地铁车辆网络系统分析

地铁车辆网络系统分析
1TCMS系统概述
西安地铁三号线车辆为6辆编组，4动2拖，车辆的编组形式为：Tc1－Mp1－M1－M2－Mp2－Tc2。

每辆动车有1个变压变频调速VVVF系统，每辆拖车有1个辅助逆变CVS系统，VVVF系统和CVS系统与列车网络
系统之间通过冗余的MVB总线实现通信。

制动选用EP2002系统，整车
有2个CAN单元，每个CAN单元由2个网关阀GV、1个ＲIO阀及3个
智能阀SV组成，控制阀之间通过内部的CAN总线通讯。

2个网关阀配
置为冗余的工作模式。

网关阀具有独立的MVB接口，列车控制和监控
系统(TCMS)通过网关阀传输和接收指令、故障等信息，实现对整车制
动系统的控制和监视。

2TCMS系统结构
列车和车辆控制分3级：列车控制级、车辆控制级与子系统控制级。

整车分为5个网段，TC1车和Mp1车组成网段1，M1车为网段2，M2车为网段3，TC2车和Mp2车组成网段4，以及主干网网段，如图1所示。

每辆拖车配置1台中央控制单元CCU、1台事件记录仪EＲM、1台人机
接口单元HMI，每辆动车配置1个MVB中继器ＲEP，每辆车配置1个远程输入输出模块ＲIOM。

变压变频调速系统、制动系统和辅助逆变系统
采用普通D－SUB9连接器的总线连接方式;车门系统、乘客信息系统、
空调系统、广播系统采用总线连接器的接线方式与网络设备相连接，
信号系统的ＲS485总线通过集成在ＲIOM上的网关转换成MVB，再同ＲIOM数据一起通过总线连接器与网络通信。

2．1冗余结构MVB冗余：MVB总线采用符合IEC—61375标准的冗余
屏蔽双绞线EMD电缆，各中继器之间、各子系统之间、中继器与子系
统之间均为冗余布线，单点故障不会导致列车运行停止。

MVB的线路A
和线路B同步发送相同的数据，能够防止传输线、引脚接点以及收发
器的错误导致MVB传输故障，MVB接线拓扑如图2所示。

CCU冗余：每
列车的2台CCU配置相同的应用级过程数据源端口及宿端口。

同时，2
台设备之间还有1对独立的端口，作为两者之间的生命信号。

每台设
备定义2个配置文件，其中一个文件正常定义，另一个文件将所有应
用级源端口都定义为宿端口。

从CCU作为热备冗余，当主CCU故障时，从CCU接替主CCU。

中继器ＲPT冗余：中继器板卡上的A、B路处理器
采用了完全冗余的隔离供电、隔离处理芯片及隔离电气接口，当一个
模块故障时，信号仍然能够通过中继器实行传输。

列车关键I/O信号
冗余：关键的列车线I/O信号，如运行方向信号、牵引/制动指令等，
均由Tc1车和Tc2车2个相互冗余的ＲIOM同时实行采集。

重要的非列车线信号由ＲIOM的不同DI板卡实行采集。

2．2冗余设备的故障处理(1)CCU故障：单侧的CCU发生故障时，如
果该CCU是主设备，则需要实行冗余切换，切换后车辆没有功能损失;
如果该CCU是从设备，则不需实行切换。

这2种情况显示器均会提示
故障报警。

如果2个CCU均发生故障，则MVB网络没有主设备，车辆
进入备用模式，采用人工驾驶的降级模式运行。

(2)中继器故障：中继
器只有在A、B两路同时出现故障时才会无法正常工作。

当位于Mp车
的中继器发生故障，MVB网络干路中断。

此时车辆在故障点处分为2个网络，两侧的CCU均作为主设备。

因为两侧CCU信息不一致，无法正
常行使控制功能，车辆须进入降级模式运行。

当M车的中继器发生故障，M车所有网络设备从网络中脱离，车辆能够在损失部分动力和制动的情况下运营。

(3)EＲM故障：整车安装2个EＲM模块，任意1个E
ＲM故障只会影响到该EＲM的运行数据记录功能，车辆无须降级运行。

(4)ＲIOM故障：对于列车线信号，当一侧Tc车ＲIOM无法正常采集信
号时，由另外一侧的ＲIOM实行采集，此时CCU会实行相对应的判断来保证车辆无须降级运行;对于重要的非列车线信号，通过不同的信号板
实行采集，只有在2个信号板都无法正常采集时，才会导致功能缺失。

此时车辆须视该信号的重要水准实行相对应的降级处理。

3显示屏界面结构
显示屏界面按照功能主要分为2类，一类用于车辆参数的展示和功能
按钮的布置，如“运行”界面和“调试”界面;另一类用于提供输入和
操作，如“密码”界面、“参数输入”界面，此类界面一般在展示类
界面间切换或针对某参数更改时弹出。

显示屏上电启动后默认进入
“网络”界面，显示所有入网MVB设备的在线状态和主从状态。

从
“网络”界面中能够通过点击“返回”按钮跳至“主菜单”界面，也
能够通过“调试界面”按钮进入“调试”界面。

“主菜单”界面用于
司机或其他列车运营维护人员日常获取列车状态信息、设备参数更改、车辆控制等应用。

通过“主菜单”界面下边栏中的各个按钮进入相对
应界面，这些界面可分为2类，一类是司机界面，通过“运行”、
“制动状态”、“牵引状态”、“辅助状态”、“旁路状态”、“空
调设置”等按钮进入相对应界面，另一类是维修界面，通过“维修菜单”按钮进入维修界面。

