论文部分内容阅读
摘要：高速列车为保证旅客乘车的安全与舒适，需对车辆的各种设备进行可靠地控制、监测和诊断而列车网络系统是一种面向控制、连接车载设备的数据通信系统，是分布式列车控制系统的核心，其集列车控制系统、故障检测与诊断系统以及旅客信息服务系统于一体，通过网络实现列车各个系统之间的信息交换，最终达到对车载设备的集散式监视、控制和管理目的，因此，列车的网络系统对于车辆的安全可靠运行起着至关重要的作用。本文着重介绍了列车网络系统的结构组成、工作原理以及典型故障的分析和处理方法。
关键词：中国标准动车 列车总线（WTB） 车辆总线（MVB） 通信 以太网 MBA總线分析仪
一、系统概述
列车网络控制系统用于动车组的列车级和车辆级的网络数据传输，并能够实现整车的逻辑控制、故障诊断和状态显示，提供调试和维护帮助。
1、网络控制系统采用两级总线
列车总线为WTB总线，车辆总线为MVB总线[1]，列车级和车辆级数据转换采用WTB/MVB 网关。WTB总线物理上采用两根互为冗余的双绞线，传输速率为1Mbit/s，两个牵引单元之间通过WTB总线和冗余的网关连接，通过网关与本单元的MVB总线相连进行数据交换[2]。MVB总线的传输介质为EMD，物理层上采用两对冗余的双绞线总线结构，MVB总线的传输速率为1.5Mbit/s。通过MVB总线和输入输出模块实现各子系统与CCU之间的数据交换。
2、布设以太网，主要用于传输状态数据和故障数据
列车同时布设以太网ETB列车总线，ETB总线的传输速率为100Mbit/s。每节车厢设有ETB交换机，通过以太网交换机与CCU、HMI、无线传输装置等设备相连进行数据交换[3]。ETB总线主要用于传输状态数据和故障数据。同时以太网作为维护网络，对连接至以太网的车载子系统实现软件上载和故障下载。
动车组按照牵引单元设置两个网段，每个网段设有列车节点。每个牵引单元为一个或多个MVB网段，当某个MVB网段出现故障时，只影响本网段内子系统的通信，不影响动车组其它网段中子系统的通信。
各子系统的控制设备通过MVB通信接口直接连接至车辆总线MVB，连接到车辆总线上的各子系统控制单元主要包括：牵引控制单元、制动控制单元、辅助控制单元、空调控制单元、门控单元、充电机控制单元、PIS控制单元等。当子系统或子系统控制器不具有MVB通信接口时，子系统的反馈状态通过输入输出设备接入车辆网络。
列车总线为WTB，传输速率为1Mbit/s，而车辆总线为MVB，传输速率为1.5Mbit/s，保证了控制指令的实时性。
二、列车的通讯与控制
1、中央控制单元
中央控制单元主要由网关、CPU处理板卡、IOM管理板卡、MVB通讯板卡、数字输入输出板卡、电源板卡、冷却风扇、机箱等组成。同时扩展可实现网侧电流、变压器差分电流、网压、蓄电池电压等模拟量采集功能。可实现WTB/MVB/ETH的通讯功能。中央控制单元在通用CPCI总线的技术上加入本控制单元特有的信号，实现了扩展性的CPCI总线技术;除此之外，在背板上还包含数字和模拟的IO信号;具有MVB、以太网接口。中央控制单元作为动车组网络控制核心单元，采集与车辆运行状况有关的各种信息，并对这些数据进行逻辑判断处理后，发送到牵引、制动、辅助供电、空调、旅客信息系统、充电机等连接到列车网络上的各个子系统，从而对各种系统进行控制、监视和故障诊断。
2、高压控制单元
本高压控制单元主要由CPU处理板卡、IOM管理板卡、MVB通讯板卡、数字输入输出模块、模拟量输入输出板卡、电源板卡、冷却风扇、机箱等组成;主要实现高压系统数字量输入输出监视与控制、网侧电流、网压、变压器差分电流、变压器油流出入温度、蓄电池电压等模拟量采集功能。本高压控制单元可实现MVB、ETH的通讯功能。
3、输入输出模块
输入输出模块（IOM）是一种用于采集车辆数字量输入信号，同时具有数字量输出信号功能的装置，大量地用于轨道交通运输车辆。
本输入输出模块主要由CPU板卡、MVB通讯板卡、DC110V数字量输入板卡、DC24V数字量输入板卡、DC110V数字量输出板卡、电源板卡、机箱等组成;具有MVB、ETH接口，可实现MVB、ETH的通讯功能。
4、无线传输装置
采用MVB网络技术、以太网技术、GSM无线传输技术、WLAN无线局域网技术，能够满足检修部门对运行动车组动态跟踪控、提供远程技术支持和故障应急指导并即时组织维修的实际需求。将高速动车组运行途中传输的信息分为动态位置跟踪信息、基本状态信息和故障信息等。动态位置跟踪信息主要包括运行动车组位置，如经纬度或线路公里标;基本状态信息主要有：速度、牵引、制动、车门、轴温等安全相关信息，以及空调、卫生间等旅客服务设施状态信息等;故障信息主要是在车载网络上传输的、可获取的故障事件及其相关环境参数，用于故障发生后支持车载故障诊断、分析、排除及动车组检修。
