华东交通大学动车组网络技术4.1CRH1动车组网课件.ppt

1、列车网络控制技术列车网络控制技术 【主要内容主要内容】4.1 CRH14.1 CRH1动车组网络结构动车组网络结构TCMS TCMS 总体总体结构结构列车网络控制技术列车网络控制技术任任务务运行控制运行控制服务控制服务控制牵引控制牵引控制制动控制制动控制设备保护设备保护车门控制车门控制车内环境控制车内环境控制旅客信息服务旅客信息服务故障诊断、维修服务故障诊断、维修服务列车控制基本任务列车控制基本任务列车网络控制技术列车网络控制技术分布式计算机系统的概念分布式计算机系统的概念物理输入物理输入/ /输出单元分布到输出单元分布到被监控的目标，只需少量的被监控的目标，只需少量的电缆连接；电缆连接；设备

2、统一供电（即蓄电池电设备统一供电（即蓄电池电压）；压）；软件集中在中央单元（中央软件集中在中央单元（中央处理器处理器）CPUI/O unitCPUI/OI/OI/OCPUProcessI/O unitVehicle bus列车网络控制技术列车网络控制技术分布式计算机系统的优点分布式计算机系统的优点l功能多：列车控制、设备诊断、辅助维修、旅客信功能多：列车控制、设备诊断、辅助维修、旅客信息服务；息服务；l成本低、重量轻、体积小、使用更少成本低、重量轻、体积小、使用更少/ /更短的电缆更短的电缆（布线简单）（布线简单） ；l与硬件相比，软件更容易变更，更容易增加功能；与硬件相比，软件更容易变更，更

3、容易增加功能；l设计设计/ /开发时间短开发时间短l可靠性高（活动连接件少、局部故障不影响列车运可靠性高（活动连接件少、局部故障不影响列车运行、可采用冗余设计）行、可采用冗余设计）列车网络控制技术列车网络控制技术4.1.1 CRH1动车组网络控制系统网络拓扑结构动车组网络控制系统网络拓扑结构CRH1动车组由青岛四方动车组由青岛四方庞巴迪庞巴迪-鲍尔铁路运输设鲍尔铁路运输设备有限公司（备有限公司（BSP）提供。以庞巴迪公司为瑞典国）提供。以庞巴迪公司为瑞典国家铁路和地方铁路开发的家铁路和地方铁路开发的“Regina”动车组为原型动车组为原型车。车。列车网络控制系统主要采用的是列车网络控制系统主要

4、采用的是加拿大庞巴迪（加拿大庞巴迪（CRH1CRH1）Bombardier（庞巴迪）公司的（庞巴迪）公司的MITRAC模块模块化产品，（化产品，（MITRACMITRAC计算机系统以摩托罗拉计算机系统以摩托罗拉68K68K微处理微处理器为基础器为基础）分布在列车的各个控制现场，拥有整个动车组的控分布在列车的各个控制现场，拥有整个动车组的控制、各单车的控制、列车诊断、状态监测、事件记制、各单车的控制、列车诊断、状态监测、事件记录、人机界面等功能。录、人机界面等功能。该系统属于分布式、模块化的：该系统属于分布式、模块化的：所有微处理器、输所有微处理器、输入入/输出单元和显示器通过串行多功能车辆总线

5、输出单元和显示器通过串行多功能车辆总线MVB实现通信，通过网关把各车辆总线连接起来。实现通信，通过网关把各车辆总线连接起来。列车网络控制技术列车网络控制技术列车控制管理系统（列车控制管理系统（TCMS）CRH1是以是以MITRAC通用计算机通用计算机为核心的列车控制为核心的列车控制管理系统（管理系统（Train Control and Management System）。）。TCMS是一种用于控制、监督和管理是一种用于控制、监督和管理CRH1动车组动车组功能的分布式计算机系统。功能的分布式计算机系统。列车网络控制技术列车网络控制技术TCMS是一种分布式计算机系统，广泛用于控制、是一种分布式计