“调试”界面用于车辆调试过程中查看网络
和子设备状态，也可用于运营维护时查询列车详细信息［1］。

显示屏
界面结构如图3所示。

4通信协议
4．1物理层物理层对传输介质、设备属性、收发器接口、电气中距离EMD拓扑、EMD连接器实行规定。

MVB总线在200m传输距离内最多可支持32个连接设备，信号速率为1．5M(1±0．01)bit/s，采用曼彻斯特编码［2］。

CCU具有设备在线判断、过程数据、总线管理水平的设备
属性，设备等级为4级。

列车网络系统子设备仅具有设备在线判断、
过程数据的设备属性，设备等级至少为1级。

4．2数据链路层数据链路层对报文时序、应答延时、源设备的帧间间隔、目标设备的帧间间隔、主设备的帧间间隔实行规定。

报文由主帧
以及响应此主帧的从帧组成。

总线报文时序如图4所示。

应答延时默
认值和最小值为42．7μs;在主帧结束之后，被寻址的从设备应答一个从帧，响应时间为：最小2．0μs，最大6．0μs;目标设备忽略在其
接收到最后一个主帧之后发送的所有从帧，超时默认值为42．7μs;主设备在发送前一主帧后不迟于1．3ms的时间内发送后一主帧。

4．3应用层应用层规定了CCU与EＲM、HMI、ＲIOM以及各子系统之
间交换的周期变量，包括各变量的特征周期、端口地址、字节偏移、
位偏移、数据类型、变量名、信号名等。

4．4数据格式过程数据信号类型有布尔型、字节、字和双字等［3］。

在MVB报文中所有的逻辑信号作为一个字被打印和发送。

默认的逻辑
状态：高电平为1，脉冲信号停留至少2倍采样周期的时间，以确保采样时间充足长，信号能被检测到。

每单个字段的位中Bit0是最高有效位。

4．5主帧调度MVB主帧调度满足IEC61375—1标准，最小轮询周期
32ms。

特征周期有32ms、64ms、256ms、512ms。

每1ms轮询端口长度
不超过3个32字节或等同长度，以保证合理的总线负载率。

4．6主控与从控之间的通信规则主控设备和从控设备之间的通信根据功能分，主要有3种类型：命令、状态、诊断。

命令是主控设备发送
给从控设备的，状态是从控设备发送给主控设备的，而诊断信息是从
控设备根据自身的故障或工作状态信息发送给主控设备的诊断维护信息。

主控设备和从控设备之间的通信根据通信形式分为过程变量和监
视变量。

过程变量是用户可用通信变量，监视变量主要用于网络系统
运行监视及总线控制。

过程变量根据通信速率分为快变量和慢变量，
其中快变量用于关键设备的控制命令和状态响应，采用32ms特征周期
过程变量。

慢变量主要用于不影响列车运行的非紧急列车诊断信息或
状态信息：非紧急但重要的信息采用64ms特征周期的过程变量;不紧
急也不重要的信息采用256ms和512ms过程变量传输。

5TCMS系统的主要功能
5．1对牵引控制及监测功能(1)控制功能：TCMS向VVVF发送列车参
考速度、司机室激活信号、牵引、制动指令、惰行信号、牵引制动力
百分比信号、车重百分比信号、电制动切除指令、所有制动缓解信号、试验时切除电制动指令、人工驾驶模式下的限速信号、各动车半磨耗
轮径值、洗车模式信号、能量计数器清零请求、TCMS转发制动系统的
车厢各轴轴速信号、复位隔离的VVVF等。

(2)监测功能：网压监测、
网流监测、牵引能耗监测、电制动能量监测、制动电阻能耗监测等。

5．2对空气制动系统控制及监测功能(1)控制功能：发送制动指令、
牵引指令、制动级位请求、快速制动指令，要求制动系统执行自检，
停放制动的施加与缓解等。

(2)监测功能：各轴速度、主风管压力、
ASP空气簧压力、BCP制动缸压力、紧急制动安全环路旁路监视、停放
制动缓解旁路监视、常用制动缓解旁路监视、总风低压旁路监视、各
转向架载荷、乘车率、司机与信号系统启车前确认ASP状态、常用制
动力监视、停放制动状态、制动控制单元在线状态、自检状态监视等。

5．3对辅助系统控制及监测功能(1)控制功能：辅助逆变器停机控制、扩展供电控制、复位所有可复位的中等故障等。

(2)监测功能：CVS的
生命信号、运行状态、输入输出电压、累计运行总时间和能耗值等。

5．4对空调及空压机启动控制功能TCMS系统能够控制空压机组、空
调机组顺序启动，空压机的启动优先级高于空调压缩机的启动优先级。

当判断有空压机启动时，空调压缩机不能启动;当空调系统正在启动顺
序过程中，若空压机启动，则空调压缩机启动延时。

6故障诊断
故障记录在数据记录仪中，通过维护终端PTU导出列车运行及故障数据，便于维护人员实行分析。

记录内容包括故障发生的日期时间、故
障代码、故障子系统、故障名称、故障描述、故障等级、故障级位、
速度、网压、列车编号、距离和故障发生解除等。

7结束语
MVB总线控制在国内外地铁车辆上得到了广泛应用，TCMS系统作为列
车的“大脑”负责各子系统的分工协作，系统功能的合理性、网络设
备的稳定性、可靠性直接关系着地铁车辆的运行质量。

西安地铁三号
线车辆的列车控制和监测系统与一、二号线相比控制逻辑复杂，通过
总线与各子系统交换的数据多，所以不但要清楚系统的硬件组成，也
要深入了解软件结构，这样对日后运营故障的排查和分析将有很大协助。

地铁车辆网络系统分析。