动车组信息网络系统-列车通信网络概述

动车组类型及分类方法目录CONTENTS01列车通信网络概述02CRH1型动车组网络控制系统04CRH5型动车组网络控制系统03动车组网络控制系统列车通信网络概述ARCNET转向以太网，而且ARCNET传输时间的确定性、数据传输的可靠性和组网的灵活性，使其在工业实时控制系统中找到了新的应用途径——嵌入式控制系统的应用。近年来它被广泛应用于各种自动化领域，也大量应用在高速列车的控制系统中。

ARCNET是

一种基于令牌传递

【-】(token

passing)

协议(IEEE

802.4)

的现场总线。IEEE

.4标准是令牌总线介质访问方法和协议标准。它规定了令牌总线介质访问控制(MAC)子层、物理层的服务规范、帧结构形式、控制方式的功能及其形式描述。1999

年成为美国国家标准ANSI/ATA-878.1。列车通信网络概述1.令牌总线网的工作原理

令牌总线的物理连接一般采用总线拓扑，

通过使用一个称为令牌的特殊比特组合作为控制介质访向权力的唯一标志。

令牌总线采用半双工的通信方式，只有获得令牌的节点才能发送信息，其他节点只能接收信息，或者被动地发送信息(在拥有令牌节点的要求下，发送信息。列车通信网络概述令牌总线网中，令牌在网络节点之间是顺着一个逻辑环路来传递的。为了构成这个逻辑环路，每个节点都动态地维护着一个连接表，该表记录着本节点在环路中的前继、后继和本节点的地址，每个节点根据后继地址确定下一占有令牌的节点。如图4.3所示。(除总线拓扑外，树状拓扑、星状拓扑等其他拓扑也可组成逻辑环路)列车通信网络概述图4.3中的逻辑环为1→3→5→7→8→6→4→2。也就是说，网络中令牌的传送是按虚线逻辑环进行的，而数据帧的传送仍在两站点间直接运行，故这种结构又叫做逻辑环网。一个站点要发送数据必须持有令牌，持有令牌的站发完数据帧或发送的数据帧到达规定的个数，必须将发送控制权传送到逻辑环的下游站。这样，网上各站都有平等的发送数据帧的机会。而且，网上只允许有一个令牌，避免了发送时的竞争现象。列车通信网络概述2.令牌总线的特点由令牌总线的工作原理，我们可以得知令牌总线具有如下特点：（1）同一时间，总线上只有一个数据帧在传输，也即只有一个节点在传输数据；（2）总线上所有节点共享网络带宽；（3）有最小的传输延迟时间。逻辑环网与物理环网（IEEE802.5标准）相对比，由于物理环网传送数据必须按环路进行，而逻辑环网传送数据有直接通路，所以逻辑环网延迟时间最短。（4）数据从一个节点传到另一个节点的时间是可计算的，可用于实时控制。逻辑环网与一般争用总线网相比，在网络通信量增加的情况下，争用总线网冲突增加，系统开销随之增大，系统效率迅速下降而逻辑环网可实现有优先级的数据传送，且访问和响应时间有确定值，符合实时应用要求。因此在列车通信网络中可以采用ARCNET这类令牌总线网络。

列车通信网络概述1.ARCNET协议

从OSI参考模型来看，ARCNET定义了ISO/OSI七层参考模型当中的数据链路层和物理层，并开放底层接口，允许用户自行开发嵌人式设备。设计者应针对具体的应用自行设计应用层。在物理层，ARCNET规定可使用的传输介质有同轴电缆、双绞线、光纤，可满足绝大多数自动控制应用对速度、抗干扰性和物理介质的要求。一般来说，用同轴电缆作传输介质，最大传输距离为300m;若用双绞线作传输介质，最大距离约为120m。

列车通信网络概述ARCNET的数据传输速率为2.5

Mbit/s,最大传输距离可达6.4

km;新型的ARCNET

plus速率已从原来的2.5

Mbit/s增加到100

Mbit/s

(使用光纤时)。

ARCNET支持总线型、星形以及分布式星形等拓扑结构，最多可支持255个节点互连，并可实现多主式连接。对于总线型，在不加中继器的情况下，可带8个节点。每个ARCNET物理节点包括一个数据链路层的通信控制器芯片和一个物理层的收发器芯片。每个节点有一个网络地址(MAC地址),该地址由管理员通过8位拨码开关来设定。MAC的地址范围是0~255。

