（机械工程专业论文）lonworks网络控制技术在df7型机车控制系统中的应用研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 y-74181341 摘要 摘要 l o n w o r k s 网络控制技术是近年来迅速发展起来的现场总线控 制技术，在工控、楼宁自动化、运输、能源等自动化领域得到应用。 它集计算机、网络、控制于一体，集成了i s o o s i 的全部七层协议， 同时具有通信和控制功能，工作温度范围宽( 4 0 8 50 c ) ，组网灵 活，开放性好，使其能够很好的应用到列车控制中。 本课题立足于在开放的技术的基础上开发全新的适于我国现状的 机车控制系统，在网络的概念下，进行了机车控制的初步尝试。 本文作者在北京二七机车厂的列车机车控制系统研究过程中，提 出了采用l o n w o r k s 网络技术进行机车控制的实施方案。 关键词：l o n w o r k s 网络控制技术，机车，控制系统 北京变通大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h el o n w o r k sn e t w o r k t e c h n o l o g y , o n e o ft h ef i e l d b u s t e c h n o l o g i e sd e v e l o p e di nr e c e n ty e a r sa n da v a i l a b l ea sa l lo p e ns t a n d a r d t oa l lm a n u f a c t u r e r s n o wh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ea u t o m a t i ca r e a s r a n g e d f r o m i n d u s t r y , b u i l d i n g , t r a n s p o r t a t i o n ，t op o w e rs y s t e m i t i n t e g r a t e sc o m p u t e r , n e t w o r k a n dc o n t r o li n t oo n e t e c h n o l o g y a n d d i s p l a c e sp r o p r i e t a r yc e n t r a l i z e ds y s t e m sw i t ho p e n ，h i g h l yd i s t r i b u t e d ， i n t e r o p e r a b l es y s t e m s n e u r o nc h i p ，w h o s en e t w o r k p r o t o c o lh a sa l l7 l a y e r s o ft h ei s o o s ir e f e r e n c e m o d e l ，h a s t h ea b i l i t i e so fb o t h c o m m u n i c a t i o na n da p p l i c a t i o nc o n t r o l ，a n dp r o v i d e s3 4i 0o b j e c t t h e t e c h n o l o g ya l s op r o v i d e sv e r s a t i l em e t h o d sf o rb u i l d i n ga n dm a n a g i n gt h e c o n t r o in e t w o r k s i nt h i s p a p e r , a s o l u t i o nf o rt h et r a i nc o n t r o ln e t w o r ka r e d e m o n s t r a t e db a s e do nt h el o n w o r k s t e c h n o l o g y k e y w o r d ：l o n w o r k st e c h n o l o g y , c o n t r o ls y s t e m u 概论 第一章概论 伴随着中国经济的迅猛发展，近年来人口的流动性越来越强，每 年各个黄金周都对我国的交通造成了极大的压力。而来自民航、公路 和水路运输的竞争，对一向以“老大哥”自居的铁路客货运输造成了 巨大的压力。在这种情况下，铁路急需加快自身的发展，提高运力和 服务质量，以赢得竞争。这就对机车的控制系统提出了更高的要求， 丰要表现在： ( 1 ) 保证各机车的动力系统能够同步协调运行； ( 2 ) 能够实现司机对整个车组的各部分的控制； ( 3 ) 系统响应实时快速，满足列车控制的要求； ( 4 ) 实现机车各部分运行状态的实时监控： ( 5 ) 提供简洁、明确的旅客信息： ( 6 ) 系统应具有可扩展性，能够方便可靠的接入新增设备。 这些功能的实现使得控制系统变成了一个庞大而功能完备的系 统，我国目前所采用的控制系统无法满足此要求。