华东交通大学动车组网络技术41CRH1动车组网课件

主要内容学习目标新课讲授本节小结本节习题1主要内容学习目标新课讲授本节小结本节习题1

【主要内容】4.1CRH1动车组网络结构TCMS总体结构2【主要内容】4.1CRH1动车组网络结构2任务运行控制服务控制牵引控制制动控制设备保护车门控制车内环境控制旅客信息服务故障诊断、维修服务列车控制基本任务3任务运行控制服务控制牵引控制制动控制设备保护车门控制车内环境分布式计算机系统的概念物理输入/输出单元分布到被监控的目标，只需少量的电缆连接；设备统一供电（即蓄电池电压）；软件集中在中央单元（中央处理器）CPUI/O

unitCPUI/OI/OI/OCPUProcessI/O

unitVehiclebus4分布式计算机系统的概念物理输入/输出单元分布到被监控的目标，分布式计算机系统的优点功能多：列车控制、设备诊断、辅助维修、旅客信息服务；成本低、重量轻、体积小、使用更少/更短的电缆（布线简单）；与硬件相比，软件更容易变更，更容易增加功能；设计/开发时间短可靠性高（活动连接件少、局部故障不影响列车运行、可采用冗余设计）5分布式计算机系统的优点功能多：列车控制、设备诊断、辅助维修、4.1.1CRH1动车组网络控制系统网络拓扑结构CRH1动车组由青岛四方—庞巴迪-鲍尔铁路运输设备有限公司（BSP）提供。以庞巴迪公司为瑞典国家铁路和地方铁路开发的“Regina”动车组为原型车。列车网络控制系统主要采用的是加拿大庞巴迪（CRH1）Bombardier（庞巴迪）公司的MITRAC模块化产品，（MITRAC计算机系统以摩托罗拉68K微处理器为基础）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。该系统属于分布式、模块化的：所有微处理器、输入/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。64.1.1CRH1动车组网络控制系统网络拓扑结构CRH1动列车控制管理系统（TCMS）CRH1是以MITRAC通用计算机为核心的列车控制管理系统（TrainControlandManagementSystem）。TCMS是一种用于控制、监督和管理CRH1动车组功能的分布式计算机系统。7列车控制管理系统（TCMS）7TCMS是一种分布式计算机系统，广泛用于控制、监督和管理CRH1列车大多数功能。TCMS包括：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TCMS连接到列车其它系统；列车网络总线，用于将不同的硬件装置连成列车控制系统。TCMS的组成8TCMS是一种分布式计算机系统，广泛用于控制、监督和管理CR尽量使用原型车Regina的设计。将GSM（全球移动通信系统GlobalSystemforMobileCommunication）和GPS（全球定位系统GlobalPositioningSystem）的功能用于控制TCMS，与Regina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，取代了Regina车每车一个CCU的模式。改进列车诊断功能。TCMS系统结构的设计目标9尽量使用原型车Regina的设计。TCMS系统结构的设计目标CRH1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WTB和MVB两层总线的TCN协议，利用多功能车辆总线进行车辆单元内的数据通信，利用列车总线进行车辆单元间的数据通信。VCU：车辆控制单元BC：buscoupler总线连接10CRH1动车组的网络拓扑结构CRH1动车组的网络拓扑结构如图WTB是处理MVB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。CRH1的WTB总线通信速率为1.0Mbps.可以通过自动车钩实现扩展，由网关控制。WTB---列车总线11WTB是处理MVB区段之间数据通信的总线，WTB可动态配置，MVB是处理有限个车辆之间通信的数据总线。MVB只能静态配置，即挂在MVB总线上的单元数不可变。如果需要在MVB上挂更多的单元，需要为智能TCMS装置下载新的软件。MVB总线介质为屏蔽双绞线或光纤，通信速率为1.5Mbps。MVB---多功能车辆总线12MVB是处理有限个车辆之间通信的数据总线。MVB---多功能13131414CRH1动车组的网络拓扑结构15CRH1动车组的网络拓扑结构15CRH1共8辆车，为5M3T编组形式。包括5辆动车（MC1、M1、Mc2、M2、M3）和3辆拖车（Tp1、Tp2、Tb）。动车组有两个受电弓，分别位于Tp1和Tp2车上，正常工作时只有一个受电弓升起。牵引传动系统以列车基本单元（TBU）为基本单位。CRH1动车组的网络拓扑结构16CRH1共8辆车，为5M3T编组形式。