6、算机系统，广泛用于控制、监督和管理监督和管理CRH1列车大多数功能。列车大多数功能。TCMS包括：包括： 智能设备及其相应列车控制应用软件；智能设备及其相应列车控制应用软件；接口硬件装置，用于把接口硬件装置，用于把TCMS连接到列车其它系连接到列车其它系统；统；列车网络总线，用于将不同的硬件装置连成列车列车网络总线，用于将不同的硬件装置连成列车控制系统。控制系统。TCMS的组成的组成列车网络控制技术列车网络控制技术尽量使用原型车尽量使用原型车Regina的设计。的设计。将将GSM（全球移动通信系统（全球移动通信系统Global System for Mobile Communication）和

7、和GPS（全球定位系统（全球定位系统Global Positioning System）的功能用于控制的功能用于控制TCMS，与与Regina车相比，风险较低。车相比，风险较低。将不同的功能分散到专用的中央控制单元，将不同的功能分散到专用的中央控制单元， 取代了取代了Regina车每车一个车每车一个CCU的模式。的模式。改进列车诊断功能。改进列车诊断功能。TCMS系统结构的设计目标系统结构的设计目标列车网络控制技术列车网络控制技术CRH1动车组的网络拓扑结构动车组的网络拓扑结构CRH1动车组的网络拓扑结构如图所示，采用基于动车组的网络拓扑结构如图所示，采用基于WTB和和MVB两层总线的两层总线

8、的TCN协议，利用多功能车协议，利用多功能车辆总线进行车辆单元内的数据通信，利用列车总线辆总线进行车辆单元内的数据通信，利用列车总线进行车辆单元间的数据通信。进行车辆单元间的数据通信。VCU：车辆控制单元：车辆控制单元 BC：bus coupler 总线连接总线连接列车网络控制技术列车网络控制技术WTB是处理是处理MVB区段之间数据通信的总线，区段之间数据通信的总线，WTB可动态配置，也就是说挂在总线上的单元数可变。可动态配置，也就是说挂在总线上的单元数可变。CRH1的的WTB总线通信速率为总线通信速率为 1.0Mbps.可以通过自动车钩实现扩展，可以通过自动车钩实现扩展，由网关控制。由网关控

9、制。WTB-列车总线列车总线列车网络控制技术列车网络控制技术MVB是处理有限个车辆之间通信的数据总线。是处理有限个车辆之间通信的数据总线。MVBMVB只能静态配置，即挂在只能静态配置，即挂在MVBMVB总线上的单元数不可总线上的单元数不可变。如果需要在变。如果需要在MVBMVB上挂更多的单元，需要为智能上挂更多的单元，需要为智能TCMS TCMS 装置下载新的软件。装置下载新的软件。MVB总线介质为屏蔽双绞线或光纤，总线介质为屏蔽双绞线或光纤，通信速率为通信速率为1.5Mbps1.5Mbps。MVB-多功能车辆总线多功能车辆总线列车网络控制技术列车网络控制技术列车网络控制技术列车网络控制技术列

10、车网络控制技术列车网络控制技术CRH1动车组的网络拓扑结构动车组的网络拓扑结构列车网络控制技术列车网络控制技术CRH1共共8辆车，为辆车，为5M3T编组编组形式。形式。包括包括5辆动车辆动车（MC1、M1、Mc2、M2、M3）和和3辆辆拖车拖车（Tp1、Tp2、Tb）。动车组有两个受电弓，分别位于动车组有两个受电弓，分别位于Tp1和和Tp2车上，车上，正常工作时只有一个受电弓升起。正常工作时只有一个受电弓升起。牵引传动系统以牵引传动系统以列车基本单元（列车基本单元（TBU）为基本单位。为基本单位。CRH1动车组的网络拓扑结构动车组的网络拓扑结构列车网络控制技术列车网络控制技术列车基本单元列车基

11、本单元TBU的具体划分：的具体划分：TBU1Mc1（驾驶动车（驾驶动车1）-Tp1（带弓拖车（带弓拖车1）-M1（中间动车（中间动车1）；）；TBU2Mc2（驾驶动车（驾驶动车2）-Tp2（带弓拖车（带弓拖车2）-M2（中间动车（中间动车2）；）；TBU3M3（中间（中间 动车动车3）-Tb（带吧台拖车）（带吧台拖车）其中其中TBU1和和TBU2完全对称，由两动一拖构成；完全对称，由两动一拖构成；TBU3由一动一拖组成。由一动一拖组成。CRH1动车组的网络拓扑结构动车组的网络拓扑结构列车网络控制技术列车网络控制技术CRH1列车控制管理系统（列车控制管理系统（TCMS）在网络通信上也）在网络通信

