動車組網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-4.1-CRH1動車組網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)講解課件

1、1主要內(nèi)容學(xué)習(xí)目標新課講授本節(jié)小結(jié)本節(jié)習(xí)題2 【主要內(nèi)容】4.1 CRH1動車組網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)TCMS 總體結(jié)構(gòu)3任務(wù)運行控制服務(wù)控制牽引控制制動控制設(shè)備保護車門控制車內(nèi)環(huán)境控制旅客信息服務(wù)故障診斷、維修服務(wù)列車控制基本任務(wù)4分布式計算機系統(tǒng)的概念物理輸入/輸出單元分布到被監(jiān)控的目標，只需少量的電纜連接；設(shè)備統(tǒng)一供電（即蓄電池電壓）；軟件集中在中央單元（中央處理器）CPUI/O unitCPUI/OI/OI/OCPUProcessI/O unitVehicle bus5分布式計算機系統(tǒng)的優(yōu)點功能多：列車控制、設(shè)備診斷、輔助維修、旅客信息服務(wù)；成本低、重量輕、體積小、使用更少/更短的電纜（布線簡單）

2、；與硬件相比，軟件更容易變更，更容易增加功能；設(shè)計/開發(fā)時間短可靠性高（活動連接件少、局部故障不影響列車運行、可采用冗余設(shè)計）4.1.1 CRH1動車組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)CRH1動車組由青島四方龐巴迪-鮑爾鐵路運輸設(shè)備有限公司（BSP）提供。以龐巴迪公司為瑞典國家鐵路和地方鐵路開發(fā)的“Regina”動車組為原型車。列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)主要采用的是加拿大龐巴迪（CRH1）Bombardier（龐巴迪）公司的MITRAC模塊化產(chǎn)品，（MITRAC計算機系統(tǒng)以摩托羅拉68K微處理器為基礎(chǔ)）分布在列車的各個控制現(xiàn)場，擁有整個動車組的控制、各單車的控制、列車診斷、狀態(tài)監(jiān)測、事件記錄、人機界面等功能。該

3、系統(tǒng)屬于分布式、模塊化的：所有微處理器、輸入/輸出單元和顯示器通過串行多功能車輛總線MVB實現(xiàn)通信，通過網(wǎng)關(guān)把各車輛總線連接起來。67列車控制管理系統(tǒng)（TCMS）CRH1是以MITRAC通用計算機為核心的列車控制管理系統(tǒng)（Train Control and Management System）。TCMS是一種用于控制、監(jiān)督和管理CRH1動車組功能的分布式計算機系統(tǒng)。8TCMS是一種分布式計算機系統(tǒng)，廣泛用于控制、監(jiān)督和管理CRH1列車大多數(shù)功能。TCMS包括： 智能設(shè)備及其相應(yīng)列車控制應(yīng)用軟件；接口硬件裝置，用于把TCMS連接到列車其它系統(tǒng)；列車網(wǎng)絡(luò)總線，用于將不同的硬件裝置連成列車控制系統(tǒng)。

4、TCMS的組成9盡量使用原型車Regina的設(shè)計。將GSM（全球移動通信系統(tǒng)Global System for Mobile Communication）和GPS（全球定位系統(tǒng)Global Positioning System）的功能用于控制TCMS，與Regina車相比，風(fēng)險較低。將不同的功能分散到專用的中央控制單元， 取代了Regina車每車一個CCU的模式。改進列車診斷功能。TCMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計目標10CRH1動車組的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)CRH1動車組的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖所示，采用基于WTB和MVB兩層總線的TCN協(xié)議，利用多功能車輛總線進行車輛單元內(nèi)的數(shù)據(jù)通信，利用列車總線進行車輛單元間的數(shù)據(jù)

5、通信。VCU：車輛控制單元 BC：bus coupler 總線連接11WTB是處理MVB區(qū)段之間數(shù)據(jù)通信的總線，WTB可動態(tài)配置，也就是說掛在總線上的單元數(shù)可變。CRH1的WTB總線通信速率為 1.0Mbps.可以通過自動車鉤實現(xiàn)擴展，由網(wǎng)關(guān)控制。WTB-列車總線12MVB是處理有限個車輛之間通信的數(shù)據(jù)總線。MVB只能靜態(tài)配置，即掛在MVB總線上的單元數(shù)不可變。如果需要在MVB上掛更多的單元，需要為智能TCMS 裝置下載新的軟件。MVB總線介質(zhì)為屏蔽雙絞線或光纖，通信速率為1.5Mbps。MVB-多功能車輛總線131415CRH1動車組的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)16CRH1共8輛車，為5M3T編組形式。包

6、括5輛動車（MC1、M1、Mc2、M2、M3）和3輛拖車（Tp1、Tp2、Tb）。動車組有兩個受電弓，分別位于Tp1和Tp2車上，正常工作時只有一個受電弓升起。牽引傳動系統(tǒng)以列車基本單元（TBU）為基本單位。CRH1動車組的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)17列車基本單元TBU的具體劃分：TBU1Mc1（駕駛動車1）-Tp1（帶弓拖車1）-M1（中間動車1）；TBU2Mc2（駕駛動車2）-Tp2（帶弓拖車2）-M2（中間動車2）；TBU3M3（中間 動車3）-Tb（帶吧臺拖車）其中TBU1和TBU2完全對稱，由兩動一拖構(gòu)成；TBU3由一動一拖組成。CRH1動車組的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)18CRH1列車控制管理系統(tǒng)（TCMS

