毕业设计 城轨车辆网络控制系统的分析及故障排除 - 图文(6)

3)设备级控制网。

2.2.2 TCN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UTEC 46-602 (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

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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IEEE 802. 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

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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(Moxa Technologies)在2002年6月推出工业以太网产品一M()X!} Ether Device Server(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IEEE 802. 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

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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

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太网引入其现场总线体系中的高速部分，利用以太网和TCP/IP技术，以及原有的低速现场总线应用层协议，从而构成了所谓的工业以太网协议，如HSE, PROFInet, Eherenet/IP等。

近年来，工业以太网的兴起引起了自动控制领域的重视，同时许多人担心工业以太网标准的不统一会影响其渗透到自动控制网络的应用。现场总线标准争论了10年，工业以太网标准或许也会这样。目前IEC 61158标准中有8种现场总线，这8种总线各有各的规范，互不兼容。现场总线向工业以太网发展形成的4类不同协议标准，分别是由主要的现场总线生产厂商和集团支持开发的，具体有以下内容:

1) FF和Wor1dFIP向Fieldbus HSE发展;

2) ControlNet和DeviceNet向EtherNet/IP发展; 3) Interbus和ModBus向IDA发展; 4) PROFIBUS向PROFINET发展。

这4类工业以太网标准，都有其支持的厂商并且目前已有相应的产品。一些国际组织也在积极推进以太网进人控制领域;美国电子和电子工程师协会(IEEE)

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正在着手制定现场总线和以太网通信的新标准，该标准将使网络能看到“对象”，工业自动化开放网络联盟(IAONA)最近与DeviceNet供应商协会(ODVA)集团就共同推进Etherenet和TCP/IP统一认识，努力建立了一个统一的工业以太网环境；现场总线基金会在推进高速以太网HSE的技术规范和应用；工业以太网协会与美国的ARC、Advisory Group等单位合作，正在进行工业以太网关键技术的研究。

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