12、上也分为分为3个个MVB总线区段总线区段：TBU1段，段，TBU2段，段，TBU3段。段。基本本地控制按基本本地控制按TBU划分。划分。CRH1动车组的网络拓扑结构动车组的网络拓扑结构列车网络控制技术列车网络控制技术在区段内部，在区段内部，TC CCUTC CCU（Train Control CCUTrain Control CCU）中央）中央控制单元：控制单元：为控制和监控功能的核心。为控制和监控功能的核心。由由TC CCU对单元内部所有模块实施控制和监视，对单元内部所有模块实施控制和监视，包括牵引、制动、内外车门、采暖、通风、空调、包括牵引、制动、内外车门、采暖、通风、空调、烟火报警、照明

13、等系统。烟火报警、照明等系统。CRH1动车组的网络拓扑结构动车组的网络拓扑结构列车网络控制技术列车网络控制技术这些系统中有些具有复杂的控制功能要求，如这些系统中有些具有复杂的控制功能要求，如牵引牵引控制系统控制系统PCU、制动控制系统、制动控制系统BCU等，其内部具有等，其内部具有独立完整的控制功能，通过集成的网络接口连接到独立完整的控制功能，通过集成的网络接口连接到区段内部的区段内部的MVB总线上。总线上。一些简单控制功能的系统，如照明、司机控制台操一些简单控制功能的系统，如照明、司机控制台操作设备等，通过作设备等，通过I/O模块连接到模块连接到MVB总线上。总线上。CRH1动车组的网络拓扑

14、结构动车组的网络拓扑结构列车网络控制技术列车网络控制技术CRH1动车组的网络拓扑结构动车组的网络拓扑结构列车网络控制技术列车网络控制技术在网络控制系统中，有些设备没有在网络控制系统中，有些设备没有MVB接口，必须接口，必须进行协议转换。进行协议转换。图中用图中用椭圆线椭圆线圈圈起来的起来的COMC CCU就是装在就是装在Mc车车和和Tb车车上用于与上用于与PIS（旅客信息系统）、（旅客信息系统）、GPS，Fire det.（烟火探测）（烟火探测）等功能部件进行串行通信的接口等功能部件进行串行通信的接口部件。部件。COMC ：Communication Controller通信控制器，通信控制器

15、，实现实现MVB与与RS-485、RS-232总线之间的通信转换。总线之间的通信转换。ATP CCU 装在装在Mc车上用于与车上用于与ATP（Automatic Train Protection）（列车自动防护系统）（列车自动防护系统）进行串行进行串行通信的接口部件。通信的接口部件。CRH1动车组的网络拓扑结构动车组的网络拓扑结构列车网络控制技术列车网络控制技术MVBMVB区段之间具有冗余功能。区段之间具有冗余功能。基本的司机控制功能、高压（网侧）控制功能基本的司机控制功能、高压（网侧）控制功能在列在列车两端的车两端的Mc车之间可互为冗余车之间可互为冗余，该功能通过列车内，该功能通过列车内部贯

16、穿整车的冗余部贯穿整车的冗余MVB总线实现。总线实现。如下图中虚线部分所示。如下图中虚线部分所示。TDS（Train Diagnosis System） CCU：列车诊：列车诊断系统中央控制单元断系统中央控制单元HMI：显示器：显示器CRH1动车组的网络拓扑结构动车组的网络拓扑结构列车网络控制技术列车网络控制技术CRH1动车组的网络拓扑结构动车组的网络拓扑结构列车网络控制技术列车网络控制技术当处于激活状态的司机室发生故障时当处于激活状态的司机室发生故障时，列车不会停，列车不会停下来，司机的操作通过冗余总线由另一个司机室的下来，司机的操作通过冗余总线由另一个司机室的控制设备自动接管，司机可以继续

