第5章 CRH5列车网络控制系统

第五章CRH5列车网络控制系统----TCMS第一节网络控制系统（TCMS）的体系结构一、TCMS的体系结构CRH5动车组配有一套基于多台微机的系统，可控制并监控所有列车和车辆的相关功能(列车网络控制系统TCMS)。其结构基于TCN标准(IEC61375-1)，具有WTB(列车总线)和MVB(车辆总线)串行接口，每个动力单元使用两对冗余的MPU模块。TCMS体系结构基于具有高冗余度的标准TCN，该体系结构使用2个标准的TCMS模块，每半列车（称为车组）一个。两个动力单元通过网关进行动力单元间和连挂列车间的通讯。每个动力单元根据设备功能设有3条MVB总线，分别承担牵引、信号、旅客服务信息的传输。此外还有一个CAN总线标准的车辆总线，仅用于次要设备的诊断。系统具有完善的冗余和控制、诊断和监视以及故障存储功能。一个标准的TCMS模块可以控制4节车辆，并且包括两个不同的等级：牵引（主要功能）支持（次要功能）从两套MPU中（冗余设计）对每条总线进行控制。根据设备的数量或线路的长度，可利用“中继器”来增加MVB总线的长度。MPU有两个MVB接口。第二个接口将两条总线的MPU与MVB/WTB网关（冗余设计）和驾驶员监控器连接在一起。网关被用于在TCMS模块之间交换信息。下图中显示的主要设备连接在MVB总线上。非智能设备通过远程输入/输出模块（RIOMS）与TCMS系统接口。RIOM被分布在每辆车中，从而减少配线和相应的重量。在每个重要位置上均预留冗余的RIOM。注：有重影的设备表示冗余。ACU:AuxiliaryControlUnit辅助控制单元PIS:PassengerInformationSystem乘客信息系统BCU:BrakeControlUnit制动控制单元REP:Repeater中继器CGA:AutomaticCouplercentralunit自动车钩中央单元RIOMCAB:RemoteI/OModules(driver’scab)远程I/O模块(司机室)CLT:LocalTractionControl本地牵引控制RIOMLQ:RemoteI/OModules(BTpanel)远程I/O模块(BT面板)EXT.DOORSExternalDoors外部门TCU:TractionControlUnit牵引控制单元GW:GatewayWTB/MVB网关WTB/MVBTD:Driver’sDiagnosticdisplay司机诊断显示器HVAC:AirConditioning空调TS:Driver’sInstrumentsdisplay司机仪器显示器LT:TrainLogicdisplay列车逻辑显示器WCToilet厕所MPULC:MicroprocessorUnitComfortLine微处理器单元车内设施线路CBBatteryCharger充电机MPULT:MicroprocessorUnitTractionLine微处理器单元牵引线TCMS主要零部件可以按照以下分组：列车控制与监视单元：

