列车通讯系统-陈振波

1列车通信控制系统第一节 概述列车通信系统控制系统是将列车的各个子系统及相关外部控制电路的信息进行读取、编码、通信传递、数据逻辑运算及输出控制的一个计算机网络系统。该系统就好比人类的神经系统，能通过手和眼睛对自身所处的状态、外部环境进行感知和控制，并对不同情况作出一定反映。而在列车上，该系统则是对列车的供电状况、速度、列车运行模式等状态信息进行实时监控和识别，并根据读取到的列车驾驶人员发出的指令信息，对列车上各个子系统发出相关控制指令，进而使各子系统产生相应的调整控制，以符合设定的功能要求，则实现了对列车的有效控制。第二节 列车通信控制系统（TCMS）结构深圳地铁一期续建工程列车采用由两个完全一样的单元车组对称编组而成，每个单元编组又由 1 节拖车、2 节动车构成。对应于列车编组结构，其列车通信控制（TCMS）系统与列车控制配置原则： 对于有微机控制的子系统应尽量通过 MVB 接口与 MVB 车辆总线直接连接，用于传递控制、诊断及辅助信息。 对于没有微机控制的子系统可通过 SKS 与 MVB 车辆总线相连接，传递 I/O 控制和状态信号。MVB 总线系统由 MVB 主干线和 MVB 车辆总线组成。车辆间的通讯由 MVB 主干线实现，位于同一节车上的设备之间的通讯由 MVB 车辆总线实现。具体见下图：2具体到 A、B、C 三节车 TCMS 系统主要部件配置如下（参见表 12-2-1） 。表 12-2-1 A、B 、C 三节车 TCMS 系统主要部件配置表系统 A-车 B-车 C-车列车自动控制（ATC） 1 - -车辆控制单元 (VCU) 1 - -MVB 服务接口 1 - -人机界面 (HMI) 1 - -SIBAS-KLIP 站 1 1 1制动控制单元 (BCU) 1 - 1辅助逆变器 1 1 1门控制单元 2 2 2空调 (控制单元) 1 1 1MVB 中继器 1 1 1逆变器控制单元 - 1 13第三节 列车通信控制系统（TCMS）功能及原理总线系统将采用全冗余的总线连接方式，仅有一根 MVB 电缆故障将不会导致总线通讯故障。MVB 主干线和 MVB 车辆总线通过 MVB 中继器相连以构成完整的列车网络控制系统，完成列车的各种控制功能。为了达到列车控制系统的冗余要求，总线系统的方案提升了 MVB 系统的性能。两组相互独立布置的 MVB 电缆可充分保证列车控制系统的可靠性。每一组 MVB 电缆（参见下 Error! Reference source not found.）承载通道 A 或通道 B。这样可以确保即使在某一个部件的两个接头完全断开的情况下也不会干扰 MVB 的通信。如果 MVB 的某个节点通信完全中断，那么该节点与其他部件的通信会中断，然而基于并行设计的其余部件的通信会正常工作。与以前的 MVB 设计相比，新设计的单个插头接有两根电缆，第二根 MVB 电缆能够取代列车控制系统的硬连线。 用第二根即冗余的 MVB 电缆代替了通常使用的硬线列车控制系统。在某车辆里的两根电缆里的两个通道全部中断的极端情况下，列车依旧能够运行。这是因为在每个车辆里都有一个转发器，它能够从 MVB 总线上断开故障车辆。其他零部件之间的通信仍然不受影响，列车仍能在限制很少的情况下继续运行。转发器自身具有冗余设计，即使一个 VCU 失效，另一个VCU 会接管其操作。报文的准确性通过两种检测途径：其一是计算报文的检验和,其二是始终对两个通道信号进行比较。与硬线系统相比具有重量轻，接口资源少和高可靠性。图 3：子系统连接原理4MVB 总线符合 IEC 61375-1 1999 标准。MVB 基本技术参数见表 1。拓扑 电气总线长度： 200 米，32 单元/段，可容纳 128 节点介质： - 双绞屏蔽线（两条路线）- 隔离（变压器）信号形成： 曼彻斯特编码 II，9 位帧起始分界符信号速率： 1.5 Mbit/s,帧长度（有用的数据） 16，32，64，128，256 位周期性发送： 1 ms . 1024 ms（典型值：32 ms，64 ms，128 ms，. 1024 ms）介质分配： 由一个中央主控决定主控权的转移： 通过令牌传递来转移主控权， 几个总线管理器依次转变为主控设备通信： - 周期性 （主要用于过程数据）- 偶发性 （主要用于消息数据） - 监督性 （主要用于监控数据）表 1： MVB 主要技术数据一 、 MVB 总线主要传输三种类型的数据：1) 过程数据：如司机指令、列车速度、电机电压和电流等。