17、在原来位置操纵控制设备自动接管，司机可以继续在原来位置操纵列车，并可在屏幕上看到故障情况，但不会影响列列车，并可在屏幕上看到故障情况，但不会影响列车运行。车运行。CRH1动车组的网络拓扑结构动车组的网络拓扑结构列车网络控制技术列车网络控制技术挂在挂在 Tb Tb 车车 MVB MVB 总线上的总线上的远程访问模块远程访问模块AXSAXS（Remote access unitRemote access unit） CCU CCU可可通过通过GSM GSM 建立与地建立与地面之间的通信信道，贯穿整车的面之间的通信信道，贯穿整车的以太网以太网EthernetEthernet（图中最外围的灰色线）提供

18、列车维护、服务等方（图中最外围的灰色线）提供列车维护、服务等方面的通信与接口。面的通信与接口。CRH1动车组的网络拓扑结构动车组的网络拓扑结构列车网络控制技术列车网络控制技术CRH1动车组的网络拓扑结构动车组的网络拓扑结构列车网络控制技术列车网络控制技术值得注意的是，在本地值得注意的是，在本地 MVB 中还有一个功能独立中还有一个功能独立的重要系统，就是的重要系统，就是牵引控制系统（牵引控制系统（PC，Propulsion Control）。这个系统拥有一个独立的这个系统拥有一个独立的MVB牵引总线，对其下的牵引总线，对其下的单元按分布式总线控制的方式实施控制与监视，如单元按分布式总线控制的方

19、式实施控制与监视，如后图中用椭圆线圈起来的五个部分。后图中用椭圆线圈起来的五个部分。CRH1动车组的网络拓扑结构动车组的网络拓扑结构列车网络控制技术列车网络控制技术PCU（Propulsion Control Unit）：牵引控制单元）：牵引控制单元LCM（Line Converter Module）：网侧变流器模块）：网侧变流器模块MCM（Motor converter module）：牵引（电机）：牵引（电机）变流器模块变流器模块ACM（Auxiliary Converter Module）：辅助变流器）：辅助变流器模块模块CRH1动车组的网络拓扑结构动车组的网络拓扑结构列车网络控制技术列

20、车网络控制技术列车网络控制技术列车网络控制技术TCMS TCMS 结构，重点标出了带应用软件的结构，重点标出了带应用软件的MITRACMITRAC装置装置列车网络控制技术列车网络控制技术TCMS TCMS 结构，重点标出了与列车诊断相关的装置结构，重点标出了与列车诊断相关的装置列车网络控制技术列车网络控制技术TCMS TCMS 结构，重点标出了与牵引相关的装置结构，重点标出了与牵引相关的装置列车网络控制技术列车网络控制技术TCMSTCMS结构，重点标出了有数据发送的相关模块装置结构，重点标出了有数据发送的相关模块装置列车网络控制技术列车网络控制技术列车网络控制技术列车网络控制技术CRH1列车列

21、车TCMS的各种系统接口的各种系统接口列车网络控制技术列车网络控制技术TCMS内通过内通过WTB总线进行总线进行MVB区段之间数据传区段之间数据传输的管理方式为输的管理方式为主主从结构从结构。没有固定分配主机，而是在工作中自动进行主从没有固定分配主机，而是在工作中自动进行主从工作方式的配置。工作方式的配置。一般情况下自动将司机室所在的一般情况下自动将司机室所在的Mc车的车的TC CCU配置成主机。配置成主机。4.1.2 TCMS的主的主从结构及配置从结构及配置列车网络控制技术列车网络控制技术在在TC CCU中软件的运行情况如下：中软件的运行情况如下：（1）主应用软件（仅在主）主应用软件（仅在主

22、TC CCU中运行）；中运行）；（2）本地应用软件（总在运行状态）；）本地应用软件（总在运行状态）；（3）定义和配置软件（总在运行状态）。）定义和配置软件（总在运行状态）。4.1.2 TCMS的主的主从结构及配置从结构及配置列车网络控制技术列车网络控制技术主主从概念从概念提供了列车级功能和本地功能的分离，提供了列车级功能和本地功能的分离，通过通过WTB在在MVB区段之间进行通信是数据报文包区段之间进行通信是数据报文包括以下类型：括以下类型：（1）主（）主（Master）TC CCU到所有本地（到所有本地（Local）TC CCU；（2）主）主TC CCU到某个指定的本地到某个指定的本地TC C