MPU(微处理单元)WTB/MVB网关

RIOM（远程I/O模块）

MVB中继器人机接口设备:司机室主监视器司机室诊断监视器本地监视器(在列车长室)控制杆、开关、按钮、灯位于低压配电柜和司机台上的低压零部件（继电器、二极管…）。与原型车SM3的改变之处：诊断线采用CAN总线替代RS－485充电机连接到CAN总线上将自动车钩控制单元连接到CAN总线上司机室RIOM在MVB-A和MVB-B上分开“本地牵引控制”(CLT)与HV箱RIOM集成在一起在车辆级MVB总线上，该体系结构被分为两个不同的层次：牵引和服务设施,每一层次均使用一对MPU进行管理。这两个层次的MVB总线通过第三条MVB总线（信号总线）连接在一起。此总线由牵引层的MPU控制。二、列车总线两个动车组之间的连接通过穿过头车自动车钩的“WTB”（列车总线）型冗余链路来实现。此总线是TCN网络的一部分，它在长度因挂钩/摘钩操作而发生变化时可以实现网络的动态重组（网关重新编号）。该总线使用具有可控阻抗的冗余介质，其传输的信息速率约为1Mb/s。传输距离为860米，22个节点，备用节点有4个。网关的轮询周期约为50ms。同一总线还用于两个单元之间的通信。每次列车重新编组或列车连挂初运行，要进行列车总线即WTB总线的配置，对于规范的列车总线WTB，本身具有自动配置功能,操作人员只要按规程操作，最后检查配置状态以确认配置是否正确。如果配置不正确，列车总线将不能正常通信。三、网关网关可以实现列车总线与车辆总线之间的双向信息交换。每个网关与列车线路之间以128字节的报文（周期数据）交换与其车组相关的信息，并接收来自整个列车编组中其他所有网关的同类信息。网关为完全冗余（电路板、连接器、电源等）。四、MPU-LT,MPU-LCMPU（MainProcessingUnit，主处理单元），负责对相应车辆输出指令和控制。在每一车组中（4辆车）有2对MPU。其中的2个（MPU-LT）控制牵引和信号设备总线上的所有设备，而另外2个（MPU-LC）则控制车内设施和CAN总线上的所有设备。MPU功能任务周期可认为不超过100ms（目标值为50ms）。五、车辆总线车辆总线为MVB（MultifunctionVehicleBus，多功能车辆总线）。该总线使用阻抗受控的冗余介质，其传输的信息速率约为1.5Mb/s。最大传输距离200米，32个节点（设备）。备用节点至少每段为20%。用于处理数据的备用带宽约为30%。在此总线上可以使用不同的轮询周期：从用于快速信息的32ms到用于较次要信息的512ms。每个车组有3条总线：牵引、车内设施和信号。六、中继器中继器是一种主要为硬件的专用设备，用于扩展MVB在长度和节点方面的容量。事实上，通过中继器连接的MVB总线的两个不同区段在MPU层次上看来只是一个有32+32个节点、200+200米长的一条MVB总线。中继器引起的数据传输延时非常微小。七、监视器（一）司机台监视器驾驶台上有2个分别名为TS和TD的监视器。监视器为彩色TFT显示器。屏幕尺寸为10.4英寸，其分辨率为800x600（SVGA）。监视器带有加热器和风扇，可在低和高环境温度下使用。监视器具备“节电”模式功能，可以延长寿命。监视器所使用的语言为中文。（二）TS监视器TS监视器以图形化方式向司机显示主要驾驶信息值（即线电压、线电流、力矩等）。司机可以用屏幕周围设置的一组按键与监视器进行交互。也可以使用这些按键向设备发送全局性或选择性命令。司机还可以在专门画面中通过监视器手动排除掉某些设备。（三）TD监视器TD监视器向司机显示有关整个编组（2组联挂的列车）全部设备的所有诊断信息。所有被监视设备和组件的状态（启用、停用、故障、被排除等）。具有操作指导的自动报警（在故障情况下）。司机可以用屏幕周围设置的一组按键与监视器进行交互。也可以使用这些按键向设备发送全局性或选择性命令。司机还可以在专门画面中通过监视器手动排除掉某些设备。（四）本地监视器在每辆车的BT机柜或乘务员室中将会提供本地监视器。此显示器的主要功能是：显示主要本地信息（即制动气缸压力等）的默认画面发送本地命令（即设置乘客车厢温度、灯光等）显示自动报警显示车辆设备的状态显示车辆的故障信息本地监视器与驾驶台监视器的技术特性相似。表5-2TS与TD主要显示信息如下说明显示的信息Mainmonitor(TS)主监视器（TS）列车速度（实际的与设定的）牵引力，电力制动（实际的与设定的）线电压线电流线电流极限时间电池电压显示器牵引系统配置Diagnosticmonitor(TD)诊断监视器(TD)相关设备状态给司机的警告维修信息

八、RIOMRIOM（远程输入/输出模块，）为MPU执行信号采集并执行由MPU发送的输出命令。它们通过车辆牵引总线与MPU进行通信。每个IO部件可以有不同类型的输入/输出：数字输入（以电池负极为参考的数字信号）模拟输入（电流或电压模拟信号）数字输出（继电器触点，用于断开RIOM与外部电路的连接）模拟输出（电流或电压模拟信号）第二节列车网络控制系统（TCMS）的冗余性及故障对策TCMS是一个智能单元，通过采集、传输信息和命令来管理列车上的大多数主要设备。为了保证列车上设备信息传送的正确性，TCMS必须工作正确。因此，列车网络控制系统重要部分采取冗余设计来优化系统的可靠性。冗余功能以并联连接的冗余输入和冗余输出实现。冗余管理依据冗余设备中对故障的辨识进行完全自动管理。对于列车认为是重要的信号通过远程I/O模块被冗余地获得，并沿着MVB串行线传输到指令和控制单元。一、网关冗余性只有一个启用，而另一个处于待机模式，并且可在已启用的一个发生故障时立即自动开启。这一转换过程对应用而言是透明的。为对这种情况进行管理，网关的两个部分通过一条内部串行总线（CAN）进行通信。同时还通过同一条串行线进行确定谁为主站、谁为从站的仲裁。MVBline“2”MVB1MVB2GATE1inTCNnetworkMVB1MVB2MPU“1”MPU“2”I/O1Red.I/O2Red.MVBline“1”I/ONONRed.I/ONONRed.I/O2Red.I/ONONRed.GATE2I/O1Red.I/ONONRed.正常情况下的网络配置MVBline“2”MVB1MVB2GATE1FAULTY网关1故障MVB1MVB2MPU“1”MPU“2”I/O1Red.I/O2Red.MVBline“1”I/ONONRed.I/ONON

