城轨车辆网络控制系统的分析及故障排除毕业设计

毕业设计任务书
课题名称：城轨车辆网络控制系统的分析及故障排除
2014届毕业设计任务书
一、课题名称：
列车网络控制系统分析及故障排除
二、指导老师：
三、设计内容与要求：
1、课题概述:
随着牵引动力的交流化和运行速度的提高，列车上采用微机实现智能化控制的部件或装置也越来越多，各微机系统间的协调和信息交换显得越来越重要。

另外，为提高列车的舒适度，各种辅助装置的控制和服务装置的控制都必须纳入到这个微机控制系统中来。

因此，列车控制也由单台机车的牵引传动控制逐渐向网络控制方向发展，网络控制技术已经成为核心技术之一。

本课题基于TCN、ARCNET等常见列车通信网络，分析其通信原理和通信特点，着重分析高速动车、大功率交传机车、城轨车辆等多类列车网络控制系统的拓扑结构、控制功能、硬件组成及工作原理，指出网络控制系统中常见的故障现象，阐述其故障应急处理方法。

2、设计内容与要求：
（1）设计内容
本课题下设3个子课题：
①CRH动车组网络控制系统的分析及故障排除
②HXD交传机车网络控制系统的分析及故障排除
③城轨车辆网络控制系统的分析及故障排除
每个子课题设计的主要内容可包括：
①列车网络控制系统的发展历史及现状分析
②列车网络控制系统的功能、特点及其与传统机车微机控制系统的区别
③常见的列车网络通信标准
④以某个车型为例，从结构、原理、可靠性、实时性等方面详细分析该车
型的网络控制系统
⑤列车网络控制系统常见故障的判断分析与处理
⑥结论
（2）要求
①通过检索文献或其他方式，深入了解设计内容所需要的各种信息；
②能够灵活运用《电力电子技术》、《计算机应用技术》、《机车总体》、《列
车网络控制技术》等基础和专业课程的知识来分析城轨列车、大功率机
车及高速动车组上的网络控制系统。

③要求学生有一定的电子电路，轨道交通专业基础。

四、设计参考书
1、《列车网络控制技术原理与应用》
2、《动车组网络控制系统》
3、《CRH2型动车组》、《CRH5型动车组》
4、《HXD大功率机车》
五、设计说明书内容
1、封面
2、目录
3、内容摘要(200-400字左右，中英文)
4、引言
5、正文（设计方案比较与选择，设计方案原理、分析、论证，设计结果的说
明及特点）
6、结束语
7、附录(参考文献、图纸、材料清单等)
六、设计进程安排
第1周：资料准备与借阅，了解课题思路。

第2-3周: 设计要求说明及课题内容辅导。

第4－7周：进行毕业设计，完成初稿。

第7-10周：第一次检查，了解设计完成情况。

第11周：第二次检查设计完成情况，并作好毕业答辩准备。

第12周：毕业答辩与综合成绩评定。

七、毕业设计答辩及论文要求
1、毕业设计答辩要求
1)答辩前三天，每个学生应按时将毕业设计说明书或毕业论文、专题报
告等必要资料交指导教师审阅，由指导教师写出审阅意见。

2)学生答辩时，自述部分内容包括课题的任务、目的和意义，所采用的
原始资料或参考文献、设计的基本内容和主要方法、成果结论和评价。

3)答辩小组质询课题的关键问题，质询与课题密切相关的基本理论、知
识、设计方法、实验方法、测试方法，鉴别学生独立工作能力、创新
能力。

2、毕业设计论文要求
文字要求:说明书要求打印(除图纸外)，不能手写。

文字通顺，语言流畅，排版合理，无错别字，不允许抄袭。

3、图纸要求:
按工程制图标准制图，图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，文字注释必须使用工程字书写。

