CRH380B型动车组网络控制及诊断分析

CRH380B型动车组列车通讯与控制
长春轨道客车股份有限公司 二○一五年四月
1.概述
列车的高级通讯控制系统、子系统和车辆控制系统共同形成了列车控制系统 “列车通讯和控制”概念是以IEC 61375中要求的列车通讯网络（TCN）为 依据据，IEC 61375是1988年在欧洲开始创办的列车通讯网络标准。 TCN通讯标准为不同生产商设备的控制、调整、监视和诊断提供了一般 数据交换的统一标准。
☆ CCU硬件结构（SIBAS® 32） 动车组的每个牵引单元已经分配了两个SIBAS® 32系统的冗余可编程逻辑 控制器，作为中央控制装置（CCU），形成列车通讯和控制的基础。
除了进行CCU-MVB通讯连接和MVB总线管理器功能以外，在车辆总线（MVB） 和列车总线（WTB）之间连接的网关还形成网架的一部分。列车的中央控 制单元CCU按照IEC 60571, EN 50155, EN 50124-1 以及 EN 50121-3-2 的要求生产制造。
☆ 主CCU功能 主CCU负责其本牵引单元内的车辆控制。它从外围和列车总线（WTB）读 取命令和信息，并向列车总线（WTB）发送控制信号和反馈信息，在其他 情况下，主CCU进行下列工作：
（1）主断路器和受电弓控制； （2）牵引控制单元（TCU）的牵引设置点生成； （3）变压器保护； （4）车载电源控制； （5）前端车钩和车钩远端控制； （6）各种装置的更高级命令的发出和控制，例如车门、HVAC、照明等； （7）安全环、火警系统和转向架诊断监视； （8）通过分布式输入/输出网站(SIBAS® KLIP, MVB-Compact I/O)数字和模拟 输入和输出的控制； （9）静态检测和自动整备控制； （10）CCU诊断和列车总线和车辆总线（WTB和MVB）的CCU通讯诊断 （11）通过辅助网关连接到列车总线（WTB），确定配置和检测动车组和车辆
2.1 列车总线WTB
列车总线（WTB）是基于列车编组情况可变的拓扑结构的总线。用屏蔽双绞 线作为传输介质。两根单独的电缆用做冗余列车总线（WTB）线路。在网关内 使用两个独立插头。列车总线（WTB）和车辆总线（MVB）通过网关连接。根据 UIC 556要求可以实现用于产生传输层的机制。由于高速列车上数据的容量和 已经执行的报文数据，所以数据交换则采用专门的报文传输。 列车总线（WTB）：最多可连接22个站点、最大传输长度为860米。
3 列车通讯和控制结构
从列车通讯和控制的观点来看，一列8辆编组的动车组分为两个牵引单元 （TU）（每个编组由四辆车组成）。每个牵引单元都有自己的车辆总线（MVB= 多功能车辆总线）
(EC (IC (BC (TC
01) 03) 05) 07)
一等头车01 /(TC 中间动车03/ (FC 二等餐车05/ (IC 变压器车07/ (EC
列车通讯和控制的特点是使用了基于TCN模块（应用于多个项目）的清晰结构。
2.车辆和列车总线通讯
TCN是一个分为两级的通讯网络，由列车总线WTB（列车总线）和车辆总线 MVB（多功能车辆总线）组成。这两个系统由带冗余传输线的串行数据总线组 成。。传输数据的速率为：MVB1,5 Mbit/s；WTB1,0 Mbit/s。 WTB和MVB可传输过程数据和消息数据。 过程数据在所谓的过程数据端口内按一定周期传输到车辆总线（MVB）。过 程数据端口由一个MVB设备发出，并可由多个MVB设备接收。例如，过程数据用 于传输控制或调整任务信号。 所有连接到车辆总线（MVB）的控制装置都可以传送过程数据。 根据要求，一些控制装置还可以传输消息数据。消息数据传输受到限制。 传输次数取决于当前总线负载。例如，消息数据用于传输对时间要求不高的配 置数据。 下列装置可传送消息数据：CCU、TCU、网关、司机室和列车乘务员MMI。
☆ CCU的主-从转换
正常运行时，在头车的两个控制装置交替作为主CCU功能，即，每次车辆 接通电源（电池接通）就主从转换，在下列情况下，可进行主-从转换：
（1）电池接通电源后，开始列车通讯和控制时； （2）静态检测和自动整备开始时； （3）在动车组的配置运行时； 因而在正常运行时，两个控制装置交替作为主CCU功能，即，每次接通车 辆电源后，配置变更。
☆ 诊断系统
动车组是具有许多分散控制装置的复杂系统。诊断系统的工作是检测早期 故障，尽可能准确的确定功能和位置以及结果显示在动车组上结果。诊断 概念是与其结果一起用来判明、记录、评估和发出可能的故障信号。
统一的列车诊断的目的在于： 1.增加列车可用性； 2.减少维护工作； 连接到车辆总线（MVB）的所有列车电气系统都包括在诊断系统之中。对 于没有连接到车辆总线（MVB）的系统（如，接触器、断路器 或火灾报警 系统），通过SIBAS KLIP网站读出相应信息，并由CCU进行讯大约中断6秒钟。在中断期间，车辆总线 （MVB）上的下级控制装置按缺省值工作。由于主-从转换引起的列车初 始化期间，不可能进行列车总线通讯。此时，缺省值用于列车总线的过 程数据
