基于TCN技术的内燃动车组列车通信网络

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/文章编号:100227602(2006)0520031203基于TCN技术的内燃动车组列车通信网络常振臣1,牛得田2,王立德1,田永洙2(1.北京交通大学,北京100044;2.长春轨道客车股份有限公司,吉林 长春130062)摘 要:介绍了内燃动车组列车控制与通信网络(TCN)的拓扑结构及其组成、通信及重联控制,阐述了各主要部件的功能。关键词:列车通信网络;列车总线;车辆总线中图分类号:U266.1 文献标识码:B 随着技术的进步和市场需求的变化,铁路机车车辆工业对列车微机控制系统中的车载数据通信网络提出了新的要求,期望建立一个在机车车辆内部及列车和地面控制系统之间交换控制命令、状态、故障诊断信息以及旅客信息等的数据通信网络。为此,国际电工委员会制定了IEC 613751:1999列车通信网络,它包括2种总线,即列车总线WTB和多功能车辆总线MVB,分别用来连接列车的各个车厢和车厢内的电气设备。本文结合“北亚”号内燃动车组,研究基于TCN技术的内燃动车组列车通讯网络。“北亚”号内燃动车组是一种自带动力、具有载客功能、成组运行的轨道交通工具,动车组设头尾2辆动车,中间由几节拖车组成。司机在头车操纵,尾车不配司机。头尾2辆车控制系统完全相同,并相互联锁,尾车控制系统通过列车通讯网络接收头车操纵指令,头尾2辆车同步工作,头车的监控信息在头车直接显示,尾车的监控信息可以通过通讯网络在头车司机台显示,司机在头车上可以操纵2台动车的各个工况。该列车通讯网络可完成头尾2辆动车的重联控制、监测并实施安全保护。1 动车组列车通信网络拓扑结构“北亚”号内燃动车组采用列车控制与通讯网络系统对整列车进行控制,网络拓扑结构如图1所示。按照TCN标准,列车通讯网络分为2级,第1级为绞线式列车总线WTB,实现车辆间的数据通信;第2级为多功能车辆总线MVB,主要实现同一车辆内各个功能控制单元之间的数据通信。每台动车由1个微机控制装置和1个智能显示单收稿日期:2005212216作者简介:常振臣(19652),男,工学博士。元组成。在头尾2辆动车上各装有1台控制机箱,每台机箱中装有数字量输入/输出单元(DI/DO)、模拟量输入/输出单元(AX)、车辆控制单元(VCU)、无线数据传输单元(GPRS板)、网关(GW)和智能显示单元(IDU)。2台控制机箱间采用WTB通讯;每台控制箱内各单元之间采用MVB通讯,其介质采用电气中距离介质EMD。图1 内燃动车组列车通讯网络拓扑结构2 列车控制与通信网络系统的组成列车控制与通信网络系统采用通用的EXP机箱,机箱为背板式结构。以C8051F040 CPU为核心,由开关电源、数字量输入/输出、模拟量输入/输出、无线数据传输单元等组成,各单元通过MVB总线与CPU进行数据交换。各插件功能介绍如下。2.1 开关电源采用开关电源技术,将输入24 V电源变换为+5 V和 15 V电源,给机箱、网关、输入输出单元及传感器供电。13车辆产品与零部件铁道车辆 第44卷第5期2006年5月 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/2.2 数字量输入/输出采用光电隔离技术,接收司机控制指令及动车状态信号,完成动车逻辑控制。2.3 模拟量输入/输出对动车速度、柴油机转速、柴油机润滑油压力、柴油机冷却水温度信号进行采样。2.4 无线通讯模块无线数据传输单元是利用通用分组无线业务GPRS将动车组现场采集的数据传输到地面监控站,供相关人员对机车的运行状态进行监控。2.5 车辆控制单元VCUVCU主要实现系统的逻辑控制功能,其组成如图2所示。具有RS232、RS485、CAN以及MVB通信接口,其中RS485和CAN为功能扩充预留。VCU采用C8051F040单片机,其速度可达25MIPS(使用25 MHz时钟)。具有4 352字节内部数据RAM(4 K+256)和64 KB FLASH。图2 车辆控制单元组成框图VCU的主要功能有:(1)实现动车组的柴油机、辅助发电机、空气压缩机等设备的逻辑控制及故障诊断功能。(2)头尾2辆动车的VCU依靠司机钥匙档位定义主控微机信号来确定主控微机。当1台VCU被定义为主控微机时,则另一台VCU为从控微机。从控微机不具有MVB总线管理器功能。(3)实现防空转/防滑控制功能。在牵引或制动工况下,系统检测轮根据空转或滑行程度的不同,采取撒沙、降功、卸载等保护措施,以充分利用动车粘着性能,发挥牵引力。(4)具有柴油机与动车电气系统保护功能。动车微机实时检测柴油机温度、压力、转速等信号。若这些信号超过正常工作范围,则根据故障的不同种类分别采取报警、降功、卸载、停机等措施对其进行保护并记录,确保柴油机和换档机构的正常工作。3 列车TCN网络通信及重联控制通信采用TCN网络,取消了以往动车组头尾2辆动车之间的所有硬连线。为了提高可靠性,采用双通道热备冗余控制方案,即采用2路WTB总线同时传递数据,当一路发生故障时,由软件自动完成转换。3.1TCN网络的组成3.1.1 组成该列车通讯网络完全符合TCN标准。网络上设有2个WTB节点,头尾2辆动车上各1个。列车总线WTB和多功能车辆总线MVB通过网关连接。车厢总线MVB上附挂有模拟量输入/输出单元、数字量输入/输出单元、车辆控制单元、智能显示单元和无线通讯单元,这些单元通过MVB总线连接起来,传递相应的数据信息。3.1.2 车辆控制单元与网络的数据通信方式主CPU与网络通过UART仿真技术交换数据。主CPU采用查询方式定时从输入缓冲区中读取2个网络节点的信息,并进行校验。当校验正确时,返回正确标志,将数据提供给本车使用;反之,若校验出错,则返回错误标志,将所收到的数据丢弃。当主微机的数据需要更新时,主CPU向输出缓冲区写数据供他车使用。正常情况下,2个网络节点是同时工作的,并通过2根WTB总线实现冗余。当主CPU检测到一路通信故障时,由网关中的软件识别并自动转换到另一路,并在显示器上提示该路网络通信故障。3.1.3 网关的配置在该动车组的列车控制与通信网络系统中,采用捷克Unicontrols公司生产的网关。