列车通讯系统陈振波.docx
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列车通讯系统陈振波
列车通信控制系统
第一节概述
列车通信系统控制系统是将列车的各个子系统及相关外部控制电路的信息进行读取、编码、通信传递、数据逻辑运算及输出控制的一个计算机网络系统。
该系统就好比人类的神经系统，能通过手和眼睛对自身所处的状态、外部环境进行感知和控制，并对不同情况作出一定反映。
而在列车上，该系统则是对列车的供电状况、速度、列车运行模式等状态信息进行实时监控和识别，并根据读取到的列车驾驶人员发出的指令信息，对列车上各个子系统发出相关控制指令，进而使各子系统产生相应的调整控制，以符合设定的功能要求，则实现了对列车的有效控制。
第二节列车通信控制系统（TCMS）结构
深圳地铁一期续建工程列车采用由两个完全一样的单元车组对称编组而成，每个单元编组又由1节拖车、2节动车构成。
对应于列车编组结构，其列车通信控制（TCMS）系统与列车控制配置原则：
◆对于有微机控制的子系统应尽量通过MVB接口与MVB车辆总线直接连接，用于传递控制、诊断及辅助信息。
◆对于没有微机控制的子系统可通过SKS与MVB车辆总线相连接，传递I/O控制和状态信号。
MVB总线系统由MVB主干线和MVB车辆总线组成。
车辆间的通讯由MVB主干线实现，位于同一节车上的设备之间的通讯由MVB车辆总线实现。
具体见下图：
具体到A、B、C三节车TCMS系统主要部件配置如下（参见表12-2-1）。
表12-2-1A、B、C三节车TCMS系统主要部件配置表
系统
A-车
B-车
C-车
列车自动控制（ATC）
1
-
-
车辆控制单元（VCU）
1
-
-
MVB服务接口
1
-
-
人机界面（HMI）
1
-
-
SIBAS-KLIP站
1
1
1
制动控制单元（BCU）
1
-
1
辅助逆变器
1
1
1
门控制单元
2
2
2
空调（控制单元）
1
1
1
MVB–中继器
1
1
1
逆变器控制单元
-
1
1
第三节列车通信控制系统（TCMS）功能及原理
总线系统将采用全冗余的总线连接方式，仅有一根MVB电缆故障将不会导致总线通讯故障。
MVB主干线和MVB车辆总线通过MVB中继器相连以构成完整的列车网络控制系统，完成列车的各种控制功能。
为了达到列车控制系统的冗余要求，总线系统的方案提升了MVB系统的性能。
两组相互独立布置的MVB电缆可充分保证列车控制系统的可靠性。
每一组MVB电缆（参见下图3）承载通道A或通道B。
这样可以确保即使在某一个部件的两个接头完全断开的情况下也不会干扰MVB的通信。
如果MVB的某个节点通信完全中断，那么该节点与其他部件的通信会中断，然而基于并行设计的其余部件的通信会正常工作。
与以前的MVB设计相比，新设计的单个插头接有两根电缆，第二根MVB电缆能够取代列车控制系统的硬连线。
用第二根即冗余的MVB电缆代替了通常使用的硬线列车控制系统。
在某车辆里的两根电缆里的两个通道全部中断的极端情况下，列车依旧能够运行。
这是因为在每个车辆里都有一个转发器，它能够从MVB总线上断开故障车辆。
其他零部件之间的通信仍然不受影响，列车仍能在限制很少的情况下继续运行。
转发器自身具有冗余设计，即使一个VCU失效，另一个VCU会接管其操作。
报文的准确性通过两种检测途径：
其一是计算报文的检验和,其二是始终对两个通道信号进行比较。
与硬线系统相比具有重量轻，接口资源少和高可靠性。
图3：
子系统连接原理
MVB总线符合IEC61375-11999标准。
MVB基本技术参数见表1。
拓扑
电气总线
长度：
200米，32单元/段，可容纳128节点
介质：
-双绞屏蔽线（两条路线）
-隔离（变压器）
信号形成：
曼彻斯特编码II，9位帧起始分界符
信号速率：
1.5Mbit/s,
帧长度（有用的数据）
16，32，64，128，256位
周期性发送：
1ms...1024ms（典型值：
32ms，64ms，128ms，...1024ms）
介质分配：
由一个中央主控决定
主控权的转移：
通过令牌传递来转移主控权，
几个总线管理器依次转变为主控设备
通信：
-周期性（主要用于过程数据）
-偶发性（主要用于消息数据）
-监督性（主要用于监控数据）
表1：
MVB主要技术数据
一、MVB总线主要传输三种类型的数据：
1）过程数据：
如司机指令、列车速度、电机电压和电流等。
