第5章-CRH5列车网络控制系统分析课件

第五章第五章第五章第五章 CRH5CRH5列车网络控制系统列车网络控制系统列车网络控制系统列车网络控制系统-TCMS-TCMS第五章 CRH5列车网络控制系统-TCMS第一节第一节 网络控制系统网络控制系统（TCMSTCMS）的体系结构）的体系结构一、一、TCMSTCMS的体系结构的体系结构CRH5CRH5动车组配有一套基于多台微机的系统，可控制并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监控所有列车和车辆的相关功能(列车网络控制系统列车网络控制系统TCMS)TCMS)。其结构基于其结构基于TCN TCN 标准标准 (IEC 61375-1)(IEC 61375-1)，具有，具有WTB(WTB(列列车总线车总线)和和MVB(MVB(车辆总线车辆总线)串行接口，每个动力单元串行接口，每个动力单元使用两对冗余的使用两对冗余的MPUMPU模块。模块。TCMSTCMS体系结构基于具有高冗余度的标准体系结构基于具有高冗余度的标准TCNTCN，该体系结，该体系结构使用构使用2 2个标准的个标准的TCMSTCMS模块，每半列车（称为车组）一模块，每半列车（称为车组）一个。个。第一节 网络控制系统（TCMS）的体系结构一、TCMS的体两个动力单元通过网关进行动力单元间和连挂列车间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。的通讯。每个动力单元根据设备功能设有每个动力单元根据设备功能设有3 3条条MVBMVB总线，分别承总线，分别承担牵引、信号、旅客服务信息的传输。担牵引、信号、旅客服务信息的传输。此外还有一个此外还有一个CANCAN总线标准的车辆总线，仅用于次要设总线标准的车辆总线，仅用于次要设备的诊断。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。储功能。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。第5章-CRH5列车网络控制系统分析课件一个标准的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）从两套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。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。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注：有注：有重影的重影的设备表设备表示冗余。示冗余。注：有重影的设备表示冗余。ACU:Auxiliary Control Unit辅助控制单元PIS:Passenger Information System乘客信息系统BCU:Brake Control Unit 制动控制单元REP:Repeater 中继器CGA:Automatic Coupler central unit自动车钩中央单元RIOM CAB:Remote I/O Modules(drivers cab)远程 I/O模块(司机室)CLT:Local Traction Control本地牵引控制RIOM LQ:Remote I/O Modules(BT panel)远程 I/O模块(BT面板)EXT.DOORSExternal Doors外部门TCU:Traction Control Unit 牵引控制单元GW:Gateway WTB/MVB 网关 WTB/MVBTD:Drivers Diagnostic display司机诊断显示器HVAC:Air Conditioning 空调TS:Drivers Instruments display司机仪器显示器LT:Train Logic display 列车逻辑显示器WCToilet 厕所MPU LC:Microprocessor Unit Comfort Line微处理器单元车内设施线路CB Battery Charger充电机MPU LT:Microprocessor Unit Traction Line微处理器单元牵引线ACU:Auxiliary Control UnitPIS: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TCMS主要零部件可以按照以下分组：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）。人机接口设备: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集成在一起与原型车SM3的改变之处：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。在车辆级MVB总线上，该体系结构被分为两个不同的层次：牵引和二、列车总线二、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1 Mb/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50 ms。同一总线还用于两个单元之间的通信。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“WT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。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总线三、三、网关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）。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。四、四、MPU-LT,MPU-LCMPU-LT,MPU-LCMPU（Main Processing Unit，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100 ms（目标值为50 ms）。