该网关在购买时带有底层软件,在应用层面上只需根据需要对网关进行相应配置即可(包括动车组的组成、车厢的类型、车厢内的设备、通信存储器及端口的配置等)。3.2TCN列车通信网络的功能3.2.1 列车重联控制功能头车将司机控制指令及动车状态信号传送给尾车,可实现尾车无人驾驶。尾车检测动车状态信号传送给头车,以便司机了解他车运行情况,确保列车工况一致。3.2.2 头尾2辆车监控数据通信功能头尾2辆车实时检测动车及柴油机的速度、档位、方向、温度、压力等信号,通过网络传递给智能显示单元显示,以便司机及时了解列车的运行信息,确保列车正常运行。3.3 动车组重联控制逻辑3.3.1 操纵端控制23铁道车辆 第44卷第5期2006年5月 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/为了防止控制逻辑错误,首先必须确定操纵端。在该网络中,通过司机钥匙来确定操纵端。司机钥匙在“ON”位置的动车为操纵端,另一动车为尾车。若两动车同时设置为操纵端,则显示“操纵端设置错误”,两车控制均处于无效状态。3.3.2 工况控制头车完成本车的所有控制功能,实时检测工况、方向、司机控制器手柄等信号,并将相应的控制指令通过TCN网络传给尾车,同时将尾车的状态通过指示灯显示在司机台上。尾车接受头车指令,控制尾车相应的继电器动作,检测动作正确后,完成动车相应档位加减载控制,否则不加载并提示尾车工况错误。4 智能显示单元4.1 智能显示单元的组成及软件智能显示单元主要用于显示连接到列车总线上的各子系统的状态、列车基本运行数据、列车状态信息和故障诊断信息。智能显示单元由彩色液晶触摸屏、PC104嵌入式模块、网络接口卡、显示卡等组成,司机通过触摸屏,可了解动车运行情况和查询故障信息。智能显示单元的应用软件采用北京昆仑通态公司的MCGS全中文工业自动化控制组态软件编写。软件编写时通过对MVB逻辑端口进行配置,并将MVB逻辑端口和MCGS软件中的数据变量连接起来,通过编写脚本程序进行不同量纲间的转换和实现过程数据显示功能。软件在PC机上调试通过后,下载到智能显示单元的CF卡上,然后在智能显示单元的Win2dows CE操作系统下运行。4.2 智能显示单元的主要功能该智能显示单元为司机及维护人员提供了良好的人机接口。具体功能如下:(1)实时显示动车运行参数,如动车组运行速度、柴油机转速、温度、压力、工况等;(2)以不同颜色的指示灯显示动车的故障信息,如柴油机超速、动车组超速、柴油机滑油压力低、柴油机水温高等,并进行相应故障处理,如报警、降功、卸载等;(3)日历、时间显示及校正;(4)查询动车故障;(5)完成动车轮径值修改。5 结束语从内燃动车组TCN网络控制系统运行情况看,该系统工作可靠,能满足内燃动车组控制要求。但由于该控制系统的车辆控制单元采用C8051F040微处理器,其运算速度有限,存储空间较小,不能存储历史故障数据。随着计算机技术、嵌入式系统的发展,采用带有嵌入式系统的车辆控制单元并采用图形化编程软件,使所开发的TCN网络达到国外同类产品的水平,从而开发出具有自主知识产权的列车控制与通信网络产品,是将来研究中要解决的主要问题。参考文献:1 杨志仁,等.基于LonWorks技术的列车通讯网络J.测控技术,2000,(6):1315.2 吴正平.集通内燃动车组微机网络控制系统J.机车电传动,2003,(2):1214.3 杨名利.基于RS485的摆式列车通讯网络及其试验研究J.机车电传动,1999,(6):2023.4 奚国华,等.内燃摆式列车组的网络通信系统J.西南交通大学学报,2000,(6):629632.5 常振臣,等.列车通信网络研究现状及展望J.电力机车与城轨车辆,2005,(3):57.(编辑:颜 纯)(上接第22页)(5)铁路局具备管辖范围内的实时预报、监控、执行全路货车定检过期货车的生产组织功能,并进行统计分析和清算管理。(6)具备对回送车辆调度命令、位移、修理的追踪管理功能。(7)对其他技术状态不良车,可进行管理。第4阶段:优化网络扣车功能,优化计算模型,实现计划编制、到期预报、生产组织等调度指挥的计算机系统智能处理、辅助决策。(1)共享运行图信息,由计算机系统预测、预报列车中技术状态不良车信息。(2)综合应用货车检修到期、过期预测信息和检修能力资源信息,辅助货运组织部门制定货车装车去向和列车编组计划。(3)依据车次、列车经路等地理信息,预报到期、过期车,组织货车扣修生产。(4)依据生产资源和能力、货车实时动态信息,优化货车扣修生产。(5)在特定条件下按单位、车种等编制个性化的货车检修计划。(6)实现按大部件技术管理条件及检修技术要求辅助制定检修计划及组织检修生产。(7)实现按走行公里检修。部分货车实现按走行里程来编制货车检修作业计划。(编辑:颜 纯)33 基于TCN技术的内燃动车组列车通信网络 常振臣,牛得田,王立德,等 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/depressed center flat cars are described.Explanationis made on the reform principles,reform and over2haul contents,key technique as well as test and de2monstration of the 3rd generation D10cars manufac2turedbefore1996.Andthereformed operationeffects are described.Key words:D10type depressed center flat car;reform;overhaul;testTechnical Reform and Operation of 320 tTorpedo Type Mixed Iron CarsLOU Jian2lin,et al.