（电力系统及其自动化专业论文）高速磁浮车车载诊断技术研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t o nt h eb a s i so ft h eh i g h s p e e dm a g l e vt r a i nf r o mg e r m a n yo nt h es h a n g h a i d e m o n s t r a t el i n e t h et a s ko ft h ep a p e rc o m e sf r o mt h es t a t e s8 6 3h i 曲一s p e e dm a g l e v v e h i c l et r a f f i ct e c h n o l o g yi t e m ( 2 0 0 5 a a 5 0 510 1 5 0 3 ) ，a i m i n ga tt h el o c a l i z a t i o no ft h e m a g l e vt r a i n ，t h i st h e s i sw a sd e e p l ya n a l y z e da n ds t u d i e dt h ed i a g n o s i ss y s t e mo nt h e m a g l e vt r a i n t h ev e h i c l ed i a g n o s i ss y s t e mi s o n eo ft h ei m p o r t a n tp a r t so nt h e m a g l e vt r a i n i tc a nr e a l i z es u c hf u n c t i o n sa se q u i p m e n t so n l i n es u p e r v i s i o n ，f a u l t d i a g n o s i s ，c e n t r a lc o n t r o la n dr e g u l a t i n go nt h em a g l e v t r a i n t h i st h e s i sh a ss e p a r a t e l yi n t r o d u c e dt h ef u n c t i o n s ，a r c h i t e c t u r e ，s i g n a lf l o we t c o ft h ed i a g n o s i ss y s t e m v e h i c l ed i a g n o s i ss y s t e mc a n b u sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l i sc o n s t i t u t e db ym y s e l fa c c o r d i n gt oo w n e dd o c u m e n t sa n ds t a n d a r dc a n s p e c i f i c a t i o nt h r o u g hp a r t i c u l a ra n a l y s i s t h ek e yt e c h n o l o g y a n di m p l e m e n t a r y s t r a t e g yw h a ts h o u l db er e s o l v e da n dd i s c u s s e d p r i m a r yt e c h n i q u es c h e m et o r e s e a r c ha n dp r o d u c el o c a lv e h i c l ed i a g n o s i ss y s t e mi sp r o j e c t e d i th a sa l s oa n a l y z e d a n ds t u d i e dt h ea r c h i t e c t u r ed e s i g n ，t h eh a r d w a r ed e s i g n ，t h eo p e r a t i o ns y s t e mc h o s e n a n dt h es o f t w a r ed e s i g n t h ec l a n g u a g ew a su s e dt od e s i g nt h ec a n b u sc o m m u n i c a t i o np r o g r a ma n d t h ev i s u a lb a s i c n e tw a su s e dt od e v e l o pt h ed i a g n o s i ss y s t e m t h i ss y s t e mu s e d c a n - b u st e c h n o l o g y , e m b e d d e dt e c h n o l o g ya n de