CRH5列车网络控制系统

第六章CRH5列车网络控制系统,-TCMS,第一节网络控制系统（TCMS）的体系结构,一、TCMS的体系结构CRH5动车组配有一套基于多台微机的系统，可控制并监控所有列车和车辆的相关功能(列车网络控制系统TCMS)。其结构基于TCN标准(IEC61375-1)，具有WTB(列车总线)和MVB(车辆总线)串行接口，使用两个冗余的MPU模块，每个动力单元一个。TCMS体系结构基于具有高冗余度的标准TCN，该体系结构使用2个标准的TCMS模块，每半列车（称为车组）一个。,两个动力单元通过网关进行动力单元间和连挂列车间的通讯。此外还有一个CAN总线标准的车辆总线，仅用于次要设备的诊断。系统具有完善的冗余和控制、诊断和监视以及故障存储功能。,一个标准的TCMS模块可以控制4节车辆，并且包括两个不同的等级：牵引（主要功能）支持（次要功能）从两个MPU中（冗余设计）对每条总线进行控制。根据设备的数量或线路的长度，可利用“中继器”来增加MVB总线的长度。MPU有两个MVB接口。第二个接口将两条总线的MPU与MVB/WTB网关（冗余设计）和驾驶员监控器连接在一起。,网关被用于在TCMS模块之间交换信息。下图中显示的主要设备连接在MVB总线上。非智能设备通过远程输入/输出模块（RIOMS）与TCMS系统接口。RIOM被分布在每辆车中，从而减少配线和相应的重量。在每个重要位置上均预留冗余的RIOM。,注：有重影的设备表示冗余。,TCMS主要零部件可以按照以下分组：列车控制与监视单元：MPU(微处理单元)WTB/MVB网关RIOM（远程I/O模块）MVB中继器,人机接口设备:司机室主监视器司机室诊断监视器本地监视器(在列车长室)控制杆、开关、按钮、灯位于低压配电柜和司机台上的低压零部件（继电器、二极管）。,与原型车SM3的改变之处：诊断线采用CAN总线替代RS485充电机连接到CAN总线上将自动车钩控制单元连接到CAN总线上司机室RIOM在MVB-A和MVB-B上分开“本地牵引控制”(CLT)与HV箱RIOM集成在一起,在车辆级MVB总线上，该体系结构被分为两个不同的层次：牵引和服务设施,每一层次均使用一对MPU进行管理。这两个层次的MVB总线通过第三条MVB总线（信号总线）连接在一起。此总线由牵引层的MPU控制。,二、列车总线,两个动车组之间的连接通过穿过头车自动车钩的“WTB”（列车总线）型冗余链路来实现。此总线是TCN网络的一部分，它在长度因挂钩/摘钩操作而发生变化时可以实现网络的动态重组（网关重新编号）。该总线使用具有可控阻抗的冗余介质，其传输的信息速率约为1Mb/s。传输距离为860米，22个节点，备用节点有4个。网关的轮询周期约为50ms。同一总线还用于两个单元之间的通信。,每次列车重新编组或列车连挂初运行，要进行列车总线即WTB总线的配置，对于规范的列车总线WTB，本身具有自动配置功能,操作人员只要按规程操作，最后检查配置状态以确认配置是否正确。如果配置不正确，列车总线将不能正常通信。,三、网关,网关可以实现列车总线与车辆总线之间的双向信息交换。每个网关与列车线路之间以128字节的报文（周期数据）交换与其车组相关的信息，并接收来自整个列车编组中其他所有网关的同类信息。网关为完全冗余（电路板、连接器、电源等）。,四、MPU-LT,MPU-LC,MPU（MainProcessingUnit，主处理单元），负责对相应车辆输出指令和控制。在每一车组中（4辆车）有2对MPU。其中的2个（MPU-LT）控制牵引和信号设备总线上的所有设备，而另外2个（MPU-LC）则控制车内设施和CAN总线上的所有设备。MPU功能任务周期可认为不超过100ms（目标值为50ms）。,五、车辆总线,车辆总线为MVB（MultifunctionVehicleBus，多功能车辆总线）。该总线使用阻抗受控的冗余介质，其传输的信息速率约为1.5Mb/s。最大传输距离200米，32个节点（设备）。备用节点至少每段为20%。用于处理数据的备用带宽约为30%。在此总线上可以使用不同的轮询周期：从用于快速信息的32ms到用于较次要信息的512ms。每个车组有3条总线：牵引、车内设施和信号。,六、中继器,中继器是一种主要为硬件的专用设备，用于扩展MVB在长度和节点方面的容量。事实上，通过中继器连接的MVB总线的两个不同区段在MPU层次上看来只是一个有32+32个节点、200+200米长的一条MVB总线。中继器引起的数据传输延时非常微小。,七、监视器,（一）司机台监视器驾驶台上有2个分别名为TS和TD的监视器。