高速动车组网路控制系统对比分析

高速动车组网络控制系统对比分析---张明康1高速动车组网路控制系统对比分析车辆工程2012-1卓越班张明康[摘要]列车网络控制系统是高速动车组主要控制系统之一，是列车正常运行不可缺少的部分。对CRH型高速动车组采用的TCN、ARCNET和CAN3类总线的工作特性进行分析对比，进而对CRH型动车组网络控制系统结构、网络控制系统设备等方面进行分析比较。[关键字]高速动车组；网络控制系统；网络总线随着中国高速动车组的发展及对其研究的深入,列车网络控制作为其关键技术之一,得到越来越多的研究者的关注。由于动车组采用动力分散方式，如何通过列车通信网路实现整列车的实时控制和信息传递显得尤为重要。动车组的列车通信网络是指采用分布式机通信网络控制技术，集中监控牵引、制动和辅助系统等车载设备，借助列车通信网络，自动监测车载设备状态和数据，与地面进行实时通信，实现列车安全运用和高效检修。我国生产的CRH型高速动车组，由于生产厂家和设计系统本身存在差异，使得每种动车组的网络控制系统和和通信网络总线、动车组网络控制系统网络结构、系统设备、系统主要控制对象也不尽相同。我国CRH型动车组通信网络总线有以下几种：基于TCN标准的CRH1、CRH3和CRH5，基于ARCNET的列车总线和基于HDLC的CRH2型动车组，以及一些在列车上常用的工业总线，如CAN总线、HDLC车辆总线。1三类网络总线我国CRH型动车组采用的网络总线主要有TCN、ARCNET和CAN3类，其中TCN的WTB和MVB分别作为列车总线和车辆总线进行信息传输，不同总线的应用和工作特性如下：1.1TCN总线CRH1、CRH3和CRH5动车组均基于TCN标准构建其网络控制系统，列车总线和车辆总线通过节点来连接，一般每节车辆有一个节点。WTB和MVB均采用集中控制、周期性预分配的主从方式对总线介质进行访问控制。WTB负责列车车辆间的数据通信，是一种用于连接各节点可动态编组的车辆间的绞线式列车总线,能自动识别车辆在列车编组中的位置和方向。MVB负责车辆内部的数据通信，是一种用于连接车辆（或固定编组的车辆单元）内部设备的多功能车辆总线。1.2ARCNET总线CRH2动车组基于ARCNET的网络控制系统，是一种基于令牌传递协议的现场总线，网上的各个节点轮流支配这个网络，所有总线上的站是平等的，网络中每个节点保存有下一个节点的逻辑地址，可以生成一个网络活动节点地址表，使用光纤作为传输总线，传输速率为2.5Mbps，拓扑结构采用双环形网络。ARCNET的网络可以采用3种物理介质：同轴电缆、双绞线、光纤；其接线方案也非常灵活，支持总线型、星型以及分布式星型等拓扑。ARCNET协议支持网络自动重构，可以自动适应网络的变化，当网络中加入或删除一个字节，ARCNET将自动重新分配网络。1.3CAN总线CRH5还采用CAN总线用于连接对网络性能要求低、重要性也比较低的设备。CAN是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信总线，具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其传输介质可采用双绞线、同轴电缆和光纤等，支持总线型拓扑结构。CAN采用带优先级机高速动车组网络控制系统对比分析---张明康2制的载波监听／冲突避免（CSMA／CA）方式对通信介质进行访问控制。CAN只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式接收数据，无需专门的“调度”。2动车组网络控制系统网络结构CRH型动车组都采用8辆编组，但是在网络结构上却较大的区别：CRH1动车组5动3拖，由两个2动1拖单元和一个1动1拖单元组成；CRH2和CRH3动车组都是4动4拖，由两个2动2拖单元组成，但是动车拖车连接的顺序却是不同的；CRH5动车组5动3拖，由一个3动1拖单元和2动2拖单元组成。2.1CRH1动车组网络结构CRH1动车组网络控制系统主要采用的是MITRAC模块化产品，分布在列车的各个控制现场，拥有整个列车组的控制、各单车的控制、列车诊断、状态监测、事件记录、人机界面等功能。网络控制系统划分成3个MVB通信总线段，每个MVB总线段分别通过网关（GW）连接到WTB总线进行各MVB总线段间的通信。当某个Mc车的司机室启动后，其上的网关为主控制器，其它网关为从控制器，主从关系的配置由网络自动完成。在区段内部，TCCCU用来控制和监视的所有模块，AXSCCU用于远程无线通信接口及售后服务以太网。各MVB区段并不是完全独立的，通过列车内部贯穿整车的冗余MVB总线在列车两端的Mc车之间互为冗余，排除了单一故障影响系统功能的可能性，如图1虚线部分所示。另外，该网络控制系统中还设有独立的用于牵引控制的MVB总线，主要实现网侧变流器（LCM）、电机侧变流器（MCM）和辅助变流器（ACM）单元的信息传输功能。2.2CRH2动车组网络结构CRH2动车组列车信息控制网络采用列车级和车辆级两级网络结构。列车级网络为连接编组各车辆的通信网络，以列车运行控制为目的，连接各中央装置和终端装置，采用双重环网结构。车辆级网络为连接车厢内设备的通信网络。主要由2台列车信息中央装置（头车各一台）、8台列车信息终端装置（每车各一台）、列车监控显示器、显示控制装置、IC卡读写装置及服务乘客的信息显示器等组成[2]。中央装置具有列车信息管理和向列车信息终端装置传输数据的功能；终端装置实现各车厢中车载设备的信息传输。