r e i th a sf i n i s h e ds o f t w a r ed e s i g n b a s e do nt h ew i n d o w sc eo p e r a t i o ns y s t e ma n dr e a l i z e dt h ef u n c t i o n so fd i a g n o s i s s y s t e mo nt h em a g l e vt r a i n t h i ss y s t e mh a sp a s s e da s e to fg r o u n ds i m u l a t i v et e s t s a n dd e b u g g e ds u c c e s s f u li ns h a n g h a in a t i o n a lm a g l e vt r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g r & dc e n t e r , t h e na c c o m p l i s h e dt ol o a di to nt h em a g l e vv e h i c l e k e yw o r d s ：m a g l e vt r a i n ，d i a g n o s i ss y s t e m ，c a n b u s ，e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：胆 佃荤 叩年7 h 萝日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位敝作者签名： 肛 饧蕴 沙7 年z 玛b 第1 章引言 1 1 磁悬浮列车的简介 第1 章引言 磁悬浮列车被称为2 0 世纪最伟大的技术发明之一。与传统的轮轨列车相比， 磁悬浮列车最大的特点是安静和平稳。由于依靠强大磁力支承起的车厢，其底 部电磁铁在悬浮系统的控制下与轨道保持有一厘米的问隙，列车运行时是不接 触轨道的，因此又被称为零高度飞行，运行时速高达4 5 0 至5 5 0 k m 。【l 】 德国、日本、美国、中国等国家都在积极地研究磁悬浮列车技术，并且已 取得了较大的进展，现在世界上有三种磁悬浮列车系统已发展到应用或接近应 用的阶段，分别为德国的t r 常导吸力型磁悬浮列车，日本的m l x 型超导斥力 型磁悬浮列车和同本的h s s t 型常导吸力型磁悬浮列车。其中德国的t r 磁悬浮 列车和r 本的h s s t 磁悬浮列车属于电磁悬浮型，同本的m l x 磁悬浮列车属于 电动悬浮型。德国的t r 磁悬浮列车最大运行速度大致在4 0 0 5 0 0 k m h ，同本的 h s s t 磁悬浮列车最大运行速度为1 0 0 k m h 左右，同本的m l x 超导磁悬浮列车 最大运行速度在5 0 0 5 5 0 k m h 之间。我国西南交通大学和国防科技大学j 下在研 制的磁悬浮列车属于常导电磁悬浮吸力型。 上海磁浮运营示范线就是引进德国高速磁悬浮技术而建设成的世界上第一 条商业运营线，它西起上海地铁二号线龙阳路车站，东到浦东国际机场一期航 站楼，j 下线全长3 0 k m ，最高时速可达到4 3 0 k m h 。该项目的运营，预示着国际 间高新技术的交流与合作将变得越来越快，也预示着我国在高速磁悬浮列车系 统的研究与推广工作将被提到新的日程上来。 1 2 磁悬浮列车的种类 磁悬浮列车从原理上可分为两种。一种是电磁型( e m s ，e l e c t r om a g n e t i c s y s t e m s ) ，也称吸力型、常导型。另一种是电动型( e d s ，e l e c t r o d y n a m i cs y s t e m s ) ， 也称斥力型、超导型。【1 】 电磁型列车在车体内装有电磁铁，路轨为一导磁体。电磁铁绕组中电流的大 第l 章引言 小根据问隙传感器的信号进行调节，使车体与路轨间保持一定距离。悬浮力的 大小与车速无关，任何车速时均能保持稳定的悬浮力。悬浮气隙较小，约1 厘 米。出于安全考虑，设有应急备用车轮。车身前进的动力有直线感应电机或直 线同步电机提供。它的悬浮和推进系统消耗的功率很小，一般为1 k w t 。结构、 材料简单，但车体较重。 电动型列车在车体内安装有超导线圈，轨道上分布有按一定规则排列的短 路铝坏。当超导线圈内通电时就产生强磁场，在列车以一定速度前行时，该强 磁场就在路轨的铝坏内产生感应电流，两者相互排斥而产生上浮力。速度愈大 这个排斥力就愈大，当速度超过一定值( 时速8 0 k m 以上) 时，列车就脱离路轨 表面，最大距离可达数十厘米。其悬浮是自稳定的，无须加任何主动控制：由 于采用大气隙悬浮，即使车体有稍许不平衡，或车体与轨道有些许对不准，或 轨道上有冰雪之类的杂物，均不会影响到列车运行的安全性。采用超导线圈虽 可减轻线圈结构的重量，但却要增设超导所需的致冷系统，致冷电源也增加了 功耗。这种结构的磁场若不加屏蔽，会增加环境的电磁污染。