4、曲线图表要求：
所有曲线、图表、线路图、程序框图、示意图等不准用徒手画，必须按国
家规定的标准或工程要求绘制。

摘要
随着列车网络控制的发展，列车网络控制系统具有越来越重要的意义。

同时，列车网络控制系统是城轨车辆关键技术之一。

因此建立可靠安全的车载通信网络是十分必要的。

本课题主要分析了城轨列车网络控制系统的故障排除及处理。

首先介绍了列车网络控制系统的生产和发展，功能与特点，及其与传统机车的区别。

接着介绍了列车通信网络的两条总线,即绞线式列车总线(WTB)和多功能车辆总线(MVB),并分析了两层网络拓扑结构。

再根据成都1号线，广州3号线列车网络系统的应用,比较了WTB、MVB、LonWorks、CAN等几种总线的特点。

最后，介绍了列车网络控制系统常见故障的分析及处理。

并展望了我国城轨车辆网络控制系统的发展前景。

关键词：城轨车辆列车网络控制系统故障分析与排除
ABSTRACT
With the development of power electronic technology, electric traction drive system gradually took the place of early DC traction drive system, in the city rail transportation has been applied extensively, become the orbit traffic to achieve high speed and heavy haul transportation only option and the main direction of development. The AC drive control system of city rail electric traction drive control is a core component of the system, is the city rail train in the central nervous system. Through the analysis of urban rail vehicle traction control system structure and principle, to grasp the common breakdown processing method has a very important practical significance.
The main topic of city railway vehicle AC drive control system in electric traction components and each component is the main function principle, train network control system is introduced as well as the common AC drive control technology, analyzes the common faults and emergency treatment method. And look forward to direction of AC drive technology of China's urban rail vehicle equipment manufacturing industry development prospect.
Key words:Urban rail vehicle Electric traction AC drive Control system
Troubleshooting
目录
2014届毕业设计任务书 (2)
第１章列车网络控制系统的概述 (8)
1.1 列车网络控制系统的概念 (8)
1.2 列车网络控制系统的产生和发展 (8)
1.3 TCN列车网络的现状及发展趋势 (11)
1.4列车网络控制系统功能与特点 (13)
1.5 列车网络控制系统与传统机车微机控制系统的区别 (14)
第2章列车网络通信标准 (15)
2.1 现场总线 (15)
2.2 TCN列车通信网络 (20)
2.3 工业以太网 (22)
第3章常见列车网络控制系统 (26)
3.1.SIBAS系统 (26)
3.2. MITRAC.系统 (27)
3.3. AGATE系统 (29)
3.4 TIMS管理系统及其结构 (30)
3.5. TIS信息系统 (31)
3.6. DETECS系统 (32)
第4章城轨列车网络控制系统 (36)
4.1 成铁１号线列车网络控制系统 (36)
4.2 广铁３号线列车网络控制系统 (39)
4.3 城轨列车网络控制系统对比 (41)
第5章列车网络控制系统常见故障的分析与处理 (42)
5.1 MVB总线通信网络中断 (42)
5.2列车控制和诊断系统 (42)
5.3总线/列车线信号检测时间的限制 (43)
5.4 软件设计缺陷 (44)
5.5北京地铁10号线故障分析 (45)
第6章总结 (46)
心得体会 (47)
参考文献 (48)
第１章列车网络控制系统的概述
1.1 列车网络控制系统的概念
网络控制系统又被称为基于网络的控制系统，它是一种完全网络化、分布化的控制系统，是通过网络构成闭环的反馈控制系统。

列车网络控制系统是列车的核心部件，它包括以实现各功能控制为目标的单元控制机、实现车辆控制的车辆控制机和实现信息交换的通信网络。

列车网络系统的发展过程从系统功能来看经历了由单一的牵引控制到车辆（列车）控制，再到现在已经进入分布式控制系统的发展阶段。

狭义的网络控制系统是以网络为基础，实现传感器、控制器和执行器等系统各部件之间的信息交换，从而实现资源共享、远程检测与控制。

例如，基于现场总线技术的网络控制系统可以看成一种狭义的网络控制系统。

广义的网络控制系统不但包括狭义的网络控制系统在内，还包括通过Interner、企业信息网络以及企业内部网络，实现对工厂车间、生产线以及工程现场设备的远程控制、信息传输、信息管理以及信息分析等。

1.2 列车网络控制系统的产生和发展
70年代末至80年代初，车载微机的雏形分别在西门子公司和BBC公司出现。

开始仅仅是用于传动装置的控制，随着控制、服务对象的增多，人们把铁道系统依次划分为 6 个层次：公司管理、铁路运营、列车控制、机车车辆控制、传动控制和过程驱动，于是列车通信网络在初期的串行通信总线的基础上应运而生，并从原来不同公司的企业标准推向国际标准，逐步形成了列车通信与控制系统的标准化、模块化的硬件系列和全方位的开发、调试、维护、管理软件工具。

