（电气工程专业论文）动车组网络控制系统的研究.pdf

：e 丞交迪厶堂主业亟土堂位途塞旦s ! 丛! a b s t r a c t a b s l r a c i ： w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n a sr a i l w a yt r a n s p o r ta n dt h ec o n t i n u e d o p e r a t i o no ft h et r a i ns p e e di n c r e a s e n o w , t h et r a i ni sm o v i n gi nt h ed i r e c t i o no f h i g h - s p e e d ，a u t o m a t i o na n dc o m f o r t c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lt r a i n ，m o r ea n d m o r ei n f o r m a t i o n ( s u c ha sc o n t r o l ，s t a t e s ，m a l f u n c t i o nd i a g n o s i s ，p a s s e n g e rs e r v i c e sa n d s oo n ) i sp r o d u c e dt h e r eo u t ，a n di tn e e d st ob et r a n s m i t t e dc o n s t a n t l yb e t w e e ni n t e r i o r v e h i c l e sa sw e l la st r a i n sa n dc o n t r o ls y s t e m so nt h eg r o u n d t h e r e f o r e ，h o wt ot r a n s m i t a l lt h e s eg r e a td e a lo fi n f o r m a t i o no nt h et r a i ns a f e l y , r a p i d l y , e x a c t l y , r e l i a b l yh a sb e e n o n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e so fr a i l w a yh i g h s p e e d t r a i nn e t w o r kc o n t r o ls y s t e mi so n e b o d yt h a ti sc o m p o s e do ft r a i nc o n t r o ls y s t e m ， m a l f u n c t i o nd i a g n o s i ss y s t e m ，p a s s e n g e ri n f o r m a t i o ns y s t e ma n ds oo n t h ec o m p u t e r o nb o a r di st h em a i nt e c h n o l o g ym e a n s ，a n di tm a k e st h eg r e a td e a lo fi n f o r m a t i o n p r o d u c e db ya l lt h e s es y s t e m st ot r a n s m i tb e t w e e nt r a i n ss a f e l y , r a p i d l ya n de x a c t ly t h e m e t h o dt h a tt r a i n sa r ec o n t r o l l e db yt r a i nn e t w o r kc o n t r o ls y s t e ma st h ec o r e ，i st h em o s t a d v a n c e do n e o nt h em o d e mt r a i n t h i ss u b j e c ti sb a s e do nt h eh i g h - s p e e de m u ，a n di ti n v e s t i g a t e st h ee m un e t w o r k c o n t r o ls y s t e mo nt h ea p p l i c a t i o n sa n dm a i nc a p a b i l i t i e s f i r s t l y , i ta n a l y z e ss t a n d a r d s a n da g r e e m e n t st h a ta r ef o l l o w e db yt r a i nn e t w o r kc o n t r o ls y s t e m s e c o n d l y ，i te x p l a i n s i