过程数据是长度较短但比较紧迫的数据，它们传送时间必须是确定的，因而采用周期性传送。
2）消息数据：
如故障数据。
消息数据是偶然出现的、时限不太紧迫但长度较长的数据，通常采用事件驱动的偶发性传送。
长的数据可以分包在不同周期中传送。
3）监视数据：
如用于设备状态检查、监视的数据。
监视数据是比较短的数据，有的需要周期性传送，有的采用偶发性传送。
二、MVB总线的网络拓扑原理图
A车（带司机室的拖车）网络拓扑原理图如图4所示：
A车的其他通信方式：
PIS乘客信息系统通过RS485总线与司机显示器HMI相连，完成信号的传输，实现PIS的功能。
CCTV视频监控系统通过以太网与司机显示器HMI相连，完成信号的传输，实现CCTV的功能。
B车（带受电弓的动车）原理图如图5所示：
B车的其他通信方式：
BCU制动控制系统通过CAN总线与A车及C车相连，完成信号的传输，实现BCU的功能。
C车（带空压机的动车）原理图如图6所示：
图4：
A车网络拓扑原理图
图5：
B车网络拓扑原理图
图6：
C车网络拓扑原理图
图7：
MVB网络配置运行原理图
图8：
MVB中继器控制原理图
第四节列车通信控制系统部件介绍
一、列车控制单元
1）车辆控制单元概述
车辆控制单元（VCU）采用32位微处理器系统，属于SIBAS®32系列产品的一部分。
主控VCU有如下功能（CCF）：
●串行数据通信管理（车辆总线）
●控制功能（车辆、列车）
●部件自动测试
●诊断设备、存储故障
系统采用模块化设计。
功能被分为功能模块，采用单尺寸和双倍尺寸的欧洲格式（Euroformat）用于：
●中央处理单元（CPU包括MVB接口）
●电源
●通风模块，包括RAM电池的通风模块
●
图9：
车辆控制单元（示例）
2）中央控制功能
在列车控制和监控系统里的功能
图10中所示功能将由列车内的主控VCU来执行：
图10：
由主控VCU来执行的功能
3）串行数据通信的管理
VCU与串行多功能车辆总线（MVB）进行信息交换。
VCU中的MVB接口模块可作为车辆总线的管理器，用来控制连在MVB上的部件之间的数据交换。
车辆总线的数据可传送到VCU进行处理，处理后的数据可通过MVB传至所连接的设备。
注：
不需通过VCU处理的数据可直接从数据源接口传至接收接口。
4）列车/车辆控制功能
为实现控制功能或为司机提供指示，数据总线收集的数据经VCU中央计算机处理后输出。
为此，可以编制自动处理程序。
车辆/列车控制用的大多数必要的逻辑操作可在可编程的VCU内完成。
传统机电逻辑模块（继电器）使用数量可因此降至最少，这大大提高了车辆的可靠性。
VCU可以实现下列功能:
控制高速断路器（HSCB）
发出与联锁状态（如：
空气压力，开门，安全装置，欠压等）有关的牵引和制动信号
为所有与MVB相连的子系统提供主时钟
通过车辆总线传送运行条件和故障信息到人机界面
其他控制和监控功能如受电弓控制、门控制、PIS控制、照明控制等能够被集成在一起，当然这些功能由车辆供货商负责
5）VCU的自检测设备
VCU在初始化后，执行一个自检例行程序，完成以下工作：
确定程序存储中的检验和，并与规定检验和进行比较
检查用户随机存储器的读写能力
测试中央处理单元中的电池备份的随机存储器的电池电压
用循环地执行自诊断例行程序来补充自检，如：
程序执行时间的监视
监视器看门狗的触发
6）VCU结构
为了处理以上提到的功能，需要图11所示硬件结构：
图11：
VCU的硬件结构
所有技术参数将通过服务界面用个人计算机加以确定、加入和修改。
新的参数只有在VCU重新复位后才能调用。
输入的测量单位用物理数值（如速度的输入单位是米/秒）。
前一次的参数设置一直保留到下一次修改为止。
印制板组件中应用了快擦编程只读存储器（FLASH-EPROM），所以可用迅速且简单的方式将软件输入到VCU。
由于这是一种可电擦除式可编程只读存储器，所以在修改程序时不必更换可电擦除式可编程只读存储器芯片（FLASH-EPROM）。
二、中继器REPEATER
MVB中继器特点：
●将MVB上的两段链接在一起（调节MVB的物理信号）；
●对两个完全独立的通道（线接口）的冗余布置，包括独立的电源；
●利用变压器对EMD段进行电气隔离；
●MVB中继器位于一个压制的铝罩体内，可以方便的夹装在安装轨道上。
MVB中继器的设计原理见图12,技术数据见表2。
图12：
MVB中继器的设计原理
电源供给:
额定值
110VDC
静态容许范围.
