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北京交通大学硕士学位论文 y 7 4 1 4 4 9 l o n w o r k s 技术在列车通信系统中应用的分析与试验 摘要 高速动车组等新型机车车辆产品对列车通信网络的需求越来越迫切，而国内的列车通 信网络尚处于开发研制阶段，没有成熟的产品可供选择。因此国内机车车辆制造工厂不得不 从国外进口具有网络通信功能的控制系统。造成了我国列车通信网络产品种类繁多且有的 产品与国际标准不兼容。鉴于上述情况，为使我国的列车通信网络产品简统化，并与国际标 准接轨，本文参照国际标准i e e e l 4 7 3 1 9 9 9 ，以两动一拖动车组为模型，开发研制了基于 l o n w o r k s 技术的列车通信网络l o n t c n - - i 系统。 本文首先介绍了国内外列车通信网络的发展概况，分析比较了国外几种比较著名的网 络系统的特点。列车通信网络标准( t c n ) 也是本文介绍的内容之一。 其次，通过对几种现场总线的分析比较，着重介绍了l o n w o r k s 网络技术的特点、协议及 采用该技术开发列车通信网络的理论依据。 对l o n t c n - - i 网络系统的开发、研制及试验是本文论述的重点。本文参照i e e e l 4 7 3 1 9 9 9 标准建立了系统结构，确定了系统功能。同时，对该系统进行了实验室及实车线路运 行工况下的试验。试验结果表明系统性能稳定，抗干扰性能强，达到了预期设计目的。 基于l o n w o r k s 技术开发具有两层总线结构的列车通信网络在国内尚属首次。通过对 l o n t c n - - i 网络系统的开发研制及试验研究，为今后列车通信网络的进一步开发及实车 应用打下了理论和试验基础。 【关键词】现场总线l o n w o r k s列车通信网络试验研究 北京交通大学硕士学位论文 ， r e s e a r c ha n de x p e r i m e n to nt r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k b a s e do nl o n w o r k s a b s t r a c t i t sg e t t i n gm o r ea n dm o r es t r i n g e n tf o rt h er e q u i r e m e n to f n e wt y p eo f v e h i c l e st ot h et r a i n c o m m u n i c a t i o nn e t w o r ks u c ha s h i g hs p e e de m u s d m u s h o w e v e r , t h en a t i o n a l t r a i n c o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki s b e i n gd e v e l o p e d ，t h e r e i sn om a t u r ep r o d u c t st ob es e l e c t e d ，t h e n a t i o n a ll o c o m o t i v ea n dr o i l i n gs t o c kw o r k sh a v et oi m p o r ts o m ec o n t r o ls y s t e m sw i t h i nt h e f u n c t i o no fn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n w h i c hb r i n g sa b o u tt h ev a r i o u sc a t e g o r i e so ft r a i n c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k p r o d u c t s ，a n ds o m e o ft h e mc o nn o tb e c o m p a t i b l ew i t ht h ei n t e r n a t i o n a l s t a n d a r d b a s eo nd e s c r i p t i o na b o v e ，i no r d e rt om a k et r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kb r i e fa n d i n t e g r a t ew i t hi n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d ，t h et r a i nc o m m u n i c a t i o n n e t w o r kl o n t c n - - ii sd e v e l o p e d i n t h i sp a p e rr e f e r r i n gt oi n t e r n a t i o n a ls