过程数据是长度较短但比较紧迫的数据，它们传送时间必须是确定的，因而采用周期性传送。2) 消息数据：如故障数据。消息数据是偶然出现的、时限不太紧迫但长度较长的数据，通常采用事件驱动的偶发性传送。长的数据可以分包在不同周期中传送。3) 监视数据：如用于设备状态检查、监视的数据。监视数据是比较短的数据，有的需要周期性传送，有的采用偶发性传送。二、MVB 总线的网络拓扑原理图A 车（带司机室的拖车）网络拓扑原理图如图 4 所示：5A 车的其他通信方式：PIS 乘客信息系统通过 RS485 总线与司机显示器 HMI 相连，完成信号的传输，实现 PIS 的功能。CCTV 视频监控系统通过以太网与司机显示器 HMI 相连，完成信号的传输，实现CCTV 的功能。B 车（带受电弓的动车）原理图如图 5 所示：B 车的其他通信方式：BCU 制动控制系统通过 CAN 总线与 A 车及 C 车相连，完成信号的传输，实现BCU 的功能。C 车（带空压机的动车）原理图如图 6 所示：6图 4： A 车网络拓扑原理图7图 5： B 车网络拓扑原理图8图 6： C 车网络拓扑原理图9图 7： MVB 网络配置运行原理图10图 8： MVB 中继器控制原理图11第四节 列车通信控制系统部件介绍一、列车控制单元1) 车辆控制单元概述车辆控制单元（VCU）采用 32 位微处理器系统，属于 SIBAS32 系列产品的一部分。主控 VCU 有如下功能（CCF）： 串行数据通信管理（车辆总线） 控制功能（车辆、列车） 部件自动测试 诊断设备、存储故障系统采用模块化设计。功能被分为功能模块，采用单尺寸和双倍尺寸的欧洲格式（Euroformat）用于： 中央处理单元（CPU 包括 MVB 接口） 电源 通风模块，包括 RAM 电池的通风模块图 9：车辆控制单元（示例）2) 中央控制功能在列车控制和监控系统里的功能CPUTCN-GatewayMVB 32Universal serial InterfaceDigital InputsDigital OutputsPower SupplyTrain Bus InterfaceFanAdapter Power Supply12图 10 中所示功能将由列车内的主控 VCU 来执行： 图 10：由主控 VCU 来执行的功能3) 串行数据通信的管理VCU 与串行多功能车辆总线（MVB）进行信息交换。VCU 中的 MVB 接口模块可作为车辆总线的管理器，用来控制连在 MVB 上的部件之间的数据交换。车辆总线的数据可传送到 VCU 进行处理，处理后的数据可通过 MVB 传至所连接的设备。注：不需通过 VCU 处理的数据可直接从数据源接口传至接收接口。4) 列车/车辆控制功能为实现控制功能或为司机提供指示，数据总线收集的数据经 VCU 中央计算机处理后输出。为此，可以编制自动处理程序。车辆/列车控制用的大多数必要的逻辑操作可在可编程的 VCU 内完成。传统机电逻辑模块（继电器）使用数量可因此降至最少，这大大提高了车辆的可靠性。VCU 可以实现下列功能:控制高速断路器（HSCB ）发出与联锁状态（如：空气压力，开门，安全装置，欠压等）有关的牵引和制动信号为所有与 MVB 相连的子系统提供主时钟通过车辆总线传送运行条件和故障信息到人机界面其他控制和监控功能如受电弓控制、门控制、PIS 控制、照明控制等能够被集成在一起，当然这些功能由车辆供货商负责VCUSIBAS 32 Train/ Vehicle Control FunctionsAutomatic Testof CoponentsManagementof Serial DatComunicationDiagnosticFacilities, Storageof Faults135) VCU 的自检测设备 VCU 在初始化后，执行一个自检例行程序，完成以下工作：确定程序存储中的检验和，并与规定检验和进行比较检查用户随机存储器的读写能力测试中央处理单元中的电池备份的随机存储器的电池电压用循环地执行自诊断例行程序来补充自检，如：程序执行时间的监视监视器看门狗的触发6) VCU 结构为了处理以上提到的功能，需要图 11 所示硬件结构： SIBAS 32 VCU (Master)Power