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y 3 4 4 9 9 2 西南交通奎堂堡：生堂竺笙茎 一 摆式列车倾摆控制网络试验研究 摘要 摆式列车在对既有线路平面不作大的改动，并且保证乘坐质量的前提下，可 以提高曲线通过速度。已经在很多国家投入了实际运营，显现出了巨大的经济及 技术潜力，成为世界铁路发展的一个重要方向。j 目前我国正在进行摆式列车技术的研究工作。作为摆式列车关键技术之一的 倾摆控制网络的开发，已成为当前的紧迫的任务。 本文介绍了欧美两大铁路系统所采用的通信网络系统，并对其进行了比较； 分析了摆式列车倾摆控制网络工作原理：应用l o n w o r k s 网络技术设计了摆式列 车倾摆控制网络；并在摆式列车模拟试验台上进行试验研究。 试验包括系统通信试验，系统对典型输入信号正弦波、梯形波的响应试验。 试验结果证明采用l o n w o r k s 网络作为摆式列车倾摆控制网络是完全可行的，所 设计的倾摆控制网络性能良好，能够满足摆式列车倾摆控制的要求。 通过对摆式列车倾摆控制网络的设计及试验研究，为进一步使用l o n w o r k s 网络技术开发倾摆控制网络提供了理论及试验依据。 【关键词】摆式列车l o n w o r k s倾摆控制网络试验研究 两堕皇望奎堂堡圭堂垡笙茎 一 _ _ _ - - _ _ h _ _ _ _ _ _ 一 一 r e s e a r c ha n d e x p e r i m e n t o nt r a i n t d l i n g c o n t r o ln e t w o r k a b s t r a c t w i t hm i n i m u mo fr e c o n s t r u c t i o nt ou p g r a d et h ee x i s t i n gt r a c k ，a n de n s u r er i d i n g q u a l i t y , t i l t i n gt r a i n sm a yi m p r o v e t h ec u r v i n gs p e e de f f e c t i v e l y m a n yc o u n t r i e sh a v e p u t i n t o p r a c t i c a lp r o d u c t i o n a n da p p l i c a t i o n ，a p p e a r e d e n o m l o u se c o n o m i ca n d t e c h n o l o g i c a lp o t e n t i a l i t i e s ，i t h a sb e c o m eo n eo ft h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o n s o ft h e w o r l d r a i l w a y a t p r e s e n tt i l t i n gt r a i nt e c h n o l o g y i sb e i n gr e s e a r c h e di no u rc o u n t r y d e v e l o p i n g o f t i l t i n g c o n t r o ln e t w o r ka so n eo f t h et i l t i n gt r a i n sk e yt e c h n o l o g y , h a sb e c o m e p r e s e n tu r g e n t t a s k t w ok i n d sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ks y s t e mo fe u r o p e a n da m e r i c a r a i l w a ys y s t e m a r ed e s c r i b e da n dc o m p a r e di nt h i sp a p e r t h ew o r kp r i n c i p l eo f t r a i nt i l t i n gc o n t r o l n e t w o r ki sa n a l y z e d l o n w o r k sn e t w o r kt e c h n o l o g yi sa p p l i e d t od e s i g nt r a i nt i l t i n g c o n t r o ln e t w o r kt h e e x p e r i m e n tm o d e l i st e s t e da n dr e s e a r c h e do nt i l t i n gt e s t - r i g t h et e s tc o n s i s t so f e x p e r i m e n t s o nc o m m u n i c a t i o n