t a n d a r di e e e l 4 7 3 1 9 9 9a n di m i t a t i n gae m u so f 1 m 2 t s e v e r a lk i n d so ft r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka n df i e l db u sa r ep r e s e n t e da n da n a l y z e d f i r s t l yi nt h i st h e s i s s e c o n d l y , t h ei n t e r n a t i o n a ls t a n d a r do f t r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ( t c n ) i s a l s oi n 仃o d u c e d t h em a i nw o r k so ft h i st h e s i sa r et h ed e v e l o p m e n ta n de x p e r i m e n to nl o n t c n - - i ，t h e s y s t e ms f f u c t u r ea n df u n c t i o n sa r es e tu pa c c o r d i n gt oi e e e l 4 7 3 - - 1 9 9 9 ，a n de x p e r i m e n t sa r e c a r r i e do u to nl a b o r a t o r ya n dl i n e ，t e s t ss h o wt h a tt h el o n t c n - - ih a v es t a b l ep e r f o r m a n c ea n d i n t e r f e r e n c ei m m u n i t y i t st h ef i r s tt i m ei n t h en a t i o n w i d et o d e v e l o p t w o l a y e r s b u s s t r u c t u r e dw a i n c o m m u n i c a t i o nn e t w o r kb a s e do i ll o n w o r k s t h ef o u n d a t i o no ft h e o r ya n dt e s tw a ss e tu pi o f u r t h e rd e v e l o pa n d a p p l y t r a i nc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k ，t h r o u g ht h e o r ya n de x p e r i m e n t so n i t 【k e y v t o r d s 】 f i e l db u s ，l o n w o r k s ，t r a i nc o m m u n i c a t i o n ，n e t w o r k ，r e s e a r c ha n d e x p e r i m e n t 北京交通大学硕上学位论文 第一章绪论 近几年国内机车车辆工业发展迅速，相继开发成功了内燃动车组、电动车组、2 0 0 k m h 高速列车等产品，以及目前处于开发研制阶段的内燃摆式动车组、3 0 0k m h 高速车及城市轨 道车等。这些机车车辆产品需要对列车的运行状态和故障信息作出陕速准确的判断和处理， 而传统的机车车辆控制技术已完全不能满足这方面的要求，因此必须装配有列车通信网络 产品，方能实现整个列车的正常运行。 目前，国内的列车通信网络尚处于开发研制阶段，没有现成的产品可供选择。因此国内一 些机车车辆制造工厂为了尽快占领市场，纷纷从国外a d t r a n z 瑞士分公司、德国s i e m e n s 公 司及日本新泻公司进口具有网络通信功能的控制系统，以解燃眉之急。结果造成了国内列 车通信网络产品种类繁多，导致车辆运用部门维护困难，且价格昂贵，而有的产品又与国际标 准不兼容。因此，开展列车通信网络基础研究工作、对于我国机车车辆现代化建设是非常有 意义的。那么，国内外列车通信网络的发展状况如何，列车通信网络应遵循什么模式，列车通 信网络国际标准等问题应是进行列车通信网络开发所要首先了解的内容。 1 1国外列车通信网络发展概况 在列车通信网络研制的早期阶段，列车通信网络与列车控制系统是相对独立的。列车 通信网络的任务主要是收集全列车各部件的状态、数据，以便进行监视和诊断。列车控制系 统主要通过硬连续把命令传送到各节车厢，从而实现全车的重联控制。日本的3 0 0 、5 0 0 系 列电动车组就是这样。后来随着列车通信网络技术的发展，可靠性程度的提高，其功能也在 不断增强。它己不再局限于监视、诊断所需的情报收集，而且传递控制所必需的信息，将控 制与监视、诊断合在一起，使信息更加丰富，也可避免重复取信号，从而也提高了监视和诊断 的水平。 7 0 年代末至8 0 年代初，车载微机的雏形分别在s i e m e n s 公司和a b b 公司出现，开始仅 仅用于传动装置的控制。