监视器为彩色TFT显示器。屏幕尺寸为10.4英寸，其分辨率为800 x600（SVGA）。监视器带有加热器和风扇，可在低和高环境温度下使用。监视器具备“节电”模式功能，可以延长寿命。监视器所使用的语言为中文。,（二）TS监视器,TS监视器以图形化方式向司机显示主要驾驶信息值（即线电压、线电流、力矩等）。司机可以用屏幕周围设置的一组按键与监视器进行交互。也可以使用这些按键向设备发送全局性或选择性命令。司机还可以在专门画面中通过监视器手动排除掉某些设备。,（三）TD监视器,TD监视器向司机显示有关整个编组（2组联挂的列车）全部设备的所有诊断信息。所有被监视设备和组件的状态（启用、停用、故障、被排除等）。具有操作指导的自动报警（在故障情况下）。司机可以用屏幕周围设置的一组按键与监视器进行交互。也可以使用这些按键向设备发送全局性或选择性命令。司机还可以在专门画面中通过监视器手动排除掉某些设备。,（四）本地监视器,在每辆车的BT机柜或乘务员室中将会提供本地监视器。此显示器的主要功能是：显示主要本地信息（即制动气缸压力等）的默认画面发送本地命令（即设置乘客车厢温度、灯光等）显示自动报警显示车辆设备的状态显示车辆的故障信息本地监视器与驾驶台监视器的技术特性相似。,表5-2TS与TD主要显示信息如下,八、RIOM,RIOM（远程输入/输出模块，）为MPU执行信号采集并执行由MPU发送的输出命令。它们通过车辆牵引总线与MPU进行通信。每个IO部件可以有不同类型的输入/输出：数字输入（以电池负极为参考的数字信号）模拟输入（电流或电压模拟信号）数字输出（继电器触点，用于断开RIOM与外部电路的连接）模拟输出（电流或电压模拟信号）,第二节列车网络控制系统（TCMS）的冗余性及故障对策,TCMS是一个智能单元，通过采集、传输信息和命令来管理列车上的大多数主要设备。为了保证列车上设备信息传送的正确性，TCMS必须工作正确。因此，列车网络控制系统重要部分采取冗余设计来优化系统的可靠性。,冗余功能以并联连接的冗余输入和冗余输出实现。冗余管理依据冗余设备中对故障的辨识进行完全自动管理。对于列车认为是重要的信号通过远程I/O模块被冗余地获得，并沿着MVB串行线传输到指令和控制单元。,一、网关冗余性,只有一个启用，而另一个处于待机模式，并且可在已启用的一个发生故障时立即自动开启。这一转换过程对应用而言是透明的。为对这种情况进行管理，网关的两个部分通过一条内部串行总线（CAN）进行通信。同时还通过同一条串行线进行确定谁为主站、谁为从站的仲裁。,正常情况下的网络配置,网关1故障,二、MPU冗余性,MPU的冗余类型为热备冗余。两个MPU均可管理其MVB总线（单条或多条）。它们读取相同的输入，并执行相同的任务。在故障情况下一个会自动接替另一个。同一总线上的所有设备均由同一MPU发送指令。当MPU1故障时，MPU2替代了MPU1作为MVB“1”和MVB“2”线上的主控制器。,MPU1故障时的网络配置,三、RIOM冗余性,为实现冗余功能，RIOM的输出继电器以并联连接。当一个输出出现故障时，其继电器将被释放。相应功能由冗余RIOM的输出保证。最坏的情况可能是当电源故障或MVB接口故障时，在这种情况下，该RIOM的所有输出继电器均会被释放。同样在这种情况下相应功能也由冗余RIOM的输出保证。,四、监视器冗余性,（一）驾驶台监视器冗余性TS和TD互为冗余。当二者之一出现故障时，司机可以通过屏幕周围的按键选择作用模式（TS或TD），以便从另一个监视器上获取所有画面及信息。此监视器的冗余性不是自动实现的，需要司机干预。,（二）本地监视器冗余性由于车辆的诊断数据保存在MPU内存中，在本地监视器出现故障时，可以使用驾驶台的监视器获得故障监视器的信息。本车监视器不设冗余。,五、中继器冗余性,只有一个启用，而另一个处于待机模式，并且可在已启用的一个发生故障时立即自动开启。,六、系统复位程序,尽管系统可以自动地处理大量的故障，但是仍有些故障不能自动处理，这时可通过使用司机室内的复位按钮对整个系统进行复位操作。,七、故障对策,TCMS（列车网络控制系统）均有故障自诊断、保存故障信息、必要的故障自排除及重要故障信息传送到司机监视器和本地监视器的功能。通过显示器，乘务员获得与各种列车设备状态相关的信息，并能通过预置的列表手动排除故障。可根据故障性质对其实施分类管理，并在司机和/或显示器上提供必要的故障处理。