動車組列車的車載數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)方案 - 全文

?

　　“北亞”號內(nèi)燃動車組是一種自帶動力、具有載客功能、成組運行的軌道交通工具，動車組設(shè)頭尾2輛動車，中間由幾節(jié)拖車組成。司機在頭車操縱，尾車不配司機。頭尾2輛車控制系統(tǒng)完全相同，并相互聯(lián)鎖，尾車控制系統(tǒng)通過列車通訊網(wǎng)絡(luò)接收頭車操縱指令，頭尾2輛車同步工作，頭車的監(jiān)控信息在頭車直接顯示，尾車的監(jiān)控信息可以通過通訊網(wǎng)絡(luò)在頭車司機臺顯示，司機在頭車上可以操縱2臺動車的各個工況。該列車通訊網(wǎng)絡(luò)可完成頭尾2輛動車的重聯(lián)控制、監(jiān)測并實施安全保護。

　　1　動車組列車通信網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

　　“北亞”號內(nèi)燃動車組采用列車控制與通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對整列車進行控制，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。按照TCN標準，列車通訊網(wǎng)絡(luò)分為2級，第1級為絞線式列車總線WTB，實現(xiàn)車輛間的數(shù)據(jù)通信;第2級為多功能車輛總線MVB，主要實現(xiàn)同一車輛內(nèi)各個功能控制單元之間的數(shù)據(jù)通信。

　　每臺動車由1個微機控制裝置和1個智能顯示單元組成。在頭尾2輛動車上各裝有1臺控制機箱，每臺機箱中裝有數(shù)字量輸入/輸出單元(DI/DO)、模擬量輸入/輸出單元(AX)、車輛控制單元(VCU)、無線數(shù)據(jù)傳輸單元(GPRS板)、網(wǎng)關(guān)(GW)和智能顯示單元(IDU)。2臺控制機箱間采用WTB通訊;每臺控制箱內(nèi)各單元之間采用MVB通訊，其介質(zhì)采用電氣中距離介質(zhì)EMD。

?

　　2　列車控制與通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組成

　　列車控制與通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用通用的EXP機箱，機箱為背板式結(jié)構(gòu)。以C8051F040CPU為核心，由開關(guān)電源、數(shù)字量輸入/輸出、模擬量輸入/輸出、無線數(shù)據(jù)傳輸單元等組成，各單元通過MVB總線與CPU進行數(shù)據(jù)交換。各插件功能介紹如下。

　　2.1　開關(guān)電源

　　采用開關(guān)電源技術(shù)，將輸入24V電源變換為+5V和±15V電源，給機箱、網(wǎng)關(guān)、輸入輸出單元及傳感器供電。

　　2.2　數(shù)字量輸入/輸出

　　采用光電隔離技術(shù)，接收司機控制指令及動車狀態(tài)信號，完成動車邏輯控制。

　　2.3　模擬量輸入/輸出

　　對動車速度、柴油機轉(zhuǎn)速、柴油機潤滑油壓力、柴油機冷卻水溫度信號進行采樣。

　　2.4　無線通訊模塊

　　無線數(shù)據(jù)傳輸單元是利用通用分組無線業(yè)務(wù)GPRS將動車組現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控站，供相關(guān)人員對機車的運行狀態(tài)進行監(jiān)控。

　　2.5　車輛控制單元VCU

　　VCU主要實現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯控制功能，其組成如圖2所示。具有RS—232、RS—485、CAN以及MVB通信接口，其中RS—485和CAN為功能擴充預(yù)留。

?

　　VCU采用C8051F040單片機，其速度可達25MIPS(使用25MHz時鐘)。具有4352字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM(4K+256)和64KBFLASH。

　　VCU的主要功能有：

　　(1)實現(xiàn)動車組的柴油機、輔助發(fā)電機、空氣壓縮機等設(shè)備的邏輯控制及故障診斷功能。

　　(2)頭尾2輛動車的VCU依靠司機鑰匙檔位定義主控微機信號來確定主控微機。當(dāng)1臺VCU被定義為主控微機時，則另一臺VCU為從控微機。從控微機不具有MVB總線管理器功能。

　　(3)實現(xiàn)防空轉(zhuǎn)/防滑控制功能。在牽引或制動工況下，系統(tǒng)檢測輪根據(jù)空轉(zhuǎn)或滑行程度的不同，采取撒沙、降功、卸載等保護措施，以充分利用動車粘著性能，發(fā)揮牽引力。

　　(4)具有柴油機與動車電氣系統(tǒng)保護功能。動車微機實時檢測柴油機溫度、壓力、轉(zhuǎn)速等信號。若這些信號超過正常工作范圍，則根據(jù)故障的不同種類分別采取報警、降功、卸載、停機等措施對其進行保護并記錄，確保柴油機和換檔機構(gòu)的正常工作。

　　3　列車TCN網(wǎng)絡(luò)通信及重聯(lián)控制

　　通信采用TCN網(wǎng)絡(luò)，取消了以往動車組頭尾2輛動車之間的所有硬連線。為了提高可靠性，采用雙通道熱備冗余控制方案，即采用2路WTB總線同時傳遞數(shù)據(jù)，當(dāng)一路發(fā)生故障時，由軟件自動完成轉(zhuǎn)換。

　　3.1　TCN網(wǎng)絡(luò)的組成

　　3.1.1　組成

　　該列車通訊網(wǎng)絡(luò)完全符合TCN標準。網(wǎng)絡(luò)上設(shè)有2個WTB節(jié)點，頭尾2輛動車上各1個。列車總線WTB和多功能車輛總線MVB通過網(wǎng)關(guān)連接。

　　車廂總線MVB上附掛有模擬量輸入/輸出單元、數(shù)字量輸入/輸出單元、車輛控制單元、智能顯示單元和無線通訊單元，這些單元通過MVB總線連接起來，傳遞相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。