后来随着控制、服务对象的增多，逐渐发展成列车通信网络。至今， 国际上列车通信网络控制技术已经成熟，西欧的一些公司，如瑞士的a d t r a n z 公司( a b b ) 的 m i c a ss 2 到后来的m i t r a c 、德国的s i e m e n s 公司的s i b a s 、法国的t o n a d 网络等产品均已 北，真交通大学硕士学位论文 是成熟技术，已经在i c e 、t g v 等高速列车上广泛应用。 m i c a s s 2 是a b b 公司在m i c a s s 牵引控制系统基础上开发的新一代列车控制与通信 系缆，于1 9 9 2 年首次装在2 0 0 0 系列机车车辆上，至今已装备了十几种车型。m i c a s s 2 与 m i c a ss 相比，主要有三个根本性的改进：一是引入了列车通信网络，使该系统成为特别适 合于列车控制的分布式计算机系统：二是采用了新工艺和专用芯片；三是建立了全方位的、 统一的软件开发环境。 m i c a ss 2 列车控制系统由列车控制级、车辆控制级和传动控制级三级组成。各子系 统控制单元通过列车通信网交换命令和数据。列车通信网由两级总线型局域网组成，即同一 车辆内各计算机装置互连的车辆总线和列车中各车辆节点互连的列车总线。列车总线耦合 器为二者之间的网关。图1 1 所示为m i c a ss a 系统结构图。 该网络遵循o s i 模式，但作了大量必要的简化和优化。, f c b 多功能车辆总线采用r s 4 8 5 串行通信标准，局域总线用双绞线，远程总线用光缆，数据以曼彻斯特码传输，传输速率为 l ，5 m b p s 。列车总线以现有的用于列车电空制动设备控制的9 芯e p 电缆或1 8 芯u i c 电缆， 图1 1 m i c a s s 2 系统结构图 串行数据以f s k 方式发送，数据传输率为1 9 2k b p s 。在有些车型上还略低一些。h i c a s s 2 的列车总线与t c n 标准不兼容。铁道部株洲电力机车研究所日前引进了n i c a ss 2 系统，用 于出口伊朗的t m i 机车重联以及2 0 0 k m h 动车组通信控制上，应用情况良好。a b b 公司在 m i c a s _ s 2 基础上又研制了更新代的分布式列车通信网络m i t r a c ，它的各控制单元自成一 2 北京交通大学硕：七学位论文 体，主c p u 采用3 2 位微处理器，具有p u p l a 和c 语言支持功能。 国际上另一个著名的车载微机控制系统是s i e m e n s 公司的s i b a s 一3 2 通信控制系统。 1 9 7 9 年，s i e m e n s 公司第一次开发车载微机控制装置，当时采用的是s a b 8 0 8 0 微处理器，没有 正式命名。1 9 8 1 年s i e m e n s 公司第一台以s i b a s 一1 6 命名的采用i n t e l 8 0 8 6 微处理器的传 动装置使用于纽伦堡交通运输股份公司的地下铁道动车组上。从八十年代末起，s i b a s 一1 6 的中央处理器改用i n t e l 8 0 8 6 的增强型i n t e l 8 0 1 8 6 作为c p u ，1 9 9 2 年，s i e m e n s 公司又在 s i b a s 一1 6 的基础上推出了以i n t e l 8 0 3 8 6 为主c p u 的s i b a s 一3 2 。 表1 1s i b a s 总线表 总线名称物理接口波特率编码协议组态标准 列车总线一r s 4 8 5 6 0 vm a n c h e s t e r d i n 4 33 2 2 l o o k b p s 主从 列车控制级2 线 h d l c第3 部分 车辆总线一r s 4 8 5m a n c h e s t e rd i n 4 33 2 2 1 0 0 k b p s 主从 车辆控制级4 线h d l c第2 部分 控制总线一 r s 4 8 5 子系统控制 6 2 5 k b p s西门子标准 主从西门子标准 2 线 级 显示总线一r s 2 3 2 c r s 4 2 2 4 8 k b p s异步 人及接口2 0 m a 诊断总线一 r s 2 3 2 4 8 k b p s异步 服务接r 7 1i b i s 总线一i b i s 标准v o v 1 2 k b p s异步主从 i 旅客信息4 线 s i e m e n s 公司的s i b a s _ 3 2 由绞线式列车总线和多功能车辆总线m v b 两层总线结构组 成。由中央控制单元c c u 、牵引控制单元t c u 、门控单元和制动单元等部分组成。s i b a s 一3 2 系统和列车通信网络标准t c n 完全兼容。系统性能完全达到t c n 要求，表1 i 为s i b a s 总线 表。 l o n w o r k s 技术在列车通信网络方面也有大量的应用。美国新泽西州轻轨c o m e t 项 目、v a p o r 公司的车门监视器、旧金山湾区地铁( b a r t ) 制动系统监视器和自动列车控制 北京交通大学硕士学位论文 系统、a l s t o m 公司的牵引系统、悉尼轻轨的乍门控制、德国8 u n d e b a h n 公司的照明、供暖 和空调控制等均为h o n w o r k s 的应用实例。