nd e t a i lt h a tt h et o p o l o g yo ft h et r a i nn e t w o r kc o n t r o ls y s t e ma n dc o n f i g u r a t i o n ， c h a r a c t e r i s t i c ，w o r k i n gp r i n c i p l eo fm a i nc o m p o n e n t si nt h et r a i nn e t w o r kc o n t r o l s y s t e m f i n a l l y , a c c o r d i n gt od e s i g np r i n c i p l e so ft h eh i g h s p e e de m u ，i ti n t r o d u c e st h e r e d u n d a n td e s i g n ，m a l f u n c t i o nd i a g n o s i sa n dc o u n t e r m e a s u r ei nt h ee m un e t w o r k c o n t r o ls y s t e m t h i sp a p e rd i s c o u r s e su p o nt r a n s m i s s i o no ft e c h n o l o g ya b o u tt h et r a i nn e t w o r k c o n t r o ls y s t e ma n di n t e g r a t e sa c t u a la p p l i c a t i o ne x p e r i e n c e sa th o m ea n da b r o a d ，a n d t h e ni tb r i n g sf o r w a r dp r o j e c t so fe m u s c o n t r o la n dm o n i t o r i n ga st h ec o r eo fn e t w o r k c o n t r 0 1 t h j sr e s e a r c hw i l l p r o v i d es o m er e f e r e n c ei nt h et r a i n c o n t r o ls y s t e m d e v e l o p m e n t a n ds o m ee f f e c t i v eg u a r a n t e ef o rt r a i ns a f e t y , h i g h s p e e d ，c o m f o r t o p e r a t i o n ，a n di sf u l lo fi m p o r t a n tv a l u eo fa p p l i c a t i o n = j 匕l 交迫厶堂：釜、业亟堂位论塞旦s ! 坠! k e y w o r d s ：e m u ；t r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ；w t b ；m v b ；t o p o l o g y a r c h i t e c t u r e ；r e d u n d a n td e s i g n ；t e c h n i c a ld i a g n o s i s c l a s s n o ： v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有天保躺、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供杏阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 签字同期：年月同签字r 期：年月同 独创性声明 本人声明所旱交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我同二【作的同志对本研究所做的仟何贡献均已在论文中作 了明确的皂明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字h 期：年月同 3 9 致谢 本论文的工作是在我的导师王立德教授以及长春轨道客车股份有限公司常振 臣高工的悉心指导下完成的，王立德教授严谨的治学念度和科学的工作方法给了 我极大的帮助和影响。在此衷心感谢多年来王立德老师对我的关心和指导。 常振臣高工悉心指导我们完成了课题的研究工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向常振臣高工表示衷心的谢意。 陈明惠高工对于我的研究工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在撰写论文期问，李军、用永洙等同事对我论文中的研究工作给予了热情帮 助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 = 邕立交适厶堂主些殛堂位论塞 ! 