动车组列车车载数据通信网络技术方案介绍详解

　　“北亚”号内燃动车组是一种自带动力、具有载客功能、成组运行的轨道交通工具，动车组设头尾2辆动车，中间由几节拖车组成。头尾2辆车控制系统完全相同，并相互联锁，尾车控制系统通过列车通讯网络接收头车操纵指令，头尾2辆车同步工作，头车的监控信息在头车直接显示，尾车的监控信息可以通过通讯网络在头车司机台显示，司机在头车上可以操纵2台动车的各个工况。该列车通讯网络可完成头尾2辆动车的重联控制、监测并实施安全保护。
　　1　动车组列车通信网络拓扑结构
　　“北亚”号内燃动车组采用列车控制与 通讯网络 系统对整列车进行控制，网络拓扑结构如图1所示。按照TCN标准，列车通讯网络分为2级，第1级为绞线式列车总线WTB，实现车辆间的数据通信;第2级为多功能车辆总线MVB，主要实现同一车辆内各个功能控制单元之间的数据通信。
　　每台动车由1个微机控制装置和1个智能显示单元组成。在头尾2辆动车上各装有1台控制机箱，每台机箱中装有数字量输入/输出单元(DI/DO)、模拟量输入/输出单元(AX)、车辆控制单元(VCU)、无线数据传输单元(GPRS板)、网关(GW)和智能显示单元(IDU)。2台控制机箱间采用WTB通讯;每台控制箱内各单元之间采用MVB通讯，其介质采用电气中距离介质EMD。
　　2　列车控制与通信网络系统的组成
　　列车控制与通信网络系统采用通用的EXP机箱，机箱为背板式结构。以C8051F040CPU为核心，由开关电源、数字量输入/输出、模拟量输入/输出、无线数据传输单元等组成，各单元通过MVB总线与CPU进行数据交换。各插件功能介绍如下。
　　2.1　开关电源
　　采用开关电源技术，将输入24V电源变换为+5V和±15V电源，给机箱、网关、输入输出单元及传感器供电。
　　2.2　数字量输入/输出
　　采用光电隔离技术，接收司机控制指令及动车状态信号，完成动车逻辑控制。
　　2.3　模拟量输入/输出
　　对动车速度、柴油机转速、柴油机润滑油压力、柴油机冷却水温度信号进行采样。
　　2.4　无线通讯模块
　　无线数据传输单元是利用通用分组无线业务GPRS将动车组现场采集的数据传输到地面监控站，供相关人员对机车的运行状态进行监控。
　　2.5　车辆控制单元VCU
　　VCU主要实现系统的逻辑控制功能，其组成如图2所示。具有RS—232、RS—485、CAN以及MVB通信接口，其中RS—485和CAN为功能扩充预留。
　　VCU采用C8051F040单片机，其速度可达25MIPS(使用25MHz时钟)。具有4352字节内部数据RAM(4K+256)和64KBFLASH。
　　VCU的主要功能有：
　　(1)实现动车组的柴油机、辅助发电机、空气压缩机等设备的逻辑控制及故障诊断功能。
　　(2)头尾2辆动车的VCU依靠司机钥匙档位定义主控微机信号来确定主控微机。当1台VCU被定义为主控微机时，则另一台VCU为从控微机。从控微机不具有MVB总线管理器功能。
　　(3)实现防空转/防滑控制功能。在牵引或制动工况下，系统检测轮根据空转或滑行程度的不同，采取撒沙、降功、卸载等保护措施，以充分利用动车粘着性能，发挥牵引力。
　　(4)具有柴油机与动车电气系统保护功能。动车微机实时检测柴油机温度、压力、转速等信号。若这些信号超过正常工作范围，则根据故障的不同种类分别采取报警、降功、卸载、停机等措施对其进行保护并记录，确保柴油机和换档机构的正常工作。
　　3　列车TCN网络通信及重联控制
　　通信采用TCN网络，取消了以往动车组头尾2辆动车之间的所有硬连线。为了提高可靠性，采用双通道热备冗余控制方案，即采用2路WTB总线同时传递数据，当一路发生故障时，由软件自动完成转换。
　　3.1　TCN网络的组成
　　3.1.1　组成
　　该列车通讯网络完全符合TCN标准。网络上设有2个WTB节点，头尾2辆动车上各1个。列车总线WTB和多功能车辆总线MVB通过网关连接。