16VDC...138VDC
动态容许范围.
14VDC...154VDC
每根线电流
70mA
机械:
壳体尺寸（高×宽×长）
51×142×170mm
重量
约500g
安装
按照DINEN5002235mm铁路安装标准
MVB接口
到MVB的接口
9-针SUB-MIN-D插座带符合DIN41652标准的4-40UNC开口螺钉
输出电源
典型值40mA动态电流
最小输入电压
200mV
插入损失
<0.15dBat1.5MHz
端接电阻
120
传播延迟
2.2µs
共模能力
1.0Vat1.5MBd
表2：
MVB中继器的技术数据
三、SIBAS-KLIP站
SIBAS-KLIP站用于把控制系统分散，并收集以下信号：
∙数字输入信号（DC110V），如控制指令或状态信号
∙数字输出信号（DC110V），如接触器控制信号
∙模拟输入和输出信号（0...10VDC，0...20mA，如果需要）
∙模拟输入信号-Pt100温度测量
这些信号将通过MVB传到VCU进行处理。
SIBAS－KLIP站的应用减少了布线和端子的数量，因而提高了车辆电气控制系统的可靠性和可利用性。
每个SIBAS_KLIP站都包含一个多功能车辆总线（MVB）接口、MVB接口模块（数量可选）、数字量输入模块16x110V、数字量输出模块8x110V输出模块、模拟量输入模块4x+/-10V、模拟量输出模块2x+-10V&20mA、一个电源模块（输入电压：
24VDC….110VDC，内部电源：
24VDC）和SKS模块底座。
接口、总线模块和电源模块安装在标准导轨上。
A车、B车和C车各配有一个SIBAS-KLIP站。
图13:
SKS模块底座。
图14:
MVB接口模块。
图15:
数字量输入模块16x110V
图16:
数字量输出模块8x110V
图17:
模拟量输入模块4x+/-10V
图18:
模拟量输出模块2x+-10V&20mA
图19:
电源模块
图20:
装在导轨上带MVB接口模块和总线模块的SIBAS-KLIP站。
四、司机显示器HMI
每个单元设置一个显示器，安装在主驾驶台上,图形和技术数据见图21和表3；
图21：
人机界面
显示屏对角线尺寸
12.1英寸
防护等级
IP65（正面）,IP30（背面）
显示
12,1”LC-TFT-Display高亮度（350cd/m2）广视觉
VGA,1024x768像素，256k色
自动控制CCFL-更长寿命
触摸屏–声波传感技术
PC-结构
低能耗IntelCeleron300MHz,
128MByte闪存硬驱
网络接口
MVB
电压
24-110VDC，隔离式
冷却
自然冷却（对流）
预热
在低温时，启机前打开电子加热器预热
操作系统
LINUX
其它特点
显示单元与计算机分开（计算机可以安装在阴凉处）
专为铁路设计
声音报警信号
表3：
建议的人机接口（MMI）的技术数据总汇
第五节列车通信控制系统（TCMS）与其它系统接口关系
TCMS系统各设备主要采用MVB总线通信，也有采用其他总线的，如：
乘客信息系统PIS通过RS485总线与HMI通信，视频监控系统CCTV通过以太网与HMI通信。
TCMS系统软件规范主要包括通信协议和由通信变量组成的数据流。
对MVB总线，其通信协议采用IEC61375-11999；RS485总线和以太网采用自定义的协议，双方必须共同遵守。
具体见表4。
部件名
软件规范及通信变量定义文件
BCU制动
MVB-Processdata_BCU_A.pdf（A车）和
MVB-Processdata_BCU_C.pdf（C车）
HVAC空调
MVB-Processdata_VAC_1.pdf和
MVB-Processdata_VAC_2.pdf及
MVB-Processdata_VAC_common.pdf
ATC自动控制
MVB-Processdata_ATC.pdf