SuplyMVB internalBUSService InterfacePROCESOR80x86 RAM, EPROM,FLSH-Central Procesing BoardInterfaceVehicle Bus (MVB 32)+/- BATHMI VCU(Slave) BCUKLIP Other components conected to the MVBPeriphery in the vehicleDetction of analogue / digital signals, Control functionsSpare forad-on MVB图 11： VCU 的硬件结构所有技术参数将通过服务界面用个人计算机加以确定、加入和修改。新的参数只有在 VCU 重新复位后才能调用。输入的测量单位用物理数值（如速度的输入单位是米/秒）。前一次的参数设置一直保留到下一次修改为止。印制板组件中应用了快擦编程只读存储器（FLASH-EPROM ），所以可用迅速且简单的方式将软件输入到 VCU。由于这是一种可电擦除式可编程只读存储器，所以在修改14程序时不必更换可电擦除式可编程只读存储器芯片（FLASH-EPROM）。二、中继器 REPEATERMVB 中继器特点： 将 MVB 上的两段链接在一起（调节 MVB 的物理信号）； 对两个完全独立的通道（线接口）的冗余布置，包括独立的电源； 利用变压器对 EMD 段进行电气隔离； MVB 中继器位于一个压制的铝罩体内，可以方便的夹装在安装轨道上。MVB 中继器的设计原理见图 12,技术数据见表 2。12345-X1 12345-X212345 12345-X3 -X4Power suplychanel A Power suplychanel B-X5 -X6MVBchanel AMVBchanel B MVBchanel AMVBchanel BMVBchanel AMVBchanel B MVBchanel AMVBchanel B图 12： MVB 中继器的设计原理电源供给:额定值 110 V DC静态容许范围. 16 V DC . 138 V DC动态容许范围. 14 V DC . 154 V DC每根线电流 70 mA机械:壳体尺寸 (高 宽 长 )51 142 170 mm重量 约 500g安装 按照 DIN EN 50022 35 mm 铁路安15装标准MVB 接口到 MVB 的接口 9-针 SUB-MIN-D 插座带符合DIN41652 标准的 4-40 UNC 开口螺钉输出电源 典型值 40mA 动态电流最小输入电压 200 mV插入损失 0.15 dB at 1.5 MHz端接电阻 120 传播延迟 2.2 s共模能力 1.0 V at 1.5 MBd表 2： MVB 中继器的技术数据三、SIBAS-KLIP 站SIBAS-KLIP 站用于把控制系统分散，并收集以下信号： 数字输入信号（DC110V），如控制指令或状态信号 数字输出信号（DC110V），如接触器控制信号 模拟输入和输出信号（0.10V DC，0.20mA，如果需要） 模拟输入信号-Pt100 温度测量这些信号将通过 MVB 传到 VCU 进行处理。SIBASKLIP 站的应用减少了布线和端子的数量，因而提高了车辆电气控制系统的可靠性和可利用性。 每个 SIBAS_KLIP 站都包含一个多功能车辆总线（MVB）接口、MVB 接口模块（数量可选）、数字量输入模块 16x110V 、数字量输出模块 8x110V 输出模块、模拟量输入模块 4x+/-10V、模拟量输出模块 2x+-10V&20mA、一个电源模块(输入电压：24V DC.110 V DC，内部电源：24 V DC) 和 SKS 模块底座。接口、总线模块和电源模块安装在标准导轨上。 A 车、B 车和 C 车各配有一个 SIBAS-KLIP 站。16图 13: SKS 模块底座 。17图 14: MVB 接口模块。18图 15: 数字量输入模块 16x110V19图 16: 数字量输出模块 8x110V20图 17: 模拟量输入模块 4x+/-10V21图 18: 模拟量输出模块 2x+-10V&20mA22图 19: 电源模块23MVBINTERFACEMODULEAS 318LEDMVBPOWERSUPLYINT. BUSTOP-HATRAILADRESSELCTIONMODULE SLOT (4)BUS MODULE 1 BUS MODULE 2X3X2X4 MVBSERVICEINTFAE图 20:装在导轨上带 MVB 接口模块和总线模块的 SIBAS-KLIP 站。