列车总线控制基础(列车通信网络概述)ppt课件

大连交通大学列车总线控制基础王悦东[e-mail]大连交通大学课程的基本内容第1章绪论第2章网络与通信基础第3章微机控制基础第4章列车通信网络第5章CRH系列动车组网络控制系统第6章列车自动运行控制系统大连交通大学列车通信网络的定义列车通信网络是一个安装在列车上的计算机局域网络系统，负责对整列车各部分信息的采集与传递，对整列车进行控制、监测、故障诊断以及为旅客提供信息服务。大连交通大学列车总线通信任务列车总线上不同类型的通信主要用于:控制牵引控制:车辆控制:故障诊断旅客信息预定座位等1)2)4)灯,门,加热,倾摆,...远程,重联牵引,...预报下一站,故障,线路.客车客车机车具有司机室的客车司机室列车服务员诊断计算机设备故障,维修信息状态信息查询3)设备运行及状态4大连交通大学列车控制网络的特点列车网络特点工作环境恶劣，可靠性要求高；实时性（时间确定性）要求高；列车组成的动态性（自动组网）。大连交通大学列车网络的层次结构控制单元1网关网关网关网关车辆总线车辆总线车辆总线车辆总线列车总线控制单元2控制单元1控制单元n控制单元n控制单元n控制单元1控制单元1控制单元2控制单元n控制器总线传感器控制器控制器总线传感器控制器6大连交通大学常见的列车通信网络1、现场总线2、TCN3、工业以太网7大连交通大学现场总线1、定义2、组成3、特点1）全数字通信2）系统的开放性3）互可操作性4）通信的实时性与确定性5）功能自治性6）现场环境的适应性4、优缺点5、与计算机通信的区别8大连交通大学网络节点包括PLC以及各种智能化的现场控制设备基于统一、规范的通信协议通过同一总线实现相互间的数据传输与信息共享网络体系通信总线在现场设备中的延伸生产控制网络结构位于的底层现场总线概述1.现场总线的概念是应用在生产现场、连接智能现场设备和自动化测量控制系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。大连交通大学全数字通信抗干扰能力和传输精度得到显著提高—信号的检错、纠错机制得以实现可进行多参数传输，消除了模拟信号的传输瓶颈—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，如中央控制器等。2.现场总线的特点现场总线概述大连交通大学开放式系统通信协议一致公开，任何人、任何单位均可采用不同厂家的设备遵守相同的技术规范不同厂家的设备可实现信息互访用户可按需要，任意选用现场总线设备不同设备之间可实现资源共享与其他网络（如互联网）相联，可实现网络与数据库共享现场总线概述2.现场总线的特点大连交通大学互可操作不同设备间，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即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不同厂家的相同类型的设备可以互相替换可统一组态，无需专用的驱动程序解决了设备的垄断性和产品故障处理的时效性为系统集成的自主性提供了产品保障2.现场总线的特点现场总线概述大连交通大学分散控制现场设备的智能化与功能自治性：它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。2.现场总线的特点现场总线概述大连交通大学对环境的高度适应专为现场环境设计可支持多种传输介质—双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等可两线制供电支持本质安全与防爆2.现场总线的特点现场总线概述大连交通大学一对多的总线型结构现场总线是多分支结构，其网络拓扑可为总线型、星型、树形等多种形式，以总线型为主。—传统控制系统中设备的连接都是一对一的布线简单，工程安装周期缩短、维护也很方便很强的系统扩展性–主机能自动识别设备的增加或删减–无需架设新的线缆–无需系统停机2.现场总线的特点现场总线概述大连交通大学2.现场总线的特点现场总线控制系统结构现场总线概述大连交通大学3.现场总线的特殊功能(1)经济、安全、可靠地传输信息经济性•信息、电源同时传输•介质廉价安全性•解决防爆问题可靠性•电磁、气候、机械环境适应性现场总线概述大连交通大学(2)正确使用所传信息可互操作性：不同厂家的设备相互理解所传信息(3)及时处理所传信息信息处理现场化，避免信息在网络上过多传输3.现场总线的特殊功能现场总线概述大连交通大学线状（总线、菊花链型）、星型、树型以线状结构为多4.现场总线的网络结构现场总线概述大连交通大学现场总线技术产生于二十世纪八十年代是为满足日益急迫的企业综合自动化的需求•开放性•通用性•可靠性智能仪表为现场总线的出现奠定了基础5.现场总线的产生与发展现状现场总线概述大连交通大学现场总线近年来成为控制领域的研究热点各国投入巨额资金与人力在开发这一技术，形成了企业、国家、国际标准（欧洲、北美、亚洲、中国），呈现百花齐放的现状。最后，通过妥协，现场总线技术出现了协调共存、共同发展的局面现场总线国际标准IEC61158包含了八种类型，据说可能还要增加到十二种类型5.现场总线的产生与发展现状现场总线概述大连交通大学现场总线技术与计算机通信技术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。