里l 盍 1 1 课题背景及研究意义 1 引言 由于铁路运输具有速度快、运量大、能耗低、污染轻、安全性好等诸多优点， 一直都是世界各国现代化交通运输体系中最为重要的运输手段，在国民经济的发 展中发挥着不可替代的作用，铁路机车车辆制造业也闪此成为了国民经济发展中 的重要基础产业。 为了满足我困f 1 益增长的高速铁路客运服务的需要，铁道部通过引进高速动 车组用于既有铁路和客运专线，快速地提高铁路运输能力和装备水平，全面引进 国外先进、成熟、经济、适用、可靠的铁路动车组设计和制造技术。在高速铁路 动车组的技术引进项目中，c a 2 5 0 动车组足2 0 0 k m h 速度级的动力分散型电动车组， 采用符合国际标准( i e c 6 1 3 7 5t c n ) 的列车网络控制系统。列车网络控制系统是 基于t c n 列车通讯网络和c a n 现场总线的技术。 本课题f 是在这样一种背景之下展开的，针对动车组的技术引进，结合国内 外的有效经验，提出了以网络控制为核心的列车控制和j i 控方案，该研究将会给 我国机车车辆控制领域的发展提供一些借鉴，为列车安全、高速、舒适的运行提 供行之有效的保障，具有重要的应用价值。 1 2 国内外技术发展现状 从上世纪8 0 年代起，以法国、德国为代表的欧洲发达国家相继歼行了2 5 0 k m h 以上速度的高速动车组，加速了世界铁路高速化、现代化的进程。至今为止，世 界上开行2 0 0 k m h 以上速度级动车组的国家已有法国、日本、德国、意大利、瑞 典、英国、西班牙、美国、奥地利、荷兰、比利时、瑞士、挪威、芬兰、俄罗斯、 中国、中国台湾地区、韩国等国家。高速动车组采用的列车网络控制系统从应用 范围来区分主要有3 种发展模式：欧洲模式、北美模式和日本模式。 欧洲模式：传输速率较高，实时性较强。具有代表性的是由西门子、f i r e m a 、 a b b 、a e g 等铁路供应商联合开发的t c n ( t r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ) ，并已 形成i e c 6 1 3 7 5 列车通信网络国际标准，广泛应用于各种机车、客车、动车组、地 铁、城市交通车。 北美模式：可以分为有线列车通信网络和无线列车通信网络。有线的车载网 = i 匕塞交道厶堂主些亟土堂位论塞! 昱1 蛊 络基于l o n w o r k s 现场总线，传输速率不很高，基础标准是i e e e l 4 7 3 列车通信网 络协议，主要应用于重载货车和地铁车辆，主要的供应商有w a b t e c 、n y a b 、 b o m b a r d i e r 、川崎公司：无线的车载网络供应商主要是g e 公司，主要用于重载货 运列车。 同本模式：主要采用a r c n e t 网络协议，只监测不控制。主要用于动力分散式 电动车组，主要的供应商有三菱、同立等公司。 c a 2 5 0 动车组采用的是符合国际标准( i e c 6 1 3 7 5t c n ) 的欧洲模式列车网络控 制系统。 7 0 年代木至8 0 年代初，车载微机的雏形分别在西门子公司和b b c 公司出现。 丌始仅仪是用于传动装胃的控制，随着控制、服务对象的增多，列车通信网络在 初期的串行通信总线的基础上应运而生，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与控制系统的标准化、模块化的硬件系列和全方位的 丌发、调试、维护、管理软件工具。如瑞士a d t r a n z 公司的m i c a s 系统、德国s i e m e n s 公司的s i b a s 系统、同本的t i s 系统及法国a l s t o m 公司的f i p 系统等。但这些系 统由于自成体系，缺乏统一的通信协议及标准，互不兼容。为此，1 9 8 8 年i e c 第 9 技术委员会t c 9 成立了第2 2 工作组w g 2 2 ，其任务是制订一个丌放的通信系统， 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。1 9 9 2 年6 月，t c 9 - w g 2 2 以委员会草案的形式向各国发出列车通信网络t c n 的征求意见 稿。总体结构把列车通信网络规定为由多功能车辆总线m v b 和绞线式列车总线w t b 组成。 1 9 9 4 年5 月至1 9 9 5 年9 月，欧洲铁路研究所( e r r i ) 耗资3 0 0 万美元，在瑞士 的i n t e r l a k e n 至荷兰的阿姆斯特丹的区段，对由瑞士s b b 、德国d b 、意大利f s 、 荷兰n s 的车辆编组组成的运营试验列车进行了全面的t c n 试验。 1 9 9 8 年1 1 月，在中国湖南株洲召开i e c t c 9 年会。1 9 9 9 年6 月，t c n 标准草 案i e c 6 1 3 7 5 - 1j 下式成为国际标准。国际上一些大的铁路工业公司( 如德国s i e m e n s 公司和瑞士a d t r a n z 公司) 已推出符合t c n 标准的列车通信网络产品。 