列车网络控制系统分析及故障排除

1、湖南铁道职业技术学院毕业设计说明书 2014届毕业设计说明书课题名称：列车网络控制系统分析及故障排除专 业 系 轨 道 交 通 系 班 级 司乘113 学生姓名 郑博翔 指导老师 完成日期 2014届毕业设计任务书一、 课题名称：列车网络控制系统分析及故障排除二、 指导老师：陶艳三、 设计内容与要求：1、课题概述:随着牵引动力的交流化和运行速度的提高，列车上采用微机实现智能化控制的部件或装置也越来越多，各微机系统间的协调和信息交换显得越来越重要。另外，为提高列车的舒适度，各种辅助装置的控制和服务装置的控制都必须纳入到这个微机控制系统中来。因此，列车控制也由单台机车的牵引传动控制逐渐向网络控制方

2、向发展，网络控制技术已经成为核心技术之一。本课题基于TCN、ARCNET等常见列车通信网络，分析其通信原理和通信特点，着重分析高速动车、大功率交传机车、城轨车辆等多类列车网络控制系统的拓扑结构、控制功能、硬件组成及工作原理，指出网络控制系统中常见的故障现象，阐述其故障应急处理方法。2、设计内容与要求：（1）设计内容本课题下设3个子课题： CRH动车组网络控制系统的分析及故障排除 HXD交传机车网络控制系统的分析及故障排除 城轨车辆网络控制系统的分析及故障排除每个子课题设计的主要内容可包括： 列车网络控制系统的发展历史及现状分析 列车网络控制系统的功能、特点及其与传统机车微机控制系统的区别 常见

3、的列车网络通信标准 以某个车型为例，从结构、原理、可靠性、实时性等方面详细分析该车型的网络控制系统 列车网络控制系统常见故障的判断分析与处理 结论（2）要求通过检索文献或其他方式，深入了解设计内容所需要的各种信息答辩小组质询课题的关键问题，质询与课题密切相关的基本理论、知识、设计与计算方法、实验方法、 能够灵活运用电力电子技术、计算机应用技术、机车总体、列车网络控制技术等基础和专业课程的知识来分析城轨列车、大功率机车及高速动车组上的网络控制系统。 要求学生有一定的电子电路，轨道交通专业基础。四、设计参考书1、 列车网络控制技术原理与应用2、 动车组网络控制系统3、 CRH2型动车组、CRH5型

4、动车组4、 HXD大功率机车五、设计说明书内容1、 封面2、 目录3、 内容摘要(200-400字左右，中英文)4、 引言5、 正文（设计方案比较与选择，设计方案原理、分析、论证，设计结果的说明及特点）6、 结束语7、 附录(参考文献、图纸、材料清单等)六、 设计进程安排第1周： 资料准备与借阅，了解课题思路。第2-3周: 设计要求说明及课题内容辅导。第47周：进行毕业设计，完成初稿。第7-10周： 第一次检查，了解设计完成情况。第11周： 第二次检查设计完成情况，并作好毕业答辩准备。第12周： 毕业答辩与综合成绩评定。七、毕业设计答辩及论文要求1、 毕业设计答辩要求1) 答辩前三天，每个学生

5、应按时将毕业设计说明书或毕业论文、专题报告等必要资料交指导教师审阅，由指导教师写出审阅意见。2) 学生答辩时，自述部分内容包括课题的任务、目的和意义，所采用的原始资料或参考文献、设计的基本内容和主要方法、成果结论和评价。答辩小组质询课题的关键问题，质询与课题密切相关的基本理论、知3) 识、设计方法、实验方法、测试方法，鉴别学生独立工作能力、创新能力。2、 毕业设计论文要求文字要求:说明书要求打印(除图纸外)，不能手写。文字通顺，语言流畅，排版合理，无错别字，不允许抄袭。3、 图纸要求:按工程制图标准制图，图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，文字注释必须使用工程字书写。