列车通信网络概述在数据链路层，采用令牌传递(

Token

Passing

)实现介质访问。各节点通过传递令牌来协调网络使用权。一个站只有获得令牌才能访问总线。当一个站获得令牌，它可以向其他站发起-次传输，

也可以向它的逻辑邻站传递令牌。每得到令牌后只能发送一包数据。所有总线上的站是平等的，共享总线带宽。这样的机制避免了冲突，因此ARCNET用于实时系统具有明显的优点:设计者可以准确预测每个站发送一条消息所需

的时间。这一点对

于需要及时相应控制的系统或机器人来说尤其重要。

ARCNET网具有效率高、节点进退网操作比较简单、实时性好等特点，用它作为列车通信网中的列车总线能够满足列车的特殊要求。

列车通信网络概述LonWorks

控制网络20世纪90年代初，美国Echelon公司发明了LonWorks

(

Local

Operating

Networks

)控制网络技术，它是一个开放的控制网络平台，是目前控制领域中应用最广的通用控制总线技术之一。自20世纪80年代后期开始，Echelon

公司即着手开发LonWorks

技术平台，为了支持它成为现场总线的通用标准，Echelon

公司公布了有关的技术资料，并由此获得了极大发展。到目前为止，全世界安装的LonWorks结点已超过400万个，已有3

000多家公司致力于研究LonWorks控制网络产品和解决方案，涉及包括建筑、家庭、工业、通信和交通等在内的多个行业。LonWorks

技术逐步成为完全分布式的、开放的、可互操作的网络控制系统的一个通用技术平台。

列车通信网络概述LonWorks网络的技术核心是LonTalk协议，开放式通信协议LonTalk为设备之间交换控制状态信息建立了一个通用的标准。在LonTalk协议的协调下，以往那些孤立的系统和产品融为一体，形成一个网络控制系统。LonTalk

协议最大的特点是对OSI参考模型的7层协议的支持，是直接面向对象的网络协议，这是以往的现场总线所不支持的。其具体实现是采用网络变量这一形式。网络变量使结点之间的数据传递只是通过各个网络变量的互相连接便可完成。为了便于广大用户经济高效地使用LonTalk协议，Echelon

公司将LonTalk协议固化在了神经元芯片(

Neuron

Chip)中。神经元芯片是LonWorks技术的基础，它不仅是总线通信处理器，同时也可作为采集和控制的通用处理器，LonWorks技术中所有关于网络的操作实际上都是通过它来完成的。神经元芯片是LonWorks技术的关键。由于LonTalk协议硬件芯片的支持，满足了现场通信的实时性.接口的直观性和简洁性的现场总线应用要求。用户可以采用神经元芯片简易快速地开发出各种面向应用的中小型LonWoks结点装置。对于大型Lokx结点装置，。如神经元芯片不能胜任，亦可采用其他方法执行LoTak协议，如CPU处理器、松制系结和教置的制造商能通过在他们产品中应用神经元芯片来够短开发和设计的时间，实现低成本的开发和保证不同制造商的装置之间高度的互操作性。

Eahelo公司设计了最初的神经元，列车通信网络概述但是神经元派生产品现在通常都由Echelon的合作伙伴设计和制造。Cypress半导体公司、摩托罗拉、东芝等都是神经元芯片的生产供应商。众多神经元芯片供应商制造了一个竞争环境，有助于使价格下降。由于在许多产业中有发展可互操作产品的巨大机遇，1994年由

Echelon公司致力于建造可互操作产品的LonWorks

用户集团成立了LonMark

可互操作协会。可互操作性意味着来自同一个或不同的制造商的多个装置能集成在单一的控制网中而无需定制结点或定制编程。LonMark协会致力于发展可互操作性标准、认证符合标准的产品、发扬可互操作系统的优点。按照LonMark规范设计的