因而，段时期以 来，该系统成为了闲扰广大机客车牛产厂家的一大难题。 随着信息技术的迅猛发展，计算机网络迅速波及到社会牛活的各 个角落，铁路运输业也不例外，欧美机车车辆行业的各大制造厂商纷 纷发展起来了各自的列车控制网络，并得到了广泛的应用。网络成为 了机列车控制系统的个完美的解决方案。因此，在国内还没有成熟 的产品的情况下，各厂家纷纷将目光投向了国外。但是，由于国内外 技术落差的存在，国外厂商在卖给我f j y j j 车控制系统的同时，也开出 了天价，使得控制系统成为了一个奢侈品，同时在系统的安装、调试 和维护等方面也存在各种各样的问题。因此，开发出我们自己的产品 迫在眉睫。随着机车车辆技术的不断发展，列车控制逐渐多样化，发 展具有开放性、可靠性高而功能完备的机车控制系统也是国内厂商所 拭目以待的。本文将就此逐渐展开讨论。 北京交通大学硕士学位论文 1 1 列车微机控制技术的发展与现状 1 1 1 国外 车载微机的雏形在7 0 年代末至8 0 年代初出现。开始仪仪用于传 动装置的控制，随着控制、服务对象的增多，人们把铁道系统依次划 分为6 个层次：公司管理、铁路运营、列车控制、机车车辆控制、传 动控制和过程驱动，于是列车通信网络在初期的串行通信总线的基础 上应运而生，并从原来不同公司的企业标准推向国际标准，逐步形成 了列车通信与控制系统的标准化、模块化的硬件系列和全方位的开发、 调试、维护、管理软件工具。 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 任务是制订一个开放的通信系统，从而使得各种铁道机车车辆能够相 - 可 联挂，车上的可编程电子设备可以百换。并于1 9 9 9 年6 月通过了 i e c 6 1 3 7 5 1 标准作为t c n ( 列车通信网) 的标准。同年，i e e e 委员会 也制订出了车载通信协议标准1 e e es t d1 4 7 3 1 9 9 9 标准，并将t c n 和 l o n w o r k s 同时纳入其中。 在此期间发展起来的车载微机系统有西门子的s i b a s l 6 、s 1 b a s 3 2 ， a d t r a n z 公司的m i c a s s 、m i c a s s 2 、m i t r a c 以及a l s t o m 公司 的a g a t e 系统。其中s i b a s l 6 、s i b a s 3 2 、m i c a s s 是基于早期自 行定义的协议来建立列车通信网络的，而m i c a s s 2 、m i t r a c 则是基 于t c n 标准的。m i c a s s 2 将网络分成列车总线和车厢总线，列车总 线采用f s k ( 频移键控) ，波特率为1 9 2 k b p s ，车厢总线m v b ( 多功 能车厢总线) 采用r s 4 8 5 串行通信标准，局部总线采用双绞线，远程 总线采用光缆，波特率为1 s m b p s 。m i c a s s 2 的总线结构图如图1 1 所示。m i t r a c 则是在m i c a s s 2 的基础上发展起来的分布式列车控 制网络，其协议已完全符合t c n 的标准。a g a t e 则是以w o r l d f l p 总线协议为基础建立网络的。通信波特率为2 5 m b p s 。三者皆可根据需 要建立丰从式的分级列车网络。 2 概论 图1 1m i c a s - s 2 的总线结构 另外，加拿大的b o m b a r d i e r 公司和日本的川崎公司则基于 l o n w o r k s 网络技术在纽约地铁上建立了列车网络。关于 l o n w o r k s 技术将在后续章节中介绍。 1 1 2 国内 微机控制技术在我国机车车辆行业的运用已经有了十多年的时 间，在这期间，丰要经过了三个阶段：第一阶段是功能控制阶段，即 微机控制系统主要完成单一的有限的功能。第二阶段是系统化阶段， 即微机控制系统的开发是基于系统的综合考虑的结果。第三阶段是网 络化阶段，将计算机网络的概念引入列车控制系统，在列车上建立分 布式的列车控制网络。这三个阶段会因制造厂家的不同而在时间上产 牛重叠，但就技术发展的本身而言，则是非常明确的。 在第一阶段中，内燃机车和电力机车均有不同的发展。内燃机车 手要立足于自行开发，不同的牛产厂家发展出了不同的控制系统，分 别应用在d f 4 、d f 5 、d f 7 等机车上。这些系统大多主要完成机车的恒 功率控制功能，采用单片机实现，在设计功能上有较强的针对性，由 于受到单片机运行速度、扩展能力以及开发方面的限制，已经难以实 现大量功能的扩展：电力机车则立足于引进消化吸收和白手开发相结 合的原则，对弓i 进的8 k 机车的控制技术进行消化吸收，开发出应用在 s s 5 、s s 6 、s s 3 b 、s s 4 改进型、s s 6 b 、s s 7 等不同车型的电力机车电 子控制装置，其丰要电路是通过模拟、数字电路实现控制的数学运算 和逻辑运算的，只有部分电路如功率因数补偿、空电联合制动控制电 北京交通大学硕t ：学位论文 路采用单板机技术。 