6、4、 曲线图表要求：所有曲线、图表、线路图、程序框图、示意图等不准用徒手画，必须按国家规定的标准或工程要求绘制。 摘 要 现代列车朝高速化、自动化、舒适化方向发展已经成为必然趋势。列车通信网络已成为高速列车控制系统的关键技术。它能够通过对列车运行及车载设备动作的相关信息进行集中管理,从而保障列车安全高速运行。介绍了列车通信网络的两条总线,即绞线式列车总线(WTB)和多功能车辆总线(MVB),并分析了两层网络拓扑结构。根据现场总线技术在我国高速列车上的应用情况,比较了WTB、MVB、LonWorks、CAN等几种总线的特点,根据其特点可选取不同的应用领域。关键词 ： 列车通信网络；列车总线；拓扑

7、结构ABSTRACT Modern train towards fast pace, automation, comfortable change direction development has become an inevitable trend. Train communication network has become a high-speed train control system key technology. It can through to train operation and automotive equipment action related informati

8、on for centralized management, thus safeguarding traioperation safety high-speed operation. Introduces the train communication network, namely, the two bus winding type WTB) and train bus (multi-function vehicle bus (MVB), and analyzes the two layers of network topology. According to the fieldbus te

9、chnology in our country's high-speed train applications, compares the WTB, MVB, LonWorks, CAN wait for a few kinds bus characteristics, according to its characteristic CAN selectdifferentapplications.Abstract ： Keywords train communication network, Train bus, The topological structure of VI 第一章T

10、CN列车通信网络技术现状及发展趋势引言 列车通信网络是用于连接车载设备，实现信息共享、控制功能、监测诊断的数据通信系统。经过近二三十年的发展，列车网络技术已经走向成熟，并成为现代轨道车辆的关键技术之一。目前，在城市轨道车辆、高速动车组上，无不采用列车通信网络技术。当前，列车网络形式并不统一，专门为列车车载设备通信而量身定制的符合IEC61375标准的TCN（Train Communication Networks）列车通信网络与其他多种网络形式相比，更能普遍地适应列车通信的要求。 基于TCN的列车网络，20年来取得了很大发展，从最初由两三家大公司主导，到现在得到众多公司和单位的支持。随着现代列

11、车的智能化与信息化程度越来越高，也对列车通信网络提出了更高的要求，原有的技术形式已经在有些方面不能满足需求，必然要走向新发展。本章着重介绍了当今TCN列车网络技术的现状，并对其未来的发展趋势作一些分析、预测。1 TCN列车网络简介 由于世界范围内列车通信网络技术的差异，造成了多种总线技术并存的局面。除TCN标准的列车总线之外，WorldFIP、LonWorks、CAN等其他总线形式也在列车通信网络中有不同程度的运用。上述几种列车网络技术，绝大部分都是在其他领域应用成熟的现场总线技术移植到列车控制系统中来的。它们依据各自的标准，不便进行互联。于是基于制订一种开放式列车通信系统，实现各种轨道车辆相

12、互联挂，车载可编程电子设备统一接口标准而实现互换的构想，TCN列车通信网络标准应运而生。1.1 TCN列车网络雏形 任何技术都不是凭空而生的，TCN列车网络也正是如此。它是由车载微机系统发展而来，在原有的技术基础上加以遴选、改进和标准化而形成的。其主要参考的模型则是Siemens公司的SIBAS系统和Adtranz公司的MICAS系统。以上两种形式车载微机控制系统的发展已从最初的完成简单的单一功能，发展到现在的多功能集成的列车通信网络，为TCN列车网络技术的起步与成型，以及日后成为国际标准，做出了巨大贡献。在铁路机车动车控制方面，德国Siemens公司早在1981年就研制出了相应的微机控制系统