在主-从转换时，MVB和WTB通讯大约中断6秒钟。在中断期间，车辆总线 （MVB）上的下级控制装置按缺省值工作。由于主-从转换引起的列车初 始化期间，不可能进行列车总线通讯。此时，缺省值用于列车总线的过 程数据。 由于主断路器缓解回路打开（主、从CCU在主断路器缓解回路中有金属接 触点），CCU主-从转换引起动车组中的主断路器打开。 主、从CCU的本地诊断存储器并不相同。在一次CCU主-从转换后，就重新 启动CCU诊断系统。因此在新的主CCU的诊断存储器中就为即将开始的事 件开通新的通道。在CCU主-从转换后，开始对活动状态与动车组中央诊 断系统进行比较。
02) 04) 06) 08)
变压器车02/ 中间拖车04/ 中间动车06/ 二等头车08 /
列车中的牵引单元通过列车总线(WTB)相互连接（WTB=列车总线） 通过MVB连接到列车通讯和控制系统的装置 （1）中央控制单元（CCU）和网关（GATEWAY）； （2）人机接口（MMI）； （3）牵引控制单元（TCU）和辅助控制单元（ACU）； （4）制动控制单元（BCU）； （5）充电机控制单元（BC）； （6）车门控制单元（DCU）； （7）采暖、通风和空调控制单元（HVAC）； （8）旅客信息系统（PIS）； （9）列车控制系统（ETCS）； （10）输入输出模块（Compact I/O、Compact Pt100、KLIP Station）
还存在由于故障引起的转换。在下列情况下，实施CCU故障转换： （1）系统堵塞（例如，操作系统的计算机定时监视的激活）； （2）主CCU（电源装置/中央处理器/I/O模块）主要部件的故障； （3）主CCU的MVB接口或MVB总线管理器故障或主CCU的MVB分支故障； （4）作为主CCU的一个网关模块故障； （5）司机室内激活CCU故障开关； CCU之间不同的信号被作为主从定义和确认CCU故障。由于运行的网关总 是指向主CCU，所以在主-从转换时不但要把CCU连接的MVB重新配置，还 要改变网关。网关的转换引起列车总线（WTB）的初始化。
☆ 从CCU功能 从CCU和主CCU的运行程序相同，但没有主动控制过程。从CCU监视主CCU 的状态，并在主CCU发生故障时，接管主CCU的工作。但主、从CCU对高压 设备硬件的保护功能除外。
☆ 列车主CCU功能
除了主CCU的工作之外，列车主CCU还执行整车更高等级的控制：
（1）评估司机操作台上的控制元件； （2）整车的牵引设置点生成； （3）速度自动控制； （4）更高等级的列车控制功能，例如司机安全装置（ASD）、中心距离 和速度记录（CDS）； （5）列车保护系统与列车控制系统的接口； （6）更高等级的静态检测和自动整备控制；
通过分布式输入/输出站（SIBAS KLIP or MVB-Compact I/O）将下列装 置连接到列车通讯和控制系统。
（1）WC系统； （2）火灾报警系统和烟雾探测器； （3）内门； （4）厨房。
4 列车通讯设备
车辆控制等级实际上通过车辆总线（MVB）和列车总线（WTB）由相互连 接的装置（子系统）组成。此外，基于安全和冗余原因考虑，还使用了 普通电路的列车控制电缆 4.1 中央控制单元 每辆头车的司机室内，有两个中央控制装置（CCU）。其中一个CCU在主 控CCU方式下工作，另一个在从控CCU方式。在主导司机室的主CCU叫做主 导主控CCU。
MVB-Compact PT 100:用于记录PT100温度传感器的分布式输入站的集成 装置。
4.4 MVB服务插座 每车有一个MVB服务插座，用于调试和服务（如MVB通讯检查）。
4.5 司机和列车乘务员的MMI 司机和列车乘务员的MMI（显示）承担下述任务： 动车组的人机接口（MMI）； 为动车组和牵引单元提供诊断系统； 在司机室发出声音信号，在听觉上通知司机有关列车控制方面的特殊情况
☆ 动车组运行等级 每个动车组有5个显示屏（人机接口，MMI），用于列车乘务人员间的通 信以及列车的通信和控制。在司机室中有4个（每个司机室2个MMI），还 有1个MMI位于乘务员室内。 向MMI转移部分控制功能已大大地减少了司机室内的控制元件的数量。 司机和列车乘务员的MMI连接到车辆总线（MVB）。此外，司机室内的两个 司机的MMI通过以太网接口相互连接。
2.2 车辆总线MVB
车辆总线（MVB）有一个固定拓扑结构。两根冗余的屏蔽双绞线作为传输介 质。为了改进其有效性，车辆总线（MVB）采用了所谓的主链结构。
车辆总线(MVB)最多可连接32个站点、最大传输长度为200米。
用两对电缆（每对双绞线作为一根）连接主线区域内的车辆总线（MVB）。 在中继器和分支段内一根电缆被分为两条双绞线。在车间连接处使用两个独立 插头。
连接到车辆总线（MVB）的每个控制装置要完成下列工作 （1）子系统控制； （2）处理来自中央控制装置（CCU）或其他MVB设备的MVB控制信号； （3）评估由下级传感器和/或下级控制装置（如，车门控制装置）提供 的信息； （4）通过MVB把操作状态反馈到中央控制装置（CCU）； （5）通过MVB把诊断、故障信息传输到动车组中央诊断系统；