在低速行驶时， 列车还需轮轨系统支撑，侧向稳定也要另加控制设备。 除电磁型、电动型之外，还有永磁式半悬浮型、推力与悬浮结合型的磁悬 浮列车。 1 。3 磁悬浮列车的优点 磁悬浮列车与传统的铁路相比，它既适宜长距离超高速运输，有适合于短 途市郊的中低速运输，其优点是经济、高速、可靠、不受气候影响，无噪音和 振动，不污染坏境，能安全、大量、迅速地运送旅客。而在众多优点中尤为突 出的是速度、节能、稳定、安全、污染小和维护易。 1 速度高：磁悬浮列车的运行速度可以达到5 0 0 k m h 以上的新水平。 2 节能：据同本研究和实际试验结果，在同为5 0 0 k m 时速下，磁悬浮列车 每座位公罩的能耗仅为飞机的1 3 。据德国试验，当t r 磁悬浮列列 车的时速降到3 3 0 k m 时，它的座公里的能耗可比轮轨铁路降低3 3 。 3 稳定：磁悬浮列车没有轮、轨摩擦和受电弓的机械接触，稳定，舒适性 好。 4 安全：它在半封闭的厢体中运行，不会出现通常货车、汽车的碰撞、倾 第1 章引言 覆事故。据德国试验的评价，t r 系列磁悬浮列车的安全性是飞机的2 0 倍，轮轨列车的2 5 0 倍，公路系统的7 0 0 倍。 5 污染小：磁悬浮列车不产生机械噪音，没有废气排除，对环境污染很小。 6 维护易：磁悬浮列车无需处理因轮、轨摩擦和磨损所带来的频繁的维修 和零部件更换问题。日常维修主要集中在电子技术方面，而不需要大量 体力劳动。 从综合效益考虑，磁悬浮列车是很有前途的一种交通工具。 1 4 各国研究和发展概况 在世界上，重视磁悬浮列车研制并形成研制体系的国家是德国和r 本。德 国是最早开始研究磁悬浮列车技术的国家，其研究主要集中在e m s 型磁悬浮列 车技术上，目前在技术上占有优势。它的e m s 型磁悬浮立车发展计划称为 t r a s p a i d ，相应的车型均用t r 加编号命名。世界上第一台e m s 型磁悬浮样 车诞生在德国，它是1 9 6 9 年德国马法伊研制的模型车t r 0 1 。世界上第一台有 载人能力的磁悬浮列车也诞生在德国，即1 9 7 1 年由德国航空公司( m b b ) 研制 成功的全尺寸7 吨车，有人也把它称为t r 0 2 ( 一般t r 0 2 是指马法伊1 9 7 1 年研 制的1 2 t 车，时速1 6 4 k m ) 。目前t r 系列已发展到t r 0 7 ( 其中t r 0 3 是气挚车) ， t r 0 4 以前的曾用火箭推进，从t r 0 5 开始改用直线同步电机驱动。t r 0 5 轨长 l k m ，最高时速9 0 k m ，载乘7 0 人，1 9 7 4 年在汉堡国际博览会上展出，历时3 年，载客4 万余人次，从未发生任何故障。 此后，德国实施t v e 计划，建造t r 0 6 和拉腾镇的埃姆斯朗( e m s l a n d ) 试 验场，以试验列车的转弯、爬坡、行进速度等功能。试验场的环形轨道长3 1 5 k m ， 倾角1 2 0 ，坡度1 0 ，设有高4 7 m ，跨度2 5 m 的高架路轨和三个道俞的试验线。 起动时间约1 分钟，时速2 0 0 k m ，全程运行时问1 2 m i n ，最高时速4 1 2 6 k m ，1 6 9 0 米弯道运行时速2 5 6 k m 。后又建造t r 0 7 ，它是t r 0 6 的改进型，1 9 8 8 年投入运 行。到1 9 8 9 年底，包括商业运行在内共试运1 2 0 0 0 k m ，软硬件耐久试验达5 0 0 0 0 h ， 在隧道进行了各种雷击试验。 在e m s 型磁悬浮列车技术已成熟的基础上，德国还计划实施汉堡至柏林的 磁悬浮线路工程。1 9 9 6 年j 下式动工，2 0 0 1 年交付使用。线路全长2 8 7 k m ，设计 时速5 0 0 k m ，全程运行时间5 3 m i n 。每列车由4 节车厢组成，共3 3 2 个座位，每 第l 章引言 1 0 m i n 发一列车，全天运行9 5 列车。 德国西门子公司也曾发展过e d s 型磁悬浮列车技术，并在1 9 7 6 年获得时速 1 2 0 公里的结果。由于其在能耗指标、强磁污染、发展风险的等方面，都明显不 如e m s 型，自1 9 7 9 年起，德国终止了e d s 型的研究。 同本地少人多，历来重视铁路技术的发展。同本航空公司( j a l ) 1 9 7 4 年开 始e m s 型磁悬浮列车的设计研究工作，先后研制出h s s t - 0 1 、0 2 、0 3 等型号。 h s s t - 0 3 于1 9 8 5 年和1 9 8 6 年分别在r 本筑波和加拿大温哥华展出，共进行3 4 9 天载人运行。在h s s t - 0 3 的基础上改进，j a l 又建造了h s s t - 0 4 和h s s t - 0 5 ， 运行可靠性分别达到9 6 2 和9 9 8 。h s s t 系列均属e m s 型，在低速下( 比如 时速1 0 0 k m ) 行驶，噪声很低，很适于作市内交通工具。 同本国有铁路( j n r ) 则致力于e d s 型研制，于2 0 世纪6 0 年代中期就起 步研究。