毕业设计 城轨车辆网络控制系统的分析及故障排除 - 图文(3)

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。

1.3 TCN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。

1.3.1 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。

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。 1.3.2 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，

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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。 1.3.3 TCN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

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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

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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。

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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。

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