另外，加拿大b o m b a r d i e r 公司和日本川崎等公司 已将l o n w o r k s 用作列车通信网络，用在他们生产的铁路车辆上。1 9 9 7 年，美国铁路协会 ( a a r ) 已经把l o n w o r k s 技术作为a a r 标准( s - 4 3 2 0 ) 。1 9 9 9 年8 月份，l o n w o r k s 控制 网络技术正式上升成为在列车通信方面新的i e e e l 4 7 3 1 9 9 9 标准的一部分，即i e e e l 4 7 3 一l 。 1 2 国内列车通信网络研究应用动态 我国在列车通信网络方面的基础研究尚处于起步阶段。上海铁道大学、北方交通大学 和株洲电力机车研究所等单位参照t c n 标准，研制了由a r c n e t 列车总线和h d l c 车辆总线构 成的列车通信网，针对不同的功能单元，开发了相应硬件和部分软件，在实验室进行了网络 通信可靠性试验、电磁兼容性试验和高低温环境条件试验，现正从实验室研究向上车实用阶 段过渡。但a r c n e t 列车总线及h d l c 车辆总线还未投入实车试验。 目前国内列车通信系统和列车控制系统是相对独立的。列车通信系统的主要任务是 收集全列车各部件的状态、数据，以便进行监视和诊断。而列车控制系统主要通过硬连线把 命令传送到各节车厢从而实现全列车的重联控制。目前，从国内各车型的应用情况来看，列 车通信网络的应用也局限于此。下面简要介绍列车通信网络的应用情况。 1 株洲电力机车厂生产的昆明一石林的两动两拖动车组，以s s 4 b 型电力机车为基础的 动车上采用r s 一4 8 5 通信方式实现动车间的数据通信，控制命令不经网络。采用主从方式， 点对点通信，通信速率2 3 k b p s ，介质采用双绞线。 2 株洲电力机车厂出口伊朗的动车组为两动八拖，在首尾t m l 机车上采_ 蚪 a b b 公司的 m i c a s s 2 系统仅仅实现机车重联控制。 3 在d d j l 型l 动6 拖的昆明动车组上也采用m i c a s s 2 ，在动力车和控制车上各设一 个节点，能由控制车操纵全列车，可在两个方向上行驶。 4 戚墅堰内燃机车厂和株州电力机车研究所合作的“新曙光号”2 动9 拖的内燃动车 组上采用l o n w o r k s 现场总线进行机车重联控制。为防备总线故障，该动车组采用硬连线及 网络总线两套措施，通信速率为7 b k b p s 。试验结果待考察。 4 北京交通大学硕士学位论文 另外，唐山机车车辆厂的动车组采用西门子公司的传动控制设备、四方机车车辆厂动车 组采用日本新泻公司的传动控制设备实现机车重联。 目前铁路列车通信网络的开发应用是一大热点。各铁路工厂均将列车通信网络纳入自 己开发的高速列车、动车组及地铁、轻轨车的设计当中，并且对网络功能的要求不仅仅局限 于机车重联。近期拟采用网络通信技术的车型有： 1 由唐山机车车辆厂、西南交通大学及株洲电力机车研究所等单位研制的内燃摆式动 车组计划从国外全部引进绞线式列车总线w t b 和多功能重联总线m v b 等通信网络产品，除完 成上述功能外，还需完成实时性要求比较高的列车倾摆的信息传送。 2 由株洲电力机车厂和株洲电力机车研究所联合开发的用于替代广深线x 2 0 0 0 摆式动 车组的2 0 0 公里动车组，拟采用m i t r a c 系统开发对全列车监控的列车通信网络计划将全列 车的机车重联、制动、门控等功能模块全部纳入该网络，构成真正的列车通信网络。 3 铁道部科学研究院机车车辆研究所准备在其新研制的电空直通一自动式制动机加 t f x 2 型电子防滑器制动系统上采用l o n w o r k s 网络技术，实现制动信息的传递。该制动系统 将用于摆式列车上。 还有其它工厂的时速2 0 0 公里、3 0 0 公里高速车上也拟采用列车通信网络，以满足列 车运行的需要。 1 3 列车通信网络标准( t c n ) 简介 随着动车组的兴起，列车控制技术已从单台机车控制逐步向列车网络控制方向发展，列 车网络控制已成为高速列车、动车组的必备技术之一。列车网络控制的主要任务有： ( 1 ) 实现各动力车的重联控制。 ( 2 ) 实现全列车( 动车和拖车) 所有由计算机控制的部件联网通信和资源共享。 ( 3 ) 实现全列车的制动控制、自动门控制、轴温监测及空调控制等功能。 ( 4 ) 完成全列车的自检及故障诊断决策。 5 北京交通大学硕士学位论文 1 9 8 8 年i e c 第9 技术委员会t c 9 成立了第2 2 工作组w g 2 2 其任务是制定一个开放的 通信系统，从而使得各铁道机车车辆能够互相联挂，车上的可编程电子设备能够互换。1 9 9 2 年6 月，t c 9 w g 2 2 以委员会草案的形式向各国发出列车通信网络标准t c n 的征求意见稿。 1 9 9 9 年6 月t c n 标准草案正是成为国际标准，即i e e e l 4 7 3 1 9 9 9 。该标准包含了1 4 7 3 - - t ( t c n ) 和1 4 7 3 一l ( l o n w o r k s ) 两项协议标准。