a l s t o m 公司负责开发列车网络控制装置的部门的前身是f i r e m a 公司，它直接 参与欧洲t c n 标准的起草，并进行了试验研究。a l s t o m 基于t c n 标准的列车网络 系统从9 0 年前后开始投入商业运用，产品经过多年运用逐步形成标准化产品。 1 3 本课题完成的主要工作 本论文主要结合c a 2 5 0 动车组，研究了列车网络控制系统在动车组中的应用。 仔细分析了列车网络控制系统遵循的标准与协议，详细阐述了列车网络控制系统 2 ：匕瘟銮迪厶堂童些亟堂位论塞! 互l 直 的拓扑结构以及列车网络控制系统中主要部件的结构、特性及工作原理。 本论文的结构体系为： 第一章介绍国内外列年网络控制系统技术发展的现状，阐述此课题丌展的背 景和实际意义。 第一章介绍t c n 列车通信嘲络的特点，并着重分析m v b ( 多功能车辆总线) 和 w t b ( 列车总线) 的通信方式及特点。 第三章阐述动车组网络控制系统的拓扑结构及组成。 第阴章介绍动车组网络控制系统中主要硬件设备。 第五章阐述动车组网络控制系统的了c 余设计、故障对策及诊断。 第六章足本论文的结论部分，对本课题的主要研究工作进行总结，并对该系 统l i 丁改进的方面以及未来的发展趋势进行展望。 3 2 1 概述 2 列车通信网络 列车通信网络是个安装在列车上的计算机局域网络系统，负责对整列车各 部分信息的采集与传递，对整列车进行摔制、监测、诊断以及为旅客提供信息服 务。列车通信网络是面向控制的一种连接车载设备的数据通信系统，是分布式列 车控制系统的核心组成部分。它以计算机网络为核心，把计算机技术、控制技术、 设备故障珍断技术、网络通信技术紧密结合起来；将整个列车微机控制系统的各 层次及各层次各单元之间相连接，作为系统信息交换和共享的渠道，实现全列车 坏境下的信息交换。列车通信网络的应用，使得列车控制系统真正成为一个分布 式控制系统，并为列车系统的信息化打下了基础。 2 2t c n 列车通信网络体系结构 1 9 9 9 年，i e c 6 1 3 7 5 1 标准规定了t c n ( t r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ) 网络的 组成，它具有两级总线的层次结构，即用于连接各节可动态编组的车辆的绞线式 列车总线w t b ( w i r et r a i nb u s ) 和用于连接车辆( 或固定编组的车辆单元) 内部 各种设备的多功能车辆总线m v b ( m u l t i f u n c t i o nv e h i c l eb u s ) 。它们之间通过网 关( g a t e w a y ) 连接起来。t c n 网络拓扑结构如图2 一l 所示。 彳 二二二= 列车总线 车辆总线 车辆总线车辆总线 图2 1t c n 网络拓扑结构 f i g u r e2 1t o p o l o g ya r c h i t e c t u r eo f t c n 4 2 2 1 总线层次 列车通信网络采用分层结构。根据列车控制的特点，分为上、下两级层次： 列车总线和车辆总线。 列车总线和车辆总线之间通过一个列车总线节点相连，在应用层不同的总线 之问通信时由此节点充当网关。有时也在车辆总线设第三级总线，如连接传感器 的总线或连接执行单元的控制总线，可以把这些总线认为足车辆总线的一部分。 以上结构并不是绝对的，整个列车的组成可以灵活多样，一节车厢内可以有一条 或多条车辆总线，也可以没有。车辆总线可以在匝l 定编组的情况下连接几节车厢。 如果该列车是崮定编组。列车总线并不需要对节点进行连续编号，这时，车辆总 线可以起到列车总线的作用。 2 2 2 总线通信 列车通信网络在列车控制系统中的主要功能是作为沟通各个控制系统单元的 信息通道。进行可靠的数据传输，实现信息交流，从而达到控制统一和资源共享。 列车通信网络在列车运行时传输的信息主要有以下几种： 列车运行的控制命令 各车厢的状念信息 故障诊断信息 显示单元所要显示和提示的各种信息 网络的管理信息 其它与列车运行、安全及服务有关需要传递的信息 2 3 多功能车辆总线m v b 多功能车辆总线m v b 属于列车通讯网络国际标准i e c 6 1 3 7 5 - i 的车辆总线部 分，为总线仲裁型网络，介质访问采用主帧从帧的应答方式，数据交换采用报文 方式，可以实现设备和介质冗余，实时性靠实时协议来保证，它是应用于车厢或 固定车组的局域网。它提供了两种连接：一是可编程设备之间的互连，二是将这 些设备与它们的传感器和执行机构互连。多功能车辆总线m v b 可以寻址至4 0 9 5 个 设备，其中可有2 5 6 个是能参与消息通信的站，m v b 传输速率是1 5 m b s 。 5 2 3 1 多功能车辆总线m v b 传送的数据类型 过程数据( p r o c e s sd a t a ) 列车控制系统巾的过程变黾表示列车上的状念，如司机的手柄位、列车运行的 速度、电机的电流、列车当d 订运行状念、当前的时州及各单元的工作状念等。过 程变量的值就形成过程数据。 过秤数据的特点是：长度短而时间性强，它们的传输时间必须是确定和有界 的。为保证时延，这些数据周期性地发送。