在第二阶段中，内燃机车以d f 6 、d f 8 b 、d f l l 、n j l 为代表，d f 6 机车的控制系统为美国g e 公司开发研制的，系统以8 0 1 8 6 芯片为控制 器，采用f e 总线，能够完成恒功率控制、大量数据采集、故障诊断、 系统管理等功能，能够完成较大的任务量，同时系统提供了r s 2 3 2 串 行接口，便于系统的局部扩展。而装于d f 8 b 、d f l l 、n j l 等机车的微 机系统则是株洲所和大连所在d f 6 机车的微机系统的基础上消化吸收 的。并为系统增加了人机界面，使之成为一个完整的系统。电力机车 则是基于对当时a b b 公司的m i c a s s 的消化吸收，并根据我围电力 机车的实际情况予以装车的，系统分为人机界面级、机车控制级、和 变流器控制级。系统能够完成机车控制的大部分任务，相对r 机车控 制而言是比较完善的解决方案，这在s s 4 0 0 3 8 电力机车上得到了体现。 再进一步，随着动车组在我国的出现和发展，也出现了基于上述系统 的控制系统，由于动车组固定编组、双方向驾驶的特点，要求位于动 车组两端的控制系统共享信息，实现对远端动车的控制，于是便出现 了基于上述系统的点对点通信的控制系统，例如，戚墅堰机车厂的2 动9 拖内燃动车组的控制系统，是在d f l l 机车的控制系统的基础上增 加了l o n w o r k s 网卡实现通信，昆明一石林动车组采用r s 4 8 5 实现 显示器的互连，南昌动车组采用r s 一4 8 5 通信等。这些系统实质上是上 述系统功能的扩展，还不具备真正意义上的网络的概念，因此只能归 于此阶段中。 第三阶段是真正实现列车控制网络化的阶段，在目前我国牛产的 动车组中，已有采用，只是所用系统多是直接从国外引进的。如株洲 电力机车厂牛产的出口伊朗的t m l 电动车组，采用了m i c a s s 2 系统， 列车总线采用f s k ，车辆总线采用m v b 。在d d j l 动六拖电动车组 中也采用了m i c a s s 2 。在除此之外的其它国产动车组中，控制系统均 处于第二阶段。因此，开发出适合我国国情的产品是当务之急，也有 着广阔的发展空间。 概论 1 1 3 现场总线技术 现场总线是2 0 世纪8 0 年代中期在国际上发展起来的，被誉为自 动化领域计算机局域网，现场总线控制系统既是一个开放的通信系统， 又是一个全分布控制系统，它适应了工业控制系统向分散化、网络化、 职能化发展的方向。新型的现场总线控制系统突破了d c s 系统中通信 由专用网络的封闭系统来实现所造成的缺陷，把基于封闭、专用的解 决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案，即可以把来自不同厂 商而遵守同一协议规范的自动化设备，通过现场总线网络连接成系统， 实现综合自动化的各种功能。 现场总线的这些特点与列车控制网络的要求有相似之处，而现场 总线用作列车控制也有先例，下面就介绍几种适于列车控制的现场总 线。 ( 1 ) c a n c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t ，控制局域网络) 是丰要用于各种过程 监测及控制的一种网络。其技术规范现已被1 s o 国际标准组织带4 订为 国际标准，由于得到了m o t o r o l a ，i n t e l ，p h i l i p ，s i e m e n s ，n e c 等公司 的支持而被广泛应用在分散控制领域。其模型结构只有三层，h 口o s i 的物理层、数据链路层和应用层。通信介质采用双绞线，通信速率可 达1 m b p s 4 0 m ，直接通信距离可达l o k m 5 k b p s 。可挂接设备数多达1 1 0 个。c a n 支持对等式结构，网络上的节点可设置优先级，以满足不同 的实时要求。采用非破坏性总线仲裁技术。可以点对点、点对多点以 及广播式发送及接收数据。c a n 采用短帧结构，每一帧的有效字节数 为8 个。c a n 节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能， 切断它与总线的联系，避免影响总线上其它节点的操作。在s i e m e n s 公司的s i b a s 3 2 中曾在制动控制部分的总线中采用c a n 总线。我国也 有过这方面的研究和应用。 ( 2 ) p r o f i b u s 过程现场总线p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l db u s ) 是德围标准，由 北京交通大学硕士学位论文 p r o f i b u s p a 、p r o f i b u s f m s 、p r o f i b u s d p 共同形成其系列， 其中p a ( p r o c e s sa u t o m a t i o f l ) 用于过程自动化，通过总线供电，提供 本质安全型，可用于危险防爆区域。f m s ( f i e l d b u sm e s s a g e s p e c i f i c a t i o n ) 用于一般自动化。d p 用于加工自动化，适用于分散的外 围设备。p r o f i b u s 采用了o s l 模型的物理层、数据链路层，f m s 还 采用了应用层。