PIS乘客信息
MVB-Prozessdaten_HMI_PIS.pdf
CCTV视频监控
MVB-Prozessdaten_HMI_TV.pdf
HMI显示器
MVB-Prozessdaten_HMI.pdf
MDCU主门控单元
MVB-Processdata_DCU_1.pdf（主门控1）和
MVB-Processdata_DCU_2.pdf主门控2）
表4：
软件规范及通信变量定义文件列表
第六节列车火灾报警系统
（一）设备配置
火灾报警系统设备包括火灾报警控制器和各类探测器。
下表为设备配置表。
Tc
Mp
M
M
Mp
Tc
总计
火灾报警控制器
1
1
1
1
1
1
6
感烟感温组合探测器
3
2
2
2
2
3
14
感烟探测器
2
2
2
2
2
2
12
感温探测器
2
2
2
2
2
2
12
在车厢内电气屏柜布置感烟感温组合探测器，在客室区域的拐角顶板内安装感烟探测器和感温探测器。
当火灾探测器探测到火灾隐患后，传送信号给火灾报警控制器，火灾报警控制器一方面通过液晶显示屏进行火警文字提示、启动本地信号灯进行光提示，另一方面将火警信息通过SKS模块传送到列车控制单元。
下图为火灾报警控制器照片。
下图为探测器照片。
下图为火灾报警系统设备布置示意图。
（二）系统原理
上图为火灾报警系统原理框图。
上图为火灾报警系统工作原理流程图。
（三）操作
下图为火灾报警控制器的操作面板图。
系统指示灯：
序号
英文
中文
说明
1.
POWERON
电源指示灯
绿灯常亮表示系统电源正常；
2.
POWERFAULT
电源故障
黄灯闪烁时表示系统电源故障；
3.
SYSTEMFAULT
系统故障
黄灯常亮时表示系统主板有故障；
4.
GENERALFAULT
故障状态
系统存在任何故障时该黄色指示灯常亮；
5.
SOUNDERSTATUS
扬声器
回路状态
黄灯常亮时表示扬声器回路有故障；
6.
FIREOUTPUT
STATUS
火警信号
输出状态
黄灯常亮时表示报警回路有故障；
7.
OUTPUTDELAYS
输出延时
黄灯闪烁时表示系统会延时输出报警信号；
8.
FIREALARM
火警
红灯常亮时表示系统处于报警状态；
9.
FIREOUTPUT
火警输出
红灯常亮时表示系统已经输出高电平信号；
10.
GENERALDISABLE
系统隔离
黄灯常亮时表示目前有被隔离的回路；
11.
GENERALTEST
系统测试
黄灯常亮时表示目前有正在测试的回路；
12.
MOREMESSAGE
更多信息
黄灯常亮时表示显示屏仍然有待显示信息；
13.
ZONEFIRE
回路报警
红灯常亮时表示该回路处于报警状态；
14.
ZONEFAULT
回路故障
黄灯常亮时表示该回路处于故障状态；
15.
PANELACCESS
用户等级
指示灯
状态
用户等级
不亮
1
黄色常亮
2
黄色闪烁
3
功能按钮：
序号
英文
中文
说明
1.
SILENCE/RESOUND
ALARMS
报警扬声器
状态选择
开关报警扬声器；
2.
RESET
复位
系统复位；
3.
SILENCEBUZZER
蜂鸣器静音
蜂鸣器静音；
4.
SCROLL
滚屏
滚动显示其屏幕；
5.
TEST
测试
按下该键时，所有的指示灯会同时点亮；
6.
MENU
菜单
打开菜单选择界面；（后附详细说明）
7.
ENTER
确认
确认当前的数据；
8.
ACCESS
访问系统
选择用户级别；
9.
PANELEDITING
SWITCHES
按钮在
其它状态下的功能
按钮
说明
SCROLL
数字“1”或“向上”
TESTDISPLAY
数字“2”或“向下”
MENU
数字“3”或“向左”
ENTER
数字“4”或“向右”
ACCESS
数字“5”或“退出”
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