过程数据是定时刷新的，是无确认的 广播通信。 消息数据( m e s s a g ed a t a ) 消息数据是一些非紧迫的信息，例如诊断功能、旅客服务功能的消息。消息 及与之相关的控制数据就形成消息数据。 消息数据的特点是：长度不定、不紧迫、不频繁，由于不定长，较大的消息 可能分成若干个较小的包。由于不紧迫，消息传输时间没有确定的上界，允许随 负荷情况而变化。由于不频繁，消息以命令方式传送，消息传送协议提供流控和 差错恢复。消息通信必须得到确认。 用户消息用于旅客服务信息、丌关车门命令等方面。系统消息用于列车通信 系统本身的监督，如设备的下载、调试和网络管理。 监督数据( s u p e r v is o r yd a t a ) 监督数据是同一总线内主设备对从设备的状态校验、主权转移、列车初运行 和其它管理所用的数据。这些数据只有在网络初始化或网络重构时才在网上传输， 在正常运行期问不参与通信。因此，监督数据的传输与其它两种数据不发生冲突。 列车正常运行时，通信网络上传送的只有过程数据和消息数据，为保证过程 数据的确定、及时的发送，总线时间分为周期相和偶发相。周期相占用总线通信 的固定部分，用于传送只带源地址的广播数据。在这一期问，总线主设备按照应 用预先定义好的周期列表的顺序轮询各设备，被轮询到的设备用一个包括周期性 数据的帧作为回答( 这种帧格式在总线初始化时定义) ，该帧被广播发送到其它设 备。 两个周期相之间的偶发相允许设备进行由事件驱动的通信，即传送消息数据。 主设备对从设备轮询偶发性数据，进行事件巡回、搜索和仲裁。被轮询的设备若 有偶发性数据发送时，以带有数据的帧作回答。偶发性发送是与事件的发送相关 联的，事件是设备状态的改变，此改变引发发送要求，因此事件必须得以确认。 因此，周期性和偶发性数据通信虽共享同一总线，但在传输上完全分开的。 6 2 3 2 多功能车辆总线m v b 的传输介质 e s d ( e l e c t r i c a ls h o r td i s t a n c e ) 电气短距离介质，使用标准的r s - 4 8 5 收发 器，每段最多支持3 2 个设备，传输距离2 0 米。 e m d ( e l e c t r i c a lm i d d l ed i s t a n c e ) 电气中距离介质，由屏蔽双绞线组成的电 气中距离介质，传输距离2 0 0 米，每段最多支持3 2 个设备，允许用变，区器电 气隔离。 o g f ( o p tic a lg l a s sf ib e r ) 光纤介质，通过星形祸合器传输，传输距离2 0 0 0 米。 2 4 列车总线w t b 列车总线w t b 属于列车通讯网络国际标准i e c 6 1 3 7 5 1 的列车总线部分，为总 线仲裁型网络，它的链路层使用i t d i c 高级数据链路控制，介质访问采用主帧从 帧应答方式，数据交换采用报文方式，可以实现设备和介质冗余，实时性靠实时 协议来保证，另外它可以实现自动识别网络构成和变化实现动念组网功能，因此 它适用于列车网，并适于经常解挂和连挂的列车。列车总线能够操作2 到2 2 个车 辆，最多3 2 个总线节点，通信电缆最长8 6 0 m 。 w t b 物理传输介质采用双绞屏蔽线，传输速率为1 o m b p s 。w t b 支持介质冗余 管理和设备冗余管理。w t b 总线结构如图2 2 所示。 图2 2w t b 总线结构 f i g u r e2 - 2 a r c h i t e c t u r eo fw t b 7 3 动车组网络控制系统的拓扑结构及组成 3 1 动车组的总体结构 c a 2 5 0 型动车组由两个牵引单元八辆编组构成，五动i 拖的动力分散式电动车 组。车体宽度3 2 0 0 m m 。牵引功率5 5 0 0 k w ，轮周牵引力为3 0 2 k n ，最高运营速度 2 0 0 k m h ，最高试验速度2 5 0 k m h ，定员6 2 2 人( 包括一个残疾人座席) ，可两列重 联运行。具有技术先进，安全可靠性高，起动加速度大，噪音低，维护量小，寿 命长，寿命周期成本低等优点。 c a 2 5 0 型动车组的八辆车包括：一辆一等座车、一辆带洒巴的二等座车、一辆 带残疾人卫生问的二等座车、五辆二等座车。一等车座椅采用2 + 2 斫j 置方式，二 等车座椅采用2 + 3 布置方式。带酒吧的二等座车设配餐区和吧区；带残疾人卫生 | 1 ；】j 的二等座车内设有一个残疾人座位。在3 、6 号车上设有受电弓，动车组运行时 采用单弓受流集电方式，另一个备用。在车顶设贯通的高压母线，分别向两个牵 引单元供电。牵引系统采用交直交传动方式，牵引单元由主变压器、牵引变流器、 异步交流牵引电机组成。主变压器使用油冷方式，牵引变流器使用成熟的i g b t 技 术。异步牵引电机的功率为5 5 0 k w ，采用体悬方式，由力向轴传递牵引力。因转向 架上只有齿轮箱，大幅度地降低了转向架的簧下重量，有效地改善了动力学性能。 c a 2 5 0 型动车组由2 个单元组成( m + m + t + m ) + ( t + t + m + m ) 的五动三拖的结构，其中 一个单元为三动一拖，另一个单元为两动两拖。