　　3.1.2　車輛控制單元與網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信方式

　　主CPU與網(wǎng)絡(luò)通過UART仿真技術(shù)交換數(shù)據(jù)。

　　主CPU采用查詢方式定時從輸入緩沖區(qū)中讀取2個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的信息，并進行校驗。當(dāng)校驗正確時，返回正確標志，將數(shù)據(jù)提供給本車使用;反之，若校驗出錯，則返回錯誤標志，將所收到的數(shù)據(jù)丟棄。當(dāng)主微機的數(shù)據(jù)需要更新時，主CPU向輸出緩沖區(qū)寫數(shù)據(jù)供他車使用。正常情況下，2個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是同時工作的，并通過2根WTB總線實現(xiàn)冗余。當(dāng)主CPU檢測到一路通信故障時，由網(wǎng)關(guān)中的軟件識別并自動轉(zhuǎn)換到另一路，并在顯示器上提示該路網(wǎng)絡(luò)通信故障。

　　3.1.3　網(wǎng)關(guān)的配置

　　在該動車組的列車控制與通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，采用捷克Unicontrols公司生產(chǎn)的網(wǎng)關(guān)。該網(wǎng)關(guān)在購買時帶有底層軟件，在應(yīng)用層面上只需根據(jù)需要對網(wǎng)關(guān)進行相應(yīng)配置即可(包括動車組的組成、車廂的類型、車廂內(nèi)的設(shè)備、通信存儲器及端口的配置等)。

　　3.2　TCN列車通信網(wǎng)絡(luò)的功能

　　3.2.1　列車重聯(lián)控制功能

　　頭車將司機控制指令及動車狀態(tài)信號傳送給尾車，可實現(xiàn)尾車無人駕駛。尾車檢測動車狀態(tài)信號傳送給頭車，以便司機了解他車運行情況，確保列車工況一致。

　　3.2.2　頭尾2輛車監(jiān)控數(shù)據(jù)通信功能

　　頭尾2輛車實時檢測動車及柴油機的速度、檔位、方向、溫度、壓力等信號，通過網(wǎng)絡(luò)傳遞給智能顯示單元顯示，以便司機及時了解列車的運行信息，確保列車正常運行。

　　3.3　動車組重聯(lián)控制邏輯

　　3.3.1　操縱端控制

　　為了防止控制邏輯錯誤，首先必須確定操縱端。

　　在該網(wǎng)絡(luò)中，通過司機鑰匙來確定操縱端。司機鑰匙在“ON”位置的動車為操縱端，另一動車為尾車。若兩動車同時設(shè)置為操縱端，則顯示“操縱端設(shè)置錯誤”，兩車控制均處于無效狀態(tài)。

　　3.3.2　工況控制

　　頭車完成本車的所有控制功能，實時檢測工況、方向、司機控制器手柄等信號，并將相應(yīng)的控制指令通過TCN網(wǎng)絡(luò)傳給尾車，同時將尾車的狀態(tài)通過指示燈顯示在司機臺上。尾車接受頭車指令，控制尾車相應(yīng)的繼電器動作，檢測動作正確后，完成動車相應(yīng)檔位加減載控制，否則不加載并提示尾車工況錯誤。

　　4　智能顯示單元

　　4.1　智能顯示單元的組成及軟件

　　智能顯示單元主要用于顯示連接到列車總線上的各子系統(tǒng)的狀態(tài)、列車基本運行數(shù)據(jù)、列車狀態(tài)信息和故障診斷信息。智能顯示單元由彩色液晶觸摸屏、PC104嵌入式模塊、網(wǎng)絡(luò)接口卡、顯示卡等組成，司機通過觸摸屏，可了解動車運行情況和查詢故障信息。

　　智能顯示單元的應(yīng)用軟件采用北京昆侖通態(tài)公司的MCGS全中文工業(yè)自動化控制組態(tài)軟件編寫。軟件編寫時通過對MVB邏輯端口進行配置，并將MVB邏輯端口和MCGS軟件中的數(shù)據(jù)變量連接起來，通過編寫腳本程序進行不同量綱間的轉(zhuǎn)換和實現(xiàn)過程數(shù)據(jù)顯示功能。軟件在PC機上調(diào)試通過后，下載到智能顯示單元的CF卡上，然后在智能顯示單元的Win2dowsCE操作系統(tǒng)下運行。

　　4.2　智能顯示單元的主要功能

　　該智能顯示單元為司機及維護人員提供了良好的人機接口。具體功能如下：

　　(1)實時顯示動車運行參數(shù)，如動車組運行速度、柴油機轉(zhuǎn)速、溫度、壓力、工況等;

　　(2)以不同顏色的指示燈顯示動車的故障信息，如柴油機超速、動車組超速、柴油機滑油壓力低、柴油機水溫高等，并進行相應(yīng)故障處理，如報警、降功、卸載等;

　　(3)日歷、時間顯示及校正;

　　(4)查詢動車故障;

　　(5)完成動車輪徑值修改。

　　5　結(jié)語

　　從內(nèi)燃動車組TCN網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)運行情況看，該系統(tǒng)工作可靠，能滿足內(nèi)燃動車組控制要求。但由于該控制系統(tǒng)的車輛控制單元采用C8051F040微處理器，其運算速度有限，存儲空間較小，不能存儲歷史故障數(shù)據(jù)。隨著計算機技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，采用帶有嵌入式系統(tǒng)的車輛控制單元并采用圖形化編程軟件，使所開發(fā)的TCN網(wǎng)絡(luò)達到國外同類產(chǎn)品的水平，從而開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的列車控制與通信網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，是將來研究中要解決的主要問題。