传输速率9 6 k b p s 1 2 m b p s ，最大传输距离为1 2 m b p s 时为1 0 0 m ，1 5 m b p s 时为4 0 0 m 。可用中继器延长至1 0 k i n 。传输介质 可为双绞线、光纤。最多可挂1 2 7 个站点。 ( 3 ) f f 现场总线基金会( f f ) 是国际公认的唯一不附属于任何企业的公 正的非商业化的国际标准化组织。其体系结构采用了物理层、数据链 路层、应用层、用户层。采用令牌总线工作方式，传输介质支持双绞 线、光纤和无线介质。传输信号采用曼彻斯特编码。 ( 4 ) l o n w o r k s l o n w o r k s 控制网络是当前较为流行的现场总线之一，它是由美 国e c h e l o n 公司推出并与m o t o r o l a 、t o s h i b a 公司共同倡导，于1 9 9 2 年 正式公布而形成的。其网络芯片n e u r o n 芯片集成了i s o o s i 的全部七 层协议，同时具有通信和控制功能，提供了3 4 种常见的l o 控制对象， 工作温度范围宽( 4 0 。c 8 5 ) ； l o n w o r k s 控制网络的信号传输介质可为双绞线、电力线、无线、 红外线、光缆，支持总线型、环型、自由拓扑型等网络拓扑形式，网 络收发器有直接驱动、e i a 一4 8 5 型、变压器耦合接口三种形式，满足了 不同要求同时传输信号采用差分曼彻斯特编码，使网络具有很强的抗 r 扰能力。在采用双绞线、波特率为7 8 b p s 的通信网时的直接通信距离 可达到2 7 0 0 m ，加上其功能强大的硬件支持使得很容易在一定的空间 范围内构成功能繁多的系统： l o n w o r k s 控制网络的介质存取控制( m a c ) 采用了呵预测p 坚持c s m a ( p r e d i c t i v ep - p e r s i s t e n tc s m a ) ，使得在网络超载时仍保持 很高的吞吐量： 6 概论 网络结构既可采用主从式和对等式。具有配套的节点、路由器、 网关等设备的开发、调试和安装设备，集成化的开发环境使得系统的 开发调试简单易行，可实现网络的离线、在线设计、在线调试或通过 i p 网的远程调试。 l o n w o r k s 控制网络的网络通信采用了面向对象的设计方法，应 用编程时不用花时间考虑通信部分的繁琐编程；而且它具有集成化的 开发环境，易于开发、安装和调试； 开放式的系统设计易于实现网络的扩展和升级： l o n w o r k s 控制技术已经在纽约地铁、新泽西轻轨的列车控制以 及a a r ( a s s o c i a t i o no fa m e r i c a nr a i l r o a d s ) 货物列车电空制动控制中得 到应用；并作为列车通信网络标准被纳入了i e e e 1 4 7 3 l 。 1 2 本课题研究的目的和内容 1 2 1 课题来源 随着科技水平的不断提高，车载微机也在向信息化、网络化方向 发展。在国外，以现场总线为基础的分布式车载微机系统得到了广泛 的应用，西门子公司等已经开发出t c n ( 列车通信网络) 为代表的分 布式列车和车辆控制系统。铁道部已将t c n 和l o n w o r k s 列为我国铁 路机车车辆推荐使用的行业标准。新一代分布式微机控制系统已成为 车载微机的发展方向，它将按照国际标准的定义进行设计，满足用户 对网络通信及产品互操作性等功能的需求，提高机车的科技水平，促 进铁路运输的发展。 北京二七机车厂目前研制生产的内燃机车以动力传动的形式分为 交流传动、交直流电传动和液力传动三种，液力传动的动车组也正在 开发研制之中。以前工厂牛产的内燃重联机车d f 7 d 采用直接的硬连 线传输，这种方法一方面需要大量电缆，另一方面，大量的信号进行 长距离的传输，信号的衰减和丁扰是一个不容忽视的问题，直接导致 北京变通大学硕l 学位论文 系统的可靠性不高，而且由于系统资源有限，很难满足大量控制和系 统扩展的要求。本课题目前丰要针对机车的控制系统，整车采用基于 l o n w o r k s 的微机电气控制和操纵。 1 2 2 存在的问题 在国外，自二十世纪七十年代车载微机首次装车以来，经历了从 研制、试验到实用化的历程，微机功能也从单一的、简单控制到多功 能、复杂控制，车载微机已日臻完善。国内有关生产厂家也纷纷研制 了各种微机装置或系统，造成目前我国车载微机品种多，控制内容不 一，性能差异较大。 从国外微机发展和应用来看，初期的特定功能微机已逐渐为通用 型微机所取代。从围内微机的应用也可以看出，通用型e x p 微机除在 东风1 1 、东风8 b 上使用也为东风6 、神州号动车、捷力交流传动机车 采用。 而且此前我围在机车重联方面曾有过多方面的尝试，大多采用直 接的硬连线传输，这种方法一方面需要大量电缆，另一方面是大量的 信号进行长距离的传输，造成信号的衰减和1 i 扰，直接导致系统的可 靠性不高。 1 2 3 目的和内容 综上所述，目前所用的系统对于将要大批量牛产的机车组来说无 疑只是权宜之计，需要开发出套功能性、系统性、开放性均较强、 易于扩展，且适用性广的控制系统，以满足技术发展、设备更新、以 及不同车型的需要。