1 9 7 2 年研制成m l l 0 0 是世界上第一台e d s 型磁悬浮列车。1 9 7 9 年又 研制成功m l 5 0 0 ，时速5 1 7 k m ，是陆地交通工具移动速度的世界记录。若在东 京与成f 开机场架设这样的线路，单程仅需1 0 r a i n ，由东京到大阪也仅需1 小时。 同本很重视e d s 型技术的研究，并把它与高温超导材料的研究联系在一起，以 求更快发展。 磁悬浮列车技术的研究在我国也收到充分重视。自8 0 年代初丌始磁悬浮运 行技术的探讨和基础研究，其中包括悬浮控制技术研究、小型磁悬浮模拟车和 模型装置的研制和理论分析，以及1 8 t 载人磁悬浮列车方案设计等。中国第一台 磁悬浮列车原理模型诞生于1 9 8 9 年，该车属e m s 型，类似同本的h s s t 结构， 车体重8 0 k g ，由l i m 系统推进，运行速度可达1 0 m s ，曾在长沙、北京展出多 次。现在，磁悬浮列车技术的研究已列入国家“八五”科技攻关项目，重点发 展e m s 型，决定建立磁悬浮试验线路。在资金和价格合理的条件下，考虑引进 国外较为成熟的关键技术，以促进磁悬浮列车技术在我国的发展。1 3 j 1 5 课题的研究背景与意义 我国人口众多，幅员辽阔，发展高速、节能、少污染、占地少的公共交通， 符合新世纪的要求。时速可达5 0 0k m 的高速磁悬浮列车主要应用于长距离、大 城市间、大流量的客运。我国需要发展高速磁悬浮列车就在于它最适合于我国 高速客运专线网的发展，这是因为： 4 第1 章引言 ( 1 ) 我国幅员辽阔，人口众多。目前考虑的主要客运专线( 京沪一1 3 2 0 k m ， 京广港澳2 5 5 0 k m ，哈大9 4 0 k m ，徐州2 宝鸡一1 0 3 0 k m ，浙赣- 9 4 0 k m ，津 沈一7 0 3 k m ，沪杭一1 9 4 k m ) 大多在1 0 0 0 k m 以上。时速5 0 0 k m 的磁悬浮列车比 时速3 0 0 k m 的高速轮轨列车在旅客选择民航或铁路时具有显著的优越性。高速 磁浮的投资成本比高速轮轨高出不多，其更高速的优越性必然会使其成为优先 选择的方案。 ( 2 ) 我国至今尚无客运专线，高速客运网的形成大约需半个世纪的持续努 力，恰恰成为我们在交通领域实现技术跨越发展、发挥后发优势、后来居上的 重要机遇。虽然，高速磁浮技术不如高速轮轨成熟，只要我们统一认识，下定 决心，认真抓紧工作，实现完全是可能的。 ( 3 ) 高速磁悬浮体系的发展将带动当前众多高新技术前沿的发展，这些高 新技术本身又将为新兴产业的形成和经济发展起着重要的作用。我国及时抓住 高速磁悬浮体系的发展机遇，将为我国在2 l 世纪中叶，相关产业的发展处于国 际前列奠定良好基础【l j 。 经过上海磁浮运营示范线的试验运行，德国高速磁悬浮列车最高时速可达 5 0 0 k m h ，各方面都具有较为优越的性能。我国国家高技术研究发展计戈1 j ( 8 6 3 计 划) 高速磁浮交通技术重大专项就是主要以高速磁浮交通系统的国产化为目的而 开展的，对于高速磁浮交通系统中的车辆而言，目标即要研制一列性能至少不 劣于德国的高速磁悬浮列车。而在上海磁浮运营示范线的工程项目中，德方并 未转让技术，提供的技术资料主要是针对系统应用和系统维护的，极少涉及到 技术细节，其中很多的技术数据和图片等都是残缺不全的。这就需要在消化吸 收德国高速磁悬浮列车技术的基础上，主要依靠自主研发，通过现场试验测试、 分析研究、关键技术攻关等逐步实现国产化。国产化可借鉴德国高速磁悬浮列 车的优势，而对其不足之处加以改进。 1 6 磁悬浮列车车载诊断系统 磁悬浮列车上的电子电气部件工作状态是否正常、磁悬浮车辆的各个子系 统是否工作在正常模式下，和其他问题都需要通过车载监控系统来判断，通过 车载监控系统可以实现车辆部件或子系统的状态监测、故障诊断、集中控制调 节等功能。当设备出现故障时，通过车载监控系统能够准确判断出故障的部位， 第l 章引言 并报告出故障原因等有关信息。通过车载监控系统还可以随时知道列车的运行 状态，如当前速度、温度等。所以无论是传统的轮轨铁路，还是新型的高速磁 悬浮列车，都需要一套完善的列车车载监控系统来更好的服务于列车的安全和 高效运行。 诊断系统被分成多个子系统，每个子系统都配有一台工控机，在工控机上 运行各自诊断软件来进行故障检测和故障报告。各子诊断系统与被诊断设备靠 c a n 总线连接起来，同时各子诊断系统之间以标准以太网相联系，并且通过以 太网向列车两端的中央诊断计算机发送故障报告，由于显示和键盘计算机也挂 在同一以太网上，所以各节车体间传输的诊断数据、在驾驶室显示的数据和操 作员进行的操作都储存在列车中央诊断计算机上，以备进行事故分析。 1 7 本文研究的主要内容 1 对车载诊断系统中的c a n 总线网络协议进行了分析和研究，制定了车 载诊断系统c a n 总线网络通信协议。 2 分析和讨论了自主研制国产化的车载诊断系统所需解决的关键技术和实 施策略。提出了自主研制国产化的车载诊断系统的技术方案。对系统中主要组 成部分的硬件设计、操作系统选择、软件设计等进行了分析和讨论。 