、执行器个单元之间传递信息，通过网络连接形成控制系统。网络控制系统中，网络化连接方式简化了控制系统各部分之间的连接关系，为系统设计，安装，维护带来了很多方便。第2章列车网络通信标准2.1现场总线现场总线原本是指现场设备之间的信号传输线，后又被定义为应用在生产现场，在测量控制设备之间实现双向串行多借点数字通信技术。现场总线为工业控制系统而生，因为其开放、实时性强等特点，在列车通信网络中也得到了很好的应用。现场总线测量控制设备作为网络节点，以双绞线等传输介质为纽带，把位于生产现场、具备了数字计算和数字通信能力的测量控制设备连接成网络系统，按公开、规范的通信协议，在多个测量控制设备之间、现场设备与运程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成适应各种应用需要的自动控制系统。网络把众多分散的计算机连接在一起，使计算机的功能发生了神奇的变化，把人类引入到了信息时代。现场总线给自动化领域带来的变化，正如计算机网络给单台计算机带来的变化。它使自控设备连接为控制网络，并与计算机网络沟通连接，使控制网络成为信息网络的重要组成部分。现场总线系统既是一个开放的数据通信系统、网络系统，又是一个可以由现场设备实现完整控制功能的全分布控制系统。它作为现场设备之间信息沟通交换的联系纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的设备连接为能实现各种测量控制功能的自动化系统，实现如PID控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及控管一体化的综合自动化功能。这是一项以数字通信、计算机网络、自动控制为主要内容的综合技术。2.1.1基于现场总线的数据通信系统备接收设备、作为传输介质的现场总线基于现场总线的数据通信系统由数据的发送设、传输报文、通信协议等几部分组成。温度变送器要将生产现场运行的温度测量值传输到监控计算机。这里传输的报文内容为温度测量值，现场温度变送传输介质接收设备，数据通信系统示例器为发送设备，计算机为接收设备，现场总线为传输介质，通信协议则是事先以软件形式存在于计算机温度变送器内的一组程序。因此这里的数据通信系统实际上是一个以总线为连接纽带的硬软件结合体。在基于现场总线的数据通信系统中，所传输的数据是与生产过程密切相关的数值、状态、指令等。如用数字1表示管道中阀门的开启，用数字。表示阀门的关闭;用数字1表厅生产过程处于报警状态，数字0表示生产过程处于正常状态。表示温度、压力、流量、液位等的数值、控制系统的给定值、PID参数等都是典型的报文数据。传统的测量控制系统，从输人设备到控制器，从控制器到输出备，均采用设备间一对一的连线，即点到点布线，通过电压、电流等模拟信号传送参数。现场总线系统则采用串行数据通信方式实现众多节点的数据通信，不必在每对通信节点间建立直达线路，而是采用网络的连接形式构建数据通道。串行数据通信最大的优点是经济。两根导线上挂接多个传感器、执行器，具有安装简单、通信方便的优点。这两根实现串行数据通信的导线就称为总线。采用总线式串行通信为提供更为丰富的控制信息内容创造了条件。总线上除了传输测量控制的状态与数值信息外，还可提供模拟仪表接线所不能提供的参数调整、故障诊断、阀门开关的动作次数等信息，便于操作管理人员更好、更深入地了解生产现场和自控设备的运行状态。2.1.2现场总线的特点传统模拟控制系统在设备之间采用一对一的连线，测量变送器、控制器、执行器、开关、电动机之间均为一对一物理连接。而在现场总线系统中，各现场设备分别作为总线上的一个网络节点，设备之间采用网络式连接是现场总线系统在结构仁最显著的特征之一。在两根普通导线制成的双绞线上，挂接着几个、卜几个白控设备。总线在传输多个设备的多种信号，如运行参数值、设备状态、故障、调整与维护信息等的同时，还可为总线上的设备提供直流工作电源。现场总线系统不再需要传统DCS系统中的模拟/数字、数字/模拟转换条件。这样就为简化系统结构、节约硬件设备、节约连接电缆、节省各种安装、维护费用创造了条件。在现场总线系统中，由于设备增强了数字计算能力，有条件将各种控制计算功能模块、输人/输出功能模块置人到现场设备之中。借助现场设备所具备的通信能力，直接在现场完成测量变送仪表与阀门等执行机构之间的信号传送，实现了彻底分散在现场的全分布式控制。现场总线是控制系统运行的动脉、通信的枢纽，因而应关注系统的开放性、互可操作性、通信的实时性，以及对环境的适应性等问题。