大连交通大学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，实现性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、振动等因素，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。现场总线技术与计算机通信技术大连交通大学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。现场总线技术与计算机通信技术大连交通大学2.信号传输要求现场总线的实时性主要体现在响应时间和循环周期二个方面：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它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。现场总线技术与计算机通信技术大连交通大学2.信号传输要求现场总线通常采用以下二种技术来保证其实时性：简化技术：极大地提高通信传递速度简化网络结构：一般将网络形式简化成线形；简化通信模型，一般只利用了OSI/RM中的2～3层；简化节点信息，通常简化到只有几字节。采用网络管理技术来实现实时性，并保证其可预知性。例如:采用主-从访问方式，只要限制网络的规模，就可以将响应时间控制在指定的时间内。总之，实时性要求是现场总线区别于一般计算机通信的主要因素。改善现场总线的实时性，减少响应时间的不确定性是现场总线的重要发展趋势。现场总线技术与计算机通信技术大连交通大学3.网络结构计算机通信系统的结构是网络状的，节点间的通信路径是不固定的；大部分现场总线的结构是线状的，节点间的通信路径是比较固定的。FB采用线状结构的原因在于：①容易实现对现场仪表的总线供电。一条线状结构现场总线支路上的电源负载是确定的，沿总线电源电压的变化也是可以预料的。②容易实现本安防爆规范。目前的本安防爆主导理论还是认为，电缆的分布电感、电容以及由于电磁感应产生的火花能量，都是随着电缆的长度而增加。现场总线由于限制电缆的长度和总线上负载的数量，可以较好的解决本安防爆问题，同时这也对现场总线的应用产生了一定的限制。现场总线技术与计算机通信技术大连交通大学4.系统结构现场设备+传输介质现场总线接口微处理器传感器A/D现场节点工作站现场总线现场总线技术与计算机通信技术大连交通大学2.现场总线比较现场总线标准大连交通大学现场总线德国西门子公司：1979年德国西门子公司第一次开发车载微机控制装置1992年在SIBAS16基础上推出以80386为CPU的SIBAS32系统。已具备网络控制功能（符合TCN标准）法国ALSTOM公司：将WorldFIP作为标准通信协议应用于其开发的AGATE列车控制系统，并成功应用于TGV高速列车美国Echelon公司：20世纪90年代初，发明了Lonworks控制网络技术德国Bosch公司:CAN总线美国：ARCNET大连交通大学TCN（列车通信网络）概述功能体系结构WTB和MVB的特点多功能车辆总线MVBMVB物理层MVB帧绞式列车总线WTBWTB特性摘要WTB网络拓扑WTB帧、报文WTB介质访问控制方式列车初运行【主要内容】大连交通大学TCN（列车通信网络）概述TCN（列车通信网络）于1999年6月正式成为国际标准，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。大连交通大学功能TCN（列车通信网络）将列车上的智能设备连接起来，完成下述功能：列车牵引及车辆控制（如车门、车灯等的远程控制）；远程诊断及维护；旅客信息及舒适性；大连交通大学GatewaySensCSActuSSGatewayGateway车辆总线车辆总线车辆总线车辆总线设备图3-1列车通信网结构列车总线Gateway—列车、车辆总线网关；CS-主站；SS-从站；Sens-智能传感器；Actu-智能执行器TCN三层结构：列车级控制、车厢级控制、设备级控制TCN的体系结构34大连交通大学1.连接各车辆的绞线式列车总线（WireTrainBus,WTB）,列车新编组时可自动配置（组态），通信介质为双绞线，通信速率为1Mbit/s；2.连接一节车辆内或车辆组各设备的多功能车辆总线（MultifunctionVehicleBus,MVB)，具有快响应性，通信介质为双绞线或光纤，通信速率为1.5Mbit/s。3.这些总线在链路层提供了两种相同的服务：过程数据：周期性的，源寻址广播数据；消息数据：按需传送的，目标寻址的数据报文。4.实时协议提供两种与总线无关独立的应用服务5.网络管理支持组态、维护及操作。TCN的体系结构大连交通大学商业以太网－办公自动化工业以太网－工业自动化工业以太网大连交通大学为什么工业领域需要以太网原因一：现场总线标准难以统一，带来系统复杂性1999年现场总线技术标准IEC61158终于尘埃落定,有8种总线成为国际电工委员会(IEC)现行的现场总线技术标准。它们分别是:①基金会现场总线FF(fundationfieldbus);②ControlNet;③Profibus;④P-Net;⑤FF(fieldbusfundation)高速以太网HSE;⑥SwiftNet;⑦WorldFIP;⑧Inter-bus.从用户应用的角度来看,多种现场总线标准并立导致在一个具体应用中可能会涉及多种不同标准的现场总线仪表,需要解决不同标准系统之间的互连接和互操作的问题,这必然会增加用户的投资和使用维护的复杂性。大连交通大学原因二：信息集成有新的要求带宽问题：一般地来说,现场总线标准的特点是通信协议比较简单,通信速率比较低。如基金会