LonWorks产品，均可非常容易地集成在一起，用户不必为网络日后的维护和扩展费用担心。

。

列车通信网络概述总之，LonWorks

技术为设计和实现可互操作的控制网络提供了一套完整、开放、成品化的解决途径。在其支持下，诞生了新一代的智能化低成本的现场测控产品。目前采用LonWorks

技术的产品广泛地应用在工业、楼宇、家庭、能源等自动化领域，LonWorks总线也成为当前最为流行的现场总线之一。LonWorks网络是局部操作网络，是底层设备网络，跨越传感器级、现场设备级和控制级，其网络规模类似于局域网，但可以比局域网大。LonWorks网络采用分布式结构，为无主结构，实现网络上节点互相通信，即点对点方式或对等通信。从控制的角度看，为自治服务系统。这很适用于智能大厦、家庭自动化、交通运输系统、公共事业和众多的工业系统。

列车通信网络概述(四)CAN控制器局域网络CAN是控制器局域网络(Controller

Area

Network)的简写，是1986年由德国电气设备商博世(Bosch)公司为解决现代汽车中的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种数据通信总线技术。1993年11月，CAN纳入国际标准体系，即国际标准ISO11898(面向高速应用领域)和ISO

11519(面向低速应用领域)，从而奠定其在工业控制领域中的重要地位。

列车通信网络概述CAN应用系统的增多，开始带来新的问题。1990年，各方开始筹划成立一个用户组织，期望能将不同的解决方案标准化。1992年初，VMEbus杂志的主管出版社将用户和厂商集中在一起，讨论建立一个促进CAN技术发展的中立平台，同时也针对串行总线市场进行分析。1992年5月CiA(CAN

inAutomation)用户集团正式成立，用于标准化CAN的物理层、数据链路层和应用层，在几个星期后，CiA就发表了第一份关于物理层的技术。

列车通信网络概述在美国，艾伦布拉得利公司和霍尼韦尔公司也各自从事

CAN通信协议的研究，从而导致产生了两个高层协议DeviceNet和SDS，而且这两个协议在较低层的功能上非常相似。1994年，艾伦布拉得利公司将

DeviceNet规范移交给专职推广

DeviceNet

的组织ODVA(

Open

DeviceNet

VendorAssociation)，使其成为类似PROFIBUSDP和INTERBUS协谈的有力竞争者

列车通信网络概述在欧洲，1993年由博世领导的欧洲协会研究出一个CAN应用层原型CAN

open,并将

CAN

open规范移交给CiA组织进行维护与发展。1995年，CiA发表了完整版的CAN

open

通信协议，目前它已成为全欧洲最重要的嵌入式网络标准。

CAN总线也得到了芯片商的广泛支持，它们纷纷推出直接带有CAN接口的微处理器芯片列车通信网络概述1987年中期，lntel研制成第一个CAN控制器82526不久之后飞利浦公司推出另一个CAN控潮器PCA82C200,1999年接近6000万个CAN控制器投入应用领域，迄今为止全球的CAN节电见达1.5亿个其比应用领域由最初的汽车电子器件测量、控制系统，逐步扩展到过程控制系统、电力网络、石化、铁路等领域，成为当今网络控制系统的主流技术之一。