动车组的编组见图3 - 1 ，动车组的 主要技术参数见图3 - 2 。 图3 - 1 动车组的编组 f i g u r e3 - 1c o m p o s i t i o no fe m u 8 图3 - 2 动乍组土要技术参数 f i g u r e3 - 2 m a i nt e c h n i c a lp a r a m e t e ro fe m u 编组型式m + m + t + m + t + t + m + m 车辆数量8 辆 最高速度( k m h ) 2 0 0 适应轨距( m m )1 4 3 5 传动方式交直交 动力配置5 m 3 t 牵引功率( k w )5 5 0 0 车体结构中空铞合金挤压型材焊接结构 空车重量( t )4 5 1 3 定员重量( t )5 0 0 定员( 人)6 2 1 + 1 ( 残疾人) 转向架数量 1 6 轴数3 2 车轮配备1 a a 1 + 1 a a 1 + 2 2 + + 1 a a l + 2 2 + 2 2 + 1 a a 1 + 1 a a 1 轴重( t )1 7 轮径( m m )8 9 0 受流电压制式a c 2 5 k v ，5 0 h z 牵引交流器i g b tv v v f 牵引电机( k w )5 5 0 最大启动牵引力( k n ) 3 0 2 平均启动加速度0 5m s 2 2 0 0 k m h 时剩余加速度o 1 1i s 2 2 0 0 k m h 0 紧急制动距离2 0 0 0 m 制动方式再生制动、空气制动 辅助供电制式a c 3 8 0 v 空调系统车项单元式空调系统 9 3 2 动车组网络控制系统的拓扑结构 c a 2 5 0 动车组网络控制系统是一套分和式计算机系统，其拓扑结构如图3 - 3 所 示，该动车组的列牟总线为w ，i 1 3 ( w i r e dt r a i nb u s ) ，车辆总线为m v b ( m u ltif u n c t io n v e h i c l eb u s ) 总线和c a n ( c o n t r o l1 e ra r e an e t w o r k ) 总线，通过贯穿列车的w t b 总线来传送控制、监测及故障诊断等信息，可控制并监控所有列车和车辆的相关 功能。控制系统重要部分采取冗余设计，使系统具有冗余性，排除了单一故障影 响系统功能的可能性。 i 弹 剽! 画 刊l 葛ih 竺 ii 褥 匪囹4l 霆豳 岬 毳面 ；藏 团 囡 园 蚤1 。 圈 f 卫 埏i ；l画 i 圈 向： 固 l 丽 固 固 1 g w ：网关 3 m p ul c ：主处理单元( 舒适线) 5 t s ：主显示器 7 r i o mc a b ：远程输入输出模块( 司机室) l o 2 m p ul t ：主处理单元( 牵引线) 4 r e p ：中继器 6 t d ：设备诊断显示器 8 r i o ml q ：远程输入输出模块( 客室) 吁吁回 面团 一曰田园固 团圈 圈圆 回圈 9 m b c u ：制动控制单元( 主) 1 1 a c u ：辅助供电控制单元 1 3 e x td o o r s ：外部fj 1 5 w c ：生间 1 7 c l t ：本地牵引控制单元 1 9 p i s ：旅客信息系统 2 0 w t bt r a i nl i n e ：列车总线 2 2 m v b bt r a c t i o n ：牵引总线( 币辆总线) 2 4 。c a n ：控制器局域网 2 6 m 2 s ：二等动乍 2 8 ：m 2 ： 二等动下 3 0 ：t p b ：- 二等拖下( 带受电弓、酒n 巴) 3 2 ：m c l ：一等动t - ( 带司机窒) 1 0 t c u ：牵引控制单元 1 2 h v a c ：空调控制单元 1 4 c b ：充【 土机 1 6 t l a d s ：轴箱检测控制器 1 8 l t ：本地显示器 2 1 m v b as i g n a l l i n g 信号总线( 1 ：辆总线) 2 3 m v b cc o m f o r t ：舒适总线( 币辆总线) 2 5 m c 2 ：2 _ 2 等动下( 带司机窀) 2 7 ：t p ：二等拖下( 带受电弓) 2 9 ：t 2 ：- 二等拖1 i 3 1 ：m h ：- 二等动下( 带残疾人厕所) 图3 - 3 动下组网络系统的拓扑结构 f i g u r e3 - 3t o p o l o g ya r c h i t e c t u r eo fe m un e t w o r ks y s t e m 动车组列车通信网络主要幽列车总线w t b 、车辆总线m v b 总线和c a n 总线、主 处理单元( m p u l t ，m p u l c ) 、网关( g w ) 、远程输入输出模块( r i o m ) 、主监视器 ( t s ) 、诊断监视器( t d ) 等组成，其中m p u - l t 负责管理制动控制单元( m b c u ) 、 牵引控制单元( t c u ) 、辅助控制单元( a c u ) 等设备，m p u - l c 负责管理空调系统 ( h v a c ) 、外部f - j ( e x td o o r s ) 、充电机( c b ) 、卫生间( w c ) 等设备，充电机和 卫生问通过c a n 总线与m p u - l c 通信。