a n d s y s t e m r e s p o n d i n g t ot y p i c a lw a v e i tp r o v e dt h a tt h ed e s i g n e dt r a i nt i l t i n gc o n t r o ln e t w o r k h a sg o o dc h a r a c t e r sa n dm e e t st h en e e d so ft i l t i n gc o n t r o l ，a n d t ou s el o n w o r k s n e t w o r ka st r a i nt i l t i n gc o n t r 0 1n e t w o r k i sf e a s i b l e b vm e a n so fr e s e a r c ha n de x p e r i m e n to nt r a i nt i l t i n g c o n t r o ln e t w o r k ，i t p r o v i d e st h e o r ya n de x p e r i m e n t b a s i sf o rg o i n gas t e pf u r t h e rt om a k e u s eo f l o n w o r k s n e t 、h ，o r kt e c h n o l o g yd e v e l o p f i r i n gc o n t r o ln e t w o r k k e y w o r d s t i l t i n gt r a i n ，l o n w o r k s ，t i l t i n gc o n t r o ln e t w o r k ，r e s e a r c ha n d e x p e r i m e n t 西南交通大学硕上二学位论义 第一章绪论 在铁路运输事业快速发展的今天，摆式列车以其得到改善的乘坐质最，快 速的曲线通过速度，以及良好的动力学性能改善能力和低廉的投资成本，成为 铁路提速和高速铁路建设的一条有效途径。已在世界各地得以迅速发展，在很 多国家投入了实际运营，显现出了巨大的经济及技术潜力。 摆式列车的主要特点是在对既有线路平面不必作大的改动，并且保证乘坐 质量的前提下可以提高曲线限速3 0 3 5 左右【i 34 “8 ”】，同时减少牵引能 耗13 a 6 1 。这对于幅员辽阔、山区铁路众多、经济实力相对薄弱的我国来说， 研制开发摆式列车是非常具有吸引力的。目前我国广深铁路公司租用的瑞典 x 2 0 0 0 型摆式列车已经正式投入运营，创造出r 很好的经济效益和社会效益， 在铁路交通运输面临公路、航空激烈竞争的今天显示出了良好的竞争力。从 目前世界铁路的发展趋势看，摆式列车必将在我国铁路事业发展过程中扮演重 要的角色，为我国铁路系统提高运输能力，缩短旅客旅行时间，实现铁路运输 现代化作出巨大贡献。 i 1 摆式列车技术的发展与应用概况 摆式列车技术的发展已有几- 卜年的历史，国外铁路技术发达国家的摆式列 车技术目前已经进入成熟运用阶段。早在1 9 2 8 年，德国人k r u c k e n d b r e g 就提 出了摆式列车原理，并画出了设计图i8 ”】。但是由于受当时制造及控制技术所 限制，到了1 9 3 5 年其设计思想才在瑞士的b l s 铁路公司由s i g 公司实现。而 其试验车并没有得到真正的运用。真正付诸实际运用的摆式列车设计思想，是 1 9 4 3 年西班牙t a l g o 开发的摆式系统的设计思想。在经历了近四十年不断的改 造和试验之后，t a l g o 公司终于在1 9 8 0 年将按此思想开发的t a l g op e n d u l a r 摆 式系统正式投入批量生产”1 8 ”2 “3 3 j 。在此之后，许多国家开始研制开发摆式列 西南交通大学硕士学位论文 车。陆续推出运营产品。 摆式列车各国型式各异，并且在不断的改进，提高性能。按照有无能源 可分为主动( 或强制) 摆式列车和被动( 或自然) 摆式列车两种型式”3 4 8 ”。4 。2 。 被动摆式列车是靠车辆通过曲线时的离心力作用，使车体绕摆心转动， 没有外加的动力。其特点是倾摆机构简单，不需要作动器、能源、控制和信号 采集系统，成本低。但被动摆式列车也存在如下一些缺陷： ( 1 ) 倾摆滞后，进入缓和曲线时不能及时倾摆；在圆曲线上义急剧倾摆， 甚至出了曲线后仍有“余摆”。由于倾摆不可控，旅客容易晕车。 ( 2 ) 为了使倾摆机构容易起摆车体摆心应在重心之上相当一段距离，从 而使倾摆过程当中占用限界较大。 ( 3 ) 由于安全及限界等原因，被动摆的倾摆角度小，一般不大于350 1 4 2 5 2 8 1 ， 提高速度幅度也因此相应较小。 由于被动摆式列车性能低下，已从摆式列车的主流中逐渐退出。目前世 界t 在线路上运营的摆式列车只有西班牙的t a l g o 型列车采用这种方式，日本 的3 8 l 系列已被3 8 3 系列所代替f 3 。4 8 3 0 l 。 主动摆式列车是通过外加能源的作用使车体倾摆，倾摆角度大，提高速 度幅度也大，但需要有高科技的倾摆、控制及信号采集系统。