本课题将以此为立足点，讨论开发出一套基于 l o n w o r k s 的机车控制系统。 采用l o n w o r k s 网络控制技术实现列车控制在国外已有成功的 范侧，国内也有了初步的尝试。本论文试图以此技术为基础，讨论实 现机车控制系统全套解决方案的可行性，并对目前已完成的工作从不 8 概论 同的角度展开论述。作为一个新系统的研究和开发，它所需解决的问 题相当多，从硬件角度讲，包括用于系统的各类节点的开发设计，电 源系统、安装结构的设计；从软件角度来讲，则包括节点软件的开发， 组网设计，h m i 开发等一系列的问题。因而就系统开发而言这是一个 多学科、综合性较强、较为复杂的课题。 该课题由北京二七机车厂与北京交通大学联合完成。在论文期间， 作为厂方的项目参加人员，我主要完成了以下工作： f 1 ) 与工厂相关技术人员共同提出系统的技术要求：对计算机网络 技术、l o n w o r k s 控制网络技术进行了系统的学习和研究； f 2 ) 初步分析了l o n w o r k s 技术实现机车控制系统的可行性，提 出了系统的组建原则，软、硬件的设计原则； f 3 ) 对l o n w o r k s 节点的可靠性作了必要的分析； f 4 ) 进行了系统中部分节点的硬件电路和软件的设计和调试； ( 5 ) 参加了系统的地面静态试验。 9 北京变通大学硕l = 学位论文 第二章d f ? 型机车控制系统方案与分析 2 1 采用l o n w o r k s 技术的可行性分析 2 1 机车控制的特点 机车电气系统需要对牵引系统、制动系统，还包括列车信号在内 的运行控制、供电系统的控制、暖通控制、自动门控制、旅客信息系 统的管理、车内电气设备的控制、系统故障诊断等，是一个典型的分 布式控制系统，主要有以下特点： 设备多，分布广。与列车运行有关的设备丰要集中在机车上，而制 动系统设备、供电系统、自动门、暖通设备、信息显示设备等则遍 布整个车组，而且还会有新增设备。 控制复杂，系统对实时性要求强。与列车运行有关的控制需要进行 实时运算和实时控制，要求控制系统具有好的实时响应能力。 系统中各子系统之间的关联较弱，便于实现模块化。正是因为这个 特点，使得整个控制系统可根据需要以及实现的具体条件而设计得 可大可小。但要求系统具有好的开放性，易于实现系统扩展。 2 1 2l o n w o r k s 基本术语 2 1 2 1 神经元芯片 l o n w o r k s 技术的核心是n e u r o n 芯片或称为神经元芯片。它丰 要包括3 1 5 0 和3 1 2 0 两大系列，其中3 1 2 0 系列芯片中包括e 2 p r o m 、 r a m 、r o m ，而3 1 5 0 系列芯片中则无内部r o m ，但拥有访问外部存 储器的接口。n e u r o n 芯片内部固化了完整的l o n t a l k 通信协议，确保 节点间的可靠通信和可操作。 d f 7 型机车控制系统的方案气分析 n e u f o r t 芯片内部结构如图2 1 所示。 图2 1n e u r o n 芯片内部结构 n e u r o n 芯片内部有三个c p u ：m a cc p u 、网络c p u 和应用c p u 。 如图2 1 2 所示。c p u 1 是m a c c p u ，完成介质访问控制( m e d i aa c c e s s c o n t r 0 1 ) ，处理l o n t a l k 协议的第1 和第2 层，包括驱动通信子系统硬 件和执行算法。c p u 1 和c p u 2 用共享存储区中的网络缓存进行通信， 正确的对网上报文进行编解码。c p u 一2 是网络c p u ，它实现l o n t a l k 协议的第3 到第6 层，处理网络变量、寻址、事务处理、权瞅证实、 背景诊断、软件计时器、网络管理和路由等。同时，它还控制网络通 信端口，物理地发送和接收数据包。该处理器用共享存储区中的网络 缓存区与c p u 1 通信，用应用缓存区与c p u - 3 通信。c p u 3 是应用 c p u ，它完成用户的编程，其中包括用户程序对操作系统的服务调用。 2 1 2 ，2l o n t a ik 协议 l o n w o r k s 技术所使用的通信协议称为l o n t a l k 协议。l o n t a l k 协议遵循由国际标准化组织( i s o ) 定义的开放系统百连( o s i ) 模型。 北京变通犬学硕士学位论文 它提供j ，o s i 参考模型所定义的全部七层服务，支持灵活寻址。表2 1 给出了对应七层o s i 参考模型的l o n t a l k 协议为每层提供的服务。 表2 1l o n t a l k 协议层 o s i 层目的提供的服务 7 应用层应用兼容性l o n m a r k 对象，配置特性标准l 州络变量类型， 文件传输 6 表示层数据翻译网络变量，应用消息，外来帧传输，硎络接口 5 会话层远程操作请求响应，鉴别，网络服务 4 传输层端端的可靠传输应答消息，非应答消息，双重检台，通用排序 3 嗍络层传输分组点对点寻址，多点之问广播式寻址，路由消息 2 链l l c 子层帧结构帧结构，数据解码，c r c 错误检鸯 路层m a c 了层 介质访问p _ 坚持c s m a ，冲突避免，优先缴，冲突检测 1 物理层物理连接介质，电气接口 2 1 2 3l o n w o r k s 系统开发工具 l o n b u i l d e r 开发工具包括开发l o n 节点和l o n 网络测试样机所需 的所有工具和部件。 