23、CU；（3）本地）本地TC CCU到主到主TC CCU；（4）某个指定的本地）某个指定的本地TC CCU到主到主TC CCU；（5）本地）本地TC CCU到其它到其它TC CCU；4.1.2 TCMS的主的主从结构及配置从结构及配置列车网络控制技术列车网络控制技术TC CCU中的中的主应用软件主应用软件和和本地应用软件本地应用软件之间的所之间的所有通信都是通过网关和有通信都是通过网关和WTB实现的。实现的。即便在同一个即便在同一个VCU-Lite 硬件中的主应用软件和本地硬件中的主应用软件和本地应用软件之间的通信也是这样。应用软件之间的通信也是这样。例如，司机命令所有的车门关闭的例如，司机命令

24、所有的车门关闭的列车级功能列车级功能仅能仅能从主从主TC CCU 发出，该主发出，该主TC CCU 通过通过网关和网关和WTB把这个命令发送给所有本地把这个命令发送给所有本地TC CCU （包括该主（包括该主TC CCU所处的同一硬件的本地所处的同一硬件的本地TC CCU）。）。4.1.2 TCMS的主的主从结构及配置从结构及配置列车网络控制技术列车网络控制技术当列车首次上电时，车上没有主机。当列车首次上电时，车上没有主机。此时当司机插入司机钥匙，激活司机室时，会发生此时当司机插入司机钥匙，激活司机室时，会发生以下自动配置过程：以下自动配置过程：（1）DX单元检测到司机输入（即插入司机钥匙）；

25、单元检测到司机输入（即插入司机钥匙）；（2）DX将司机室状态信息通过将司机室状态信息通过MVB总线发送给总线发送给（本（本Mc车）车）TC CCU；（3）该）该TC CCU 中的定义和配置软件会执行一系列中的定义和配置软件会执行一系列控制功能（如所有本地控制功能（如所有本地MVB总线上重要设备的全功总线上重要设备的全功能检查，车上没有其他司机室等）；能检查，车上没有其他司机室等）；1）列车上电后的主机配置）列车上电后的主机配置列车网络控制技术列车网络控制技术（4）该）该TC CCU通过通过MVB总线向总线向GW发送一个命令发送一个命令信号，命令信号，命令GW对对WTB进行配置。进行配置。GW以

26、通过以通过WTB向其他向其他GW发送数据的方式来配置发送数据的方式来配置WTB总线。总线。当当WTB配置完成后，该司机室的配置完成后，该司机室的GW为为WTB的强主的强主机状态（机状态（strong master state），），其他其他GW为从机状态为从机状态（slaves state），），GW的强主机状态能阻止再次激活的强主机状态能阻止再次激活其他司机室开始新一轮配置；其他司机室开始新一轮配置；1）列车上电后的主机配置）列车上电后的主机配置列车网络控制技术列车网络控制技术（5）当）当WTB配置完成，本车配置完成，本车GW成为强主机后，该成为强主机后，该强主强主GW通过通过MVB向向本车

27、本车TC CCU 发送一个信号，发送一个信号，TC CCU 成为主机成为主机TC CCU。（6）该司机室的主机）该司机室的主机TC CCU 就开始启动其中的主就开始启动其中的主应用软件，这是配置的主机称为第一主机。应用软件，这是配置的主机称为第一主机。1）列车上电后的主机配置）列车上电后的主机配置列车网络控制技术列车网络控制技术1）列车上电后的主机配置）列车上电后的主机配置列车网络控制技术列车网络控制技术2）使已配置完成的动车组失活（去激活）使已配置完成的动车组失活（去激活）3）重新激活司机室）重新激活司机室4）对活动司机室配置完成后的动车组的另一司机）对活动司机室配置完成后的动车组的另一司机

28、室的激活室的激活4.1.2 TCMS的主的主从结构及配置从结构及配置列车网络控制技术列车网络控制技术尽管尽管TCMS硬件装置非常可靠，硬件装置非常可靠，TCMS仍然采取冗仍然采取冗余以进一步提高动车组运行的可靠性。余以进一步提高动车组运行的可靠性。次主冗余（次主冗余（second master redundancy）假设列车配置成假设列车配置成Mc1车为活动司机室，如果活动车为活动司机室，如果活动司机室内某个重要的司机室内某个重要的TCMS硬件故障，列车自动硬件故障，列车自动配置成为次主模式。配置成为次主模式。此时由另一此时由另一Mc车的车的TC CCU 接管列车的主控任务，接管列车的主控任务