目前除了谣班牙 以外，其它国家运营的摆式列车均采用这种方式。主动摆式列车外加能源的产 生方式有三种。一种是液压式，另外两种是机电式和气动式。目前唯采用气 动式的国家是日本1 3 7 ”。法国和德国曾经试验采用气动方式，但由于气动组 件过大或空气响应速度太慢到目前为止均未获得运用。较早一些比较成熟的技 术是液压式的f 4 t 7 i ，而机电式则是进入九十年代由德国的a d t r a n z 公司在v t 6 1 1 动车组上首先运用成熟的军工技术开发的h 9 川。 摆式列车信号检测方式可以分为以下几种1 8 1 ： ( 1 ) 卫星定位或线路设标定位系统： ( 2 ) 地面应答系统； ( 3 ) 加速度传感器检测系统； ( 4 ) 陀螺仪检测系统； ( 5 ) 陀螺仪检测系统加加速度传感器补偿。 2 西南交通大学硕j ：学位论义 其中卫星定位系统和线路设标定位系统精确性较高，f _ = l 足由于目前运用 费用较高而且通用性较差，几乎没有被运用。地面应答系统即将全线轨道参数， 如曲线超商、半径、缓和曲线长度等存储在计算机内，通过车辆和轨道上的应 答器结合走行距离和行走速度检测装置，按既定过程控制车辆倾摆；但是f h 于 车轮在轨道上并非纯滚动，加之滚动圆半径时刻发生变化产生较大误差，实际 实施需要在线路上增加许多配套辅助装置，以保证系统的精度，目前看起来具 有一定的局限性，尚不能得到广泛采用。其余则为轨道数据实时检测模式，在 头车或各车辆中加装加速传感器或陀螺仪等检测设备，实时检测列车运行时的 未平衡离心加速度和超高以及列车运行速度，从而推算出曲线半径，通过计算 机系统控制车辆倾摆。目前世界上的摆式列车均采用这后三种方式，而更多的 是采用陀螺仪附加加速度传感器补偿的方式。 意大利是主动摆式列车发源地之一1 48 m “1 2 1 。由于意大利是山区国家， 铁路曲线特别多。为了提高曲线区段的列车通过速度，经过l8 年试验研究，1 9 7 5 年制造了两辆编组的实用样车，即e t r 一4 1 0 电动车组，称为第一代p e n d o l i n o 。 第二代p e n d o l i n o 为e t r - - 4 5 0 ，于】9 8 8 年开始运营于罗马一一米兰之间，1 9 8 9 年扩大编组，运用范围扩大到罗马一威尼斯之间。p e n d o l i n o 第三代为e t r - - 4 6 0 和e t r - - 4 7 0 。与e t r - - 4 5 0 相比这两种车将原来的助动液压缸和倾摆系统由 车七改在车下，同时增加了座席数。e t r - - 4 6 0 将代替目前运行于罗马一一热 亚那，都灵米兰和威尼斯的e t r - - 4 5 0 列车原来的e t r - - 4 5 0 将用于新线。 另外，意大利铁路( f s ) 还订购了7 列e t r - - 4 7 0 双电压制的摆式列车在意大 利米兰到瑞士之间运行。意大利还准备用双电压制的列车用于都灵一一里昂线 路，准备采用内燃动车组p e n d o l i n o ，用于s a r d i n i a n 干线。 瑞典是著名的摆式列车x 2 0 0 0 的发源地”“2 “”“4 “”。瑞典是一个 多山国家，客流量也不大，铁路部门希望能花费较小的投资来提高列车平均速 度以缩短旅行时间。1 9 7 3 年瑞典铁路( s j ) 和a s e a ( 后来的a b b s c a n d i n a v i a 和a d t r a n z ) 公司联合开发了x 1 5 并进行了8 年的试验。发展到1 9 9 5 年有3 6 列x 2 0 0 0 列车交付使用。瑞典首都斯德哥尔摩与哥德堡之间采用x 2 0 0 0 后减 少旅行时间2 5 。如果算上机场至市中心所花费的时问，乘坐摆式列车的时 间与飞机相当。经过运用x 2 0 0 0 摆式列车，瑞典铁路提速以后。客流大幅度 3 西南交通大学硕士学位论文 增加，挥统计1 9 9 5 年比1 9 9 0 年增加了7 8 。其他线路使用x 2 0 0 0 进行运营 以后也收到了同样的效果。由于采用摆式列车，瑞典铁路获得了非常好的经济 效益。 德国是世界上铁路高速大国之一，也是使用摆式列车最多的国家 1 1 3 。4 8 。9 ”“”i 。其摆式列车主要用于以下几种线路： ( 1 ) 在常规的、改进的以及新线开行1 6 0 - - 2 5 0 k m h 的列车。 ( 2 ) 填补新线建设间隙的空白。 ( 3 ) 在不准备改造为新线的常规线路。 ( 4 ) 在短途客运中提速到1 6 0 k m h 。 德国已有的摆式列车包括：2 0 列采用e t r 技术于1 9 9 2 年开行的v t 6 1 0 内燃动车组：四列由机车牵引的t a l g o 城间夜车，用于柏林波恩，柏林一 一慕尼黑的夜间旅馆列。同时还定购了两列用于汉堡慕尼黑的城间夜车和 1 0 0 列采用不同型式的摆式列车。其中有4 3 列采用f i a t 技术的i c t 电动列车， 运行速度为2 3 0 k m h 1 4 列内燃列车；另外还有5 0 列v t 6 1 1 列车，采用a g e 新式摆动机构。