l o n b u i l d e r 开发平台包括l o n b u i l d e r 开发工具、l o n m a n a g e rd d e 服务器、单通道p c l o n t a l k 适配器p c l t a 。 l o n b u i l d e r 开发工具的丰要特点如下： 用一条指令在大量的节点上编译连接和加载应用程序。 用l o n b u i l d e r 网络管理器将节点集成到网络上，即在开发过程中安 装网络，使应用程序的网络化开发如同运行在单个节点上的应用程 序一样简单。 用l o n b u i | d e r 协议分析器件是和分析网络通信，将简化应用程序的 网络化测试 用l o n b u i l d e r 多用途f o 包在不同的f o 设备上测试n e u r oc 应用 程序，这样不使用用户硬件便可进行l o n w o r k s 应用程序的实验和 d f 7 型机车控制系统的方案与分析 测试。 用l o n b u i l d e r 路由器和收发器与外部瓦罐内络上的用广节点进行 同i x n ，提供测试网络操作的真实环境。 开发工具包括l o n m a n a g e rd d e 服务器，使得l o n w o r k s 网络上增 加基于w i n d o w s 的图表化用户界面变得容易。 l o n w o r k sn o d e b u i l d e r 开发工具包括一套开发l o n w o r k s 设备的 工具，这些工具包括一整套基于w i n d o w s 的设备开发软件，一个 口c 接口卡，个l o n w o r k s 节点测试样机和两个l o n w o r k s 收发器， 用它们可以开发检测l o n w o r k s 设备。n o d e b u i l d e r 开发工具是 l o n b u i l d e r 平台极好的配套设备。 n o d e b u i l d e r 的丰要特点如下： 用n e u r oc 中的组网和实时嵌入式扩展语句，简化了控制网络的应 用开发，缩短了开发程序的时间。 自动生成可瓦操作的n e u r oc 源代码模板和设备定义。 在l o n w o r k s 设备上用一条指令完成n e u r oc 应用程序的编译、连 接和加载，提供了一次成功的n e u r oc 应用程序的建立和加载，提 高生产性能。 集成化的n e u r oc 调试器，运行时提供n e u r oc 应用程序的源级显 示。 集成化的网络变量阅览其，运行时提供l o n w o r k s 应用程序的网络 显示，简化了对l o n o r k s 设备的测试和其互操作性的验证。 l o n m a n a g e rd d e 服务器，提供有周全的帮助和开发牛产的联机参 考 2 1 3 采用l o n w o r k s 的技术可行性 同现有的各种现场总线相比，l o n w o r k s 网络完全满足了未来发展 对列车机车控制网络系统的要求。 开放性：网络协议必须是开放的，并且对任何用户都是平等的 北京交通大学硕。1 学位论文 互操作性：网络协议需要完整到任何制造的产品都可以实现互操作 通信媒介：为了满足未来的列车机车通讯，应该可用任何传输媒介 进行通信，包括双绞线，电力线，光线，同轴电缆，无线电波和红 外光波，并且多种媒介应该在同一网络中混合使用 网络结构：应该能够使用现有的网络结构，如主从式、对等式、c s 模式等 网络拓扑：应该不受总线型网络拓扑结构单形式的限制，用户可 以任意选择网络拓扑结构 较之目前流行的现场总线，如f f 、c a n 等，都达不到上述要求， 而l o n w o r k s 网络却可以完全满足上述要求。另外，l o n w o r k s 支持 垂询、更新自动发送、定时发送等多种网络数据的访问方式，并有非 确认、非确认重复、确认和请求响应等服务方式，可设定优先级发送， 因而可根据需要定做实现最佳的系统响应。 从目前国内外机车控制总线发展的情况来看，l o n w o r k s 技术已经 成为i e e e 的t c n 标准，并在美国、日本等投入实际运营。 综上所述，采用l o n w o r k s 技术实现机车的控制是可行的。 2 2 系统方案 2 2 1 机车控制的基本结构 本车载微机控制系统由微机控制装置( 简称微机主机) 、液晶显示 器( 简称显示器) 和外围传感器组成。 2 2 2 车载微机控制系统的功能要求 微机控制系统能够实现机车的恒功率控制、电阻制动控制、粘着 控制、无级调速控制、低恒速控制、保护控制、冷却风扇控制、人机 界面显示以及故障信息存取等功能。 显示部分，通过l o n w o r k s 网络与微机控制装置进行通信，显 d f 7 型机车控制系统的方案与分析 示各种运行参数和故障信息，为运用提供方便。其核心部分采用嵌入 式低功耗p i l l 级c p u ，w i n c e 操作系统，手指触摸操作。 