目前，有关公司正在开发相应的网关，以使 两项标准网络可以互联。 列车总线 搜鲁 设备最备 图i 2列车通信网络结构图 1 3 1i e e e l 4 7 3 - - t 标准 该标准以i e c 6 1 7 3 5 - - l ：1 9 9 9 为基础制定的。主要包含4 个部分：第1 部分总体结构， 第二部分实时协议，第3 部分多功能车辆总线，第4 部分绞线式列车总线w t b 。图1 2 为列 车通信网络结构图。 l 总体结构：列车通信网络寻址各铁路车辆中所有相关的拓扑结构，它包含两级：连 接各车辆的列车总线和连接一节车辆内或车辆组各没备的车辆总线。一节车辆可以有1 条 或几条车辆总线，也可以没有，车辆总线可以跨越几节车辆。 2 绞线式列车总线i t r b ：绞线式列车总线通过手插式跨接电缆或自动连接器来实现车 辆之间的互连。w t b 使用1 2 线u i c 电缆再加上一条能以i m b p s 传送数据的专用屏蔽线。电 缆的布置采用冗余原则，装车电缆每一侧各有一根电缆。w t 8 无需中继器传送距离可达到 8 6 0 米。w t b 最显著的特色，是它的以连续顺序给：青点自动编号和让所有的节点识别何处是 6 北京交通大学颂士学位论文 列车的的左侧或右侧的能力。每当列车组成改变时，列车总线各节点执行初运行，初运行后 所有车辆均获得列车的结构信息，包括以下几点： ( 1 ) 相对于主节点，它们各自的地址、方向( 左右) 和位置( 前后) 。 ( 2 ) 列车中其他车辆的数量和位置。 ( 3 ) 其他车辆的型号和种类及支持功能。 ( 4 ) 各车辆的动力学性能。该信息可以帮助制动计算机推算列车长度和重量。 为实现初运行，每个节点包含两个h d l c 通道，每个通道对应一个方向。 3 多功能车辆总线m v b ：w g 2 2 规定了多功能车辆总线m v b 作为连接车辆内设备，以及 在固定编组的列车组中连接各车辆间设备的车辆总线。m v b 可通过3 种介质工作至1 5 m b p s 。 ( ! ) 短距离用r s 4 8 5 。 ( 2 ) 距离达2 0 0 m 的用变压器耦合的双绞线。 ( 3 ) 距离达2 0 0 0 m 的用光纤。 不同的介质可以直接通过中继器互相连接。m v b 由一个专用的主节点控制，它可咀被冗 余的主节点支持以增加可靠性。m v b 由一个集成的总线执行控制器支持，该控制器在物理层 提供冗余，一个设备在两个互为冗余的线路上发送，但仅从一条线路上接收，同时监视另一 条线路。 4 实时协议：列车通信网络中的总线传输两类数据：过程变量和消息数据。过程变 量反映歹0 车状态，如速度、电机电流、操作员的命令等。过程变量的传输时间必须短而确定， 在车辆总线上，变量的传输时间必须保证在1 6 m s 以内；而通过w t b 则须保证在l o o m s 以内。 消息数据为不频繁传送，但可能冗长的信息，如诊断或旅客信息，消息按需要发送。 l _ 3 2i e e e l 4 7 3 一l 标准 该项标准是基于e i a7 0 9 1 1 9 9 8 和e i a7 0 9 3 1 9 9 8 两项标准，并参考l o n w o r k s 技 术的基础上制定的。由于该协议对车辆结构等方面的要求和i e e e l 4 7 3 一t 标准大致相同， 并且本文将在第三章对l o n w o r k s 技术进行专门论述，这里不再详细介绍该标准。 列车通信网络的标准化对目前和将来的开发提供了一个良好的基础，现己交付或投入 运营的采用t c n 的车辆达6 0 0 辆以上，装备t c n 的车辆数量正在迅速增长a d t r a n z 、f i r e m a 、 s i e m e n s 和其他多家制造工厂的所有新项目均以t c n 为基础。 7 北京交通大学硕上学位论文 从上述内容可以看出，s i e m e n s 、a d t r a n z 等欧洲大公司握断着列车通信网络的产舳及 技术，它们的产品价格昂贵，且维修成本也相当高。以我国现有的经济实力引进它们的产品 和技术是难以承受的。因此，依靠我们自己的力量，采用开放的、技术成熟的现场总线技术， 遵循国际标准开发列车通信网络是符合我国国情的切实可行的办法。这样不仅可以使我们 达到低成本、高起点，缩短和国际水平的差距，同时可减少开发周期，提高列车通信网络产品 的可靠性。 1 4 本文主要工作 高速列车等新型机车车辆产品对列车通信网络的需求越来越迫切，而国内的列车通信 网络尚处于开发研制阶段，没有成熟的产品可供选择。因此国内机车车辆制造工厂不得不从 国外进口具有网络通信功能的控制系统。造成了我国机车车辆产品成本增加，列车通信网络 产品种类繁多，使应用部门维修困难，且有的产品与国际标准不兼容。鉴于上述情况，为使我 国的列车通信网络产品简统化并与国际标准接轨，本文参照国际标准i e e e l 4 7 3 1 9 9 9 ，以 两动一拖动车组为模型，开发研制了基于l o n w o r k s 技术的列车通信网络l o n t c n - - i 系统。 目前，国内列车通信网络的研究开发主要经过以下两个途径：一种是引进国外的网络 通信产品，消化吸收国际先进技术，再逐步进行国产化；另一种是采用现有的控制技术，自行 开发自己的通信网络产品，据了解，大多数国内铁路科研部门在开发具有民族品牌的通信网 络产品时，大都采用了l o n w o r k s 技术。