,第三节列车网络控制系统（TCMS）的功能与系统性能,一、TCMS的功能TCMSexecutesitsownfunctionsbymeansof:TCMS通过下列方法执行自己的功能：cablingandrelays布线和继电器integratedsoftware集成软件pneumaticcommands气动命令,Maininvolvedfunctionscanbeclassifiedasfollows:主要涉及的功能可以划分为以下几类：traction牵引brake制动auxiliarypowersupplysystem辅助供电系统auxiliarypneumaticsystem辅助气动系统signalling信号bogiemonitoring转向架监视passengersaloonairconditioning乘客客室空调driverscabairconditioning司机室空调passengerinformationsystem乘客信息系统external(side)doors外部(侧)门internaldoors内部门manmachineinterface(drivingdesk)人机接口(司机台)diagnostic诊断,司机台状态由TCMS通过RIOMs进行检测，并且直接通过WTB/MVB网关输出数字信号来执行以下功能:manageGatewaywake-upfromthestand-bystatuswhenthedeskkeyisactivated当司机台钥匙激活时，将网关从待机状态唤醒TomanagetheTCNinaugurationsequenceandtheleadingvehicleelection管理TCN初始化序列和头车的选取,1.LeadingVehicle正常操作中(当两列车联挂时也是一样)，TCMS选出一个”头车”来正确地管理牵引指令，避免在发布牵引命令时产生冲突。这节车定义为”主牵引控制”（tractionmaster)。每一次，头车识别结果不能超过一辆，并且，如果存在，应该是插入司机台钥匙并启动的那节车。主牵引控制选择的过程(叫做”TCN初始化”)是根据IEC-61375标准的要求在列车总线级进行管理的;在选择结束时，应仅有一节车被选为头车，并且相应的WTB/MVB网关将成为列车的主牵引控制节点。只有头车才有权限发布牵引指令。,2.“Standstill”mode“静止”模式是EMU的一个特殊操作状态，即使没有启动司机台，列车HV(受电弓升起、高压电路供电、辅助变流器接通且板卡在正常操作中运行，)依然保持得电。这种操作模式用于在不切断列车的供电而改变司机台。这种操作模式的启用仅能通过从启动的司机台的一个发光按钮实现。,TCMSMPUs检查“静止”模式所需要的条件，然后在本地通过MVB总线，在整列编组通过WTB总线发布恰当的命令。“静止”模式仅在下列条件都满足时才能启用：列车静止有高压有中压(不是来自外部插座而是来自辅助变流器)有低压启动的司机台上的运行方向控制杆处于中间位置供风指令没有启动列车处于制动状态主风管压力正常WTB运行,3.Traincoupling获得来自司机台上制动手柄和信号装置的制动请求（电制动和气动制动请求）。在编组中的主BCU通过司机台钥匙的插入进行定义。每个BCU控制本车气动管路。在每个动车上，都有一个牵引控制单元(TCU)，与TCMSMVB总线接口;每个TCU执行本车电动制动功能并且通过硬线连接驱动互锁阀。,TCMS系统获得牵引手柄位置和相关的制动手柄位置来执行控制逻辑，并管理对编组列车的TCUs的电动制动力要求。,数据流,主BCU直接读取制动手柄位置和信号系统的制动请求并处理这些信息，设定执行制动所需要的电制动力和电空制动力。电空制动命令通过制动总线发送给列车编组的所有BCUs，相应地执行本地气路的控制；TCMS不涉及此功能。电制动命令通过TCMSMVB总线传送给牵引主控制的MPU进行处理并通过列车控制网络(MVB和WTB)传送给所有的TCUs。,在每个动车上，制动面板有一个互锁阀。当这个阀得电动作时，抑制动轴上的空气制动。在正常操作中，每个TCU执行电制动，在给动轴施加ED制动时给本地互锁阀通电。如果一个或者更多的TCUs不能够执行电力制动，它们将通过列车控制网络(MVB和WTB)通知TCMSMPU并释放本地互锁阀。TCMSMPU通过列车控制网络传送不可用的电力制动端口的信息，以便于MBCU可以执行需要的动作。另外，每个BCU通过直接读出本地互锁阀的状态来得知本地ED制动故障。在紧急制动过程中，TCMSMPU切断任何对TCUs的电力制动或者牵引请求，且所有的互锁阀都被释放；而且每个互锁阀都被旁路。