1988年IEC第9 技术委员会TC9成立了第22工作组WG22，其任务是制订一个开放的通信系统，从而使得各种铁道机车车辆能够相互联挂，车上的可编程电子设备能够互换。

1992年6 月, TC9WG22以委员会草案CD（committee Draft）的形式向各国发出列车通信网TCN（Train Communication Network）的征求意见稿。

该稿分成4个部分：第1 部分总体结构，第2 部分实时协议，第3 部分多功能车辆总线MVB，第4部分绞式列车总线WTB。

总体结构把列车通信网规定为由多功能车辆总线MVB和绞式列车总线WTB组
成。

MVB的传输介质可以是双绞线，也可以是光纤。

在后一种场合，其跨距为2000m，最多可连接256个职能总线站。

数据划分为过程数据、消息数据和监管数据。

对过程数据的传输作了优化。

发送的基本周期是lms或 2ms。

WTB的传输介质为双绞线，最多可连接32个节点，总线跨距860m。

WTB具有列车初运行和接触处防氧化功能。

发送的基本周期是25ms。

1994年5 月至1995年9 月，欧洲铁路研究所（ERRI）耗资300万美元，在瑞士的Interlaken至荷兰的阿姆斯特丹的区段，对由瑞士SBB、德国DB、意大利FS、荷兰NS的车辆编组成的运营试验列车进行了全面的TCN试验。

1999年6 月，TCN标准草案正式成为国际标准，即IEC61735。

该标准对列车通信网络的总体结构、连接各车辆的列车总线、连接车辆内部各智能设备的车辆总线及过程数据等内容进行了详细的规定。

列车通信网络的标准化对目前和将来的开发设计提供了一个良好的基础，现已交付或投入运营的采用TCN的车辆达600辆以上，装备TCN的车辆数量正在迅速增长，Adtranz、Firema、Siemens等车辆制造工厂的所有新项目均以TCN为基础。

我国列车通信网络的发展可以追溯到1991年，株洲电力机车研究所在购买ABB公司的牵引控制系统开发工具特别是软件开发工具的基础上，联合路内高被开发出了建国第一套力机车微机控制装置，安装于SS40038 电力机车上。

在该装置中，系统被明确划分为人机界面显示级、机车控制级和传动控制级三级,级与级之间通过串行总线连接，形成了二级总线的雏形。

其中连接司机台显示器与机车控制级之间的显示总线在“春城”号动力分散电动车组上扩展为贯穿列车连接各动力车的机车控制级与司机台显示器的列车显示总线：连接机车控制级与传动控制级的近程控制器总线在“先锋”号动力分散交流传动电动车组上扩展为连接动力车节点与传动控制单元和ATP的中程控制器总线。

近年来，国内机车车辆工业发展迅速，相继开发成功了动车组、200公里高速车等产品，以及目前尚处于开发研制阶段的摆式列车、轻轨车等产品。

这些产品需要对列车的运行状况和故障做出快速准确的判断和处理，而传统的机车车辆控制技术已不能满足这方面的要求。

同时，随着电子技术的飞速发展，应用于车辆上的智能设备也越来越多，如集中轴报、电动塞拉门、电子防滑器、电空制动、信息显示等系统都装在K型车上。

这些系统需要配备大量的控制线路，且有的系统自成一个小型网络，使一个车辆有多种网络存在，各系统间的数据不能共享，信号重复检测。

为解决上述存在的问题，引入列车通信网络技术将全列车的智能
用电设备连接起来，达到数据共享是非常必要的。

90年代中期，随着动车组在我国升温，对列车通信网络特别是机车的重联控制通信的需求十分迫切。

一方面，铁道部开展了列车通信网络研究课题，另一方面路内外许多单位也先后自发地开展了自我开发、联合开发或技术引进工作，这些工作主线局域网、现场总线、TCN、通信介质、基于RS485的通信协议等领域展开。