由于v t 6 1 1 系列列车采用机电式倾摆机构，与液压机构相比， 具有体积小、重量轻、效率高、可控性好及便于维护等诸多优点。但是，由于 交车时间短，试验不充分，造成了多次返厂改造。 日本是窄轨铁路第一个采用摆式列车的国家f l3 + 4 n 。邡】。日本除了新干线以 外大部分铁路为窄轨而且地处山丘。为了提高窄轨铁路的速度，日本首先开发 而且实际应用的摆式列车是3 8 1 系列自然摆式电动车组，车辆在曲线上的限速 比非摆式列车提高2 0 一3 0 。1 9 8 3 年开始把3 8 1 系列电动车组改造成3 8 3 系列，加一个动作风缸，并根据事先检测的线路数据储存于车载计算机中，根 据a t s 信号及车速来主动控制车体通过曲线时的倾摆动作。1 9 9 2 年开始进行 主动可控摆式列车的开发研究。采用密封回路式液压执行器，同时对曲线信息 的采集方法进行了改进，目前已经达到了实用阶段。 我国广深铁路公司于1 9 9 6 年同a d t r a n z 公司签署了租赁一列x 2 0 0 0 摆式 列车的合同，一动六拖，最高速度2 l o k m h 。于1 9 9 8 年8 月份开始运行，每 日往返广州一一深圳三次，最高运行速度1 9 0 k m h 。后来再增加二次广州一一 九龙，每天往返共1 0 次f 8 i 。 4 两南交通大学硕：学位论文 另外加拿火、美国、法国、英闺、瑞：i j 、奥地利、捷克、波兰、芬兰、 澳人利哑、挪威以及亚洲的马来西哑等一些国家也已购买或开始研制摆式列车 h “”4 4 “。表1 给出了世界各国摆式列车情况一览表。 表1各国摆式列车情况一览表 车型倾摆助动原型铁路轴重最大最大检测 方式方式组成部门 t 倾角摆速系统 a p t主动液压 e m ub r1 68 9 05g v t 6 1 0主动液压 e m ud b1 348 0 3 a v t 6 1 1主动机电 d m ud b1 368 0 4a + g v t 6 1 4主动液压d m u d b】686 03a i c t主动机电e m u d b】6o8 。 4a + g e t r 4 5 0主动液压 e m uf s1 251 0 06a + g e t r 4 6 0主动液压 e m uf s1351 0 06a + g e t r 4 7 0主动液压e m u s b b1 391 0 06a + g e t r 4 8 0主动液压e m u f s】35 1 0 06a + g 1 c n 主动液压动力集中 s b b1 349 05a + g 3 8 1 被动 e m uj r903 0 自由 t s e 2 0 0 0主动气动 d m u j r 四国 l oi5 0 6 s + a ；b 7 主动液压动力集中 n s b1 2o 7 0 35a + g b 7 主动液压 e m un s b1 2o 7 035a + g t a l g o 被动动力集中 r e n f e1 1835 0 自由 x 2 0 0 0主动液压动力集中 s j1 665 0 4g ll r c t 主动液压 d m uc n1 6l o o6a c d 主动液压 e m uc d k1 3 9 05 a + g p e n d o l s o主动液压 e m uc p1 351 0 055a + g $ 2 2 0 主动液压 e m uv r1 361 0 。 5a + g t g v主动 液压动力集中 f n c f1 1835 0 自由a + g 注：a 一加速度计g 一陀螺仪，s 一自动停车感应装置 总的来说，摆式列车技术已进入了成熟运用阶段，许多国家铁路系统都开 始运用摆式列车。一些国家开始试制或仿制而其它一些国家进口成套技术或 成套设备。以德国为例，既引进了西班牙的t a l g o 系统又引进意大利的f i a t 系 恧南交通大学硕士学位论文 统。与引进的同时自己又开发出= rv t 6 1 1 系统。主动摆式列车同被动摆相比， ；有摆动角度大的优点，实际运用证明采用摆式列车既可以提高列车舒适性义 可以提商运行速度3 0 左右，从而缩短旅行时间约为2 5 左右。虽然购胃费 用高f 一般客车，但是各国在采用摆式列车时都比较全面的考虑r 其经济效 益。可以说摆式列车已经成为世界各国迎接运输激烈竞争，提高旅行服务水平， 缩短旅行时间的一种有效方式。 i 2 国外摆式列车倾摆控制网络发展状况 西方发达国家在列车通讯网络方面已经进行了很长时间的研制开发，到 目前为止这方面的技术已经发展得很成熟。就目前我们掌握的资料来看，欧洲 及北美两大铁路系统分别采用了不同的通信网络系统。欧洲采用的是借鉴1 9 9 2 年4 月国际电工委员会1 e c 制度的“列车通讯网络”t c n 标准草案( t r a in c o m m u n i c a t i o r ln e t w o r k ) ：8 ”一。北美正逐步采用的是9 7 年7 月美国铁路协会 a a r 制度的“列车内部通讯规范”i t c s ( i n t r a t r a i nc o m m u n i c a t i o r l s p e c i f i c a t i o n ) i 8 。 