四、MPU-LT,MPU-LCMPU（Main Proc五、车辆总线五、车辆总线车辆总线为MVB（Multifunction Vehicle Bus，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1.5 Mb/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32 ms到用于较次要信息的512 ms。每个车组有3条总线：牵引、车内设施和信号。五、车辆总线六、六、中继器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。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七、监视器七、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 x 600（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。七、监视器（一）司机台监视器（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。（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（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。（三）TD监视器TD监视器向司机显示有关整个编组（2组联挂（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。（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表表5-2 TS5-2 TS与与TDTD主要主要显示信息如下示信息如下说明明显示的信息示的信息Main monitor(TS)主监视器（TS）列车速度（实际的与设定的）牵引力，电力制动（实际的与设定的）线电压线电流线电流极限时间电池电压显示器牵引系统配置Diagnostic monitor(TD)诊断监视器(TD)相关设备状态给司机的警告维修信息表5-2 TS与TD主要显示信息如下显示的信息Main mo 八、八、RIOMRIOMRIOM（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）八、RIOMRIOM（远程输入/输出模块，）为MPU执行信第二节第二节 列车网络控制系统列车网络控制系统（TCMSTCMS）的冗余性及故障对策）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。第二节 列车网络控制系统（TCMS）的冗余性及故障对策TC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。冗余功能以并联连接的冗余输入和冗余输出实现。一、一、网关冗余性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。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MVB line“2”MVB 1MVB 2GATE 1 inTCN networkMVB 1MVB 2MPU“1”MPU“2”I/O 1 Red.I/O 2 Red.MVB line“1”I/O NON Red.I/O NON Red.I/O 2 Red.I/O NON Red.GATE 2I/O 1 Red.I/O NON Red.正常情况下的网络配置MVB line“2”MVB 1MVB 2GATE 1 iMVB line“2”MVB 1MVB 2GATE1 FAULTY网关1故障MVB 1MVB 2MPU“1”MPU“2”I/O 1 Red.I/O 2 Red.MVB line“1”I/O NON Red.I/O NON Red.I/O 2 Red.I/O NON Red.GATE 2 IN TCN NETWORKI/O 1 Red.I/O NON Red.GATE 1 FAULTY网关1故障MVB line“2”MVB 1MVB 2GATE1 FA二、二、MPUMPU冗余性冗余性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。二、MPU冗余性MPU的冗余类型为热备冗余。两个MPU均可MPU1故障时的网络配置MPU1故障时的网络配置三、三、RIOMRIOM冗余性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。三、RIOM冗余性为实现冗余功能，RIOM的输出继电器以并联四、监视器冗余性四、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。四、监视器冗余性（一）驾驶台监视器冗余性（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。（二）本地监视器冗余性五、中继器冗余性五、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。五、中继器冗余性只有一个启用，而另一个处于待机模式，并且可在六、系统复位程序六、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。六、系统复位程序尽管系统可以自动地处理大量的故障，但是仍有些七、故障对策七、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。