5、以太网关/交换机
TKD586A/B型以太网网关、交换机包括TKD568A型以太网网关和TKD568B型以太网交换机两种设备。以太网技术在列车网络中主要是与现有的MVB总线相结合的模式。
以太网在列车运行过程中起监视作用，不参与列车控制，当以太网故障时，列车的运行不受影响。以太网在列车上的应用，大量的故障数据、事件记录、设备运行参数等都可以通过以太网通讯的方式传输给显示屏和无线车载设备等，然后根据具体需求对数据进行分类存储、显示以及发送至地面监视服务器，大大提高了对动车组安全状态和故障情况进行监控的能力，增加了对网络设备维护的手段。原来部分通过MVB网络传输的数据，可通过以太网进行传输，对传输信息可进行更合理的分配，提高了整个网络通讯带宽的利用率。
6、MVB中继器
在列车的TCN网络中，按照IEC61375-1标准规定，因受物理层RS-485驱动能力的限制，MVB总线最多可以连接32个设备，因线缆长度对信号造成衰减以及受物理层RS-485驱动能力的限制，MVB线缆长度最大不能超过200米，这种限制的存在对MVB网络设计和应用造成一定限制。为了克服这种限制，标准中提出可采用MVB中继器设备对MVB的物理层信号进行整形放大。因此在MVB网络应用中，MVB中继器得到了广泛的应用。
MVB中继器由两个完全独立、冗余的主电路组成，每个主电路由接收/发送电路、FPGA控制逻辑电路以及电源电路三部分组成。
三、结束语
综上我们了解到列车各控制装置间的通信通过由列车总线 WTB（绞线式列车总线）和车辆总线 MVB（多功能车辆总线）组成的双级通信网络予以实现，列车组中的牵引单元通过列车总线 WTB 互相连接具有通信速率高、实时性好等特点。本文通过对中国标准动车组通信网络结构组成进行了分析，并通过在实际工作中遇见的典型故障进行了总结分析提炼了解决故障的快速思路和方法，确保了标准动车组的调试工作质量，为旅客的旅途舒适安全保驾护航。
参考文献
[1] 聂晓波， 王立德，申萍.轨道车辆MVB网络实时性能分析与优化研究.铁道学报.2011.第33卷第9期：40-44
[2]朱俊，李芳，王丽芳.MVB总线网络动态性能的研究.机 车 电 传 动.2013年第1期：35-38
[3] 刘博，金杰，陈佳凯，韦巍.用工业以太网描述和替代MVB网络.工业控制计算机.2014年第27卷第5期：6-9
关键词：中国标准动车 列车总线（WTB） 车辆总线（MVB） 通信 以太网 MBA總线分析仪
一、系统概述
列车网络控制系统用于动车组的列车级和车辆级的网络数据传输，并能够实现整车的逻辑控制、故障诊断和状态显示，提供调试和维护帮助。
1、网络控制系统采用两级总线
列车总线为WTB总线，车辆总线为MVB总线[1]，列车级和车辆级数据转换采用WTB/MVB 网关。WTB总线物理上采用两根互为冗余的双绞线，传输速率为1Mbit/s，两个牵引单元之间通过WTB总线和冗余的网关连接，通过网关与本单元的MVB总线相连进行数据交换[2]。MVB总线的传输介质为EMD，物理层上采用两对冗余的双绞线总线结构，MVB总线的传输速率为1.5Mbit/s。通过MVB总线和输入输出模块实现各子系统与CCU之间的数据交换。
2、布设以太网，主要用于传输状态数据和故障数据
列车同时布设以太网ETB列车总线，ETB总线的传输速率为100Mbit/s。每节车厢设有ETB交换机，通过以太网交换机与CCU、HMI、无线传输装置等设备相连进行数据交换[3]。ETB总线主要用于传输状态数据和故障数据。同时以太网作为维护网络，对连接至以太网的车载子系统实现软件上载和故障下载。
动车组按照牵引单元设置两个网段，每个网段设有列车节点。每个牵引单元为一个或多个MVB网段，当某个MVB网段出现故障时，只影响本网段内子系统的通信，不影响动车组其它网段中子系统的通信。
各子系统的控制设备通过MVB通信接口直接连接至车辆总线MVB，连接到车辆总线上的各子系统控制单元主要包括：牵引控制单元、制动控制单元、辅助控制单元、空调控制单元、门控单元、充电机控制单元、PIS控制单元等。当子系统或子系统控制器不具有MVB通信接口时，子系统的反馈状态通过输入输出设备接入车辆网络。
列车总线为WTB，传输速率为1Mbit/s，而车辆总线为MVB，传输速率为1.5Mbit/s，保证了控制指令的实时性。
二、列车的通讯与控制
1、中央控制单元