四、司机显示器 HMI每个单元设置一个显示器，安装在主驾驶台上,图形和技术数据见图 21 和表 3；图 21：人机界面显示屏对角线尺寸12.1 英寸防护等级 IP65（正面）, IP30（背面） 显示 12,1” LC-TFT-Display 高亮度（350 cd/m2） 广视觉 VGA, 1024 x 768 像素，256k 色 自动控制 CCFL-更长寿命 触摸屏 声波传感技术PC-结构 低能耗 Intel Celeron 300 MHz, 128 MByte 闪存硬驱24网络接口 MVB电压 24-110 V DC，隔离式冷却 自然冷却 (对流)预热 在低温时，启机前打开电子加热器预热操作系统 LINUX其它特点 显示单元与计算机分开 (计算机可以安装在阴凉处) 专为铁路设计声音报警信号表 3：建议的人机接口(MMI)的技术数据总汇第五节 列车通信控制系统（TCMS）与其它系统接口关系TCMS 系统各设备主要采用 MVB 总线通信，也有采用其他总线的，如：乘客信息系统 PIS 通过 RS485 总线与 HMI 通信，视频监控系统 CCTV 通过以太网与 HMI 通信。TCMS系统软件规范主要包括通信协议和由通信变量组成的数据流。对 MVB 总线，其通信协议采用 IEC61375-1 1999；RS485 总线和以太网采用自定义的协议，双方必须共同遵守。具体见表 4。部件名 软件规范及通信变量定义文件BCU 制动 MVB-Processdata_BCU_A.pdf（A 车）和MVB-Processdata_BCU_C.pdf（C 车）HVAC 空调 MVB-Processdata_VAC_1.pdf 和MVB-Processdata_VAC_2.pdf 及MVB-Processdata_VAC_common.pdfATC 自动控制 MVB-Processdata_ATC.pdfPIS 乘客信息 MVB-Prozessdaten_HMI_PIS.pdfCCTV 视频监控 MVB-Prozessdaten_HMI_TV.pdfHMI 显示器 MVB-Prozessdaten_HMI.pdfMDCU 主门控单元 MVB-Processdata_DCU_1.pdf（主门控 1）和MVB-Processdata_DCU_2.pdf 主门控 2）25表 4：软件规范及通信变量定义文件列表第六节 列车火灾报警系统(一) 设备配置火灾报警系统设备包括火灾报警控制器和各类探测器。下表为设备配置表。Tc Mp M M Mp Tc 总计火灾报警控制器 1 1 1 1 1 1 6感烟感温组合探测器 3 2 2 2 2 3 14感烟探测器 2 2 2 2 2 2 12感温探测器 2 2 2 2 2 2 12在车厢内电气屏柜布置感烟感温组合探测器，在客室区域的拐角顶板内安装感烟探测器和感温探测器。当火灾探测器探测到火灾隐患后，传送信号给火灾报警控制器，火灾报警控制器一方面通过液晶显示屏进行火警文字提示、启动本地信号灯进行光提示，另一方面将火警信息通过 SKS 模块传送到列车控制单元。下图为火灾报警控制器照片。下图为探测器照片。26下图为火灾报警系统设备布置示意图。感 温探 头感 烟探 头 组 合探 头 控 制 器(二) 系统原理27Dn*SmokeHatDC/Smoke Alar10V10V Cipu+-eAlrFuRstSincLamp TestBuonButoBuonUH(fSKmdr!)上图为火灾报警系统原理框图。开 始故障检查正常运行监视报警器汇报TMS打开报警指示灯打开报警蜂鸣器（可选）向TMS报告火灾地址TMS分析警报相关 处理上图为火灾报警系统工作原理流程图。28(三) 操作下图为火灾报警控制器的操作面板图。系统指示灯：序号 英文 中文 说明1. POWER ON 电源指示灯 绿灯常亮表示系统电源正常；2. POWER FAULT 电源故障 黄灯闪烁时表示系统电源故障；3. SYSTEM FAULT 系统故障 黄灯常亮时表示系统主板有故障；4. GENERAL FAULT 故障状态 系统存在任何故障时该