CRH1动车组的网络拓列车基本单元TBU的具体划分：TBU1—Mc1（驾驶动车1）-Tp1（带弓拖车1）-M1（中间动车1）；TBU2—Mc2（驾驶动车2）-Tp2（带弓拖车2）-M2（中间动车2）；TBU3—M3（中间动车3）-Tb（带吧台拖车）其中TBU1和TBU2完全对称，由两动一拖构成；TBU3由一动一拖组成。CRH1动车组的网络拓扑结构17列车基本单元TBU的具体划分：CRH1动车组的网络拓扑结构1CRH1列车控制管理系统（TCMS）在网络通信上也分为3个MVB总线区段：TBU1段，TBU2段，TBU3段。基本本地控制按TBU划分。CRH1动车组的网络拓扑结构18CRH1列车控制管理系统（TCMS）在网络通信上也分为3个M在区段内部，TCCCU（TrainControlCCU）中央控制单元：为控制和监控功能的核心。由TCCCU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、烟火报警、照明等系统。CRH1动车组的网络拓扑结构19在区段内部，TCCCU（TrainControlCCU这些系统中有些具有复杂的控制功能要求，如牵引控制系统PCU、制动控制系统BCU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区段内部的MVB总线上。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I/O模块连接到MVB总线上。CRH1动车组的网络拓扑结构20这些系统中有些具有复杂的控制功能要求，如牵引控制系统PCU、CRH1动车组的网络拓扑结构21CRH1动车组的网络拓扑结构21在网络控制系统中，有些设备没有MVB接口，必须进行协议转换。图中用椭圆线圈起来的COMCCCU就是装在Mc车和Tb车上用于与PIS（旅客信息系统）、GPS，Firedet.（烟火探测）等功能部件进行串行通信的接口部件。COMC：CommunicationController通信控制器，实现MVB与RS-485、RS-232总线之间的通信转换。ATPCCU装在Mc车上用于与ATP（AutomaticTrainProtection）（列车自动防护系统）进行串行通信的接口部件。CRH1动车组的网络拓扑结构22在网络控制系统中，有些设备没有MVB接口，必须进行协议转换。MVB区段之间具有冗余功能。基本的司机控制功能、高压（网侧）控制功能在列车两端的Mc车之间可互为冗余，该功能通过列车内部贯穿整车的冗余MVB总线实现。如下图中虚线部分所示。TDS（TrainDiagnosisSystem）CCU：列车诊断系统中央控制单元HMI：显示器CRH1动车组的网络拓扑结构23MVB区段之间具有冗余功能。CRH1动车组的网络拓扑结构23CRH1动车组的网络拓扑结构24CRH1动车组的网络拓扑结构24当处于激活状态的司机室发生故障时，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，但不会影响列车运行。CRH1动车组的网络拓扑结构25当处于激活状态的司机室发生故障时，列车不会停下来，司机的操作挂在Tb车MVB总线上的远程访问模块AXS（Remoteaccessunit）CCU可通过GSM建立与地面之间的通信信道，贯穿整车的以太网Ethernet（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。CRH1动车组的网络拓扑结构26挂在Tb车MVB总线上的远程访问模块AXS（RemoCRH1动车组的网络拓扑结构27CRH1动车组的网络拓扑结构27值得注意的是，在本地MVB中还有一个功能独立的重要系统，就是牵引控制系统（PC，PropulsionControl）。这个系统拥有一个独立的MVB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28值得注意的是，在本地MVB中还有一个功能独立的重要系统，PCU（PropulsionControlUnit）：牵引控制单元LCM（LineConverterModule）：网侧变流器模块MCM（Motorconvertermodule）：牵引（电机）变流器模块ACM（AuxiliaryConverterModule）：辅助变流器模块CRH1动车组的网络拓扑结构29PCU（PropulsionControlUnit）：牵3030TCMS结构，重点标出了带应用软件的MITRAC装置31TCMS结构，重点标出了带应用软件的MITRAC装置31TCMS结构，重点标出了与列车诊断相关的装置32TCMS结构，重点标出了与列车诊断相关的装置32TCMS结构，重点标出了与牵引相关的装置33TCMS结构，重点标出了与牵引相关的装置33TCMS结构，重点标出了有数据发送的相关模块装置34TCMS结构，重点标出了有数据发送的相关模块装置343535CRH1列车TCMS的各种系统接口36CRH1列车TCMS的各种系统接口36TCMS内通过WTB总线进行MVB区段之间数据传输的管理方式为主—从结构。