1)全数字通信。这使得系统能够实现信号的检错、纠错机制，从而显著提高了系统的抗干扰能力和传输精度。同时，可进行多参数传输，比如，现场设备的测量、控制信息以及其他非控制信息如设备类型、型号、厂商信息、量程、设备运行状态等都可以通过一对导线传输到现场总线网络上的任何智能设备，从而消除了模拟信号的传输瓶颈。2)系统的开放性。系统的开放性体现在通信协议公开，不同制造商提供的设备之间可实现网络互联与信息交换。这里的开放是指对相关规范的一致与公开，强调对标准的共识与遵从。一个开放系统，是指它可以与世界上任一制造商提供的、遵守相同标准的其他设备或系统相互连通。用户可按自己的需要和考虑，把来自不同供应商的产品组成适合自己控制应用需要的系统。现场总线系统应该成为自动化领域的开放互联系统。3)互可操作性。这里的互可操作性，是指网络中互连的设备之间除了能实现信息互访外，还能理解信息的含义，并能根据信息要求进行操作。如A设备可以接收B设备的数据，也可以控制C设备的动作与所处状态。这就意味着，某厂家生产的设备能够对另一个厂家的设备进行控制和操作，也即不同厂家的相同类型的设备可以互相替换，而且还可统一组态，无需专用的驱动程序。这就解决了设备的垄断性和产品故障处理的时效性，为系统集成的白争降操供了产品保障。用户从而可选择性价比更高的产品。4)通信的实时性与确定性。现场总线系统的基本任务是实现测量控制。而有些测控任各早有严格的时序和实时性要求的。达不到实时性要求或因时间同步等问题影响了网络节点间的动作时序，有时会造成灾难性的后果。这就要求现场总线系统能提供相应的通信机制，提供时间发布与时间管理功能，满足控制系统的实时性要求。通信模式、网络管理与调度方式等都会影响到通信的实时性、有效性与确定性。5)现场设备的智能与功能自治性。这里的智能主要体现在现场设备的数字计算与数字通信能力上。而功能自治性则是指将传感测量、补偿计算、工程量处理、控制计算等功能块分散嵌人到现场设备中，借助位于现场的设备即可完成自动控制的基本功能，构成全分布式控制系统，并具备随时诊断设备工作状态的能力。6)对现场环境的适应性。现场总线系统工作在生产现场，应具有对现场环境的适应性。工作在不同环境下的现场总线系统，对其环境适应性有不同要求。在不同的高温、严寒、粉尘环境下能保持正常工作状态，具备抗振动、抗电磁干扰的能力。在易燃易爆环境下能保证本质安全，有能力支持总线供电等。这是现场总线控制网络区别于普通计算机网络的重要方面。采用防雨、防潮、防电磁干扰的壳体封装，选用工作温度范围更宽的电子器件，以及采用屏蔽电缆或光缆作为传输介质，实现总线供电，满足本质安全防爆要求等都是现场总线系统所采取的提高环境适应性的措施。2.1.3现场总线系统的优势和劣势由于现场总线的以上特点，使得控制系统的设计、安装、投运和检修维护，都体现出优越性。1)节省硬件数量与投资。现场总线系统中，由于智能现场设备能直接执行多参数测量、控制、报警、累计计算等多种功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的调节器、计算单元等，不再需要D('S系统的信号调整、转换等功能单元，从而也省去了它们之间的复杂接线，节省了一大笔硬件投资，减少了控制室的占地面积。2)节省安装费用。现场总线系统在一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而系统的连线非常简单。与传统连接方式相比，所需电缆、端子、槽盒、机架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，这样既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。据有关典型试验工程的测算资料，可节约安装费用60%以上。3)节省维护开销。由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通信将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时间。同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。、4)用户具有系统集成主动权。用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展。使系统集成过程中的主动权牢牢掌握在用户手中。5)提高了系统的准确性与可靠性。