七、故障对策TCMS（列车网络控制系统）均有故障自诊断、保存第三节列车网络控制系统第三节列车网络控制系统（TCMSTCMS）的功能与系统性能）的功能与系统性能一、一、TCMSTCMS的功能的功能TCMS executes its own functions by means of:TCMSTCMS通过下列方法执行自己的功能：通过下列方法执行自己的功能：cablingandrelays 布线和继电器布线和继电器 integratedsoftware 集成软件集成软件 pneumaticcommands 气动命令气动命令第三节列车网络控制系统（TCMS）的功能与系统性能一、TCMMaininvolvedfunctionscanbeclassifiedasfollows:主要涉及的功能可以划分为以下几类：主要涉及的功能可以划分为以下几类：traction牵引牵引brake制动制动auxiliarypowersupplysystem辅辅助供电系统助供电系统auxiliarypneumaticsystem辅辅助助气动系统气动系统signalling信号信号bogiemonitoring转向架监视转向架监视passengersaloonairconditioning乘客客室空调乘客客室空调driverscabairconditioning司司机机室空调室空调passengerinformationsystem乘乘客信息系统客信息系统external(side)doors外部外部(侧侧)门门internaldoors内部门内部门 man machine interface(drivingdesk)人机接口人机接口(司机台司机台)diagnostic诊断诊断Main involved functions can be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:manage Gateway wake-up from the stand-by status when the desk key is activated当司机台钥匙激活时，将网关从待机状态唤醒To manage the TCN inauguration sequence and the leading vehicle election管理TCN初始化序列和头车的选取司机台状态由TCMS通过RIOMs进行检测，并且直接通过WT CANCAN节点节点TCMS管理CAN上的下列设备：Battery charger 电池充电器Toilet 厕所Automatic coupler 自动车钩Passenger Information System 乘客信息系统 CAN节点TCMS管理CAN上的下列设备：二、列车网络控制系统性能二、列车网络控制系统性能传输速率：WTB:1 Mb/s(轮询周期 50100 ms)；MVB:1.5 Mb/s(轮询周期32 512 ms)。MPU 任务:50 ms 100 ms响应时间(在最不利的情况下):RIOM 到 RIOM：300 ms；RIOM 到 RIOM 牵引 支持总线：500 ms；RIOM 到 RIOM（经由网关）：600 ms。二、列车网络控制系统性能传输速率：第四节第四节 诊断系统诊断系统 TCMS系统与不同车辆系统接口，并从每个车辆接收一组信息。信息的数量与系统的复杂性和获取与处理诊断信息的容量有关。对于由微处理器控制的主要单元，对系统的每个部件的正确操作进行精确的分析，并将处理过的信息发送到命令、控制与诊断系统。而且，每个微处理器控制的功率单元具有启动和运行自动测试功能，可以提供与各自电子板有关的诊断信息。第四节 诊断系统 TCMS系统与不同车辆系统接口，并从每个诊断系统管理信息的方法：首先，对主要单元的故障状态有关的信息进行分析；如果主单元工作，则对与其所管理的系统的主要单元接收的信息进行分析；如果主单元有故障，传送所有系统故障信息，因为这些信息被认为是不可靠的，直到主单元中的故障被消除为止。诊断系统管理信息的方法：一、一、TCMSTCMS的主要的诊断项目的主要的诊断项目1.列车的牵引、制动及控制系统的状态；2.走行部件的安全性；3.旅客安全相关设施的状态(如车门关闭状态等)；4.各类电子电气设备；5.影响列车正常运行和使用的其它设施状态。一、TCMS的主要的诊断项目1.列车的牵引、制动及控制系统具体系统如下:1.防滑(WSP)2.牵引3.充电机4.不间断电源5.空调6.制动系统7.压缩机8.门9.厕所10.乘客信息系统11.TCMS 12.列车系统（丧失冗余，特定系统中不包括的各种零部件）13.司机台具体系统如下:1.防滑(WSP)8.门二、二、诊断系统的主要任务诊断系统的主要任务识别部件的偶发性故障；在部件故障时提供状态数据及对策;记录列车故障数据；为列车控制提供各相关部件的状态。二、诊断系统的主要任务识别部件的偶发性故障；（一）司机诊断诊断信息可以在驾驶台监视器上获得，包括整个列车编组（2列车联挂）所有设备的相关信息。在监视器上司机可以看到所有被监视设备和组件的状态（启用、停用、故障、已被排除等）。在需要司机干预的操作或故障中，屏幕上会自动出现报警信息，提示所出现的事件并给出操作指导。报警时会同时发出蜂鸣声。（一）司机诊断诊断信息可以在驾驶台监视器上获得，包括整个列车（二）（二）列车组人员列车组人员每个列车组人员的诊断信息可以在本地监视器上获得。默认页面显示主要的本地信息（即制动气缸压力等）。通过此监视器，列车组人员可以获得有关车辆设备状态的信息。此外，针对这些信息编址的报警信号也会自动出现在屏幕上。（二）列车组人员（三）（三）维护维护TCMS系统还会采集智能设备的诊断数据，并对非智能组件进行诊断。诊断数据可以在本地监视器上获得。对诊断数据的访问权限使用密码保护。对于每条诊断消息，维护人员可以看到一项具体的操作指导，以帮助他们解决问题。诊断数据使用FIFO（先入先出）技术保存在MPU的内存（闪存，无电池）中，这样当内存已满且有新数据进入时，最旧的数据将被删除。（三）维护不仅故障会被记录，而且还包括设备的状态变化、司机操作以及所有可能用于提供列车历史记录的信息都会被记录下来。每条诊断消息都是诊断数据库中的一条记录。记录容量取决于专用于此功能的MPU内存量。对于4节车约为250 KB，这就意味着对于每辆车要给出4200条左右的记录。诊断数据可以在内存中存在的时间取决于出现的故障或事件的数量。以我们的经验至少可以保存2周。不仅故障会被记录，而且还包括设备的状态变化、司机操作以及所有三、下载诊断数据三、下载诊断数据在每条记录中诊断信息将与其他信息以下面方式结合：1.日期2.时间3.列车速度4.地理信息（来自PIS的GPS）5.32种列车状态信号中选择的一项三、下载诊断数据在每条记录中诊断信息将与其他信息以下面方式结这些数据不能在本地监视器上获得，只能以下载数据方式获得。下载诊断数据可有2种方式：使用带有专用软件（中文形式）的PC机直接从MPU服务连接器（RS232线）下载。通过PIS（乘客信息系统）的GSM下载至地面站。这些数据不能在本地监视器上获得，只能以下载数据方式获得。下载第五节第五节 TCMSTCMS性能目标、可靠性目标性能目标、可靠性目标第五节 TCMS性能目标、可靠性目标