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。一般情况下自动将司机室所在的Mc车的TCCCU配置成主机。4.1.2TCMS的主—从结构及配置37TCMS内通过WTB总线进行MVB区段之间数据传输的管理方式在TCCCU中软件的运行情况如下：（1）主应用软件（仅在主TCCCU中运行）；（2）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）。4.1.2TCMS的主—从结构及配置38在TCCCU中软件的运行情况如下：4.1.2TCMS主—从概念提供了列车级功能和本地功能的分离，通过WTB在MVB区段之间进行通信是数据报文包括以下类型：（1）主（Master）TCCCU到所有本地（Local）TCCCU；（2）主TCCCU到某个指定的本地TCCCU；（3）本地TCCCU到主TCCCU；（4）某个指定的本地TCCCU到主TCCCU；（5）本地TCCCU到其它TCCCU；4.1.2TCMS的主—从结构及配置39主—从概念提供了列车级功能和本地功能的分离，通过WTB在MVTCCCU中的主应用软件和本地应用软件之间的所有通信都是通过网关和WTB实现的。即便在同一个VCU-Lite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。例如，司机命令所有的车门关闭的列车级功能仅能从主TCCCU发出，该主TCCCU通过网关和WTB把这个命令发送给所有本地TCCCU（包括该主TCCCU所处的同一硬件的本地TCCCU）。4.1.2TCMS的主—从结构及配置40TCCCU中的主应用软件和本地应用软件之间的所有通信都是当列车首次上电时，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）；（2）DX将司机室状态信息通过MVB总线发送给（本Mc车）TCCCU；（3）该TCCCU中的定义和配置软件会执行一系列控制功能（如所有本地MVB总线上重要设备的全功能检查，车上没有其他司机室等）；1）列车上电后的主机配置41当列车首次上电时，车上没有主机。1）列车上电后的主机配置41（4）该TCCCU通过MVB总线向GW发送一个命令信号，命令GW对WTB进行配置。GW以通过WTB向其他GW发送数据的方式来配置WTB总线。当WTB配置完成后，该司机室的GW为WTB的强主机状态（strongmasterstate），其他GW为从机状态（slavesstate），GW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；1）列车上电后的主机配置42（4）该TCCCU通过MVB总线向GW发送一个命令信号，命（5）当WTB配置完成，本车GW成为强主机后，该强主GW通过MVB向本车TCCCU发送一个信号，TCCCU成为主机TCCCU。（6）该司机室的主机TCCCU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。1）列车上电后的主机配置43（5）当WTB配置完成，本车GW成为强主机后，该强主GW通过1）列车上电后的主机配置441）列车上电后的主机配置442）使已配置完成的动车组失活（去激活）3）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室的激活4.1.2TCMS的主—从结构及配置452）使已配置完成的动车组失活（去激活）4.1.2TCMS尽管TCMS硬件装置非常可靠，TCMS仍然采取冗余以进一步提高动车组运行的可靠性。次主冗余（secondmasterredundancy）假设列车配置成Mc1车为活动司机室，如果活动司机室内某个重要的TCMS硬件故障，列车自动配置成为次主模式。此时由另一Mc车的TCCCU接管列车的主控任务，使用原司机室的冗余I/O来控制列车。4.1.3TCMS的冗余46尽管TCMS硬件装置非常可靠，TCMS仍然采取冗余以进一步提具体过程如下：（1）冗余DX单元检测到活动司机室输入（司机钥匙状态改变）；（2）冗余DX单元通过同一MVB总线发送活动司机室状态到另一Mc车的TCCCU；（3）该TCCCU中的定义和配置软件执行一系列控制功能；4.1.3TCMS的冗余47具体过程如下：4.1.3TCMS的冗余47（4）该TCCCU通过MVB总线发送命令信号到GW，命令GW配置WTB；（5）GW通过WTB发送数据到其它GW以去除弱主状态，并配置其它GW为从机模式；当WTB配置完成后，另一司机室的GW处于WTB的强主状态，而其它GW为从机状态；4.1.3TCMS的冗余48（4）该TCCCU通过MVB总线发送命令信号到GW，命令G（6）配置GW时，原先为弱主状态的GW转变为从机模式，停止通过MVB发送信号到主机TCCCU；（7）当W