3 重点介绍了车载诊断系统的实现。 一、硬件的组成：车载诊断系统主要由列车诊断计算机、列车操作计算机 及其显示模块和键盘、车辆诊断计算机、两级的传输网络( 车辆级的诊断网是 一个c a n 总线网，列车级的诊断网络是一个标准工业以太网) 以及底层的被诊 断功能部件组成。 二、系统的设计：车载诊断系统的每节车辆有一个车辆诊断计算机( s d r ) ， 车辆内的各部件通过c a n 总线与所在车辆的车辆诊断计算机连接从而形成一个 诊断子系统。各车辆的功能部件通过其内部的信号采集装置采集的控制信号和 状态信号，并将这些信号通过c a n 总线传输给所在车辆的车辆诊断计算机。采 集到的状态信号在车辆诊断计算机通过与设定值的比较来判断车辆部件是否出 现故障。 三、功能的实现：基于嵌入式w i n c e 操作系统，运用v b n e t 和c 程序设 计语言，结合硬件接口进行软件设计，以实现车载诊断系统。 6 第1 章引言 四、系统的调试：在车辆诊断计算机、列车诊断计算机、列车操作计算机 软件和硬件都已经开发完毕，所有设备都已经完成布线的条件下进行的。调试 将对软件与硬件接口进行功能性验证，对软件的功能实现和数据传输的准确性 实时性进行检测；对整个车载网络诊断系统进行整体联合调试。 7 第2 章高速磁悬浮列车车载诊断系统 第2 章高速磁浮列车车载诊断系统 车载诊断系统主要用于对车辆电气与电子部件进行在线诊断，通过采集车 辆上各部件的状态信号和部分模拟量，来判断各部件是否有功能故障。通过诊 断系统还可以实现部分控制命令的输入操作和状态、诊断信息的显示，同时还 可实现部分与安全无关的控制功能。车载诊断系统主要由列车诊断计算机、列 车操作计算机及其显示模块和键盘、车辆诊断计算机、两级的传输网络( 车辆 级的诊断网是一个c a n 总线网，列车级的诊断网络是一个标准工业以太网) 以 及底层的被诊断功能部件组成。 2 1 车载诊断系统 车载诊断系统主要用于对车辆电气与电子部件进行在线诊断，它采集车辆 上各部件的状态信号来判断各部件是否有功能故障。通过诊断系统还可以实现 一些控制命令的输入操作和状态、诊断信息的显示，同时还可实现一些与安全 无关的控制功能。 车载诊断系统主要由列车诊断计算机、列车操作计算机及其显示模块和键 盘、车辆诊断计算机、两级的传输网络( 车辆级的诊断网是一个c a n 总线网，列 车级的诊断网络是一个标准工业以太网) 以及底层的被诊断功能部件组成。 车载诊断网络c a n 网络中，车辆诊断计算机作为主节点控制管理各段c a n 总线，各车辆设备模块作为从节点与车辆诊断计算机进行通信。主节点与从节 点之间以轮询方式通信。c a n 总线上的数据通信速率为5 0 0 k b p s 。 车辆诊断计算机( s d r ) 以o 5 1 o s 的时问问隔将广播消息( c nb r o a d ) 发送给c a n 总线上的各个节点，然后每个节点通过c ni n d i v ( 地址) 消息把 数据发送给车辆诊断计算机s d r 。如果当s d r 发出广播消息之后在规定的时间 内没有接收到某个节点的消息，就会单独询问该节点。s d r 通过c nk n a f ( 地 址) 消息向节点发出直接节点询问要求，节点接收到该询问要求消息后就会通过 c ni n d i v ( 地址) 消息把数据发送给s d r 。每个问询周期结束后，s d r 就把控制 信号消息c ns c h a l 发送到总线上。c a n 网络遵循c a n2 0 b 的总线规范，仅 用到了数据帧。在车辆计算机中进行各部件的故障判断，然后通过以太网把故 障信息发送到列车诊断计算机和列车操作计算机。列车诊断计算机或列车操作 计算机存储故障信息，显示故障信息，并通过无线电发送到地面维护中心去。 2 2 车载诊断系统的结构 车载诊断网络划分为二级网络：工业以太网采用1 0 0 b a s e - 25 类电缆贯穿整 个列车，传输速度为1 0 0 m b p s ，实现t c p 、i p 协议，符合i e e e 8 0 2 3 u 标准；c a n 总线连接车辆内的若干部件，传输速度为5 0 0 k b p s ，采用的是b o s c hc a n 2 0 b 规范，符合i s 0 1 1 8 9 8 标准。另外，在列车操作计算机( f p r ) 和列车诊断计算 机( f d r ) 上，采用t t y 总线与车载安全计算机( v s c ) 通讯，采用r s 4 8 5 总 线与键盘、显示器通讯。结构如下图所示： 图2 1 车载诊断系统结构 说明：图中方框内部分为车载诊断网络的设备 9 第2 章高速磁悬浮列车下载诊断系统 在车载诊断系统中各车辆底层设备通过c a n 总线连接起来，每节车厢有4 组c a n 总线段，每节车厢上要诊断的部件分为4 组，分散的、平均的分别接在 4 段不同的c a n 总线段上，这主要出于可靠性的考虑，避免因为c a n 总线故障 而影响所有的部件诊断功能。每节车厢有一个车辆诊断计算机s d r ，一个车辆 诊断计算机上有4 个c a n 总线i o 卡，分别与这4 段c a n 总线相连。