毕业设计 城轨车辆网络控制系统的分析及故障排除 - 图文(4)

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。

- 15 -

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

- 16 -

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。

- 17 -

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。

- 18 -

2.2 TCN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/so MITRAC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(Train Communication Network, TCN)—IEC61375正式成为国际标准。同年，国际电气电子委员会(Institute of Electrical and Electron-ics Engineers, IEEE)也制订出了车载通信协议标准IEEE STD 1473-1999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/T 3025-2002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。

- 19 -

百度搜索“77cn”或“免费范文网”即可找到本站免费阅读全部范文。收藏本站方便下次阅读，免费范文网，提供经典小说综合文库毕业设计 城轨车辆网络控制系统的分析及故障排除 - 图文(4)在线全文阅读。