其中i e c 列车通信网络( t c n ) 包含两极：连接各车辆的列车总线( t - - b u s ，见图1 1 ) 和连接一节车辆内或车辆组各设备的车辆总线( v - - b u s ， 见图1 2 ) 。列车总线与车辆总线之间通过网关连接6 j ( t c n 列车通信网络结 构见图l 一3 ) 。 列车总线为绞线式列车总线w t b ，其最显著的特点是它以连续顺序给节 点自动编号和让所有节点识别何处是车辆左侧或右侧的能力。多功能车辆总线 m v b 连接车内设备以及在固定编组中连接各车辆间设备，可以通过三种介质 工作至1 2 5 m b i t s ，短距离用r s 4 8 5 ，距离达2 0 0 米使用变压器耦合双绞线及 距离达2 0 0 0 米使用光纤，不同的介质可以煮接通过中继器互相连接：m v b 由 一个专用的节点控制，m v b 控制器在物理层提供冗余：一个设备在两个相互 冗余的线路上发送，但是从一条线路上接收，同时监视另一条线路。 6 西南交通大学硕_ 二学位论文 动力车 车厢车厢 图1 1 列车总线 图1 2车辆总线 尽管物理层与链路层不同，w t b 与m v b 都遵循相同的网络协议。列车 总线中传输两类数据，过程变量和消息。过程变量反映列车状态，通过w t b 从车辆总线到车辆总线的确定性传送时间保证在1 0 0 m s 以内1 1 6 。消息是不频 繁传送、但可能冗长的信息，比如诊断或旅客信息。介质访问方式为分周期 性和偶发性介质访问。周期性数据无须目标设备确认，偶发性数据必须得以 确认。 7 西南交通大学硕j ：学位论文 图1 3 列车通讯网络 变量发送由主节点触发，主节点广播一个请求发送某个变量的帧，变量 的原设备通过广播对所有的设备发送一个包含请求的帧。所有对此变量感兴 趣的设备采集此值。为了提高效率，每个帧带有相同周期的若干变量，这些 变量被称为数据集。在m v b 上，每个设备能够登记多达4 0 9 6 个数据集。在 w t b 上，一个节点只能发送1 个数据集，但能接受3 2 个。数据集存储在一个 共享的通讯存储器中，通讯存储器实现了一个由总线刷新的分布式数据库。 i t c s 体系与t c n 体系有很多相似之处，也存在一些差异。共同点是： 他们都改变了以往集散控制的方式，采用使用一对通信线( 双绞线或光纤) 作为主控机与各车节点控制器通讯媒介的网络化分布式控制方式：网络上传 送的数字信号都采用差分电平方式。其中t c n 电平为一9 4 - 9 v ( m a x ) ，1 c t s 为r s 4 8 5 标准的一7 + 1 2 v ( m a x ) ；数据编码都采用m a n c h e s t e r 编码方式； 数据传输率相近，t c n 在8 5 0 米距离下为1 m b p s ，i t c s 为3 0 0 米距离下 1 2 5 m b p s 。他们的不同点是：通讯网络协议及数据包帧格式不同。t c n 为自 己定义了网络协议及数据帧格式，i t c s 则借鉴了i s o 的七层网络协议及 c s m a c d 防冲突控制格式：主机及节点控制器收、发及处理数据的方式不同。 t c n 采用较高档次的计算机用软件方式实现主机及节点控制器内数据的打包 8 西南交通大学硕。i ：学位论文 一。 及解包过程，以及网络的管理功能，i c t s 则采用专用的嘲络信息处理c p u 柬 实现：他们的网络数据传送介质也存在不同，t c n 的网络数据传送介质为双 绞线或光纤，i t c s 除了双绞线和光纤以外还可以采用电力线及无线电传送方 式。 比较典型的控制系统x 2 0 0 0 列车控制系统的通信网络采用的是t c n 体系1 4 “2 “2 州l 。系统框图如1 4 所示。 图1 - - 4x 2 0 0 0 控制系统框图 在x 2 0 0 0 列车上，动力车上有车辆控制计算机，还有两个单独的计算机 用做司机室控制和制动控制，在同一辆车内的计算机通过车辆数据总线( v b u s ) 联系，各车间通过列车数据总线( t b u s ) 相联系，从而构成列车通信 网络t c n ( 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 ) 。 每节车辆上装备有中央处理器、本地控制器、分布式i o 单元以及显示器 设备。此外，还有用于旅客服务的信息服务装备。这些设备通过网关与通信 网络相接。列车编组时列车总线可以实现自动连接。通信介质采用屏蔽双绞 线。车辆总线可支持光纤介质。网关用于连接列车总线与车辆总线，确保各 车辆间数据通信链路的完全透明。处理单元主要由高性能的中央处理器及存 9 西南交通大学硕1 ：学位论文 储器组成，用于执行应用程序( 列车功能) ，既可以独立自成体系，也可以集 成于网关之中。本地控制单元与其所控制的设备安装在一起，其问通过光纤 介质隔离。分布式i o 单元将车辆总线与所监控的设备连接起来，它们由车辆 电池供电。网络符合国际电工委员会i c e 制定的列车通信网络标准： i c e 9 3 3 2 c d 。 通过对比t c n 和i t c s 两大体系通讯子系统的特点可以看出，他们在性 能及电气指标方面是很相近的。