如：上海铁道大学与株洲电力机车研究所合作开发的基于ARCNET的列车总线和基于HDLC的车辆总线的列车通信网络的研究；上海铁道大学用CAN作为连接司机台和列车控制单元的局部总线的研究；国防科技大学用CAN作为磁悬浮列车的列车总线的研究；西南交通大学用RS485+议作为摆式列车倾摆特制总线的研究；北方交通大学对通信介质及其转换的研究；大同机车厂对列车通信网结构及其协议的研究和对BITBUS的研究；株洲电力机车研究所的基于FSK的列车通信的研究，基于RS485＋协议的局部总线的研究，基于Lonworks的列车总线和局部总线的研究，CAN总线用于列车监控装置和摆式列车局部控制总线的研究，基于ModBus的I/O局部总线的研究，MVB、WTB的研究等以及国产化的MVB产品与其他公司的MVB产品的兼容性试验；四方机车车辆研究所、铁道科学研究院、西南交通大学、武进市剑湖铁路客车附件厂、武汉正远公司等对Lonworks、MVB、WTB进行了研究。

购买了或准备购买Lonworks、MVB、WTB的开发工具。

以上这些研究，有一些成果得到了应用，其中，“新曙光”号是首列采用Lonworks列车总线技术的内燃动车组。

在该项目中，Lonworks列车总线网卡插在成熟的内燃机车微机控制装置EXP机箱中。

首尾动力车的重联通信通过Lonworks列车总线以显式报文方式实现，而EXP机箱内的主CPU通过机箱背部的并行FE总线访问网卡上的双口RAM实现信息交换。

“神州”号Lonworks 列车重联通信与此类似，但采用了二路，即设置了一路Lonworks冗余通道。

“先锋”号是首列采用了株洲电力机车研究所的TEC列车通信与控制系统的动力分散交流传动电动车组。

在该项目中，每节动车或拖车上都有一个列车总线节点，列车总线贯穿全列车连接各个节点。

在每节动车或拖车内，各智能控制设备通过MVB或控制器总线与节点交换信息。

在司机台显示器上可以选择查看全列车各个设备的状态。

“中原之星”号是第二列采用TEC技术的动力分散交流传动电动车组。

该项目与“先锋“号项目的主要区别是采用了MVB光缆连接一个车组单元内三节车的所有智能控制设备（大部分布置在车辆的地板底下）。

而整列车仅设置了2个列车总线节点，即每个车组单元只设置1个列车总线节点。

从而从列车总线往下着，好象整个列车是由 2 个基本运转单元构成，简化了控制信号在列车总线上的传
递。

另外，“中原之星”号的车辆总线、列车总线、列车控制单元、某些重要设备的数字输入/输出通通（如继电器）等采取了冗余措施。

“新曙光”号、“神州”号列车重联通信的成功，特别是“先锋”号、“中原之星”号的较为完备的列车通信与控制系统的成功，标志着我国列车通信与控制系统的发展已经进入实用化的新阶段。

列车网络控制系统的功能主要包括：实现牵引控制，即牵引特性曲线的实现和牵引功能的优化；实现列车牵引黏着控制，使列车在各种运用条件下，都能保持轮轨间的牵引力，并尽可能地使机车运用在轮轨间的牵引力实现最大化；实现并联和电路的连接，即逻辑控制功能；以及实现列车运行过程中的故障信息处理，即进行故障信息的采集、处理、传输、显示和记录，并为列车乘务提供故障的现场处理和排除信息的提示。

还提供列车运行的状态信息。

1.3 TCN列车网络的现状及发展趋势
在推出TCN国际标准后，基于TCN标准的产品需求增加，对于TCN产品的研制有了越来越多的单位支持，TCN列车网络在世界范围内也得到了日趋广泛的应用。

1.3.1 TCN列车网络产品主要供应商
目前，TCN标准列车通信网络的推广形成以Siemens、Bombardier等大公司主导，日趋增多的第三方广泛支持的局面。

Bombardier、Siemens等公司推出了一系列符合TCN标准的产品，诸如列车网络专用芯片(MVBC01、MVBD、AMED)以及网络实时协议(RTP)软件等。

此外，一些第三方公司(如Farsystem、Firema、EKE、Duagon、Unicontrol)等也相继推出了TCN网关和相关网络产品，用户可以选择需要的网络部件来集成、开发符合自己要求的TCN网络控制系统。