29、，使用原司机室的冗余使用原司机室的冗余I/O来控制列车。来控制列车。4.1.3 TCMS的冗余的冗余列车网络控制技术列车网络控制技术具体过程如下：具体过程如下：（1）冗余）冗余DX单元检测到活动司机室单元检测到活动司机室输入（司机钥匙状态改变）；输入（司机钥匙状态改变）；（2）冗余）冗余DX单元通过同一单元通过同一MVB总线发送活动司总线发送活动司机室状态到另一机室状态到另一Mc车的车的TC CCU；（3）该）该TC CCU中的定义和配置软件执行一系列中的定义和配置软件执行一系列控制功能；控制功能；4.1.3 TCMS的冗余的冗余列车网络控制技术列车网络控制技术（4）该）该TC CCU通过通过

30、MVB总线发送命令信号到总线发送命令信号到GW，命令，命令GW配置配置WTB；（5）GW通过通过WTB发送数据到其它发送数据到其它GW以去除弱以去除弱主状态，并配置其它主状态，并配置其它GW为从机模式；当为从机模式；当WTB配配置完成后，另一司机室的置完成后，另一司机室的GW处于处于WTB的强主状的强主状态，而其它态，而其它GW为从机状态；为从机状态；4.1.3 TCMS的冗余的冗余列车网络控制技术列车网络控制技术（6）配置）配置GW时，原先为弱主状态的时，原先为弱主状态的GW转变为转变为从机模式，停止通过从机模式，停止通过MVB发送信号到主机发送信号到主机TC CCU；（7）当）当WTB配置

31、完成，配置完成，GW称为主机，该称为主机，该GW通通过过MVB发送信号到发送信号到TC CCU，该，该TC CCU称为主称为主机模式；机模式；（8）称为主机模式的（另一司机室的）称为主机模式的（另一司机室的）TC CCU 启动其主应用软件。启动其主应用软件。4.1.3 TCMS的冗余的冗余列车网络控制技术列车网络控制技术该模式使列车能够继续运行重要的司机操作功能，该模式使列车能够继续运行重要的司机操作功能，司机指令和从司机指令和从TCMS反馈给司机的信息由冗余反馈给司机的信息由冗余I/O设备（设备（AX和和DX模块）来处理，这些冗余设备在模块）来处理，这些冗余设备在活动司机室操作台上，由另一个

32、活动司机室操作台上，由另一个Mc车上的车上的TC CCU控制。控制。4.1.3 TCMS的冗余的冗余列车网络控制技术列车网络控制技术2. I/O冗余冗余CRH1动车组对司机室的非重要动车组对司机室的非重要I/O单元（例如车单元（例如车钩罩的操作）硬件故障也进行了冗余配置。钩罩的操作）硬件故障也进行了冗余配置。非重要非重要I/O单元对操作列车同样是重要的，只不过单元对操作列车同样是重要的，只不过时间上不是要求非常紧迫。时间上不是要求非常紧迫。4.1.3 TCMS的冗余的冗余列车网络控制技术列车网络控制技术3. 网侧电压冗余网侧电压冗余网侧电压的控制单元包括受电弓、主断电路和主网侧电压的控制单元包

33、括受电弓、主断电路和主变压器的控制和监控。这是列车运行的重要功能变压器的控制和监控。这是列车运行的重要功能之一。之一。TCMS硬件对该系统是完成冗余的。硬件对该系统是完成冗余的。4.1.3 TCMS的冗余的冗余列车网络控制技术列车网络控制技术4. IDU冗余冗余活动司机室中的智能显示单元活动司机室中的智能显示单元IDU不能显示数据不能显示数据时可以实现报警功能的冗余。时可以实现报警功能的冗余。4.1.3 TCMS的冗余的冗余列车网络控制技术列车网络控制技术习题、小结：习题、小结：v CRH1CRH1的的TCMSTCMS与车上哪些设备有接口？与车上哪些设备有接口？v 试画出试画出CRH1CRH1网络控制系统的完整拓扑结构图并说网络控制系统的完整拓扑结构图并说明其原理。明其原理。v 与与CRH5CRH5相比，相比，CRH1CRH1的的TCMSTCMS有什么特点有什么特点