2 2 3 系统方案及分析 依据上面的描述，可以设计出系统的实施方案。 该方案采用分级总线的结构，总线分为列车总线和车辆总线。在 该方案中，以每个车厢为单位建立一个子网，通过路由器实现子网与 主下网络的隔离，在每个子网中设有模块化的设备管理器( d m ，d e v i c e m a n a g e r ) ，管理车厢子网的设备。网络中设两个显示器( 即监控计算 机) ，分别位于重连机车的司机室内，实现网络信息的监控。可通过便 携式计算机实现整个网络的安装、维护。两条总线的通信介质均采用 双绞线，收发器变压器耦合型自由拓扑式7 8 k b p s 网络收发器。其中各 设备具体如下： 显示器提供友好的人机接口界面，用于列车运行信息和故障 信息的显示，以及重要参数的修改，并进行重要数据的记录。也可根 据需要将其配置为网络管理器，实现网络的安装、管理、维护和故障 诊断。监控计算机采用基于l n s 的c l i e n t s e l v e r 结构，可采用l n sd d e 或l n s 开发软件包歼发实现。在监控计算机上设有网络数据库，并由 s e r v e r 实现各类数据服务。网络运行时，两台监控计算机中只能有一台 作为丰机运行。通过钥匙开关选择实现。一台被选为年机后，另一台 自动作为从机运行。监控计算机对网络上数据的访问可采用周期性垂 询和主机网络变量的形式。 图2 2 系统方案 1 5 北京交通大学硕士学位论文 路由器为网络数据的传输提供路由，隔离网络交通，从而减 轻网络负载，提高网络利用率。路由器不做任何与控制有关的操作。 设备管理器( d m ) 一是用于实现节点设备管理功能的基于 n e u r o n 芯片的网络节点。它与l o n w o r k s 网络管理器的不同之处在 于该管理器不进行网络管理决策。该管理器可自动实现节点的配置、 删除、替换以及节点事件的记录。它在被配置完成、接入网络后，能 够在网络起动时自动寻找网络上未配置的节点，并识别出它是否属于 该子网。设备管理器中存有网络中被管理设备的列表( m a n a g e dd e v i c e l i s t ) ，是在网络设计时通过l o n m a k e rf o rw i n d o w s 生成并压缩到设各管 理器中的。设备管理器可用来管理具有单个信道或两个信道的网络， 它通过路由器来识别不同的信道。在本应用中，d m 用于管理单个信道， 当它发现路由器不存在时，不会配置网络。 控制节点是用于实现各种控制功能的模块化功能单元，分为 基于n e u r o n 芯片的节点( n e u r o n c h i ph o s t e dn o d e ) 和基于其它c p u 的节点( h o s tb a s e dn o d e ) 。根据功能的不同实现不同的控制。在基于 其它c p u 的节点中，n e u r o n 芯片只实现网络通信功能，它用作提高 o s l 的1 到5 层协议，其它c p u 实现第6 、7 层的协议，e c h e l o n 公司 提供的m i p 固件便是用来支持n e u r o n 芯片的这种应用开发的。 便携式计算机配有l o n w o r k s 网络管理工具，主要用于实现网 络的安装、调试、以及网络出现较大变化时的网络维护。 该方案的优点是： ( 1 ) 结构简单、明晰，模块化的结构易于实现较大的功能完备的控制 网络。 ( 2 ) 路由器和设备管理器的采用使得简化了网络管理，易于实现节点 的安装和更换，同时也减少了列车重新编组时的工作量。 整个系统的通信介质采用双绞线，收发器变压器耦合型自由拓扑 式7 8 k b p s 网络收发器；为了保障整个系统的安全性，在系统中采用介 质冗余方式。 d f 7 型机车控制系统的方案与分析 2 3 节点设备的组合原则 对于实现整个机车控制的系统来说，系统需要完成各种各样的功 能，在一个节点完成所有功能是不可能的，但是，受到系统资源、网 络带宽和可靠性方面的限制，节点不宜太多，因此应遵循一定的原则 来设计节点，达到系统最优。 2 3 1 节点标准化原则 根据n e u r o n 芯片的处理能力和系统控制的需要，将节点按硬件接 口的不同类型( d l 、d o 、a i 、a o 、f i 、p w m 等) 进行搭配，组合出 适应性广，易于标准化的节点。使之适合于不同的应用。 2 3 2 功能模块化原则 将系统按功能划分，尽量将同一个功能或相近的功能放在一个或 几个节点内完成，并采用尽量少的节点，这样可以减少节点之间的数 据传递，节省网络带宽。同时这也使得一些具有通用性的功能模块可 以迅速的移植到其它系统中。 2 3 3 网上数据量最少原则 尽量将具有数据关系的应用功能放在一个节点中，按照该原则实 现则可以将网络上的通信量降到最少，这样可降低通信冲突的概率， 提高通信效率和通信可靠性。 2 3 4 分布式安装原则 为发挥网络的优势，可以将节点安装在与检测和控制点较近的地 方，这样可减少信号的长线传输，提高系统可靠性。设计出来的系统 是采用全分布的安装方式，因而称之为分布式安装原则。 北京交通大学碗上学位论文 2 3 5 选用原则时的权衡 以上四个原则是节点设计时要遵循的，但是对于不同的应用会有 不同的侧重。