由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，从根本上提高了测量与控制的精准度，减小传输误差。同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。此外，由于设备的标准化，功能模块化，使系统具有设计简单，易于重构等优点。现场总线系统中，由于网络成为各组成部件之间的信息传递通道，网络成为控制系统不可缺少的组成部分之一。而网络通信中数据包的传输延迟，通信系统的瞬间错误和数据包丢失，发送与到达次序的不一致等，都会破坏传统控制系统原本具有的确定性，使得控制系统的分析和综合变得更复杂，使控制系统的性能受到负面影响。如何使控制网络满足控制系统对通信实时性、确定性的要求，是现场总线系统在设计和运行中应该关注的重要问题。现场总线与一般计算机通信的区别。现场总线是用于现场仪表和控制室系统之间的一种全数字化、双向、多分支结构的计算机通信系统，计算机通信技术的发展会从各个方面影响现场总线的发展。但是，二者在基本功能、信号传输要求和网络结构上均有所不同。1)基本功能。计算机通信的基本功能:可靠地传递信息。现场总线的功能则是包括了更多的内容:①高效、低成本地实现仪表及自控设备间的全数字化通信，以体现其经济性;②解决现场装置的总线供电问题，实现现场总线的本质安全规范，以体现其安全性;③解决现场总线的环境适应性问题，如电磁干扰、环境温度、适度、震动等因素，以体现其可靠性;④现场仪表及现场控制装置要尽可能地就地处理信息，不要将信息过多地在网络上往返传递，以体现现场总线技术发展趋势—信息处理现场化。2)信号传输要求。二者在速度要求上是一致的，但现场总线不仅要求传输速度快，还要求响应快，即需要满足控制系统的实时性要求。一般通信系统也会有实时性的要求，但这是一种“软”的要求，即只要大部分时间满足要求就行了。过程控制对实时性的要求是“硬”的，因为它往往涉及安全，必须在任何时间都及时响应，不允许有不确定性。现场总线的实时性主要体现在响应时间和循环周期两个方面。响应时间是指系统发生特殊请求或发生突发事件时，仪表将信息传输到主控设备或其他现场仪表所需的时间。这往往需要涉及:现场设备的中断和处理能力，传输时间，优先级控制等多种因素。过程控制系统通常并不要求这个时间达到最短，但它要求最大值是预先可知的，过程控制系统通常需要周期性地与现场控制设备进行信息交流。循环周期是指系统与所有现场控制设备都至少完成一次通信所需的时间。这个时间往往具有一定的随机性，过程控制系统同样希望其最大值是可预知的。2.2TCN列车通信网络网络技术作为现代列车的关键技术，在世界范围内得到了越来越广泛的应用。但由于铁路运输在世界上不同地区和国家的特点和竞争程度不同，不同的国家或地区的列车控制网络技术采用了不同的技术开发路线和模式。欧洲的铁路运输市场竞争较为充分，用户对机车车辆及其控制技术的要求也较高。同时由于欧盟的形成，客观上对列车及其控制系统的互通、互联提出了更高的要求。各大列车电气部件供应商都推出了基于网络的控制系统，例如，瑞士ABB公司的MICAS一S2系统，瑞典ADtranz公司(现已被Bombardier公司收购)的MITRAC列车网络控制系统、法国Alstom公司基于Wor1dFIP总线的AUATE控制系统等。如图4一4所示，MICAS一S2系统将网络分成列车总线和车厢总线，列车总线采用FSK(频移键控)，波特率为19.2kb/s，车厢总线MVB(多功能车厢总线)采用RS一485串行通信标准，局部总线采用双绞线，远程总线采用光缆，波特率为1.5Mb/soMITRAC则是在MICAS一S2的基础上发展起来的分布式列车控制网络。因为这些列车通信网络技术大都遵循各大电气设备供应商的企业标准或是不同国家的国家标准，基于不同网络技术的车载设备往往不能兼容，不同来源的铁道机车车辆也不能够相互连挂，为此，IEC开始了列车通信网络的标准化之路。1988年，国际电工委员会(IEC)第9技术委员会(TC9)，委托由来自20多个国家(包括中国、欧洲国家、日本和美国，他们代表了世界范围的主要铁路运用部门和制造厂家)以及国际铁路联盟(UIO的代表组成的第22工作组WG22，共同为铁路设备的数据通信制定一项标准，使得各种铁道机车车辆能够相互连挂，车上的可编程电子设备可以互换。1999年6月，经过长达11年的工作后，IEC,TC9,WG22在ABB公司的MICAS基础上，以及西门子的DIN43322和意大利的CD450等运行经验的基础上制定的列车通信网络标准(TrainCommunicationNetwork,TCN)—IEC61375正式成为国际标准。