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

关闭;用数字1表厅生产过程处于报警状态，数字0表示生产过程处于正常状态。表示温度、压力、流量、液位等的数值、控制系统的给定值、PID参数等都是典型的报文数据。传统的测量控制系统，从输人设备到控制器，从控制器到输出备，均采用设备间一对一的连线，即点到点布线，通过电压、电流等模拟信号传送参数。现场总线系统则采用串行数据通信方式实现众多节点的数据通信，不必在每对通信节点间建立直达线路，而是采用网络的连接形式构建数据通道。串行数据通信最大的优点是经济。两根导线上挂接多个传感器、执行器，具有安装简单、通信方便的优点。这两根实现串行数据通信的导线就称为总线。采用总线式串行通信为提供更为丰富的控制信息内容创造了条件。总线上除了传输测量控制的状态与数值信息外，还可提供模拟仪表接线所不能提供的参数调整、故障诊断、阀门开关的动作次数等信息，便于操作管理人员更好、更深入地了解生产现场和自控设备的运行状态。

2.1.2 现场总线的特点

传统模拟控制系统在设备之间采用一对一的连线，测量变送器、控制器、执行器、开关、电动机之间均为一对一物理连接。而在现场总线系统中，各现场设备分别作为总线上的一个网络节点，设备之间采用网络式连接是现场总线系统在结构仁最显著的特征之一。在两根普通导线制成的双绞线上，挂接着几个、卜几个白控设备。总线在传输多个设备的多种信号，如运行参数值、设备状态、故障、调整与维护信息等的同时，还可为总线上的设备提供直流工作电源。现场总线系统不再需要传统DCS系统中的模拟/数字、数字/模拟转换条件。这样就为简化系统结构、节约硬件设备、节约连接电缆、节省各种安装、维护费用创造了条件。

在现场总线系统中，由于设备增强了数字计算能力，有条件将各种控制计算功能模块、输人/输出功能模块置人到现场设备之中。借助现场设备所具备的通信能力，直接在现场完成测量变送仪表与阀门等执行机构之间的信号传送，实现了彻底分散在现场的全分布式控制。

现场总线是控制系统运行的动脉、通信的枢纽，因而应关注系统的开放性、互可操作性、通信的实时性，以及对环境的适应性等问题。

1)全数字通信。

这使得系统能够实现信号的检错、纠错机制，从而显著提高了系统的抗干扰能力和传输精度。同时，可进行多参数传输，比如，现场设备的测量、控制信息以及其他非控制信息如设备类型、型号、厂商信息、量程、设备运行状态等都可以通过一对导线传输到现场总线网络上的任何智能设备，从而消除了模拟信号的

传输瓶颈。

2)系统的开放性。

系统的开放性体现在通信协议公开，不同制造商提供的设备之间可实现网络互联与信息交换。这里的开放是指对相关规范的一致与公开，强调对标准的共识与遵从。一个开放系统，是指它可以与世界上任一制造商提供的、遵守相同标准的其他设备或系统相互连通。用户可按自己的需要和考虑，把来自不同供应商的产品组成适合自己控制应用需要的系统。现场总线系统应该成为自动化领域的开放互联系统。

3)互可操作性。

这里的互可操作性，是指网络中互连的设备之间除了能实现信息互访外，还能理解信息的含义，并能根据信息要求进行操作。如A设备可以接收B设备的数据，也可以控制C设备的动作与所处状态。这就意味着，某厂家生产的设备能够对另一个厂家的设备进行控制和操作，也即不同厂家的相同类型的设备可以互相替换，而且还可统一组态，无需专用的驱动程序。这就解决了设备的垄断性和产品故障处理的时效性，为系统集成的白争降操供了产品保障。用户从而可选择性价比更高的产品。

4)通信的实时性与确定性。

现场总线系统的基本任务是实现测量控制。而有些测控任各早有严格的时序和实时性要求的。达不到实时性要求或因时间同步等问题影响了网络节点间的动作时序，有时会造成灾难性的后果。这就要求现场总线系统能提供相应的通信机制，提供时间发布与时间管理功能，满足控制系统的实时性要求。通信模式、网络管理与调度方式等都会影响到通信的实时性、有效性与确定性。

5)现场设备的智能与功能自治性。

这里的智能主要体现在现场设备的数字计算与数字通信能力上。而功能自治性则是指将传感测量、补偿计算、工程量处理、控制计算等功能块分散嵌人到现场设备中，借助位于现场的设备即可完成自动控制的基本功能，构成全分布式控制系统，并具备随时诊断设备工作状态的能力。

6)对现场环境的适应性。

现场总线系统工作在生产现场，应具有对现场环境的适应性。工作在不同环境下的现场总线系统，对其环境适应性有不同要求。在不同的高温、严寒、粉尘

环境下能保持正常工作状态，具备抗振动、抗电磁干扰的能力。在易燃易爆环境下能保证本质安全，有能力支持总线供电等。这是现场总线控制网络区别于普通计算机网络的重要方面。采用防雨、防潮、防电磁干扰的壳体封装，选用工作温度范围更宽的电子器件，以及采用屏蔽电缆或光缆作为传输介质，实现总线供电，满足本质安全防爆要求等都是现场总线系统所采取的提高环境适应性的措施。2.1.3 现场总线系统的优势和劣势

由于现场总线的以上特点，使得控制系统的设计、安装、投运和检修维护，都体现出优越性。

1)节省硬件数量与投资。

现场总线系统中，由于智能现场设备能直接执行多参数测量、控制、报警、累计计算等多种功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的调节器、计算单元等，不再需要D('S系统的信号调整、转换等功能单元，从而也省去了它们之间的复杂接线，节省了一大笔硬件投资，减少了控制室的占地面积。