而且t c n 与i t c s 都符合i e e e 标准( i e e e l 4 7 3 1 9 9 9 ) ，它们分别符合i e e e 铁路运输车辆接口标准委员会制订的用于车载 数据通信的p 1 4 7 3 标准草案中的t y p et 草案和t y p el 草案。t y p e t 草案 是一个基于i e c 6 1 3 7 5 一l ：( t c n ) 1 9 9 9 的铁路控制网络协议，t y p e l 草案 则是一个采用l o n w o r k s 网络技术通信协议的多功能、开放的、互操作的控制 网络协议，能提供o s i 参考模式的全部7 层服务。 但是由于t c n 的实用化产品主要由西门子等几大欧洲公司所垄断，所以 不仅价格昂贵，而且很难获取开发中必需的资料及信息。而 t c s 由于是将工 业控制领域成功的网络控制系统引入铁路系统而成，可选用的组件很多。当 今比较流行的现场总线技术l o n w o r k s 网络技术，作为符合i e e e l 4 7 3 1 9 9 9 一l 标准的一种功能全面的测控网络，已经在铁路列车的门开关、恒温控制、 列车配置、车厢定向与排列等方面取得了成功的运用，技术潜力巨大，具有 良好的应用前景。 1 3 国内摆式列车倾摆控制网络的发展状况 我国对摆式列车倾摆控制技术的研究起步比较晚 3 0 3 1 】。9 0 年代初，在西南 交通大学机车车辆研究所严隽耄教授的倡导下，西南交通大学等科研机构和 车辆制造工厂以及铁路运营单位开始进行摆式列车的理论研究与实车的研制 工作。在国家自然科学基金和学校的资助下，1 9 9 6 年，西南交通大学机车车 辆研究所建成主动悬挂实验室，它可以对摆式列车倾摆系统、控制系统等进 行试验研究1 2 】。为我国摆式列车的研制创造了有利的试验条件。同时成立了捏 式列车课题组，集中了一批科研力量，开始厂我国摆式列车研制的新的阶段。 1 0 西南交通大学硕学位论文 摆式列车课题组对列车倾拦控制网络系统进行丁一系列开发研究。他们 采用r s 4 8 5 信令通讯标准构造了摆式列车试验系统的通讯结构| 6 8 1 ”。2 3 “1 ，在成 都内江段的电气化铁路上进行了实车通讯试验，取得了一些满意的结果。 通讯系统模拟结构如图1 5 所示。并且采用通讯模块完成r s 2 3 2 信号标准至 r s 4 8 5 信号标准的转换。图l 一6 表示了通讯模块的组成原理。 1 0 图1 5通信系统模拟结构 图l 一6 通信模块组成原理 西南交通大学硕 ：学位论文 在这个主从式通讯网络中，主计算机以查询方式向各从机发送报文，从 机始终处于监听状态，本机与主机呼叫地址吻合，则该从机取得j 主机的通 讯权，其他从机仍处于监昕状态。通讯以半双工方式进行，8 位数据位，1 位 停止位。可识别2 5 6 个从机地址。通讯周期为o 0 4 s ( 以5 0 m s 的速度通过曲 线) 。其缺陷是只构造了通信网络的物理层协议，还不能完全满足实车运用通 信的可靠性要求，距实车运用仍有很多工作要做。 目前科研人员正在尝试使用一些国内外成熟的技术，比如l o n w o r k s 网络 技术进行摆式列车倾摆控制网络及常规列车通信网络的开发研制，在这方面 已经取得_ 一定进展。 另外上海铁道大学、北方交通大学和株洲电力机车研究所等单位也参照 t c n 标准，研制了由a r c n e t 列车总线和h d l c 重联总线构成的列车通信网 络，针对不同的功能单元，开发了相应硬件和部分软件，在实验室进行了网络 通信可靠性试验、电磁兼容性试验和高低温环境条件的试验。 铁路列车通信网络的开发研制已经成为当前我国铁路建设的一大热点。 在各科研单位加紧进行研制的同时，各铁路工厂均将列车通信网络纳入自己开 发的高速列车、动车组及地铁、轻轨车的设计当中。 但是在目前国内列车通信网络早期运用阶段，列车通信系统和列车控制系 统是相对独立的，未能形成完整的、功能全面的列车通信控制网络7 1 2 4 4 ”。 列车通信系统的的主要任务是收集全列车各部件的状态、数据，以便进行监视 和诊断。而列车控制系统主要通过硬连线把命令传送到各节车厢从而实现全列 车的重联控制。出口给伊朗的t m l 型客运电力机车采用的就是这种方式，使 用的是m i c a s - - s 2 列车控制与通信系统( 见图l 一7 ) ，实现了首尾机车的重 联，其硬件与软件是从a d t r a n z 公司进口的，价格昂贵，难于推广。目前这一 技术正应用于2 0 0 k m h 电动旅客列车组上。国内列车通信网络的应用也仅局 限于此。 近期由株洲电力机车厂和株洲电力机车研究所联合开发的用于替代广深 线x 2 0 0 0 摆式列车时速2 0 0 公里的动车组，拟采用对全列车进行监控系统的列 车通信网络m i t r a c ，预将全列车的机车重联、制动、门控等功能模块全部纳 入该网络，形成真正的列车通信控制网络。西南交通大学、唐山机车车辆厂及 1 2 西南交通大学硕一l ：学位论文 一一 洲电力机车研究所等单位合作研制的摆式列车也要建立列车倾摆控制网络。