西南交通大学机车车辆研究所在摆式列车倾摆控制 的研究项目中，对l o n w o r k s 技术做了大量的研究工作。本文在此研究的基础上，对列车通信 网络进行了试验研究。本论文所完成的主要工作如f ： ( 1 ) 分析研究了国内外列车通信网络的发展概况，分析比较了国外几种比较著名的列 车通信网络系统的特点，掌握了国内科研部门在列车通信网络方面的研究状况。 ( 2 ) 详细研究了国际电工委员会i e c 制定的列车通信网络标准i e e e l 4 7 3 1 9 9 9 。分 析了解了该标准对列车通信网络结构、列车总线、车辆总线及通信协议等方面的规定。使 列车通信网络的开发有标准可遵循。 ( 3 ) 对世界上几种比较著名的现场总线进行了分析、研究和比较，本文通过对几种现 场总线的技术特点、通信协议、应用状况和发展前景等内容的分析比较确定了采用 l o n w o r k s 网络技术开发列车通信网络。 北京交通大学坝士学位论文 ( 4 ) 由于国内l o n w o r k s 中文技术资料比较少、本文阅读了大量的英文文献，并对 l o n w o r k s 网络技术进行了深入细致的研究。熟悉掌握了l o n w o r k s 技术的特点、通信协议 及运用l o n b u i l d e r 开发平台进行节点开发萃集成网络等方面的工作。 ( 5 ) 本文所做的工作主要是在对国内外列车通信网络进行分析研究的基础上，以 l o n w o r k s 网络控制技术为基础，在实验室现有设备的条件下，建立了一个以两动一拖动车 组为模型，包含列车总线和车辆总线两层总线结构，并能模拟列车轴温、电动门、司机台进 行监控的小型网络。并进行了实验室和现车试验，试验结果表明，系统性能稳定，抗干扰性能 强，取得了宝贵的试验数据，为今后从事这方面研究工作提供了参考。 基于l o n w o r k s 技术开发具有两层总线结构的列车通信网络在国内尚属首 次。通过对l o n t c n i 网络系统的开发研制及试验研究，为今后列车通信网络 的进步开发及实车应用打下了理论和试验基础。 本论文得到唐山机车车辆厂课题“摆式列车开发”项目资助。 第二章现场总线技术概述 信息技术的飞速发展，导致了自动化领域的深刻变革，并逐渐形成了该领域的开放系统 互连通信网络，形成了全分布式网络集成化自控系统。现场总线正是这场深刻变革中的重要 技术。它适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向，成为自动化领域的热 点技术之一。 2 1 计算机通信系统简介 现场总线是底层数字通信网络，是连接微机化仪表的开放系统。从一定意义上说，智能 仪表就相当于一台台微机，它们以现场总线为纽带，互连成网络系统，完成数字通信任务。可 以说现场总线系统实际上就是控制领域的计算机局域网络。因此在介绍现场总线的主要技 术之前，有必要简述有关数字通信、计算机局域网络方面的内容。 2 1 1 通信系统简介 通信系统是传递信息所需的切技术殴备的总和。它一般由信息源和信息接收者、发 9 北京交通大学硕上学位沦j 送、接收设备、传输媒介几部分组成。在大多数场合下，需要双向通信时，通信双方都要有 发送设备和接收设备。若共崩一个传输媒介则必须用频率或时间分割的办法来共享。 2 1 1 1 数据编码 l00l01l 厂厂 厂 数据 几厂1 几r 几r 几n时钟 厂 厂 厂几厂一 曼彻斯特码 厂 n 几几 广 差分曼彻斯特编码 图2 1曼彻斯特编码及差分曼彻斯特编码波形图 数据编码是指通信系统中以何种物理信号的形式来表达数据。分为模拟数据编码和数 字数据编码两种。 模拟数据编码分别崩模拟信号的不同幅度、不同频率、不同相位来表达数据的0 ，l 状态的称为模拟数据编码。一般有幅度键控a s k ( a m p l i t u d e s h e f tk e y i n g ) 、频移键控f s k ( f r e g u e n c y s h e f tk e y i n g ) 、相移键控p s k ( p h a s e s h e f tk e y i n g ) _ - - - 种形式。 数字数据编码用高低的矩形脉冲信号来表达数据的0 ，l 状态的称为数字编码信号。 有单极性码、双极性码、归零码( r z ) 、非归零码( n r z ) 、差分码、曼彻斯特编码、差分 曼彻斯特编码几种形式。图21 所示为曼彻斯特编码及差分曼彻斯特编码波形图。 2 1 1 2 通信系统的性能 通信的任务是传递信息，因而信息传输的有效性和可靠性是通信系统最主要的指标。 有效性是指所传输信息的内容多少，而可靠性是指接收信息的可靠程度。 有效性是由传输速率来衡量。二进制信号的信息速率用每秒比特( b p s ) 作单位，常 称比特率。当信道一定时，信息速率越高，有效性越好。 误码率是衡量系统可靠性的指标。它是指二进制码元在数据通信系统中被传错的概 北京交通大学硕士学位论文 率。 信道容量是指信道在单位时间内可能传送的最大比特数。 信噪比信道功率与噪声功率的比值。单位为分贝。 2 1 2 计算机网络基础知识概述 2 1 2 1网络拓扑 网络的拓扑结构是指网络中节点的互连形式。