第5章-CRH5列车网络控制系统分析课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五章,CRH5,列车网络控制系统,-TCMS,第五章 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,(IEC 61375-1),，具有,WTB(,列车总线,),和,MVB(,车辆总线,),串行接口，每个动力单元使用两对冗余的,MPU,模块。,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。,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的通讯。,每个动力单元根据设备功能设有,3,条,MVB,总线，分别承担牵引、信号、旅客服务信息的传输。,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。,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：有重影的设备表示冗余。,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(driver,s 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.DOORS,External Doors,外部门,TCU:,Traction Control Unit,牵引控制单元,GW:,Gateway WTB/MVB,网关,WTB/MVB,TD:,Driver,s Diagnostic display,司机诊断显示,器,HVAC:,Air Conditioning,空调,TS:,Driver,s Instruments display,司机仪器显示,器,LT:,Train Logic display,列车逻辑显示,器,WC,Toilet,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,RS,485,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,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、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、,MPU-LT,MPU-LC,MPU,（,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,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、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,（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,5-2 TS,与,TD,主要显示信息如下,说明,显示的信息,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、,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）,八、RIOMRIOM（远程输入/输出模块，）为MPU执行信,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。,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、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 1,MVB 2,GATE 1 in,TCN network,MVB 1,MVB 2,MPU“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,I/O 1 Red.,I/O NON Red.,正常情况下的网络配置,MVB line“2”MVB 1MVB 2GATE 1 i,MVB line“2”,MVB 1,MVB 2,GATE1 FAULTY,网关,1,故障,MVB 1,MVB 2,MPU“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 NETWORK,I/O 1 Red.,I/O NON Red.,GATE 1,FAULTY,网关,1,故障,MVB line“2”MVB 1MVB 2GATE1 FA,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。,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、,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。,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,（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,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,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,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（,TCMS,）的功能与系统性能,一、,TCMS,的功能,TCMS executes its own functions by means of:,TCMS,通过下列方法执行自己的功能：,cabling and relays,布线和继电器,integrated software,集成软件,pneumatic commands,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、TCM,Main involved functions can be classified as follows:,主要涉及的功能可以划分为以下几类：,traction,牵引,brake,制动,auxiliary power supply system,辅助供电系统,auxiliary pneumatic system,辅助气动系统,signalling,信号,bogie monitoring,转向架监视,passenger saloon air conditioning,乘客客室空调,drivers cab air conditioning,司机室空调,passenger information system,乘客信息系统,external(side)doors,外部(侧)门,internal doors,内部门,man machine interface(driving desk),人机接口(司机台),diagnostic,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,CAN,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,传输速率：,WTB:1 Mb/s(,轮询周期,50,100,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 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、,TCMS,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、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）,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）,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,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,TCMS,性能目标、可靠性目标,第五节 TCMS性能目标、可靠性目标,