13、，并命名为SIBAS16，这个系统的样机首次应用在纽伦堡交通运输管理局地铁车辆上。SIBAS16中的数字代表其采用的是16位微处理器，这个系统由中央机、一个或多个子机以及存储单元构成，各计算机之间采用串行通信来实现数据传送。这种机车控制系统形式新颖，扩展性好，可靠性高，使用安装便捷，大有取代传统控制技术的趋势，成为列车微机控制发展中的发轫之作，影响不可不谓之重大。 随着技术的不断革新以及SIBAS16的不断完善，Siemens公司不失时机地推出了基于32位控制器和信号处理器的列车微机控制系统SIBAS32，其在性能上较SIBAS16更具优越性，同时也对原有SIBAS16系统在接口上保持了向下兼

14、容。20世纪90年代，列车通信网络国际标准正在制定当中，Siemens公司着眼于控制系统功能的长远发展，其推出的SIBAS32系统是一种多功能通用计算机系统。系统采用网络通信技术，外围设备已经开始标准化、专用化、智能化，基本上可在保持硬件结构不变的情况下便捷地与任意终端相挂接，构成一个对各种机车车辆移植性很好的控制与监控系统。 1.2 TCN标准制定IEC61375电子铁路设备列车总线是专门为铁路设备的数据通信而制定一项国际标准，即TCN标准，它是IEC（国际电工委员会）第9技术委员会（TC9，牵引电气设备分会)委托由来自20多个世界范围内主要铁路运营部门和制造厂家代表以及UIC(国际铁路联盟

15、)的代表组成第22工作组（WG22），以前有着多年运行经验的Siemens的SIBAS系统和Adtranz的MICAS系统等技术为原型的基础上推出的。自1999年推出以来，在世界范围内得到了推广和应用，成为目前采用最广泛、最有应用前景的一种列车网络形式。 1988年，以制定应用于铁道车辆、能使铁道车辆相互联挂的开放性通信系统标准为目的，WG22成立。1992年6月，TC9/WG22制定出委员会草案，并向各国征求列车通信网络TCN草案的意见稿。考虑到列车通信网络的特点，WG22在制订TCN标准时，曾在是制定一套全新的标准，还是对原有方案加以标准化这两种思路之间权衡。最后，其根据列车通信网络的要求

16、，对已有的Profibus、LonWorks、Bitbus、FIP、CAN、Tornad等解决方案进行考量，但由于协议不透明，或实时性、可靠性、确定性不能满足列车通信要求等各方面原因而被逐一否定。经过多年的努力，WG22在Siemens和Adtranz公司原有技术方案的基础上，共同开发出了一套标准，并于1999年成为国际标准，即IEC613751 TCN列车通信网络国际标准。 IEC613751标准的内容如表1所列。 该标准中规定典型的TCN网络系统的拓扑结构如图1所示。 由图可见，IEC列车网络标准中规定系统分成两层总线结构：列车级的绞线式列车总线WTB和车辆级的多功能车辆总线MVB，两者之

17、间协议转换需要通过网关实现。列车总线WTB最突出的特点是具有列车初运行的功能，即在车辆之间的重联通信时，能自动识别并标识各车辆在列车编组中的位置和方向，这对于需要频繁进行编组的列车而言可谓意义非凡。车辆总线MVB则用于实现车辆内的控制单元及控制设备的互联。TCN标准在列车通信的实时性方面规定，网络采用基于总线管理器的主从式介质访问控制，而在可靠性方面则规定，网络采取介质和总线管理器的冗余技术。 IEC613751标准通过后，TC9于2003年成立专门的工作组TAHG(Train Communication Network AD Hoc Group)，致力于研究TCN的改进与发展，并于2007年

18、4月对IEC613751进行了修订，发布了第2版，同时也发布了IEC613752列车通信网络一致性测试标准。此外，工作组还在讨论将CANopen、LonWorks、TEthernet、TIMN等多种总线形式纳入车辆总线的规范当中。 1 列车通信网络发展状况20世纪70年代末至80年代初，车载微机的雏形分别在Siemens公司和BBC公司出现，开始仅仅是用于传动装置的控制。列车上的信息可以分为远程控制、诊断和旅客服务信息。远程控制信息包括用于牵引的信息和车辆的照明、车门、空调、倾摆控制等信息；诊断信息包括设备故障和维修等信息；旅客服务信息有报站、意外、转车、订座等信息。随着列车上设备控制、服务对