中央控制单元主要由网关、CPU处理板卡、IOM管理板卡、MVB通讯板卡、数字输入输出板卡、电源板卡、冷却风扇、机箱等组成。同时扩展可实现网侧电流、变压器差分电流、网压、蓄电池电压等模拟量采集功能。可实现WTB/MVB/ETH的通讯功能。中央控制单元在通用CPCI总线的技术上加入本控制单元特有的信号，实现了扩展性的CPCI总线技术;除此之外，在背板上还包含数字和模拟的IO信号;具有MVB、以太网接口。中央控制单元作为动车组网络控制核心单元，采集与车辆运行状况有关的各种信息，并对这些数据进行逻辑判断处理后，发送到牵引、制动、辅助供电、空调、旅客信息系统、充电机等连接到列车网络上的各个子系统，从而对各种系统进行控制、监视和故障诊断。
2、高压控制单元
本高压控制单元主要由CPU处理板卡、IOM管理板卡、MVB通讯板卡、数字输入输出模块、模拟量输入输出板卡、电源板卡、冷却风扇、机箱等组成;主要实现高压系统数字量输入输出监视与控制、网侧电流、网压、变压器差分电流、变压器油流出入温度、蓄电池电压等模拟量采集功能。本高压控制单元可实现MVB、ETH的通讯功能。
3、输入输出模块
输入输出模块（IOM）是一种用于采集车辆数字量输入信号，同时具有数字量输出信号功能的装置，大量地用于轨道交通运输车辆。
本输入输出模块主要由CPU板卡、MVB通讯板卡、DC110V数字量输入板卡、DC24V数字量输入板卡、DC110V数字量输出板卡、电源板卡、机箱等组成;具有MVB、ETH接口，可实现MVB、ETH的通讯功能。
4、无线传输装置
采用MVB网络技术、以太网技术、GSM无线传输技术、WLAN无线局域网技术，能够满足检修部门对运行动车组动态跟踪控、提供远程技术支持和故障应急指导并即时组织维修的实际需求。将高速动车组运行途中传输的信息分为动态位置跟踪信息、基本状态信息和故障信息等。动态位置跟踪信息主要包括运行动车组位置，如经纬度或线路公里标;基本状态信息主要有：速度、牵引、制动、车门、轴温等安全相关信息，以及空调、卫生间等旅客服务设施状态信息等;故障信息主要是在车载网络上传输的、可获取的故障事件及其相关环境参数，用于故障发生后支持车载故障诊断、分析、排除及动车组检修。
5、以太网关/交换机
TKD586A/B型以太网网关、交换机包括TKD568A型以太网网关和TKD568B型以太网交换机两种设备。以太网技术在列车网络中主要是与现有的MVB总线相结合的模式。
以太网在列车运行过程中起监视作用，不参与列车控制，当以太网故障时，列车的运行不受影响。以太网在列车上的应用，大量的故障数据、事件记录、设备运行参数等都可以通过以太网通讯的方式传输给显示屏和无线车载设备等，然后根据具体需求对数据进行分类存储、显示以及发送至地面监视服务器，大大提高了对动车组安全状态和故障情况进行监控的能力，增加了对网络设备维护的手段。原来部分通过MVB网络传输的数据，可通过以太网进行传输，对传输信息可进行更合理的分配，提高了整个网络通讯带宽的利用率。
6、MVB中继器
在列车的TCN网络中，按照IEC61375-1标准规定，因受物理层RS-485驱动能力的限制，MVB总线最多可以连接32个设备，因线缆长度对信号造成衰减以及受物理层RS-485驱动能力的限制，MVB线缆长度最大不能超过200米，这种限制的存在对MVB网络设计和应用造成一定限制。为了克服这种限制，标准中提出可采用MVB中继器设备对MVB的物理层信号进行整形放大。因此在MVB网络应用中，MVB中继器得到了广泛的应用。
MVB中继器由两个完全独立、冗余的主电路组成，每个主电路由接收/发送电路、FPGA控制逻辑电路以及电源电路三部分组成。
三、结束语
综上我们了解到列车各控制装置间的通信通过由列车总线 WTB（绞线式列车总线）和车辆总线 MVB（多功能车辆总线）组成的双级通信网络予以实现，列车组中的牵引单元通过列车总线 WTB 互相连接具有通信速率高、实时性好等特点。本文通过对中国标准动车组通信网络结构组成进行了分析，并通过在实际工作中遇见的典型故障进行了总结分析提炼了解决故障的快速思路和方法，确保了标准动车组的调试工作质量，为旅客的旅途舒适安全保驾护航。
参考文献
[1] 聂晓波， 王立德，申萍.轨道车辆MVB网络实时性能分析与优化研究.铁道学报.2011.第33卷第9期：40-44
[2]朱俊，李芳，王丽芳.MVB总线网络动态性能的研究.机 车 电 传 动.2013年第1期：35-38
[3] 刘博，金杰，陈佳凯，韦巍.用工业以太网描述和替代MVB网络.工业控制计算机.2014年第27卷第5期：6-9