同年，国际电气电子委员会(InstituteofElectricalandElectron-icsEngineers,IEEE)也制订出了车载通信协议标准IEEESTD1473-1999标准，并将TCN和LonWorks同时纳人其中。我国于2002年颁布的铁道部标准TB/T3025-2002也将其正式确认为列车通信网络标准。2.2.1列车通信网络的基本结构列车通信网络的基本结构是两条总线组成的三层结构。1)绞线式列车总线(WTB),连接列车各车厢，可自动配置，在双纹线上传输的速率可以达到1Mb/s。2)多功能车厢总线(MVB),连接车厢内部设备，能加快响应速度，通过双绞线或光纤可以达到1.5Mb/s的速率。3)设备级控制网。2.2.2TCN协议与OSI的一致性比较TCN的结构遵循ISO/OSI模型。TCN体系已经考虑了ISO的许多标准，但是，基十下述考虑.TCN也有一些区别和简化:1)OSI模型是针对互相连接的复杂网络的总体枢架设计的，它支持的应用范围很广(如办公自动化、制造工厂、联合网络)。而列车通信网络则为特定应用，其与外部世界的通信仅通过网关，许多OSI的服务在TCN中是多余的。2)TCN标准强调整体兼容性，不同来源的设备可以安装插件兼容，可选项的数量保持到最少。3)TCN是实时工作的，虽然国际标准如法国UTEC46-602(FIP)区分子实时变量服务及非紧迫的消息传送。但IS()标准中未考虑传输距离短，但频繁、时限紧迫的数据，因而TCN对在IS(〕工作中未涉及的服务做了定义，如过程数据的源寻址广播。4)由OSI报头引起的总开销是巨大的，这个总开销对高速网络(lOMb/s)是可以承受的，但WTB的带宽仅1Mb/s，而MVB的帧长度仅256位，因而需要对数据译码和协议进行优化。5)符合OSI模型的软件太复杂，不能与在列车通信网络上连接的大量小设备的目标相兼容，所以在TCN中对几个OSI层进行了简化。6)TCN通信由于引人了部件相互之间的约定而大大简化。例如，当所有设备都按约定使用相同的格式，在表示层就不必进行数据格式的协商。列车通信网络即列车控制、诊断信息数据通信网络。他是一种面向控制、连接车载设备的数据通信系统，是分布式列车控制系统的核心，其将列车微机控制系统的各个层次、各个单元之间连接起来，作为系统信息交换和共享的渠道，从而实现全列车环境下的信息交换。它包含两级：连接各车辆的列车总线和连接一节车厢内或车辆组各设备的车辆总线。一节车辆可以有一条或几条车辆总线，也可以没有，车辆总线可以跨越几节车辆。绞线式列车总线（WTB）是通过手插式跨接电缆或自动连接器来实现车辆之间的互联。WTB使用12线UIC电缆在加上一条能以1Mbit/s传送数据的专用屏蔽线。电缆的布置采用冗余原则，装车电缆每一侧各有一根电缆。WTB无需中继器传送距离可到到860米。WTB是显著的特色，是它的以连续顺序给节点自动编号和让所有的节点识别何处是列车的左侧和右侧的能力。每当列车组成改变时，列车总线各节点执行初运行，处运行后所有车辆均获得列车的结构信息，包括以下几点：①相对于主节点，它们各自的地址、方向（左/右）和位置（前/后）。②列车中其它车辆的数量和位置。③其它车辆的型号和种类及支持功能。④各车辆的动力学性能，该信息可以帮助制动计算机推送列车长长度和位置。为实现处运行，每个节点包含两个HDLC通道，每个通道对应一个方向。多功能车辆总线（MVB）是作为连接车辆内设备，以及在固定编组的列车组中连接各车辆间设备的车辆总线。MVB可以通过3个介质工作至1.5Mbit/s。①短距离用RS485。②距离达200M的变压器耦合的双绞线。③距离达2000M的光纤。不同的介质可以直接通过中继器互相连接。MVB由一个专用的主节点控制，它可以被冗余的主节点支持以增加可靠性。MVB由一个集成的总线执行控制器支持，该控制器在物理层提供冗余，一个设备在两个互为冗余的线路上发送，但仅从一条线路上接收，同时监视另一条线路。2.3工业以太网由于Ethernet技术和应用的发展，使其从办公自动化走向工业自动化口所谓工业以太网，一般来讲是指技术上与商用以太网(即IEEE802.3标准)兼容，但在产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等方面能满足工业现场的需要。