19、象的增多，需要传输的信息的数量和种类也在不断增长，因此，就迫切需要一种大容量、高速度的信息传输系统，提高控制、监视和诊断水平。在这种背景下，随着车载微机的进一步发展，集整列列车内部测控任务和信息处理任务为一身，把全列车各个由计算机控制的部件进行联网通信的列车通信网络(Train Communication Network，简称TCN)便应运而生，并从原来不同公司的企业标准推向国际标准，逐步形成了列车通信网络的标准化。1988年，IEC第9技术委员会TC9成立了第22工作组WG22，其任务是制订一个开放的通信系统，从而使得各种铁道机车车辆能够相互联挂，车上的可编程电子设备能够互换。1992年6月

20、，TC9WG22以委员会草案CD的形式向各国发出列车通信网络(TcN)的征求意见稿。1994年5月至1995年9月，欧洲铁路研究所(E刚u)耗资300万美元，在瑞士Interken至荷兰的阿姆斯特丹的区段，对由瑞士SBB、德国DB、意大利Fs、荷兰NS的车辆编组成的运营试验列车进行了全面的TCN试验。一些大的铁路公司以牵引控制系统为基础、以列车通信系统为纽带、以新器件和新工艺为载体，相继推出广泛覆盖牵引、制动、辅助系统、旅客舒适设备控制和显示、诊断等的列车通信与控制系统，在欧洲一般简称为TCC(Train Communication and Contr01)。在北美，类似的系统被称为基于通信的

21、列车控制系统，简称CBTC(Control Based on Train cation)。1999年6月，IECTC9WG22在ABB的MvB、Siemens的DIN43322和意大利的CD450等运行经验的基础上制订的“列车通信网络(TCN)标准(草案)” IEC61375-1铁道电气设备一列车总线第1部分：列车通信网络(TCN)正式成为国际标准。在北美，由一家美国公司Echelon于90年代初开发的主要用于建筑自动化和工业控制的现场总线LonWorks被部件供应商和铁路公司所接受。紧跟在IEC613751正式成为国际标准之后，IEEE于1999年制订了IEEEl473列车通信协议。该协议包

22、含两种类型的列车通信网络：T型和L型。T型即为1EC613751：1999规定的TCN型；L型为EIA7091：1998控制网络协议规范及E1A7093：1998自由拓扑双绞线信道规范规定的LonWorks型。T型(TCN)网络适用于铁道各基本运转单元(设计用于独立工作的一节机车车辆或几节永久或半永久组合的车辆)之间传送时间要求确定、时限紧迫的过程数据的周期性传送以及由事件驱动的消息数据的传送。它既可用于编组经常改变的非固定编组列车，也可用于编组固定的固定编组列车，能满足其实时性、可用性及完整性要求。T型网络由绞线式列车总线(wTB，Wire Train Bus)和多功能车辆总线(MVB Ve

23、hicle Bus)组成。WTB用于连接编组经常改变的列车中的各基本运转单元，MVB用于连接一个基本运转单元中的车载电子装置。L型(LonWorks)网络用于连接一个基本运转单元或一组基本运转单元内的电子装置，传送时间不太紧迫、时间不要求确定的由事件驱动的消息数据，只适用于编组固定的列车。T型在国外已大量使用，主要用在西欧电动车组上；而L型主要用在美洲内燃动车组上。国内列车通讯网络的发展我国列车通信网络的发展可以追溯到1991年，株洲电力机车研究所在购买ABB公司的牵引控制系统开发工具特别是软件开发工具的基础上，联合国内高校开发出了我国第一套电力机车微机控制装置，安装SS40038电力机车上。