常见的有星形拓扑、环形拓扑、总线拓 扑、树形拓扑、自由拓扑等型式。 2 1 2 2网络传输介质 传输介质是网络中连接收发双方的物理通路，也是通信中实际传送消息的载体。网络中 常用的传送介质有电话线、同轴电缆、双绞线、光纤，无线与卫星通信等。 2 1 2 3 介质访问控制方式 在总线和环形拓扑中，网上设备必须共享传输线路。为解决在同一时间有几个设备同时 争用传输媒介，需要某种介质访问控制方式，以便协调各设备访问介质的顺序。在随机访问 方式中，常用的争用总线技术为c s 姒c d 。住控制访问方式中则常用令牌总线、令牌环。 2 1 - 2 4 通信错误检测 在通信线路上传输信息时，由于噪声干扰，会使接收端收到的信息出现错码。为使接收 端能发现传输错误，需在发送的报文中包含让接收端能发现传输错误的冗余信息，即检错 码。常用的检惜码有两类：奇偶校验码与循环冗余编码c r c ( c y c l i cr e d u n d a n c yc o d e ) 。 2 1 3 开放系统互连o s i 参考模型 现场总线作为一种底层数字通信网络，都部分或全部遵循了国际标准化组织i s o 常u 定的 开放系统互连基本参考模型。o s i 参考模型共分7 层，模型每一层的功能是独立的，它利用 其下一层提供的服务并为其上一层提供服务，而与其它层的具体实况无关。通常，第1 3 层功能称为底层功能( l l f ) ，即通信传送功能，这是网络与终端均需具备的功能。第4 7 层功能称为高层功能( h l f ) ，即通信处理功能，通常需要由终端来提供。图2 2 所示为o s i 7 层参考模型 北京交通大学硕士学位论文 系统a 中继节点 系统b 图2 2o s i 参考模型 2 1 3 1 物理层( p h y s i c a ll a y e r ) 物理层并不是物理媒体本身，它只是开放系统中利用物理媒体实现物理连接的功能描 述和执行连接的规程。物理层提供用于建立、保持和断开物理连接的机械的、电气的、功 能的及过程的条件。物理层协议是网络中最低层协议。它连接两个物理设备，为数据链路层 提供透明位流传输所必须遵循的规则，有时也被称为物理接口。接口两边的设备，在i s o 术 语中被叫做d t e ( 数据终端设备) 和d c e ( 数据通信设备) 。简而言之，物理层提供有关同步 和比特流在物理媒体上的传输手段，其典型的协议有e i a - - 2 3 2 - - d 。 2 i 3 2 数据链路层( d a t al i n kl a y e r ) 数据链路层是o s i 模型的第2 层用于建立、维持和拆除链路连接，实现无差错传输的 功能。在点到点或点到多点的链路上，保证信息的可靠传递。该层对连接相邻的通路进行差 错控制、数据成帧、同步等控制。检测差错一般采用循环冗余校验( c r c ) ，纠正差错采用 计时器恢复和自动请求重发( a r q ) 等技术。其典型的协议有o s i 标准协议中的高级数据链 路控制协议h d l c 。 l2 北京交通大学硕士学位论文 2 1 3 3 网络层( n e t w o r kl a y e r ) 网络层是o s i 七层协议模型中的第3 层。该层规定了网络连接的建立、维持和拆除的 协议。它的主要功能是利用数据链路层所提供的相邻节点间的无差错传输功能，通过路由选 择和中继功能，实现两个系统间的连接。在计算机网络系统中，网络层还具有多路复用的功 能。设置网络层的目的是要为报文分组以最佳路径通过网络达到目的主机而提供服务，让网 络用户不必关心网络的拓扑模型与所使用的通信介质。 2 1 _ 3 4 传输层( t r a n s p o r tl a y e r ) 传输层完成开放系统之间的数据传送控制。主要功能是开放系统之间数据的收发确认。 同时，还用于弥补各种通信网络的质量差异对经过下三层之后仍然存在的传输差错进行恢 复，进一步提高可靠性。另外，还通过复用、分段和组合、连接和分离、分流和合流等技术 措施，提高吞吐量和服务质量。 2 1 3 5会话层( s e s s i o nl a y e r ) 会话层依靠传输层以下的通信功能使数据传送功能在开放系统间有效地进行。其主要 功能是按照在应用进程之间的约定，按照正确的顺序收、发数据，进行各种形式的对话。控 制方式可以分为以下两类：一是为了在会话应用中易于实现接收处理和发送处理的逐次交 替变换，设置某一时刻只有一端发送数据；二是在类似文件等单方向传送大量数据的情况下 为防止应用处理出现意外，在传送数据的过程中需要给数据打上标记。会话层定义了多种服 务可供选择。它将相关的服务组成了功能单元。在目前定义的1 2 个功能单元中，包括5 个 核心功能单元：会话连接、正常数据传送、有序释放、用户放弃与提供者放弃。 2 i 3 6表示层( p r e s e n t a t i o nl a y e r ) 表示层的主要功能是把应用层提供的信息变换为能够共同理解的形式，提供字符代码、 数据格式、控制信息格式、加密等的统一表示。表示层仅对应用层信息内容的形式进行变 换，而不改变其内容本身。表示层服务的主要概念是：语法转换、表示上下文。 2 1 3 7 应用层( a p p l i c a t i o nl a y e r ) 北京交通大学硕士学位论文 应用层是o s i 参考模型的最高层。