,MBCU收集所有车辆的诊断信息并通过MVB总线传送给TCMSMPU.,停放制动每节车上的BCU通过压力传感器检测停放制动状态，并由主BCU通过MVB接口传送给TCMS。停放制动上的诊断由BCU在本地进行，并发送给主BCU而后发送给TCMS。乘客报警所有的车辆都配备有一个乘客报警制动系统，司机可将其动作置为中立。当乘客报警系统手柄被启动时，一个硬线连接的回路就打开了；这个事件通过一个硬件指令立即给司机一个声光信号。在延迟之后（待定），头车中的紧急制动面板的电磁阀失电引起紧急制动。在延迟过程中，司机可以不管报警（不予制动）防止列车停止。,上述的动作序列由硬件进行管理；TCMS通过RIOM检测乘客报警回路和每个乘客报警手柄的状态用于诊断目的。乘客报警的发生通过本地监视器通知列车员，并被记录在诊断中。由BCU对乘客报警零部件进行诊断，而后传送给主BCU并随后给TCMS,如前所述。,5.WheelSlideProtection每个EMU有5个牵引变流器。每个牵引变流器由一个牵引调节器进行管理(TCU-牵引控制单元)，执行控制与诊断功能。诊断数据随后经由MVB总线被传送到TCMSMPU。牵引子系统还包括一个”CLT”单元(牵引系统本地控制)，也就是，放置在每个高压箱内中的一个冗余设备。这个设备有专用的微处理器单元，有特定的软件，和一套模拟与数字输入输出；还提供有一个连接到TCMSMVB总线的MVB接口。,CLT负责下列主要功能：高压电路保护电流不平衡保护谐波电流检测,8.1PantographmanagementEMU配备有两个受电弓，分别在车辆TP和TPB上。在正常操作中，仅使用一个受电弓，但两个受电弓在硬件和软件上都没有互锁以防止两个受电弓升起。升弓/降弓命令可以通过司机台上两个控制杆进行设定；TCMS通过RIOMs读出它们的位置并且处理正确的逻辑功能，并借助于冗余RIOMs驱动相应的阀动作在本地执行受电弓命令。非紧急状态下降弓则是释放相应的阀。在紧急状态下，通过硬件指令进行操作。每个受电弓都可以通过司机台上主监视器(TS)的指令将其隔离,还可以通过塞门在气路上进行隔断。,8.2HVconfiguration在TPB车上装有一个附加断路器(通常是关闭的)，目的是为了隔离故障的牵引单元。TCMS通过RIOM闭合附加断路器来配置车顶高压线，另外TCMS还使用冗余RIOMs检测附加断路器状态并执行有关的诊断。8.3DJclosingcommand可以通过启用司机台上的一个按钮发布闭合主断路器的请求，或者当离开分相区时由列车逻辑发布。TCMS通过冗余的RIOMs检测按钮是否按下，而后检查闭合主断所需的总体条件。如果满足，命令通过TCN被传送给列车编组中的所有列车，并且在发布关闭命令之前检查本地条件。,8.4HVlineprotection所有高压电路的保护都是由硬件电路完成的，没有TCMS的支持；当CLT保护动作时，通过CLT的MVB接口通知TCMS动作原因。,9.Phasesplittingmanagement系统可以通过GFX3设备，检测一个分相区的开始和结束，通过执行以下操作自动管理过分相区：牵引主控制的TCMS从GRFX3读到一个“接近分相区”的数字信号；TCMS通过WTB/MVB向每个牵引变流器发出请求，管理过分相区过程。每个TCU自动发出一个轻微电制动的命令；DJ自动打开。,在分相区的最后，GFX3设备通知TCMS并执行有关的操作：在牵引主控制上的TCMS通过RIOMs检测来自GFX3设备的信息；DJ自动重新关闭TCMS要求TCUs的来管理分相区；每个TCU管理恢复正常列车操作要求的力,10.Traction这个加载不排序。变流器冷却风扇和感应器风扇有两种速度；TCU对设备启动和速度进行要求，但是启用命令被提交给TCMSMPU根据加载逻辑控制。变压器冷却系统当出现MV的时候，油泵启动，它们是通过TCMS加载序列逻辑进行管理的。万一两个泵中有一个出现故障，变压器仍运行但进入过温保护状态。如果到了第一个温度阈值处，降级使用，到了第二个温度阈值处，变压器将被隔离。,12.Speedsignals列车的速度信号来自信号装置（ATP/LKJ2000），显示在司机台上ATP和LKJ2000的显示器上。ATP和LKJ2000都不给TCMS传送速度信号。MBCU通过自己的传感器采集列车速度，并通过MVB传送给TCMSMPU。该速度信号可用于下述功能：在司机台的主显示器TS上显示备份的速度信息；在PIS显示器上显示列车速度；列车联挂和解挂时启动开闭机构；门的锁定。,13.Driversdesk13.1LightingIndicators,13.2Han