CRH2的网络控制系统采用列车和车辆两级网络结构。列车级网络连接各中央装置和终端装置，主要有两种类型：一是以光纤为传输介质的列车信息传输总线，采用ARCNET双重环网结构。光节点之间传输控制采用令牌传递方式，中央装置可以同时向2个方向发送信息，如果在环路的一个方向没有检测到应答时，就向环路的另一个方向发送信息，能够避开故障部位。二是以双绞线为传输介质的自我诊断传输网，主要采用HDLC作为通信协议。当环形网络发生故障时可以传输控制指令，对各设备进行控制，自我诊断信息通过段站总线结构进单向传输，采用固定长度的循环传输方式。车辆级网络则用于车厢内各设备间的信息传输，主要传输介质为光纤线和电流环传输线。2.3CRH3动车组网络结构CRH3动车组为固定配置的8车动车组，两列8车动车组组联挂成一列长编动车组。8车动车组分为2个由4辆车组成的牵引单元，每个牵引单元内用MVB贯穿单元内4辆车，两个牵引单元之间通过TCN网关的WTB连接，完成列车级信息的传递，即CRH3动车组车辆级总线采用MVB，列车级总线采用WTB。此外，CRH3的MVB总线采用了主链结构，MVB的各分支段通过中继器（repeater）连接到主链上。当某个设备出现功能性故障时不会影响该总线上其他设备的通信，但如果传输介质出现故障则会对其他设备产生影响，比如2车的车辆总线有断点，那么该故障会造成2车所有的车载设备不能正常通信，但对其他车中的车载设备无影响。2.4CRH5动车组网络结构高速动车组网络控制系统对比分析---张明康3CRH5动车组分为两个对称的网络单元。网关被用于动力单元之间的信息传输并实现节点的协议转换。每个动力单元建立车辆总线，又称MVB总线。根据设备的数量或线路的长度，可利用“中继器”来增加MVB总线的长度。每个单元根据设备的功能设置了MVB-A、MVB-B和MVB-C三类MVB总线，分别用于传输一般的输入输出信号、用于传输牵引、制动等控制信号和用于传输旅客服务信息。此外还采用了CAN总线用于车辆级的充电器、轴温检测单元和厕所单元间的信息传输。3动车组网络控制系统设备高速动车组的网络控制系统设备主要包括中央控制单元、网关、中继器、分布式输入输出站、入机接口等设备的硬件构成、功能及接口。3.1CRH1动车组网络设备CRH1型动车组的网络设备主要包括中央控制单元、网关、智能显示单元、其他网络接口设备。中央控制单元CCU的硬件是通用处理器VCU-Lite,CCU的应用软件在MC1、MC2和Tb车的VCU-Lite硬件中执行，是TCMS的主软件，也是TCMS的核心，其他系统都受该软件的控制和监视。列车组的网络设备就是网关GW，CRH1动车组的计算机通信与控制系统的硬件基本上以MITRAC计算机为骨架，GW就是MITRAC产品。网关在两种总线的通信之间进行数据的管理、分析和过滤。网关能够支持强、弱主机的概念，也能在列车编组改变时自动标识、配置列车总线上的有限节点。智能显示单元作为TCMS的人-机界面，用以进行实践显示和车辆监控。3.2CRH2动车组网络设备中央装置由铝合金箱体组成，外形尺寸为482.6mm(宽)×400mm（高）×345mm（深）。最上部位外部连线插座，中间部分安装电路板，下部为通风空间。箱体后部有两层印刷电路板，最后一层安装外部连线插座，另一层作为各印刷电路板底板，电路板通过连接器与底板连接。终端装置由输入输出连接器、电路板、母板、箱体构成，由10块电路板组成，但有11个插卡位置。另外还有显示控制装置、显示器、IC卡读写装置组成。3.3CRH3动车组网络设备CRH3动车组网络设备主要有中央控制单元、分布式输入输出站、多功能车辆总线继电器组成。每辆端车的司机室内，都有两个中央控制装置（CCU），即每个牵引单元有两个CCU。其中一个在主CCU方式下工作，另一个在从CCU方式。每个牵引单元的CCU负责本牵引单元内的车辆控制。它从车辆总线MVB和列车总线WTB读取命令和信息，并向列车总线WTB和车辆总线MVB发送控制信息和反馈信息。在动车组中有两类的输入输出站，一种是输入输出点数固定不变的，并且结构非常紧凑的紧凑式输入输出站，另一种是输入输出模块可随输入输出通道数量的增减而变化的智能外围终端SIBAS-KLIP。多功能车辆总线继电器本身不能与MVB总线其他设备进行信息交互，知识延长了MVB总线的通信距离。CRH3动车组网络控制系统的维修信息显示和输出主要通过司机室和列车员的人际交互界面进行。3.4CRH5动车组网络设备CRH5动车组网络设备主要组成有主处理单元、司机显示单元、本地显示单元。MC1、MC2车配置主处理单元MPU-LT和各MPU-LC两个，其他车无MPU(MainProcessingUnit,主处理单元)。负责对相应车辆输出指令和控制。在每一个动力单元有两对MPU。MPU的主要功能包括过程数据收发、逻辑判断与处理及故障诊断。司机台上有2个名为TS和TD的监听器。TS和TD互为冗余，当二者之一出现故障时，司机可以通过屏幕周围的按键选择作用模式，以便从另一个监视器上获取所有画面及信息。本地显示单元设置在CRH5动车组乘务员室中，主要功能是显示本地信息，发送本地命令，显示自动报警，显示车辆设备的状态等。高速动车组网络控制系统对比分析---张明康4参考文献[1]史红梅.动车组网络控制[M].北京：北京交通大学出版社,2014.[2]李秋梅,陈特放.CRH型动车组网络控制系统的分析[D].湖南,2012.[3]郭超勇.高速动车组列车网络控制系统若干问题研究[D].北京,2012.