基于TCN的网络控制系统

附件: 基于TCN标准的机车控制 和通信系统技术方案

基于TCN标准的机车控制和通信系统开发目标是开发符合IEC61375-1标准的车载分布式机车微机控制和通信系统。该系统包括符合MVB总线标准的车辆控制单元（VCU）、数字输入/输出模块（DX）、数字输入模块（DI）、模拟输入/输出模块（AX）、模拟输入模块（AI）、星形耦合器（SC）、总线耦合器（BC）、模拟NTC输入模块（AIN），并利用这些部件组成机车控制系统，该控制系统和部件可以达到国外同类产品技术水平并可实现与国外产品互换。

1 用途及使用条件 1.1 用途 用于有通讯要求的机车及电动车组的车载微机控制系统。

1.2 使用条件 海拔高度：不超过1500米 周围空气温度：-40℃～+85℃ 湿度: 相对湿度75%, (30天/每年, 相对湿度95%) 振动：垂直（半波） 50m/s²,并满足机车的振动要求 耐压：对地一分钟AC 50/60Hz 1000V或DC1414V 不同电路之间 一分钟AC 50/60Hz 1500V或DC2121V 其他指标满足TB/T3021-2001《铁路机车车辆电子装置》相关要求。

2 系统结构 系统的三层体系功能布局： 1 ¾ 列车总线（WTB） 对于TCN系统而言，WTB总线通过网关连接MVB总线。 ¾ 车辆总线（MVB） 车辆控制单元完成车辆的通讯和车辆的控制功能，如果作为网关使用，车辆控制单元属于5类设备，不作为网关使用属于4类设备。 ¾ 传感器总线 用于列车设备与远程输入输出单元的接口，这一部分的规范根据列车上的实际情况进行设计。

3 产品规格形式 国际上的相关公司对于TCN系统技术和产品提供的形式各不相同，有的提供模块式，有的提供整体式方案。 根据调研，拟采取下面的方案： （1）模块式方案 每个远程输入输出单元由两部分组成，一部分是通信卡，完成MVB总线协议功能，另一部分提供与车辆设备的接口，接口拟采用输入输出端口方式，模块提供模拟量输入／输出，数字量输入／输出，或者单输入、单输出方式，这样的设备可以与目前的车辆设备直接相连，平稳升级。 （2）符合MVB标准的车辆控制设备 随着技术的发展和IEC61375标准被各国所采用，未来的列车设备将可能普遍采用TCN标准，为了适应这种情况，未来的开发是把MVB总线接口直接嵌入车辆设备，两者不再分割，而成为一个整体。 上述两种方案本质是一样的，只是在现场应用时系统集成的方式有所区别，目前先开发第一种形式。

2 4 系统部件 4.1 概述 系统每一个部件是一个独立的带有与MVB接口的单元。其模块间的通信是基于IEC推荐的TCN标准。模块可自带供电装置，也可提供外接供电接口电路。MVB的数据传输可选择电气中距离介质（EMD）及光纤介质（OGF）。系统结构支持冗余配置。

4.2 VCU（车辆控制单元） 1．功能 车辆控制单元提供系统的中央处理功能。该单元包括处理器，供

电部分，电池和外围电路接口、网络接口（包括MVB总线接口和WTB总线接口），网络接口可以通过插卡的形式提供。此外还有扩展板插槽。车辆控制单元支持MVB的冗余或非冗余连接。MVB设备的地址是通过模块处理接口从外部设定。 机车设置三个VCU单元，VCU1为主控计算机，负责机车的特性控制、逻辑控制、定速控制等；VCU2为诊断计算机，负责MVB总线管理、故障诊断等；VCU3为冗余计算机，负责VCU1和VCU2的冗余。 车辆控制单元实现如下功能： ¾ 通过应用软件实现车辆控制（包括牵引、制动、定速控制、机车逻辑控制环节等一系列控制功能） ¾ 监控 ¾ 通过MVB与其它控制和通信模块通信，包括数据交换控制，传输和接收过程变量，使用便携式PC通过MVB总线服务端口访问系统，从而可进行下载软件，监控设备和调试等操作

3 ¾ 4个通讯接口（RS-422, RS-485, RS-232, 服务接口） ¾ 诊断，包括获得状态和错误数据，通过MVB传输诊断数据，给被记录事件加日期和时间标签，在监视屏幕上显示诊断数据（在相关设备安装的前提下） ¾ 实时多任务操作系统 ¾ 复位和异常中断功能 2．主要规范和接口描述 ¾ 32位处理器（拟采用CPU见5.1）