科 研人员欲从国外全部引进绞线式列车总线w t b 和多功能重联总线m v b 等通信网 络产品，通信网络要完成实时性要求比较高的列车倾摆信息的传送。 从实际情况来看，国内列车通信网络正处在从实验室研究向上车实际运用 的过渡阶段，有许多工作要做。 列车控制锺 车厢控囊蝴e 列车总线 1 5 本文主要工作 图1 7t m l 型机车控制网络 在摆式列车技术中，倾摆控制网络技术是关键技术之一。它是联系列车内 部各个测控节点与头车内主控计算机的功能组件。作用是向各车辆内控制部件 传送主机的控制命令，以及将车辆内的各控制部件信息数据传送给主机。倾摆 控制网络性能关系到摆式列车倾摆动作的品质，也关系到摆式列车运行的可靠 性及安全性。 国外铁路技术先进国家的通信控制网络技术已经发展得很成熟，它不仅用 于摆式列车的倾摆控制，通信控制网络同时还用于机车牵引控制和列车信息网 络建设。它对高速铁路列车来说也是关键的技术之一，在铁路列车系统中有着 1 3 西南交通大学硕士学位论文 ，。阔的应用前景。 当前，我国铁路运输面临良好的机遇和挑战，正在进行高速列车和摆式列 车开发研制工作。虽然列车通信控制网络的研制也已经有十年左右的时间，但 是目前仍处于研制阶段，还未有实用化的产品出来。而t c n 的技术产品被西 门子等欧洲大公司所垄断，技术以及其产品价格昂贵，并且技术资料及信息很 难获得，维修使用成本也相当高。以我国的经济实力很难承受。所以，依靠我 国自己的力量尽快开发出适合我国国情的列车倾摆控制网络是非常必要的，也 是最切实可行的办法。 依靠我国自己的力量进行摆式列车倾摆控制网络开发研制，最好的办法是 选用开放的、技术成熟的测控网络作为摆式列车倾摆控制网络。这样不仅可以 节省大量的投资，也可以便我们处于一个比较高的起点上，缩短与国外先进国 家的差距。同时大大减少开发周期，还可以保证通讯网络的可靠性。 总的来说，选用成熟的测控网络技术进行列车倾摆控制网络方面的研究开 发对我国铁路高速建设，摆式列车研制，机车牵引控制及列车信息网络系统等 现代化建设都具有非常大的现实意义。 本文主要工作是根据摆式列车倾摆控制网络工作原理，参考国内外列车 倾摆控制网络，采用l o n w o r k s 技术设计摆式列车倾摆控制网络系统，对其进 行通信试验并在试验台上进行模拟试验，对性能进行分析研究。 工作内容包括： ( 1 ) 调研国内外摆式列车倾摆控制网络技术发展状况； ( 2 ) 摆式列车控制系统原理及倾摆控制网络功能分析； ( 3 ) 运用现场总线技术l w o r k s 网络技术设计摆式列车倾摆控制 网络； ( 4 ) 分别对试验系统进行网络通信和模拟试验台的性能试验： ( 5 ) 对试验数据进行分析研究。 通过试验研究表明，使用l o n w o r k s 网络作为摆式列车倾摆控制网络是完 全可行的，它可以满足摆式列车倾摆动作控制的要求。 1 4 西南交通学硕j ：学位论文 第二章现场总线技术l o n w o r l s 技术 为了加快我国摆式列车的倾摆控制网络系统的研制开发，经过对国内外倾摆 控制网络技术的调查研究，西南交通大学主动悬挂试验室购买，现场总线技术一 一l o n w o r k s 技术及开发工具。具备了使用l o n w o r k s 网络技术进行摆式列车倾摆 控制网络系统研制开发的能力。从而使摆式列车倾摆控制网络研究，进入r 使用 国外先进、成熟的倾摆控制网络技术进行开发研制阶段。在这方面将有很多工作 要做。 本章将介绍现在比较流行的现场总线技术l o n w b r k s 技术。 2 1 现场总线概述 现场总线是当今自动化领域技术发展热点之一，被誉为自动化领域的计算机 局域网。它是应用在生产现场、在微机化控制设备之间实现双向串行多节点数字 通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络限扼”】。它使 自控系统具有了通信能力，把它们连接成网络系统，加入到信息网络行列。可以 说，现场总线技术是一个控制技术新时代的开端。 现场总线控制系统既是一个开放的通信网络，又是一种全分布控制系统。它 作为智能设备的联系纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接成为 网络系统，并进一步构成自动化系统。这是一项以智能传感器、控制、计算机、 数字通信、网络为主要内容的综合技术。现场总线技术导致了传统控制系统结构 的变革，形成了新型的网络集成式全分布控制系统现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 。这是继基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模 拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统d c s 之后新的一代控制 系统。它突破了d c s 系统中通信由专用网络的封闭系统来实现所造成的缺陷， 把基于封闭、专用的解决方案变成基于公开化、标准化的解决方案。 由于仪表的微机化以及设备的通信能力，f c s 具有较高的测控能力指数。图 1 5 两南交通学硕士学位论文 2 1 是测量控制系统各阶段测控仪表能力指数示意图。