2)节省安装费用。

现场总线系统在一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而系统的连线非常简单。与传统连接方式相比，所需电缆、端子、槽盒、机架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，这样既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。据有关典型试验工程的测算资料，可节约安装费用60%以上。

3)节省维护开销。

由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通信将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时间。同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。、

4)用户具有系统集成主动权。

用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展。使系统集成过程中的主动权牢牢掌握在用户手中。

5)提高了系统的准确性与可靠性。

由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，从根本上提高了测

量与控制的精准度，减小传输误差。同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。此外，由于设备的标准化，功能模块化，使系统具有设计简单，易于重构等优点。

现场总线系统中，由于网络成为各组成部件之间的信息传递通道，网络成为控制系统不可缺少的组成部分之一。而网络通信中数据包的传输延迟，通信系统的瞬间错误和数据包丢失，发送与到达次序的不一致等，都会破坏传统控制系统原本具有的确定性，使得控制系统的分析和综合变得更复杂，使控制系统的性能受到负面影响。如何使控制网络满足控制系统对通信实时性、确定性的要求，是现场总线系统在设计和运行中应该关注的重要问题。

现场总线与一般计算机通信的区别。现场总线是用于现场仪表和控制室系统之间的一种全数字化、双向、多分支结构的计算机通信系统，计算机通信技术的发展会从各个方面影响现场总线的发展。但是，二者在基本功能、信号传输要求和网络结构上均有所不同。

1)基本功能。

计算机通信的基本功能:可靠地传递信息。现场总线的功能则是包括了更多的内容:①高效、低成本地实现仪表及自控设备间的全数字化通信，以体现其经济性;②解决现场装置的总线供电问题，实现现场总线的本质安全规范，以体现其安全性;③解决现场总线的环境适应性问题，如电磁干扰、环境温度、适度、震动等因素，以体现其可靠性;④现场仪表及现场控制装置要尽可能地就地处理信息，不要将信息过多地在网络上往返传递，以体现现场总线技术发展趋势—信息处理现场化。

2)信号传输要求。

二者在速度要求上是一致的，但现场总线不仅要求传输速度快，还要求响应快，即需要满足控制系统的实时性要求。一般通信系统也会有实时性的要求，但这是一种“软”的要求，即只要大部分时间满足要求就行了。过程控制对实时性的要求是“硬”的，因为它往往涉及安全，必须在任何时间都及时响应，不允许有不确定性。

现场总线的实时性主要体现在响应时间和循环周期两个方面。响应时间是指系统发生特殊请求或发生突发事件时，仪表将信息传输到主控设备或其他现场仪表所需的时间。这往往需要涉及:现场设备的中断和处理能力，传输时间，优先级控制等多种因素。过程控制系统通常并不要求这个时间达到最短，但它要求最大值是预先可知的，过程控制系统通常需要周期性地与现场控制设备进行信息交

流。循环周期是指系统与所有现场控制设备都至少完成一次通信所需的时间。这

个时间往往具有一定的随机性，过程控制系统同样希望其最大值是可预知的。

2.2 TCN列车通信网络

网络技术作为现代列车的关键技术，在世界范围内得到了越来越广泛的应用。但由于铁路运输在世界上不同地区和国家的特点和竞争程度不同，不同的国

家或地区的列车控制网络技术采用了不同的技术开发路线和模式。欧洲的铁路运

输市场竞争较为充分，用户对机车车辆及其控制技术的要求也较高。同时由于欧

盟的形成，客观上对列车及其控制系统的互通、互联提出了更高的要求。各大列

车电气部件供应商都推出了基于网络的控制系统，例如，瑞士ABB公司的MICAS

一S2系统，瑞典ADtranz公司(现已被Bombardier公司收购)的MITRAC列车网

络控制系统、法国Alstom公司基于Wor1dFIP总线的AUATE控制系统等。如图4

一4所示，MICAS一S2系统将网络分成列车总线和车厢总线，列车总线采用FSK(频移键控)，波特率为19. 2kb/s，车厢总线MVB(多功能车厢总线)采用RS

一485串行通信标准，局部总线采用双绞线，远程总线采用光缆，波特率为1.5Mb/so MITRAC则是在MICAS一S2的基础上发展起来的分布式列车控制网络。

因为这些列车通信网络技术大都遵循各大电气设备供应商的企业标准或是

不同国家的国家标准，基于不同网络技术的车载设备往往不能兼容，不同来源的

铁道机车车辆也不能够相互连挂，为此，IEC开始了列车通信网络的标准化之路。1988年，国际电工委员会(IEC)第9技术委员会(TC9 )，委托由来自20多个国

家(包括中国、欧洲国家、日本和美国，他们代表了世界范围的主要铁路运用部

门和制造厂家)以及国际铁路联盟(UIO的代表组成的第22工作组WG22，共同为

铁路设备的数据通信制定一项标准，使得各种铁道机车车辆能够相互连挂，车上

的可编程电子设备可以互换。1999年6月，经过长达11年的工作后，IEC, TC9,WG22在ABB公司的MICAS基础上，以及西门子的DIN43322和意大利的CD450

等运行经验的基础上制定的列车通信网络标准(Train Communication Network, TCN)—IEC61375正式成为国际标准。同年，国际电气电子委员会(Institute of Electrical and Electron-ics Engineers, IEEE)也制订出了车载通信协议标准IEEE STD 1473-1999标准，并将TCN和LonWorks同时纳人其中。我国于 2002

年颁布的铁道部标准TB/T 3025-2002也将其正式确认为列车通信网络标准。

2.2.1 列车通信网络的基本结构

列车通信网络的基本结构是两条总线组成的三层结构。

1)绞线式列车总线(WTB) ,连接列车各车厢，可自动配置，在双纹线上传输