24、90年代中期，国内列车通信网络随着动车组的兴起而发展起来。一方面，铁道部开展了列车通信网络研究课题，另一方面国内外许多单位也先后自发地开展了自我开发、联合开发或技术引进工作。这些工作主要在局域网、现场总线、TCN、通信介质、基于RS485的通信协议等领域展开。最早的TMl(出口伊朗)动车组以及DDJl动车组上的列车通信网络是向ADtranz购买的，它的列车总线采用FSK，车辆总线采用MVB。这项技术在1999年通过技术引进、吸收消化形成国产化的产品。1998年开发了LonWorks的产品，用于内燃动车组上。目前，国内动车组上，LonWorksFSK(ADtranz)，MVB、WTB都已有一定数

25、量的应用。MVB：在“先锋”号交流电动车组、DJ“熊猫”号交流传动机车及DJJ“蓝箭”号动车组中作为车辆总线使用(多个设备)。在国产化地铁列车上，MVB用作一个基本运转单元(3节车辆)内的车辆总线。DJ2“奥星”号车辆总线采用MVB(多个设备)，摆式列车上也用MVB作车辆总线。WTB在DJ“熊猫”号交流传动机车及DJJ“蓝箭”号动车组上作为列车总线使用，DJ2“奥星”号列车总线也为WTB，正在研制的摆式列车也考虑采用WTB。“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。

26、国内铁道行业标准的制定情况为使国内列车通信网络标准化，在参照国外列车通信网络标准并结合国内实际情况的基础上，制订了铁标TB厂r一列车通信网络，现在该标准已通过铁道部标准审查会审查。正在制订的铁标“列车通信网络”，规定列车通信网络的选用原则。本着不能只采用一种标准，但也不宜品种太多，且应对实际使用具有指导意义的原则，参照2个国际标准并结合国情，推荐使用T型网络，但也保留L型网络一定的使用空间。推荐使用T型网络，主要是下面3种场合：·非固定编组列车；·实时性要求高、传送时间要求确定、时限紧迫的场合：·有列车互操作性要求的场合。对于节点数较少、传送数据量不大、时限不太紧

27、迫的固定编组列车可以采用L型网络，但其性能及互操作性应由设计者验证和保证。尽管标准中规定了T型和L型两种网络，但在同一列车中只宜采用一种网络：T型或L型。因为目前还没有在这两种不同且各自独立的通信网络间沟通的桥梁，一列车中相同的设备也不可能挂在两种不同的通信网络上。一列车只采用一种网络可使通信网络标准化，减少协议问的转换，从而提高网络通信的可靠性。该标准不同于IEC613751，因为本标准允许使用LonWorks该标准也不同于IEEEl473，因为该标准推荐使用T型网络且不允许使用WTB和LonWorks的组合。至今国际上尚无WTB和LonWorks组合投入实际使用的例wTB Works网关尚

28、在研制之中，技术上还不成熟，故这次未将它列入标准。该标准中也未列入列车总线FSK，它虽符合WTB协议，是WTB物理层的另一种型式，但不宜与WTB并列。国外技术现状和未来的发展目前，国际上列车通信网络控制技术已经成熟，西欧的一些国家和公司，如瑞士的ADtranz、德国的Siemens、意大利的ANSALDO公司是这方面的带头人。双绞线TCN的核心技术由Siemens、Firema、AEG和ABB组成的联合开发组开发，使之能用于各自的TCC系统。TCN的芯片可以在市场上自由购买。还有一些中、小公司提供MVB电路板、WTB节点、组态和监控工具、实时协议栈或文件等。TCN的发展得到了在制动、车门、粘着

29、、厕所、仪表、显示、自动控制等方面的许多部件供应商如KnorrElectronies、WestinghouseBrakes、IFE、Deuta、Faivelev、Secheron、SelectronLySS、Holec等的支持。列车通信网络意义 今人类正进入网络社会，计算机网络的迅猛发展正在改变着人们的工作和生活。对铁路运输而言也不例外。近年来，我国开发或正准备开发的电动车组、高速车、城市轨道车，如雨后春笋。这些新的铁路机车车辆都需要装上列车通信网络产品，以实现整个列车的正常运行。列车通信网络将整个列车连成一个整体，司机对整个列车的控制命令通过列车通信网络送到列车的各个车厢上，列车的各 个车厢