中继器( r e p ) 用于接收线路中的信号，将其 整形放大、重新复制，并将新生成的复制信号转发至下一网段，其主要作用为延长 电缆的传输距离。本地显示器( l t ) 主要向列车乘务人员和维修人员提供信息。动 车组通过贯穿列车的列车通信网络来传送控制、监测及故障珍断等信息，可控制 并监控所有列车和车辆的相关功能。 4 动车组网络控制系统的主要硬件设备 4 1 g w ：w t b m v b 网关 网关主要实现列车总线w t b 和车辆总线m v b 通信协议的转换，并实现车辆编 组的自动配置。网关可以实现列车总线与车辆总线之问的双向信息交换。每个网 关与列车总线之间以1 2 8 字节的报文( 周期数据) 交换与单元相关的信息，并接 收来自整个列车中其他网关的同类信息。网关各部件完全冗余。网关包括4 个不 同的模块：g w c p u 模块，g w p r w 模块，g w d i o 模块，m a u 4 t 模块。网关的部件图如图 4 1 所示，网关的外形图如图4 2 所示。 1 机架8 4 t e 一6 u 5 底板卡b 9 前板8 t e 一6 u 2 后盖 6 前板2 8 t e 一6 u 1 0 c p u 单元卡 3 机架手柄e 2 7 防错滑片 1 1 电源单元卡2 4 v 图4 一l 网关的部件图 f i g u r e4 - 1c o m p o n e n t sd i a g r a mo fg a t e w a y 1 2 4 底板卡a 8 电源单元卡2 4 v 1 2 接地连接 一 。鼬 二止! 变垫厶：羔童些亟堂位迨塞垒丛至纽l 型塑控益丞筮曲土塑丝址噬签 ， l | 誊? o ? 谚 j 甏。o 鬟砖? 豢 _ 麓慧谚。例饕霉一 4 1 1 g w - c p u 模块 窭棼滋l 图4 2 网关 f i g u r e4 - 2i m a g eo fg a t e w a y g w c p u 模块充当处理器和串行接口( w t b 、m v b 或c a n 和2 3 2 维护) 的主板， 此模块是刚关的主处理器。g w c p u 模块通过母板连接至电源模块g w p r w ，g w c p u 模块配有背载安装的g w - m a u 模块。 g w c p u 模块上使用的处理器为以m o t o r o l am p c 8 6 0 装备的p o w e rp c ，工作频 率可高达6 6m h z 。此板用三个不同的电源工作：主电源5v 由后端连接器直接提 供( 由g w p r w 模块生成) ，并用于获取2 个辅助电源：3 3 v 2 a 和2 5 v 2a 。5v 电源主要由板载的m v b 回路、f l a s h 存储器和向g w - m a u 板发送信号的驱动器使用。 3 3v 电源用于为m p c 8 6 0 处理器、s r a m 以及管理m a u 接口的i 0 信号机供电。2 5 v 电源向w t b 控制器的管理逻辑电路供电。 g w c p u 模块中，2 个m v b e m d 接口由2 个9 针d s u b 连接器管理并连接至前 面板。驱动器和控制器m v b 分别通过a s i cm v b d l1 3 和m v b c 0 2 以相应的5 1 2 kx1 6 位流量存储器实现。此外还有一个c a n 总线接口，用于通过引自母板的接线将c p u 模块与g w d i o 工0 进行接口连接。w 1 、b 控制器通过一个a 1t e r ae p l k 5 0 q 1 2 0 8 - 2 型 p l d 用于4 个m p c 8 6 0 处理器的h d l c 通道与m a u 板的正确接口连接，以实现对w t b 通道的控制。该板分别管理2 组5 1 2 kx3 2s r a m ( 存取时间1 5 “s ) 和1 组5 1 2 kx 3 2f l a s h 存储器( 存取时间7 0 肛s ) 。另有采用9 针d s u b 前端连接器的r s 2 3 2 型 。溯 粼 串行接口，用作网关节点调试和配置的维护连接。此外还有一个串行e e p r o m 和一 个温度传感器，通过总线与处理器接u 。g w - c p u 原理图如图4 - 3 所示。 图4 - 3g w - c p u 原理图 f i g u r e4 - 3p f i n c i p l eo fg w - c p u 1 4 4 1 2g w - p r w 模块 g w p r w 模块组合在2 个冗余堆元内，它f j j i , j 。以单独安装( 非冗余网关) 或同 时安装( 冗余网关) ；此模块为7 r c n - ( ；w 内所包含的电路板供电。 g w p r w 模块主要规范为： 主要部分功率：v o u t = 5 v ；l o u t = 5 a ；p o u t = 2 5w 熔合部分功率：v o u t = 4 8 v ；i o u t = 1 4 5m a ：p o u t = 7w 主电源与熔合部分之间的绝缘度高二y - 1 0 0 0v g w p r w 原理图如图4 4 、4 5 所示。 