列车通信网络概述(五)工业以太网工业以太网是以太网，甚至是互联网系列技术延伸到工业应用环境的产物。工业以太网涉及企业网络的各个层次，无论是应用于工业环境的企业信息网络，还是基于普通以太网技术的控制网络，以及新兴的实时以太网，均属于工业以太网的技术范畴。因此，工业以太网既属于信息网络技术，也属于控制网络技术。它是一揽子解决方案的集合，是一系列技术的总称。列车通信网络概述工业以太网源于以太网而又不同于普通以太网。互联网及普通计算机网络采用的以太网技术原本并不适应控制网络和工业环境的应用需要，通过对普通以太网技术进行通信实时性改进，工业应用环境适应性的改造，并添加了一些控制应用功能后，形成工业以太网的技术主体。即工业以太网要在继承或部分继承以太网原有核心技术的基础上，应对工业环境适应性、通信实时性、时间发布、各节点间的时间同步、网络的功能安全与信息安全等问题，提出相应的解决方案，并添加控制应用功能，还要针对某些特殊的工业应用场合提出的网络供电、本安防爆等要求给出解决方案。因此，以太网或互联网原有的核心技术是工业以太网的重要基础，而对以太网实行环境适应性、通信实时性等相关改造、扩展的部分，成为工业以太网的特色技术。列车通信网络概述1.应对环境适应性的特色技术以太网是按办公环境设计的。在工业环境下工作的网络要面临比办公室恶劣得多的条件，工业生产中不可避免地存在强电磁辐射、各种机械震动、粉尘、潮湿以及野外露天的严寒酷暑、风霜雨雪等。将现有的商业级以太网产品用于工业环境中，它们对温度、湿度等环境变化的适应能力，抗振动、抗机械拉伸、抗电磁干扰的能力等是许多从事工厂自动化的专业人士所特别关心的。工业以太网应对环境适应性的改造措施，很重要的一方面是打造工业级产品。像办公室使用的RJ-45类连接器，应用在工业环境中易于损坏，而且连接不可靠。在工业以太网环境下，建议采用带锁紧机构的连接件，采用工作温度范围在-20~70℃或-40~85℃乃至更宽范围的元器件，采用防雨、防尘、防电磁干扰的封装外壳，采用DIN导轨式安装结构的工业级产品。这些工业级产品在设计之初更注重材质和元器件工作温度范围的选择，专门针对工作温度、湿度、振动、电磁辐射等工业现场环境的不同需要，分别采取相应的措施，使产品在温湿度、强度、干扰、辐射等环境参数方面满足工业现场的要求。

列车通信网络概述2.应对通信非确定性的缓解措施以太网采用IEEE802.3的标准，采用载波监听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)的介质访问控制方式。一条网段上挂接的多个节点不分主次，采用平等竞争的方式争用总线。各节点没有预定的通信时间，可随机、自主向网络发起通信。节点要求发送数据时，先监听线路是否空闲，如果空闲就发送数据。如果线路忙就只能以某种方式继续监听，等线路空闲后再发送数据。即便监听到线路空闲，也还会出现几个节点同时发送而发生冲突的可能性，因而以太网本质上属于非确定性网络。计算机网络传输的文件、数据在一次连接失败之后还可继续要求连接。这种平等竞争的非确定性网络，不能满足控制系统对通信实时性，确定性的要求，被认为不适合用于底层工业控制，这是以大网进人控制网络领域在技术上的最大障碍。列车通信网络概述在现场控制层，网络是测量控制系统的信息传输通道。而测量控制系统的信息传输是有实时性要求的，什么时刻必须完成哪些数据的传输，-些数据要以固定的时间间隔定时刷新，”一些数据的收发应有严格的先后时序要求。还有一些动作要有严格互锁，如A阀打开后才能启动B风机，前一动作的完成是后一动作的先决条件。要确保这些动作的正确完成就需要网络通信满足实时性、确定性、时序性的要求，达不到实时性要求或因时间同步等问题影响了网络节点间的动作时序，有可能造成灾难性的后果。充分发挥以太网原本具有的传输速率高、全双工交换等技术优势，缓解介质访问控制方式的非确定性对控制实时性的影响。

列车通信网络概述3.实时以太网实时以太网是应对工业控制中通信实时性、确定性从而提出的根本解决方案，自然属于工业以太网的特色与核心技术。站在控制网络的角度来看，工作在现场控制层的实时以太网，实际上属于现场总线的一个新类型。当前实时以太网旗下的技术种类繁多，仅在IEC61784-2中就囊括了11个实时以太网的PAS文件，它们是:Ethernet/IP、PROFINET、P-NET、Inter-bus、VNET/IP、TCnet、EtherCAT、EthernetPowerlink、EPA、Modbus-RTPS和SERCOS-III.它们相互之间在实时机制、实时性能、通信一致性上都还存在很大差异，但它们都是企图从根本上解决通信的非确定性问题。当前，实时以太网的研究取得了重要进展，其实