7、）在網(wǎng)絡(luò)通信上也分為3個MVB總線區(qū)段：TBU1段，TBU2段，TBU3段?；颈镜乜刂瓢碩BU劃分。CRH1動車組的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)19在區(qū)段內(nèi)部，TC CCU（Train Control CCU）中央控制單元：為控制和監(jiān)控功能的核心。由TC CCU對單元內(nèi)部所有模塊實施控制和監(jiān)視，包括牽引、制動、內(nèi)外車門、采暖、通風(fēng)、空調(diào)、煙火報警、照明等系統(tǒng)。CRH1動車組的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)20這些系統(tǒng)中有些具有復(fù)雜的控制功能要求，如牽引控制系統(tǒng)PCU、制動控制系統(tǒng)BCU等，其內(nèi)部具有獨立完整的控制功能，通過集成的網(wǎng)絡(luò)接口連接到區(qū)段內(nèi)部的MVB總線上。一些簡單控制功能的系統(tǒng)，如照明、司機控制臺操作設(shè)備等，通過I

8、/O模塊連接到MVB總線上。CRH1動車組的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)21CRH1動車組的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)22在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，有些設(shè)備沒有MVB接口，必須進行協(xié)議轉(zhuǎn)換。圖中用橢圓線圈起來的COMC CCU就是裝在Mc車和Tb車上用于與PIS（旅客信息系統(tǒng)）、GPS，F(xiàn)ire det.（煙火探測）等功能部件進行串行通信的接口部件。COMC ：Communication Controller通信控制器，實現(xiàn)MVB與RS-485、RS-232總線之間的通信轉(zhuǎn)換。ATP CCU 裝在Mc車上用于與ATP（Automatic Train Protection）（列車自動防護系統(tǒng)）進行串行通信的接口部件。CRH1動車組的

9、網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)MVB區(qū)段之間具有冗余功能。基本的司機控制功能、高壓（網(wǎng)側(cè)）控制功能在列車兩端的Mc車之間可互為冗余，該功能通過列車內(nèi)部貫穿整車的冗余MVB總線實現(xiàn)。如下圖中虛線部分所示。TDS（Train Diagnosis System） CCU：列車診斷系統(tǒng)中央控制單元HMI：顯示器23CRH1動車組的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)24CRH1動車組的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)當處于激活狀態(tài)的司機室發(fā)生故障時，列車不會停下來，司機的操作通過冗余總線由另一個司機室的控制設(shè)備自動接管，司機可以繼續(xù)在原來位置操縱列車，并可在屏幕上看到故障情況，但不會影響列車運行。25CRH1動車組的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)26掛在 Tb 車 MVB 總線上

10、的遠程訪問模塊AXS（Remote access unit） CCU可通過GSM 建立與地面之間的通信信道，貫穿整車的以太網(wǎng)Ethernet（圖中最外圍的灰色線）提供列車維護、服務(wù)等方面的通信與接口。CRH1動車組的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)27CRH1動車組的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)28值得注意的是，在本地 MVB 中還有一個功能獨立的重要系統(tǒng)，就是牽引控制系統(tǒng)（PC，Propulsion Control）。這個系統(tǒng)擁有一個獨立的MVB牽引總線，對其下的單元按分布式總線控制的方式實施控制與監(jiān)視，如后圖中用橢圓線圈起來的五個部分。CRH1動車組的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)29PCU（Propulsion Control Unit）：

11、牽引控制單元LCM（Line Converter Module）：網(wǎng)側(cè)變流器模塊MCM（Motor converter module）：牽引（電機）變流器模塊ACM（Auxiliary Converter Module）：輔助變流器模塊CRH1動車組的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)3031TCMS 結(jié)構(gòu)，重點標出了帶應(yīng)用軟件的MITRAC裝置32TCMS 結(jié)構(gòu)，重點標出了與列車診斷相關(guān)的裝置33TCMS 結(jié)構(gòu)，重點標出了與牽引相關(guān)的裝置34TCMS結(jié)構(gòu)，重點標出了有數(shù)據(jù)發(fā)送的相關(guān)模塊裝置3536CRH1列車TCMS的各種系統(tǒng)接口37TCMS內(nèi)通過WTB總線進行MVB區(qū)段之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓芾矸绞綖橹鲝慕Y(jié)構(gòu)。沒有固定