同时为保证控制系统能够方便的在不同车型上移植使用， 节点标准化原则和功能模块化原则都是要遵循的，而为保证通信响应 的实时性，减轻网络负载，则要遵循网上数据最少原则。而分布式安 装原则的采用则要在能够很好的解决系统的电磁兼容性和安装方式后 方可采用。因为系统在集中安装时更容易解决系统的电磁兼容性问题。 2 4 数据通信 系统中需要在网络上传播的数据可分为两类：一类是过程变量， 一类是消息数据。这些数据根据需要以网络变量或显式报文的方式传 送。 2 4 1 过程变量 过程变量反映列车的状态，如速度、司机指令、控制状态等。它 们的数据长度较短，一般开关量用一位或两位二进制变量表示，模拟 量用八位或十六位变量表示。过程变量的传送时间必须短而确定。根 据l o n w o r k s 所提供的数据访问方式，过程变量可采用更新发送、 周期性垂询的方式，对于关键数据可采用优先级发送。为保证数据传 输的确定性，可采用确认服务方式。 过程变量的传送包括车辆总线上的传送和列车总线上的传送。对 于只有一条总线的网络则只有列车总线上的传送一种情况。在车辆总 线上传送的重要的过程变量，从一个应用到另一个应用的确定性传送 的传送时间必须保证在2 0 4 0 m s 以内。对于通过列车总线传送的重要 过程变量，从一个应用到另一个应用的确定性传送的传送时间必须保 证在1 0 0 m s 以内。 1 8 d f 7 型机车控制系统的方集与分析 2 4 2 消息数据 消息数据为不频繁传送、但可能是冗长的信息，例如发往显示器 的信息、诊断或旅客信息等。这些信息多采用显式报文方式打成数据 包发送，对实时性要求不强，故可采用非优先级发送，服务方式采用 非确认方式。在l o n w o r k s 网络中显式报文的数据包最长为2 2 9 个 字节。 2 4 3 通信方式的选择 l o n t a l k 协议为网络变量和显式报文的传送提供了多种方式。对于 网络变量来说有：更新发送、垂询、显式传播。 网络变量的更新发送方式是指当网络变量的值更新后，即触发网络变 量的发送，此时，网络变量的发送和接收均是由n e u r o n 芯片的网络c p u 来完成的，应用c p u 不参与任何操作。但是，网络变量的修改并不是 马上进行的，它通常发生在应用程序的临界区( c r i t i c a ls e c t i o n ) 的边 界处。l 临界区是指网络变量修改还未传播期间的一组应用程序语句， 例如：一个任务。也可以通过n e u r o nc 提供的p o s t 函数定义_events() 一个临界区的边界。 网络变量的垂询方式是指由读节点发出请求，要求写节点将某个 网络变量最新的值发送过来，从而触发网络变量的修改。节点的应用 程序可以在任意时间垂询其任意的输入网络变量。网络变量的周期性 垂询便是通过这种方式。 n e u r o nc 还提供了p r o p a g a t e o l 茧l 数来触发网络变量的显式传播。 节点的应用程序可以在任意时间传播其任意的输出网络变量。网络变 量的周期性发送可以通过这种方式进行。对于模拟量检测的网络变量 来说，也可以通过周期性更新的方式触发其传播。 显式报文的传送完全由节点应用程序来完成。可以在需要的时候 显式的触发发送。 需要强调的是，在实时性允许的情况下，使用更新发送将能够更 北京交通大学硕士学位论文 加有效的利用网络带宽。从另一方面讲，也有利于网络实时性的改善。 2 5 通信实时性分析 对于网络通信来说，系统的实时性主要表现在所发送的数据在可 确定的时延内送达，l o n t a l k 协议所采用的m a c 子层协议是可预测p 坚持c s m a ，这种协议在发送数据时采用先侦听信道是否空闲，若空 闲则以概率p 发送，否则以概率( 1 - p ) 延时一段时间( 端到端的传播 时延) ，重新侦听信道，因而，要提高网络实时性需要解决的问题就是 要( 1 ) 减少线路等待时延：( 2 ) 避免冲突；( 3 ) 冲突发生时的快速恢 复。可预测p 坚持c s m a 协议在一定程度上解决了上述问题，另外， l o n t a l k 协议提供的四种服务方式以及优先访问方式为优化系统性能 提供了方便。 2 5 1 对m c 子层的分析 网络上的节点要发送报文时，需要等待介质空闲，因而这就存在 一个从节点将一个数据包排队准备发送到该数据包实际发送到网络上 的时延，称为介质存取时延。它很大程度上影响报文的响应时间。随 着一个给定的信道上预约交通量( o f f e r e dt r a 舾c ，每秒内信道上所有 节点准备发送数据包的总个数) 的增加，介质存取时延也相应增加。 而当网络负载接近饱和，而又有很多节点准各发送数据包时，介质存 取时延变得更加重要。因而在网络设计时，必须考虑最坏的情况。 下面考虑一个最典型的情况：假设信道物理介质为双绞线，通信 波特率为7 8 k b p s ，数据包的平均长度为1 6 字节( 1 2 8 位) ，两个包之间 的平均时间间隔是4 8 个比特时间，故数据包周期为1 7 6 个比特时间。 由此可算出： 该信道的吞吐量：7 8 0 0 0 1 7 6 = 4 4 3p a c k e t s 每包周期：1 0 0 0 4 4 3 - - - - 2 2 5 m s 根据上述数据可以分析：若一个节点要求最大响应时间为5 0 m s ，则必 d