车辆中 的各功能部件通过部件内的信号采集装置采集部件中的状态信号，并将这些信 号通过c a n 总线传输给所在车辆的车辆诊断计算机。每节车厢中通过c a n 总 线与车载诊断系统相连的车辆部件有：车载电网控制单元b n s 、车载控制单元 b s t 、升压斩波器h s 、制动磁铁控制单元m r e b 、悬浮磁铁控制单元m r e t , 导向磁铁控制单元m r e f 、车门控制单元t s 、2 3 0 伏配电器v t 2 3 0 、逆变器w r 、 p r w 电子设备、空调控制单元k l r 、o r t 定位电子设备。 在端车l 和2 分别有一个列车诊断计算机和一个列车操作计算机以及它们 的显示模块和键盘，这两个列车诊断计算机和列车操作计算机以及各车厢里的 车辆诊断计算机之问通过一个1 0 m 的工业以太网相联接。 列车诊断计算机与列车操作计算机通过以太网与车载无线电设备连接，通 过无线电系统与分区运行控制系统、运行控制中心和维护中心交换数据：通过 t t y 串行接1 ：3 与车载运行控制系统的车载安全计算机( v s c ) 相连，以便有关操作 命令传递到车载运行控制系统，同时运行控制中心和分区运行控制系统的有关 信息也可以传输到列车驾驶台的操作显示模块上。 整个车载诊断系统的列车诊断计算机及其显示模块与键盘、列车操作计算 机及其显示模块与键盘都具有冗余。两个端车的列车驾驶台的操作和显示功能 完全相同，其中一个驾驶台的部件发生故障不会影响另一驾驶台的功能。 车载诊断系统的功能实现大致如下过程：各车辆的功能部件通过部件内的 信号采集装置采集部件中的状态信号，并将这些信号通过c a n 总线传输给所在 车辆的车辆诊断计算机。采集到的状态信号在车辆诊断计算机通过与设定值的 比较来判断车辆部件是否出现故障，从而产生相应的故障信息。获得的诊断信 息再进一步通过以太网传输到列车诊断计算机，然后列车诊断计算机将这些信 息缓冲存储起来，这样维护中心或车辆上的维护和运行人员就可以获得这些诊 断信息。车辆诊断计算机作为c a n 总线主控制器控制各c a n 总线段，它循环 读取4 段c a n 总线段上各个c a n 节点的诊断信号并将诊断信号传送给列车诊 断计算机，同时也将来自列车操作计算机的控制信号传输给各c a n 节点。在端 1 0 第2 章高速磁悬浮列车车载诊断系统 车的驾驶台通过键盘和显示模块实现了人机接口，可以进行各种信息的显示与 操作。列车操作计算机可以传输和显示车辆部件的状态信号和车载运行控制系 统( b l f ) 的运行数据。通过列车操作计算机的键盘输入可以进行一些控制操作。 从车载运行控制系统或者从操作键盘传来的与列车安全无关的各种操作命令通 过列车操作计算机处理后传到列车诊断计算机，再通过车辆诊断计算机传输到 相应的被控设备；而与安全相关的控制信号则经过列车操作计算机处理后传到 车载安全计算机，再由车载安全计算机传到各车载控制单元，由各车载控制单 元完成对各底层部件的控制。 列车诊断计算机接收来自车辆诊断计算机的故障信号，并可监测失效的车 辆诊断计算机，同时还接收列车操作计算机与车载运行控制系统发来的诊断数 据，从列车诊断计算机可以显示、存储及读出故障信息，通过以太网将故障信 息传输到无线电系统，再传输到运行控制中心和维护中心。 列车操作计算机和列车诊断计算机可以互为冗余与无线电系统和车载安全 计算机交换数据。 2 3 车载诊断系统的总体功能 车辆诊断用于获得各车辆部件中功能故障。 通过车辆部件中的信号采集部件获取车辆部件中的电气控制信号和状态信 号，然后将这些信号传输给各自对应的诊断计算机，在诊断计算机中将采集得 到实际值和额定值进行比较，来判断车辆部件是否出现故障。 额定值和实际值的比较都在尽可能低的层面上来进行，最好的情况甚至在 车辆部件内部完成。 通过这些方式获得的诊断信息被传输到车辆诊断计算机，然后车辆诊断计 算机将这些信息缓冲存储起来，这样维护中心中或车辆上的维护和运行人员就 可以获得这些诊断信息。 车辆诊断系统把车载运行控制系统( b l f ) 和列车操作计算机的控制信号传 输给各个车辆部件，同时把车辆部件的状态信号传输回车载运行控制系统( b l f ) 和列车操作计算机的显示模块。 1 在线功能诊断 车辆电气和电子部件的在线功能诊断 第2 章高速磁悬浮列车车载诊断系统 采集包括诊断系统部件在内的车辆部件的诊断信号，评判诊断状态，生成 故障信号或在诊断状态改变时生成o k 信号；将故障信号、o k 信号以及其它可 能与状态判断有关的信号作为诊断信号传送给列车操作计算机、维护中心和运 行诊断。 诊断系统可以识别下列部件中的功能故障：车载电网控制、车载控制、升 压斩波器、制动磁铁控制单元、悬浮磁铁控制单元、导向磁铁控制单元、车门 控制、2 3 0 伏配电器、逆变器、p r w 电子设备、空调计算机、定位电子设备、 车辆诊断计算机、车辆诊断计算机、列车操作计算机、f d r 和f p r 显示模块、 车辆运行控制系统1 、车辆运行控制系统2 、无线电、气动装置、车辆诊断的集 中部分。 