其他可以提供TCN产品的公司还有：自动控制方面的Holec、Ansaldo、AEG，制动方面的Knorr Electronic、Westinghouse Brakes，门控方面的IFE，采暖通风与空调方面的Hagenuk。

另外，一些中小公司也能提供MVB板卡、WTB网关、实时协议文件等。

我国作为TCN标准的制定成员国之一，也对该标准大力支持。

在研发方面，我国南车、北车集团等单位通过自主研发与技术引进相结合，目前也具有了提供TCN相关产品的能力。

铁道科学研究院、西南交通大学、同济大学、北京交通大学等研究单位在TCN方面也进行了广泛研究，取得了一定的成果。

1.3.2 TCN列车网络产品应用现状
TCN网络主要应用在高速动车组、重载列车以及地铁车辆等轨道交通领域，这些场合对产品的互操作性和控制实时性要求一般很高，只有通过可靠、实时的列车网络技术才能达到要求。

目前采用TCN方案的国家有德国、法国、英国、瑞士、瑞典、挪威、芬兰、丹麦、印度、澳大利亚、菲律宾、美国、巴西等，包括高速列车、摆式列车、城市轨道车辆。

我国列车网络技术采用的形式繁多，但TCN技术应用的比重很大，并且采用TCN标准已经成为趋势，如和谐号动车组CRH1、CRH3、CRH5和CRH380A 等车型，各大城市的地铁（如上海轨道交通1、2、4、9、11号线，北京地铁15号线、房山线、昌平线、亦庄线，广州地铁2、3、8号线等）均广泛采用。

1.3.3 TCN列车网络的研究推广及发展趋势
自从TCN国际标准推出以后，得到了越来越广泛的应用。

究其原因，离不开TCN网络自身的实时、可靠、安全、开放的优点，能很好地满足列车通信需求。

当然，更离不开Siemens、Bombardier等大公司不遗余力的研发和推广，使得支持和应用TCN产品的公司和国家在十几年间有了很大的增长。

在TCN标准采纳以后，世界范围内很多研究单位积极地设计了相应的电路、仿真软件和验证工具，极大地推进了TCN技术的发展。

从TCN标准推出到今天，已经十余年了，期间各方面科学技术飞速发展。

可以说，尽管TCN标准的推出为解决列车以及车载控制设备之间的相互联挂的问题贡献巨大，但总体看来，TCN网络技术中的核心部分仍基本由若干家大公司所垄断，技术门槛较高也限制了它更大范围的应用。

TCN并没有完全满足列车在所有场合的控制需要，在技术与日俱新的今天，它需要新的发展。

列车网络技术已经成熟，也是当代轨道车辆必然采用的核心技术之一。

随着通信网络技术的应用范围不断扩大，用户对网络的开放性、性价比、开发和应用的多样性及灵活性等方面都提出了更高的要求。

由于TCN网络自身也难免存在一些不足，所以不可能完全取代其他形式的控制网络，完全满足铁路用户的所有应用需求。

因此，在将来，列车网络技术不可能是TCN的天下，必然是多种网络技术的融合。

列车控制网络技术的发展趋势可能会是以TCN为主，在轨道车辆的高速动车组、地铁车辆等高端市场应用；其他各种形式的总线形式作为列车网络的重要补充，在各种适用的场合找到应用的空间。

这些通用网络技术在今后一段时间内将和原有TCN网络共同发展，取长补短并相互融合，形成有机的整体。

另外，随着列车通信要求的不断提高，TCN自身方面的改进是必要的。

如在
可靠性方面，目前对列车通信网络的可靠性进行量化的评估在国内外还是鲜见的，对于可靠性要求高的列车网络，全面引入可靠性工程的分析、评价、设计及验证的方法是必要的；在安全性方面，近些年提出了功能安全通信的理念，并在2007年推出了《IEC617843用于工业网络功能安全通信行规》国际标准，随后很多种用于工业控制的总线标准也应用该标准，对自身的协议加以完善，添加了功能安全通信层来保证通信网络的功能完整性等级。