30、工作状态通过列车通信网络送到司机显示台上，让整个列车有效而安全的工作。因此如果没有相应的列车通信网络产品装到这些新的铁路机车车辆上去，这些新的铁路机车车辆就不能很好投入使用。所以一些工厂为了尽早抢占市场，纷纷从国外进口有网络功能的控制系统，如出口伊朗的TM1车、唐山厂研制的内燃动车组和四方厂研制的液力传动动车组，分别从ADtranz瑞士分公司、德国西门子公司和日本新泻公司进口了相应的产品，以解燃眉之急。 列车运行控制系统概述随着铁路运输的任务越来越重，列车运行速度越来越高，保证运输安全的问题也越来越突出。完全靠人工瞭望、人工驾驶列车已经不能保证行车安全了，即使装备了机车信号和自动停车装置，也只

31、能在列车一般速度运行条件下保证安全无法实现高速列车的安全保证，因为它们不能完成防止超速行车和冒进信号的现象。因此，需要研究列车运行控制系统，实现对列车间隔和速度的自动控制，进一步提高运输效率，保证行车安全。 要实现上述目标，不是简单的设备改进可以完成的，需要解决许多关键技术问题，例如：车地之间大容量、实时、可靠信息传输，列车定位，列车精确、安全控制等。需要车载设备、轨旁设备、车站控制、调度指挥、通信传输等系统良好的配合才能实现，如果把前面讨论的系统称为传统铁路信号系统，那么，以现代列车运行控制技术为核心的信号系统可以称为现代铁路信号系统。 现代信息技术的迅速发展，对铁路信号技术产生了重要影响，

32、为形成现代铁路信号系统提供了条件。列车运行自动控制系统（简称列控系统）是计算机、通信、控制等信息技术与信号技术的一个高水平集成与融合的产物。 列车运行控制系统定义：由列控中心、闭塞设备、地面信号设备、地车信息传输设备、车载速度控制设备构成的用于控制列车运行速度保证行车安全和提高运输能力的控制系统。 功能： 1.线路的空闲状态检测； 2.列车完整性检测 3.列车运行授权； 4.指示列车安全运行速度； 5.监控列车安全运行 西方发达国家在列控系统研究方面已有较长发展历史，比较成功的列控系统主要有：日本新干线ATC系统，法国TGV铁路和韩国高速铁路的TVM300及TVM430系统，德国及西班牙铁路采

33、用的LZB系统，及瑞典铁路的EBICA900系统等。上述列车控制系统都具有自己的特点、不同的技术条件和适应范围，因此，列控系统可以分成许多类型。 （1）按照地车信息传输方式分类： 连续式列控系统，如：德国LZB系统、法国TVM系统、日本数字ATC系统。 连续式列控系统的车载设备可连续接收到地面列控设备的车-地通信信息，是列控技术应用及发展的主流。 采用连续式列车速度控制的日本新干线列车追踪间隔为5 min，法国TGV北 部线区间能力甚至达到3 min。连续式列控系统可细分为阶梯速度控制方式和曲线速度控制方式。 点式列控系统，如：瑞典EBICAB系统。 点式列控系统接收地面信息不连续，但对列车运行与司机操纵的监督并不间断，因此也有很好的安全防护效能。 点一连式列车运行控制系统，如：CTCS2级， 轨道电路完成列车占用检测及完整性检查，连续向列车传送控制信息。点式信息设备传输定位信息、进路参数、线路参数、限速和停车信息。 （2）控制模式分，分为两种类型： 阶梯控制方式 出口速度检查方式，如：法国TVM300系统 入口速度检查方式，如： 日本新干线传统ATC系统 速度距离模式曲线控制方式 速度-距离模式，如：德国LZB系统，日本新干线数字ATC系统 （3）按照人机关系来分类，分为两种类型： 设备优先控制的方式。如：日本新干线ATC系统。 司机优先控制方式，如：法国TVM30