　　车厢总线MVB上附挂有模拟量输入/输出单元、数字量输入/输出单元、车辆控制单元、智能显示单元和无线通讯单元，这些单元通过MVB总线连接起来，传递相应的数据信息。
　　3.1.2　车辆控制单元与网络的数据通信方式
　　主CPU与网络通过UART仿真技术交换数据。
　　主CPU采用查询方式定时从输入缓冲区中读取2个网络节点的信息，并进行校验。当校验正确时，返回正确标志，将数据提供给本车使用;反之，若校验出错，则返回错误标志，将所收到的数据丢弃。当主微机的数据需要更新时，主CPU向输出缓冲区写数据供他车使用。正常情况下，2个网络节点是同时工作的，并通过2根WTB总线实现冗余。当主CPU检测到一路通信故障时，由网关中的软件识别并自动转换到另一路，并在显示器上提示该路网络通信故障。
　　3.1.3　网关的配置
　　在该动车组的列车控制与通信网络系统中，采用捷克Unicontrols公司生产的网关。该网关在购买时带有底层软件，在应用层面上只需根据需要对网关进行相应配置即可(包括动车组的组成、车厢的类型、车厢内的设备、通信存储器及端口的配置等)。
　　3.2　TCN列车通信网络的功能
　　3.2.1　列车重联控制功能
　　头车将司机控制指令及动车状态信号传送给尾车，可实现尾车无人驾驶。尾车检测动车状态信号传送给头车，以便司机了解他车运行情况，确保列车工况一致。
　　3.2.2　头尾2辆车监控数据通信功能
　　头尾2辆车实时检测动车及柴油机的速度、档位、方向、温度、压力等信号，通过网络传递给智能显示单元显示，以便司机及时了解列车的运行信息，确保列车正常运行。
　　3.3　动车组重联控制逻辑
　　3.3.1　操纵端控制
　　为了防止控制逻辑错误，首先必须确定操纵端。
　　在该网络中，通过司机钥匙来确定操纵端。司机钥匙在“ON”位置的动车为操纵端，另一动车为尾车。若两动车同时设置为操纵端，则显示“操纵端设置错误”，两车控制均处于无效状态。
　　3.3.2　工况控制
　　头车完成本车的所有控制功能，实时检测工况、方向、司机控制器手柄等信号，并将相应的控制指令通过TCN网络传给尾车，同时将尾车的状态通过指示灯显示在司机台上。尾车接受头车指令，控制尾车相应的继电器动作，检测动作正确后，完成动车相应档位加减载控制，否则不加载并提示尾车工况错误。
　　4　智能显示单元
　　4.1　智能显示单元的组成及软件
　　智能显示单元主要用于显示连接到列车总线上的各子系统的状态、列车基本运行数据、列车状态信息和故障诊断信息。智能显示单元由彩色液晶触摸屏、PC104嵌入式模块、网络接口卡、显示卡等组成，司机通过触摸屏，可了解动车运行情况和查询故障信息。
　　智能显示单元的应用软件采用北京昆仑通态公司的MCGS全中文工业自动化控制组态软件编写。软件编写时通过对MVB逻辑端口进行配置，并将MVB逻辑端口和MCGS软件中的数据变量连接起来，通过编写脚本程序进行不同量纲间的转换和实现过程数据显示功能。软件在PC机上调试通过后，下载到智能显示单元的CF卡上，然后在智能显示单元的Win2dowsCE操作系统下运行。
　　4.2　智能显示单元的主要功能
　　该智能显示单元为司机及维护人员提供了良好的人机接口。具体功能如下：
　　(1)实时显示动车运行参数，如动车组运行速度、柴油机转速、温度、压力、工况等;
　　(2)以不同颜色的指示灯显示动车的故障信息，如柴油机超速、动车组超速、柴油机滑油压力低、柴油机水温高等，并进行相应故障处理，如报警、降功、卸载等;
　　(3)日历、时间显示及校正;
　　(4)查询动车故障;
　　(5)完成动车轮径值修改。
　　5　结语
　　从内燃动车组TCN网络控制系统运行情况看，该系统工作可靠，能满足内燃动车组控制要求。但由于该控制系统的车辆控制单元采用C8051F040微处理器，其运算速度有限，存储空间较小，不能存储历史故障数据。随着计算机技术、嵌入式系统的发展，采用带有嵌入式系统的车辆控制单元并采用图形化编程软件，使所开发的TCN网络达到国外同类产品的水平，从而开发出具有自主知识产权的列车控制与通信网络产品，是将来研究中要解决的主要问题。