通过清除指令保持故障信息存贮器的一致性 维护人员可以或者由计算机自动地按一定时问问隔针对各种信息、各个计 算机或者计算机的部件有选择性地清空s d r 、f d r 和f p r 的诊断状态存储器。 诊断信息的时问标记 诊断信息在生成时就会加上时间标记。每隔一定时间，就会对生成诊断信 息的计算机的系统时钟进行调整，使其和运行控制系统( b e t ) 时间同步。 诊断信息的位置信息 诊断信息还会加上位置信息。位置信息由定位电子设备接收。 诊断信息数据传输的安全性 诊断信息传输时会被缓存到传输路线上的每个计算机中，并且采用应答方 式进行传输，以避免数据丢失，以及因此而在运行控制中心和维护中心中重构 故障描述时出现错误。 2 采集车辆部件的状态信号、生成总信号传输给运行控制系统( b e t ) 3 车辆控制台输入功能和显示功能 传输并显示来自车辆部件和运行控制系统( b l t ) f 拘运行数据，直观地显 示在列车操作计算机显示器上。 明文直观显示出一定时间内的诊断信息，并且具有通过键盘操作来实现 的翻页功能。 4 维护中心中车辆诊断部件的功能 集中存储诊断信息。 在各分布式工作站上显示诊断信息( 包括以前的诊断信息) ，并且可以 第2 章高速磁悬浮列下乍载诊断系统 对诊断信息进行过滤选择。 能够使用不同的分组特征( 部件类型、车辆、信息类型等等的简述) 重 组并显示诊断状态( 将当前故障和瞬间故障分离) ；能够手动清空存储 瞬间故障的故障信息存贮器。 能够给故障原因无法通过维护消除的故障信息作标记，删除集中故障信 息存储器中的相关记录时，可以通过手动输入取消各个故障信息或者部 件的标记。 生成f d r 、f p r 和s d r 中的诊断状态存贮器的清除命令。 为了保证诊断信息数据记录存储的j 下确性，数据存储时需要进行应答确认。 只有接收到表明诊断信号已经成功存入到数据库中的反馈信息时，才会将该诊 断信号从f d r 的发送缓冲区中删除。 5 生成和清除运行控制系统( b l t ) 的冗余损失信号 “f r e i g a b ed i a g n o s e ”是一个用来显示一节车辆或一列车是否出现运行相关 的冗余损失的信号。当出现运行相关的冗余损失时，该信号在组件进一步故障 时导致列车自动控制与防护系统a z s 作出运行反应( 强迫制动，停滞) 。 永久性记录下与“f r e i g a b ed i a g n o s e ”相关的故障，并经过车载控制将 存储值传输给b l f 。 为车辆中和在分布式维护工作站旁的维护人员显示存储值。 通过分布式维护工作站旁的维护人员进行的相关操作，可以清空存储 器。 6 控制供气装置 控制所有列车车辆中的气动装置的逆变器。通过2 3 0 伏配电器中的c a n 总 线i o 卡可以获得供压回路中的压力。如果压力值达到下阈值，同一压力回路( 每 两节车辆) 中的所有车辆中的气动装置逆变器通过逆变器中c a n 总线i o 卡接 通。如果某个相关车辆中的压力达到了额定值，就会将这些逆变器逐个关断。 2 4 安全、冗余和失效特性要求 1 安全性要求 为了防止在故障情况下通过车辆诊断电缆造成车辆部件之间出现不允许的 耦合，车辆诊断总线系统( c a n ) 的导线和所有相连的c a n 节点之间应实现“安 第2 章高速磁悬浮列车下载诊断系统 全隔离”： 漏电间隙：2 4 m m 空气间隙：1 4 m m 检测电压：有效值2 k v ，频率5 0 h z ，l m i n ( 脉宽5 0 n s ，周期3 0 0 m s ，j 下负 2 k v ，2 m i n ) 2 失效性 车辆诊断系统的部件或功能的失效不会对车辆的安全相关功能产生任 3 何影响。 c a n 总线i o 卡、s d r 、f d r 、f p r 、f d r 和f p r 显示模块都有定时 监视器和自动复位功能。 如果s d r 中负责给c a n 总线段供电的一个电源发生失效，就不可能通 过相关c a n 总线段传输数据。 如果某个车辆诊断计算机发生故障或者其车辆诊断总线接口发生故障， 那么通过诊断系统就无法再对相关车辆上的车辆组件进行诊断或者开 关控制。 c a n 节点上控制信号输出的故障方向通过c a n 节点的软件来确定。 冗余性 从车辆到运行维护中心( b l t 无线电接口和数据传输系统) 的珍断数 据传输具有冗余。 b l f 接口是冗余的。 两个列车操作计算机上的操作和显示功能完全相同。其中一个列车操作 计算机的部件发生故障不会影响另一列车操作计算机的功能。当一台列 车操作计算机计算机、一个f p r 显示模块或一个f p r 键盘发生故障时， 可以操作另一节头车上列车操作计算机。 车辆诊断计算机具有功能冗余。 一个车辆诊断计算机发生故障时，该车辆仍能保持诊断功能。 维护中心和控制中心的计算机都有冗余。 1 4 第2 章高速磁悬浮列车车载诊断系统 2 5 系统设计参数 系统设计参数如表2 1 。 