Red.I/O2Red.I/ONONRed.GATE2INTCNNETWORKI/O1Red.I/ONONRed.GATE1FAULTY网关1故障二、MPU冗余性MPU的冗余类型为热备冗余。两个MPU均可管理其MVB总线（单条或多条）。它们读取相同的输入，并执行相同的任务。在故障情况下一个会自动接替另一个。同一总线上的所有设备均由同一MPU发送指令。当MPU1故障时，MPU2替代了MPU1作为MVB“1”和MVB“2”线上的主控制器。MPU1故障时的网络配置三、RIOM冗余性为实现冗余功能，RIOM的输出继电器以并联连接。当一个输出出现故障时，其继电器将被释放。相应功能由冗余RIOM的输出保证。最坏的情况可能是当电源故障或MVB接口故障时，在这种情况下，该RIOM的所有输出继电器均会被释放。同样在这种情况下相应功能也由冗余RIOM的输出保证。四、监视器冗余性（一）驾驶台监视器冗余性TS和TD互为冗余。当二者之一出现故障时，司机可以通过屏幕周围的按键选择作用模式（TS或TD），以便从另一个监视器上获取所有画面及信息。此监视器的冗余性不是自动实现的，需要司机干预。（二）本地监视器冗余性由于车辆的诊断数据保存在MPU内存中，在本地监视器出现故障时，可以使用驾驶台的监视器获得故障监视器的信息。本车监视器不设冗余。五、中继器冗余性只有一个启用，而另一个处于待机模式，并且可在已启用的一个发生故障时立即自动开启。六、系统复位程序尽管系统可以自动地处理大量的故障，但是仍有些故障不能自动处理，这时可通过使用司机室内的复位按钮对整个系统进行复位操作。七、故障对策TCMS（列车网络控制系统）均有故障自诊断、保存故障信息、必要的故障自排除及重要故障信息传送到司机监视器和本地监视器的功能。通过显示器，乘务员获得与各种列车设备状态相关的信息，并能通过预置的列表手动排除故障。可根据故障性质对其实施分类管理，并在司机和/或显示器上提供必要的故障处理。第三节列车网络控制系统（TCMS）的功能与系统性能一、TCMS的功能TCMSexecutesitsownfunctionsbymeansof:TCMS通过下列方法执行自己的功能：·

cablingandrelays

布线和继电器·

integratedsoftware

集成软件·

pneumaticcommands

气动命令

Maininvolvedfunctionscanbeclassifiedasfollows:主要涉及的功能可以划分为以下几类：·

traction牵引·

brake制动·

auxiliarypowersupplysystem辅助供电系统·

auxiliarypneumaticsystem辅助气动系统·

signalling信号·

bogiemonitoring转向架监视·

passengersaloonairconditioning乘客客室空调·

driver’scabairconditioning司机室空调·

passengerinformationsystem乘客信息系统·

external(side)doors外部(侧)门·

internaldoors内部门·

manmachineinterface(drivingdesk)人机接口(司机台)·

diagnostic诊断司机台状态由TCMS通过RIOMs进行检测，并且直接通过WTB/MVB网关输出数字信号来执行以下功能:－manageGatewaywake-upfromthestand-bystatuswhenthedeskkeyisactivated－当司机台钥匙激活时，将网关从待机状态唤醒－TomanagetheTCNinaugurationsequenceandtheleadingvehicleelection－管理TCN初始化序列和头车的选取

CAN节点TCMS管理CAN上的下列设备：Batterycharger电池充电器Toilet厕所Automaticcoupler自动车钩PassengerInformationSystem乘客信息系统二、列车网络控制系统性能传输速率：WTB:1Mb/s(轮询周期50～100ms)；MVB:1.5Mb/s(轮询周期32～512ms)。MPU任务:50ms～100ms响应时间(在最不利的情况下):RIOM到

RIOM：300ms；RIOM到

RIOM牵引

–

支持总线：500ms；RIOM到

RIOM（经由网关）：600ms。第四节诊断系统

TCMS系统与不同车辆系统接口，并从每个车辆接收一组信息。信息的数量与系统的复杂性和获取与处理诊断信息的容量有关。对于由微处理器控制的主要单元，对系统的每个部件的正确操作进行精确的分析，并将处理过的信息发送到命令、控制与诊断系统。而且，每个微处理器控制的功率单元具有启动和运行自动测试功能，可以提供与各自电子板有关的诊断信息。诊断系统管理信息的方法：首先，对主要单元的故障状态有关的信息进行分析；如果主单元工作，则对与其所管理的系统的主要单元接收的信息进行分析；如果主单元有故障，传送所有系统故障信息，因为这些信息被认为是不可靠的，直到主单元中的故障被消除为止。

一、TCMS的主要的诊断项目1.列车的牵引、制动及控制系统的状态；2.走行部件的安全性；3.旅客安全相关设施的状态(如车门关闭状态等)；4.各类电子电气设备；5.影响列车正常运行和使用的其它设施状态。具体系统如下:1.

防滑(WSP)2.

牵引3.

充电机4.

不间断电源5.

空调6.

制动系统7.

压缩机8.门9.厕所10.乘客信息系统11.TCMS12.列车系统（丧失冗余，特定系统中不包括的各种零部件）13.司机台二、诊断系统的主要任务识别部件的偶发性故障；在部件故障时提供状态数据及对策;记录列车故障数据；为列车控制提供各相关部件的状态。（一）司机诊断诊断信