把微处理器茕入现场自 控设备、使设备具有数字计算能力和数字通信能力，提高了信号的测最、控制和 传输精度，同时为丰富控制信息创造r 条件。在现场总线的环境f ，借助设备的 计算、通信能力，在现场就可以进行许多复杂的计算，形成真正的分散在现场的 完整的控制系统，提高控制系统运行的可靠性。 - 嚣 蠢 开放# k 。严字 鳌黧蠹 5 0 年代1 9 6 0 1 9 8 01 9 9 8 图2 一l 各阶段测控仪表能力指数示意图 由于采用数字信号代替模拟信号，因而可以实现一对电线上传输多个信号( 包 括多个运行参数、多个设备状态、故障信息) 同时又可以为多个设备提供电源； 现场设备以外不再需要模拟一数字、数字一模拟的转换部件。可以简化系统结构， 节约硬件设备、安装电缆及各种安装维护费用。 现场总线系统在技术上具有以下特点： ( 1 ) 系统开放性； ( 2 ) 互可操作性与互用性； ( 3 ) 现场设备的智能化与功能自治性； 1 6 西南交通学硕士学位论文 ( 4 ) 系统结构的高度分散性： ( 5 ) 对现场环境的适应性。 现场总线的技术特点决定，它以f 优点： 【1 ) 节省硬件数量与投资： ( 2 ) 节省安装费用； ( 3 ) 节省维护开销； ( 4 ) 用户具有高度的系统集成主动权； ( 5 ) 提高了系统的准确性与可靠性。 目前，比较著名的现场总线技术有基金会现场总线、l o n w o r k s 、c a n 、 p r o f i b u s 、h a r t 等1 1 8 4 8 1 。现场总线技术是综合自动化的发展的结果，它将朝 着开放系统、统一标准的方向发展。 2 2 l o n w o r k s 技术概述 l o n ( l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k s ) 是美国e c h e l o n 公司推出并与摩托罗拉、 东芝公司共同倡导的局部操作网络。它采用i s o o s i 模型的全部七层协议，于1 9 9 0 年正式公布形成3 1 。”。4 8 i 。采用面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设 计简化为参数设置。通信速率从3 0 0 b p s 至1 5 m b p s 不等，直接通讯距离可达2 7 0 0 米( 7 8 k b p s ，双绞线) ：支持双绞线、光纤、射频、红外线、电力线等多种通信 介质。l o n w o r k s 技术为l o n 总线设计、成品化提供了完整的开发平台。l o n 总线成为当前最流行的现场总线之一，是一个具有强劲实力的现场总线技术，被 誉为通用控制网络。 l o n 现场控制网络包括现场控制节点这些节点可以是直接采用神经元 芯片作为通信处理器和测控处理器，也可以是神经元芯片的h o s tb a s e 节点、通 信介质和通信协议。l o n w o r k s 技术是集成这样一个l o n 网络的完整开发平台， 其包括以下几个部分： ( 1 ) l o n w o r k s 节点和路由器： ( 2 ) l o n t a l k 协议： ( 3 ) l o n w o r k s 收发器： 1 7 西南交通学硕士学位论文 ( 4 ) l o n w o r k s 网络和开发工具。 l o n w o r k s 节点主要包括以下几个功能块：应用c p u 、i o 处理单元、通信 处理器、收发器和电源。其包括有以神经元j 芒；片为核心的控制节点( 如图2 2 所示) 及采用m i p 结构的控制节点m ”4 8 l 。神经元芯片是8 位总线，目前支持 最高主频为1 0 m h z ，功能有限。对于复杂的控制如带有p i d 算法的单回路、多 回路的控制采用h o s tb a s e 结构是解决这一矛盾的很好办法，将神经元芯片作为 通信协议处理器，用高级主机的资源来完成复杂的测控功能。图2 3 是一个典 型h o s tb a s e 节点的结构框图。 ，址，。 图2 2 神经元节点结构框图 图2 3h o s t b a s e 节点的结构框图 西南交通学硕i ：学位论文 路由器在l o n w o r k s 技术中也是一个置要的部分，这是其它总线不具备的， 它使l o n 总线突破传统现场总线的限制小受通信介质、通信距离、通信速 率的限制。 在l o n 总线中需要一个网络管理工具，这也是和其他总线不同的地方。网 络管理的功能主要有三个方面： ( 1 ) 网络安装。l o n 总线动态分配网络地址，通过网络变量和显示报文进 行通信，并可以设置报文发送无响应、重复发送、应答和请求响应等四种方式。 ( 2 ) 网络维护。由于动态分配地址，所以替换出错设备方便。 ( 3 ) 网络监控。l o n w o r k s 提供了系统级的检测和控制服务。 总的来说，l o n 总线的性能特点是，拥有三个处理单元的神经元芯片，分 别用于链路层控制、网络层控制和用于用户的应用程序，还包含1 1 个i o 口， 一个神经元芯片就能完成网络和控制功能：支持多种通信介质：l o n t a l k 是l o n 总线的支持全部七层网络协议的