表2 1 车载诊断系统设计参数表 诊断信号的扫描频率 1 个运行同， 对于需要迅速 故障信息的存贮容量得到的故障信 在维护中心息； 其它信息则没 有限制 在车辆诊断计算机中( 显示模块) 1 0 0 0 条信息 故障信息的显示延迟 ( 故障暴露时间) 一车辆上诊断显示器上： 5s 在维护中心( 稳定) ： 3 0s 控制信号的传输时间 2s 所有供电电压都施加上之后到运行准备好的 2m i n 时间 2 6 车载诊断系统传送信息 列车诊断计算机、列车操作计算机、车载无线电设备、车载安全计算机、 车辆诊断计算机之间信号的传递主要包括了以下内容。 ( 1 ) 车载安全计算机到列车操作计算机的信息 列车最大给定速度、列车最小给定速度、行驶到下一停车点的距离、运行 方向已调整好、运控系统正常，允许运行、当前速度、允许降落、牵引接通、 有无牵引的立即停车、定位电子部件o r t 正常、车载无线电设备i f 常、来自于 第2 章高速磁悬浮列车车载诊断系统 车载运行控制系统的故障、强制停车( 手动b l d b l f 朋艮务站) 、车载运行控制 系统工作j 下常、车内照明、制动正常、制动激活、时间日期、列车号码等。 ( 2 ) 列车操作计算机到车载安全计算机的信息 悬浮降落命令、受流器伸出缩回命令、制动检验命令、车门开关允许命令、 速度设定、运行方向设定、行车准备好、乘客紧急信号等。 ( 3 ) 列车诊断计算机到车载无线电设备的信息 诊断信息、来自于定位系统的速度信息等。 ( 4 ) 车载无线电设备到列车诊断计算机的信息 诊断信息的应答信息等。 ( 5 ) 车载无线电设备到列车操作计算机的信息 空调开关待机、空调挡板开关、空调给定温度、车头红灯白灯开关、照 明开关、前窗玻璃加热开关等控制信息。 ( 6 ) 列车操作计算机到车载无线电设备的信息 空调丌关待机、空调挡板开关、空调实际温度、车头红灯白灯开关、照 明开关、前窗玻璃加热丌关等状态信息。 ( 7 ) 车辆诊断计算机到列车诊断计算机的信息 诊断信息和每节车厢如下的状态信息：空调丌关待机、空调左右挡板开 关、空调给定温度、空调实际温度、上下车门开关、照明丌关、乘务员呼叫激 活、车头红灯与白灯激活、前窗玻璃加热形关、供气系统供气达到丌通压力关 断压力、火警装置激活、乘客紧急信息启动、受流器伸出缩回、来自于定位电 子部件的车辆定位、来自于m r e t 的速度信号、来自于所有定位电子部件的参 考定位、来自于定位电子部件的列车运行方向、来自于o r t 定位电子部件上的 齿槽信号、车载控制单元提供的用于列车诊断的信息、h s 提供的用于蓄电池状 态显示的电量参数等。 ( 8 ) 列车诊断计算机到车辆诊断计算机的信息 空调开关待机、空调挡板丌关、空调给定温度、车头红灯白灯开关、照 明开关、前窗玻璃加热开关、阅读灯丌关、诊断批准、气动控制开关、行驶 方向、起浮、当前速度等控制信息。 ( 9 ) 列车诊断计算机到列车操作计算机的信息 空调开关待机、空调给定温度、空调实际温度、空调左右挡板开关、上下 门开关、火警己激活、乘客紧急信号确认、照明开关、乘务员呼叫信号确认、 1 6 第2 章高速磁悬浮列下乍载诊断系统 车头红灯白灯开关、前窗玻璃加热开关、受流器伸出关闭等状态信息。 ( 1 0 ) 列车操作计算机到列车诊断计算机的信息 空调开关待机、空调左右档板开关、空调给定温度、车头红灯白灯开关、 照明开关、前窗玻璃加热开关等控制信息。 2 7 接口要求 在车载诊断系统中各车辆底层设备通过c a n 总线连接起来，为了提高 系统的可靠性，每节车辆用4 段c a n 总线段，每节车辆上要诊断的部 件分为4 组，分别接在4 段不同的c a n 总线段上，避免因为c a n 总线 故障而影响所有的部件诊断功能。 每节车辆有一个车辆诊断计算机( s d r ) ，一个车辆诊断计算机上有4 个c a n 总线i o 接口卡，分别与这4 段c a n 总线相连。各车辆的功能 部件通过部件内的信号采集装置采集部件中的状态信号，并将这些信号 通过c a n 总线传输给所在车辆的车辆诊断计算机。 在端车中分别有一个列车诊断计算机和一个列车操作计算机以及它们 的显示模块和键盘，这两个列车诊断计算机和列车操作计算机以及各车 辆罩的车辆诊断计算机之间通过一个1 0 m 的工业以太网相联接。每个 列车诊断计算机与列车操作计算机的显示模块和键盘通过r s 2 3 2 串行 总线与相应的计算机连接。通过键盘和显示模块实现了人机接口，可以 进行各种信息的显示与操作。 端车中的列车诊断计算机与列车操作计算机通过以太网与车载无线电 设备连接，通过无线电系统与分区运行控制系统、运行控制中心和维护 中心交换数据；通过1 串行接口与车载安全计算机( f s i ) 相连，以 便有关操作命令传递到车载运行控制系统，同时运行控制中心和分区运 行控制系统的有关信息也可以传输到列车操作计算机操作显示模块上。 磁浮列车每节车辆中直接接在c a n 总线上带c a n 节点的车辆电子电 气部件有：车载电网控制单元b n s 、车载控制单元b s t 、升压斩波器h s 、 制动磁铁控制单元m r e b 、悬浮磁铁控制单元m r e t 、导向磁铁控制单元 m r e f 、车门控制单元t s 、2 3 0 伏配电器v t 2 3 0 、逆变器w r 、p r w 电子 设备、空调计算机k l