12、分配主機，而是在工作中自動進行主從工作方式的配置。一般情況下自動將司機室所在的Mc車的TC CCU配置成主機。4.1.2 TCMS的主從結(jié)構(gòu)及配置38在TC CCU中軟件的運行情況如下：（1）主應(yīng)用軟件（僅在主TC CCU中運行）；（2）本地應(yīng)用軟件（總在運行狀態(tài)）；（3）定義和配置軟件（總在運行狀態(tài)）。4.1.2 TCMS的主從結(jié)構(gòu)及配置39主從概念提供了列車級功能和本地功能的分離，通過WTB在MVB區(qū)段之間進行通信是數(shù)據(jù)報文包括以下類型：（1）主（Master）TC CCU到所有本地（Local）TC CCU；（2）主TC CCU到某個指定的本地TC CCU；（3）本地TC CCU到主TC

13、 CCU；（4）某個指定的本地TC CCU到主TC CCU；（5）本地TC CCU到其它TC CCU；4.1.2 TCMS的主從結(jié)構(gòu)及配置40TC CCU中的主應(yīng)用軟件和本地應(yīng)用軟件之間的所有通信都是通過網(wǎng)關(guān)和WTB實現(xiàn)的。即便在同一個VCU-Lite 硬件中的主應(yīng)用軟件和本地應(yīng)用軟件之間的通信也是這樣。例如，司機命令所有的車門關(guān)閉的列車級功能僅能從主TC CCU 發(fā)出，該主TC CCU 通過網(wǎng)關(guān)和WTB把這個命令發(fā)送給所有本地TC CCU （包括該主TC CCU所處的同一硬件的本地TC CCU）。4.1.2 TCMS的主從結(jié)構(gòu)及配置41當列車首次上電時，車上沒有主機。此時當司機插入司機鑰匙，

14、激活司機室時，會發(fā)生以下自動配置過程：（1）DX單元檢測到司機輸入（即插入司機鑰匙）；（2）DX將司機室狀態(tài)信息通過MVB總線發(fā)送給（本Mc車）TC CCU；（3）該TC CCU 中的定義和配置軟件會執(zhí)行一系列控制功能（如所有本地MVB總線上重要設(shè)備的全功能檢查，車上沒有其他司機室等）；1）列車上電后的主機配置42（4）該TC CCU通過MVB總線向GW發(fā)送一個命令信號，命令GW對WTB進行配置。GW以通過WTB向其他GW發(fā)送數(shù)據(jù)的方式來配置WTB總線。當WTB配置完成后，該司機室的GW為WTB的強主機狀態(tài)（strong master state），其他GW為從機狀態(tài)（slaves state

15、），GW的強主機狀態(tài)能阻止再次激活其他司機室開始新一輪配置；1）列車上電后的主機配置43（5）當WTB配置完成，本車GW成為強主機后，該強主GW通過MVB向本車TC CCU 發(fā)送一個信號，TC CCU 成為主機TC CCU。（6）該司機室的主機TC CCU 就開始啟動其中的主應(yīng)用軟件，這是配置的主機稱為第一主機。1）列車上電后的主機配置441）列車上電后的主機配置452）使已配置完成的動車組失活（去激活）3）重新激活司機室4）對活動司機室配置完成后的動車組的另一司機室的激活4.1.2 TCMS的主從結(jié)構(gòu)及配置46盡管TCMS硬件裝置非?？煽?，TCMS仍然采取冗余以進一步提高動車組運行的可靠性。

16、次主冗余（second master redundancy）假設(shè)列車配置成Mc1車為活動司機室，如果活動司機室內(nèi)某個重要的TCMS硬件故障，列車自動配置成為次主模式。此時由另一Mc車的TC CCU 接管列車的主控任務(wù)，使用原司機室的冗余I/O來控制列車。4.1.3 TCMS的冗余47具體過程如下：（1）冗余DX單元檢測到活動司機室輸入（司機鑰匙狀態(tài)改變）；（2）冗余DX單元通過同一MVB總線發(fā)送活動司機室狀態(tài)到另一Mc車的TC CCU；（3）該TC CCU中的定義和配置軟件執(zhí)行一系列控制功能；4.1.3 TCMS的冗余48（4）該TC CCU通過MVB總線發(fā)送命令信號到GW，命令GW配置WTB

17、；（5）GW通過WTB發(fā)送數(shù)據(jù)到其它GW以去除弱主狀態(tài)，并配置其它GW為從機模式；當WTB配置完成后，另一司機室的GW處于WTB的強主狀態(tài)，而其它GW為從機狀態(tài)；4.1.3 TCMS的冗余49（6）配置GW時，原先為弱主狀態(tài)的GW轉(zhuǎn)變?yōu)閺臋C模式，停止通過MVB發(fā)送信號到主機TC CCU；（7）當WTB配置完成，GW稱為主機，該GW通過MVB發(fā)送信號到TC CCU，該TC CCU稱為主機模式；（8）稱為主機模式的（另一司機室的）TC CCU 啟動其主應(yīng)用軟件。4.1.3 TCMS的冗余50該模式使列車能夠繼續(xù)運行重要的司機操作功能，司機指令和從TCMS反饋給司機的信息由冗余I/O設(shè)備（AX和DX模塊）來處理，這些冗余設(shè)備在活動司機室操作臺上，由另一個Mc車上的TC CCU控制。4.1.3 TCMS的冗余512. I/O冗余CRH1動車組對司機室的非重要I/O單元（例如車鉤罩的操作）硬件故障也進行了冗余