图4 4g w p r w 原理幽 f i g u r e4 - 4p r i n c i p l eo fg w - p r w l。l p 、v m l f r l m a i np o w e rs u p p l y jl p w f l f f i t t i n gp o w e r s u p p l y ij p w m 2 r 7 i 一 一 m a i np o w e rs u p p l y jl p w f 2 7 f r i t f i n gp o w e r s u p p l y 图4 5g w - p r w 冗余原理图 f i g u r e4 - 5p r i n c i p l eo fr e d u n d a n tg w - p r w 1 5 4 1 3g w - d10 模块 g w - d i o 模块组合在2 个冗余单元内，它们可以单独安装( 非冗余网关) 或同 时安装( 冗余网关) ，以使蜊关符合u i c 5 5 6 和s t 3 0 8 5 1 4 的要求。 g w - d i o 模块用于采集和控制1 6 个数字输入和4 个数字输出。此模块采用微控 制器m o t o r o l am c 6 8 h c 9 0 8 a z 6 0 实现，该微控制器管理着对输入输出的采集和控 制，以及尘成针对经母板连接的远程模块g w c p u 的控制信号s l e e p n 、a w a k e n 和 d i s c o n n 。与母板g w - c p u 的接口通过c a n 总线i s 0 11 8 9 8 的串行通道实现，该通道 同样通过主板连接来管理。 g w - d i o 模块经c a n 总线用作与丰模块g w - c p u 相关的远程输入输出单元。此 模块配有4 个l e d ，2 个红色l e d 用于发出由于输入读数信号缺失或故障情况造成 的故障状念信号，而2 个绿色【。e d 则显示引自母板的电源是否缺失。 g w - d i o 模块的主要技术规范： 一般技术规范： 工作温度范围：一4 0 一+ 8 5 0 c 相对湿度：0 - 9 5 额定工作电源：5 v 供电电压范围：4 7 5 5 2 5 v 额定电流消耗：1 5 0 m a 数字输出的技术参数： 供电电压：2 4 v 供电电压允差：1 6 8 至3 6 v ，4 0 v 持续l o o m s 通电状态下的电压降： o 4 v 电流保护：1 1 a 0 4 a 最大输出电流：o 5 a 输出端与处理器之间的电隔离：l k vd c l m i n 数字输入的技术参数： 高逻辑电平确认阈值：1 0 至3 6 6 v ( 4 0 v 持续l o o m s ) 低逻辑电平确认阈值： 5 v 测量高电平时的输入电流：最大7 0m a 测量低电平时的输入电流： lm a 空闲状态下的电流消耗： 1m a 输入端与处理器之间的电隔离：2 k vd c g w - d i o 模块尺寸为6 u ，前面板为8 t e 。 1 6 g w d 1 0 模块框图如图4 - 6 所示。 d 1 1 ， d i g i t a li n p u t s m c u l d i g i t a li o f 1 c a n c a n l m i c r o c o n t r o l l e r d 0 1 _ l 1 r d i g i t a lo u t p u t s d 1 2 7 d i g i t a li n p u t s m c u 2 d i g i t a li o c a n c a n 2 m i c r o c o n t r o l l e r d 0 2 _ l d i g i t a lo u t p u t s i s o l a d o r j1 0 0 0 v m 塔 4 1 4m a u 4 t 模块 图4 - 6g w d 1 0 原理图 f i g u r e4 - 6p r i n c i p l eo fg w - d i m a u 4 t 模块是w t b 通道的接口模块。它以背载方式安装在模块c p u 上。此模块 为w t b 接口的中间连接单元，它由相同的w t b 线路接口组成。每一个包含2 个线 路驱动器、1 个熔合电源和1 组用于节点配置的开关继电器。每个线路驱动器由2 个基本部件组成：1 个发送器和1 个接收器，它们按照t c n 规范将电信号相关的串 行流由t t l 转换为电信号，反之亦然。熔合电压为4 8 v ，通过d c d c 转换器由板的 5v 获得。熔合电流发生器配有针对最大电流的保护电路，该电路在达到2 9 7 m a 过电流情况下会断开输出负载。每个w t b 接口均配有4 个继电器，用于与线路的 连接。其中有3 个经过适当的配置，将节点置于中间或终端模式，而第4 个继电 器则用于熔合的激活。 m a u 4 t 原理图如图4 - 7 所示。 1 7 图4 - 7m a u 4 t 原理图 f i g u r e4 - 7p r i n c i p l eo fm a u 4 t