(male,born in 1962,engineer,TransportationDepartment of Jinan Iron&Steel Group Corpora2tion,Jinan 250100,China)Abstract:The research and improvement aremade on such problems exposed in operation of the320 t torpedo type mixed iron cars as the coupler de2form,damage of draft gears,kerf of center platebolts,bad lubrication of center plate and wheelflange,and environment pollution.It is put forwardto apply such schemes as the No.13 coupler with bigswing angle,ST draft gears,and dry type lubricantfor center plates and wheel flange.The result of op2eration is good.Key words:torpedo type mixed iron car;cou2pler;ST draft gears;dry type lubricant;improve2mentThe Train Communications Network onDMUs Based on TCN TechnologyCHANG Zhen2chen,et al.(male,born in 1965,doctor of engineering,Bei2jing Jiaotong University,Beijing 100044,China)Abstract:Described are the topologic structureand its composition of the train control and communi2cations network(TCN),communications and doub2le2heading control on DMUs.The functions of mainparts are expounded.Key words:train communications network;trainbus line;car bus lineDiscussion of Loading in Strength Design of theMotor H angers on Bogies for Motor CarsXUE Shi2hai(male,born in 1971,graduate student for mas2ter degree of engineering,Mechanical&ElectronicControlEngineeringInstitute ofBeijing JiaotongUniversity,Beijing 100044,China)Abstract:The loading in strength design of themotor hangers is the object to be discussed.The rele2vant standards in China and abroad are compared.With the test results,the values of designed load a2daptable to tracks in our country are provided.Key words:motor car bogie;motor hanger;strength;standardAnalysis of Model Selection of the Locking Devicesfor 160 km/h Special Container Flat CarsLIAO Xiao2ping,et al.(male,born in 1957,graduate student for masterdegree of engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)Abstract:The development of locking devices forcontainers in China and abroad is described.The loc2king devices that should be chosen for cars in 160km/h special trains for containers in our country areexpounded.Key words:160 km/h;special container flat car;locking device for containers;model selectionDiscussion of Forms of Working Platforms inInspection Workshops for Multiple UnitsWANG Xiao2jian(male,born in 1973,engineer,Mechanical andEnvironmental Engineering Department of MOR 3rdProspecting&DesignInstitute,Tianjin 300251,China)Abstract:The different forms of working plat2forms in the inspection workshops for multiple unitsare demonstrated.And the comparison is made ontheadvantagesandshortcomingsofdifferentschemes.Key words:multiple cars;inspection workshop;working platform;scheme下 期 要 目 货车焊接结构疲劳寿命预测研究 提速客车车轴疲劳载荷谱的试验研究 我国重载铁路货车车轴及轴承的技术发展 当前我国铁路车辆调度管理体系的情况分析及设想浅述我国铁路货车辅修修制改革我国铁路冷藏运输的现状与展望四连杆机构在铸钢三大件式转向架上的应用关于轮对压装工艺参数优化设计的探讨