那么，列车通信网络对安全性如此强调的总线形式，是否要执行功能安全标准，是非常值得考虑的问题。

随着列车服务质量水平和乘客需求的不断提高，列车信息化服务的要求也越来越高，TCN在此方面显然是不能满足的。

因此，为乘客提供优质的信息娱乐服务，包括移动电视、移动网络等，也必将是TCN未来的方向。

1.4列车网络控制系统功能与特点
列车通信网络是用于列车这一流动性大、环境恶劣、可靠性要求高、实时性高、与控制系统紧密相关的特殊环境的计算机局域网络，它属于控制网络的范畴。

列车网络控制系统是列车的核心部件。

它包括以实现各种功能控制为目标的单元控制机、实现车辆控制的车辆控制机和实现信息交换的通信网络。

其功能主要包括以下方面：
1.实现牵引控制，即牵引性曲线的实现牵引功能的优化。

2.实现列车牵引的黏着控制，使列车在各种运行条件下，都能保持轮轨间的牵引力，并尽可能地使机车运用在轮轨间的牵引力实现最大化。

3.实现列车运用过程中各种可能需要的功能关联和电路连接，即逻辑控制功能。

4.实现列车运行过程中的故障信息处理，即进行故障信息的采集、处理、传输、显示和记录，并为列车乘务员提供故障的现场处理和排除的信息提示。

5.提供列车运行的状态信息。

网络控制适用于大范围区域的控制，系统包含大量的相互交换信号信息的设备。

网络控制系统的特征是通过一系列的通信信道构成一个或多个控制闭环，同时具备信号处理、优化决策和控制操作的功能，控制器可以分散在网络中的不同地点。

与传统的点对点控制系统相比，网络控制系统具备共享信息资源、远程监与控制，减少系统布线、易于扩展和维护、增加了系统的灵活性和可靠性等特点。

1.5 列车网络控制系统与传统机车微机控制系统的区别
传统控制系统采用一对一的设备连线，按控制回路的信号传递需要连线。

位于现场的测量变送器与位于控制室的控制器之间，控制器与位于现场的执行器、开关、电动机之间均为一对一的物理连接。

网络化控制系统则借助网络在传感器、控制器、执行器个单元之间传递信息，通过网络连接形成控制系统。

网络控制系统中，网络化连接方式简化了控制系统各部分之间的连接关系，为系统设计，安装，维护带来了很多方便。

第2章列车网络通信标准
2.1 现场总线
现场总线原本是指现场设备之间的信号传输线，后又被定义为应用在生产现场，在测量控制设备之间实现双向串行多借点数字通信技术。

现场总线为工业控制系统而生，因为其开放、实时性强等特点，在列车通信网络中也得到了很好的应用。

现场总线测量控制设备作为网络节点，以双绞线等传输介质为纽带，把位于生产现场、具备了数字计算和数字通信能力的测量控制设备连接成网络系统，按公开、规范的通信协议，在多个测量控制设备之间、现场设备与运程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成适应各种应用需要的自动控制系统。

网络把众多分散的计算机连接在一起，使计算机的功能发生了神奇的变化，把人类引入到了信息时代。

现场总线给自动化领域带来的变化，正如计算机网络给单台计算机带来的变化。

它使自控设备连接为控制网络，并与计算机网络沟通连接，使控制网络成为信息网络的重要组成部分。

现场总线系统既是一个开放的数据通信系统、网络系统，又是一个可以由现场设备实现完整控制功能的全分布控制系统。

它作为现场设备之间信息沟通交换的联系纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的设备连接为能实现各种测量控制功能的自动化系统，实现如PID控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及控管一体化的综合自动化功能。

这是一项以数字通信、计算机网络、自动控制为主要内容的综合技术。

2.1.1 基于现场总线的数据通信系统
备接收设备、作为传输介质的现场总线基于现场总线的数据通信系统由数据的发送设、传输报文、通信协议等几部分组成。

温度变送器要将生产现场运行的温度测量值传输到监控计算机。

这里传输的报文内容为温度测量值，现场温度变送传输介质接收设备，数据通信系统示例器为发送设备，计算机为接收设备，现场总线为传输介质，通信协议则是事先以软件形式存在于计算机温度变送器内的一组程序。

因此这里的数据通信系统实际上是一个以总线为连接纽带的硬软件结合体。

在基于现场总线的数据通信系统中，所传输的数据是与生产过程密切相关的数值、状态、指令等。

如用数字1表示管道中阀门的开启，用数字。

表示阀门的。