实现的功能分两大部分，即用户应用进程年f j 系统应用 管理进程。系统应用进程管理系统资源，如优化分配系统资源和控制资源的使用等。由管理 进程向系统各层发出下列请求：请求诊断，提交运行报告，收集统计资料和修改控制等。除 此之外，还负责系统的重启动，包括从头启动和由指定点重启动。 2 2 现场总线技术简介 现场总线是当今自动化技术领域发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。 以现场总线为核心的现场总线控制系统( f c s ) 是控制技术、仪表工业技术，网络技术三者 的结合必将对工业控制领域产生深远影响。 2 2 1 现场总线的本质含义 根据国际电工委员会i e c ( i n t e r n a tl o n a le 1 e c t r o t e c h n i c a lc o m m is s i o n ) 标准和现 场总线基金会f f ( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ) 的定义：现场总线是连接智能现场设备和自动 化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。现场总线的本质含义表现在以下6 个方面： ( 1 ) 现场通信网络：现场总线把通信线一直延伸到生产现场或生产设备，用于过程自动 化和制造自动化的现场没各或现场仪表互连的现场通信网络。 ( 2 ) 现场设备互连：现场设备或现场仪表是指传感器、变送器和执行器等，这些设备通 过一对传输线互连，传输线可以使用双绞线、同轴电缆、光纤和电源线等，并可根据需要因 地制宜地选择不同类型的传输介质。 ( 3 ) 互操作性：不同品牌的现场设备或现场仪表应统一组态，互相连接，能够实现“即 插即用”。 ( 4 ) 分散功能块：f c s 放弃了d c s 的输入输山单元和控制站，把d c s 控制站的功能块 分散地分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站。由于功能块分数在多台现场仪表中，并可统 一组态，供用户灵活选用各种功能块。 ( 5 ) 通信线路供电：通信线路供电方式允许现场仪表直接从通信线上摄取能量，这种方 式提供用于本质安全环境的低功耗现场仪表，与其配套的还有安全栅。 ( 6 ) 开放式互连网络：现场总线为开放式互连网络，既可与同层网络互连，也可与不同 4 北京交通大学硕士学位论文 层次网络互连。不同制造商的网络互连十分简便，用户不必在硬件或软件上花很大气力。 开放式互连网络还体现在网络数据库共享，通过网络对现场设备和功能块统一组态，天 农无缝地把不同厂商的网络及设备融为一体，构成统一的f c s 。 2 2 2现场总线的优点 1 一对n 结构：一对n 结构，n 台仪表，双向传输多个信号，这样一对n 结构使得接线 简单，工程周期短，安装费用低，维护容易。如果增加现场设各或现场仪表，只需并行挂接到 电缆上，无需架设新的电缆。 2 可靠性高：数字信号传输抗干扰强，精度高，无需采用抗干扰和提高精度的措施，从 而减少了成本。 3 可控状态：操作员在操作室既可以了解现场设备或现场仪表的工作状态，也能对其 进行参数调整，还可以预测或寻找故障，始终处于操作员的远程监视可控状态，提高了系统 的可靠性、可控性和可维护性。 4 互换性：用户可以自由选择不同制造商所提供的性能价格比最优的现场设备或现场 仪表，并将不同品牌的仪表互连。即使某台仪表故障，换上其它品牌的同类仪表照常工作， 实现“即插即用”。 5 互操作性：用户把不同制造商的各种品牌的仪表集成在一起，进行统一组态，构成所 需要的控制回路。用户不必绞尽脑汁，为集成不同品牌的产品而在硬件或软件上下功夫或增 加额外开销。 6 综合功能：现场仪表既有检测、变换和补偿功能，又有控制和运算功能，实现一表多 用，不仅方便了用户，也节省了成本。 7 分散功能：控制站功能分散在现场仪表中，通过现场仪表就可构成控制回路实现彻 底的分散控制，提高了系统的可靠性、自治性和灵活性。 8 统一组态：由于现场设备或现场仪表都引入了功能块的概念，所有制造商都使用相 同的功能块，并统一组态方法。这样就使组态变得非常简单，用户不需要因为现场设备或现 场仪表种类不同带来组态方法的不同，而进行培训或学习组态方法及汇编语言。 9 开放式系统：现场总线为开放式互连网络，所有技术和标准全是公开的，所有制造商 都必须遵循。这样，用户可以自由集成不同制造商的通信网络，既可与同层网络互连，电可与 不同层网络互连；另外，用户可极其方便地共享网络数据库。 北京交通大学硕士学位论文 2 3 几种有影响的现场总线比较 自8 0 年代末以来，有j l i 十现场总线技术以逐渐形成其影向并在一些特定的应用领域显 示了自己的优势。它们具有各自的特点池显示了较强的生命力。对现场总线技术的发展己 发挥并将继续发挥较大作用。目前较流行的现场总线主要有以下几种：c a n 、p r o f i b u s 、 h a r t 、f f 及l o n w o r k s 总线。 2 3 1c a n 总线 c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) 即控制器局域网络，最初是由德国b o s c h 公司为汽车 监测、控制