随着互联网技术的发展与普及推广，Etherenet技术也得到了迅速的发展，Etherenet传输速率的提高和Etherenet交换技术的发展，给解决Etherenet通信的非确定性问题带来了希望，并使Etherenet全面应用于工业控制领域成为可能。目前工业以太网技术的发展体现在以下几个方面。2.3.1通信确定性与实时性工业控制网络不同于普通数据网络的最大特点在于它必须满足控制作用对实时性的要求，即信号传输足够的快和满足信号的确定性。实时控制往往要求对某些变量的数据准确定时刷新。由于Etherenet采用csMn/cD碰撞检测方式，网络负荷较大时，网络传输的不确定性不能满足工业控制的实时要求，因此传统以太网技术难以满足控制系统要求准确定时通信的实时性要求，一直被视为非确定性的网络。然而，快速以太网与交换式以太网技术的发展，给解决以太网的非确定性问题带来了新的契机，使这一应用成为可能。首先，Etherenet的通信速率从lOMb/s,100Mb/s增大到如今的1000Mb/s,lOGb/s，在数据吞吐量相同的情况下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻和网络传输延时的减小，即网络碰撞几率大大下降。其次，采用星形网络拓扑结构，交换机将网络划分为若干个网段。Eherenet交换机由于具有数据存储、转发的功能，使各端口之间输人和输出的数据帧能够得到缓冲，的数据进行过滤，不再发生碰撞;同时交换机还可对网络上传输的数据进行过滤，使每个网络节点间数据的传输只现在本地网段内进行，而不需经过主干网，也不占用其他网段的宽带，从而降低了所有网段和主干网的网络负荷。再次，全双工通信又使得端口间两队双绞线上分别同时接收和发送报文帧，也不会发生冲突。因此，采用交换式集线器和全双工通信，可使得网络上的冲突域不复存在或碰撞几率大大降低，因此使Eheerenet通信确定性和实时性大大的提高。2.3.2稳定性与可靠性Eherenet进入工业控制领域的另一个主要问题是，它所用的接插件、集线器、交换机和电缆等均是为商用领域设计的，而未针对较恶劣的工业现场环境来设计，故商用网络产品不能应用在有较高可靠性要求的恶劣工业现场环境中。随着网络技术的发展，上述问题正在迅速得到解决。为了解决在不间断的工业应用领域，在极端条件下网络也能稳定工作的问题，美国Synergetic微系统公司和德国Hirschmann,Jet-terflG等公司专门开发和生产了导轨式集线器、交换机产品，安装在标准DIN导轨上，并有冗余电源供电，接插件采用牢固的DB一9结构。我国台湾四零四科技(MoxaTechnologies)在2002年6月推出工业以太网产品一M()X!}EtherDeviceServer(工业以太网设备服务器)，特别设计用于连接工业应用中具有以太网络接口的工业设备(如PLC,HMI.DCS系统等)。在IEEE802.3af标准中，对Eherenet标准中，对Eherenet的总线供电规范也进行了定义。此外，在实际应用中，主干网可采用光纤传输，现场设备的连接则可采用屏蔽双绞线，对干重要的网络还可采用冗余网络技术，以此提高网络的抗干扰能力和可靠性。2.3.3工业以太网协议由于工业自动化网络控制系统不单单是一个完成数据传输的通信系统，而且还是一个借助网络完成控制功能的自控系统。它除了完成数据传输之外，往往还需要依靠所传输的数据和指令，执行某些控制计算与操作功能，由于多个网络节点协调完成自控任各_因而官需要在应用、用户等高层协议与规范卜满足开放系统的要求，满足互操作条件。对应于ISO/OSI七层通信模型，以太网技术规范只映射为其中的物理层和数据链路层。而在其之上的网络层和传输层协议，目前以TCP/IP协议为主(已成为以太网之上传输层和网络层“事实上的”标准)。而对较高层次如会话层、表示层、应用层等没有作技术规定。目前商用计算机设备之间是通过FTP(文件传送协议)、Telnet(远程登录协议)、SMTP(简单邮件传送协议)、HTTP<WWW协议)、SNMP(简单网络管理协议)等应用层协议进行信息透明访问的，它们如今在互联网上发挥了非常重要的作用。但这些协议所定义的数据结构等特性不适合应用于工业过程控制领域现场设备之间的实时通信。为满足工业现场控制系统的应用要求，必须在Eherenet-}TCP/IP协议之上，建立完整的、有效的通信服务模型，制定有效的实时通信服务机制，协调好工业现场控制系统中实时和非实时信息的传输服务，形成为广大工控生产商和用户所接收的应用层、用户层协议，进而形成开放的标准。为此，各现场总线组织纷纷将以