¾ 外形尺寸：308×263+12×117mm ¾ 内存（包括Flash EPROM, Dynamic RAM, Static RAM, Serial EEPROM） ¾ 冗余MVB接口 ¾ 4个串行EIA接口（RS-232, RS-422） ¾ 用于电路板扩展的外围电路板接口（PBI），PBI为以太网连接作准备 ¾ 提供与人机接口（MMI）的连接 ¾ 电池支持的实时时钟和日历 ¾ 支持冗余供电 ¾ 状态和失败显示 ¾ 内部温度、供电和电池状态的监控 ¾ 终止报警信号继电器（Stall Alarm Relay）

4.3 DX（数字量输入／输出模块） 1．功能 数字量输入/输出模块属于1类设备。上电以后，该单元将进行

一个自检测试程序，并致使数字输出和终止报警信号继电器失效。在

4 完成自检测试后，该模块进入正常操作模式并使指明地址的输入/输出模块进行数据读写。当出现掉电和通讯出错时，使数字输出失效，并将报警信号继电器复位。当供电恢复或通讯出错清除后，该模块又回到正常操作模式。 ¾ 数字输入 ¾ 数字输出 ¾ 终止报警信号继电器（Stall Alarm Relay） 终止报警信号继电器是一种简单的把出现问题的数字量输入/输出单元与其它控制通讯系统进行隔离的方法。如果不需要此功能的时候，它也可作为第七路数字输出。 2．主要规范和接口描述 ¾ 输入电流： 20 mA＜I＜30mA

¾ 外形尺寸：125×65 ×200mm ¾ 10路数字输入 ¾ 6路具有短路保护MOSFET输出，持续输出电流0.4A ¾ 输出为标准的线或应用 ¾ 提供并行输出以提高输出功率 ¾ 标准输出或冗余输出状态 ¾ MVB电气中距离（EMD）连接 ¾ 1类设备 ¾ 支持冗余供电 ¾ 终止报警信号继电器（也可被用为附加输出）

4.4 DI（数字量输入模块） 1．功能 数字量输入单元是1类设备。上电以后，该单元通过一个自测过

5 程。完成自检测试程序同时使终止报警信号继电器输出失效，模块进入正常操作模式并且接收地址为输入模块的数据。当设备处于正常操作模式时，不干扰其正常功能的循环测试也被进行。 2．主要规范和接口描述 ¾ 16路数字输入 输入电流20 mA＜I＜30mA/每通道

¾ 外形尺寸：125×65 ×200mm ¾ 集成自检测的输入 ¾ MVB电气中距离（EMD）连接 ¾ 1类设备

4.5 AX（模拟量输入/输出模块） 1．功能 模拟量输入/输出单元属于1类设备。模拟量输入/输出单元是车

辆控制与通信系统的组成部分。上电以后，该单元通过一个自测过程并在此期间模拟输出被设为0V/0mA，同时终止报警信号继电器（Stall Alarm Relay）被终止。完成自测过程以后，模块进入正常操作模式。当设备处于正常操作模式时，不干扰其正常功能的循环测试也被进行。 ¾ 模拟输入 ¾ 模拟输出 ¾ 终止报警信号继电器（Stall Alarm Relay） 终止报警信号继电器与外部断路器相连接，是一种简单的把出现问题的模拟量输入/输出单元与其它控制通讯系统进行隔离的方法。如果不需要此功能的时候，它也可作为数字输出。

6 2．主要规范和接口描述 ¾ 4路模拟差分输入 电压测量范围：±10V 电流测量范围：±20 mA，输入电阻500Ω PT100测量：电路是两线和四线 标准正确模式-40℃～+100℃在＜±3℃ 高正确模式 +50℃～+100℃在＜±1℃ ¾ 分离的电池电压测量通道（也可作为附加输入） ¾ 外形尺寸：125×65 ×200mm ¾ 2路模拟输出 ¾ 每一路输入模式可选 ¾ 12-Bit分辨率 ¾ MVB电气中距离（EMD）连接 ¾ MVB光纤连接 ¾ 1类设备 ¾ 终止报警信号继电器

4.6 AI（模拟NTC输入模块） 1．功能 模拟量输入单元属于一类设备。模拟NTC输入单元是车辆控制

与通信系统的组成部分。15个NTC电阻器能被连接到模块上并可进行相应的供电。 上电以后，该单元通过一个自测过程。完成自测过程以后，模块进入正常操作模式。当设备处于正常操作模式时，不干扰其正常功能的循环测试也被进行。 2．主要规范和接口描述 7 ¾ 15路模拟NTC输入通道 ¾ 外形尺寸：125×65 ×200mm ¾ 输入方式：±10V，±20mA ¾ MVB电气中距离（EMD）连接 ¾ 1类设备 ¾ 通信和供电监控

4.7 SC（星形耦合器） 1．功能 星型耦合器是车辆控制与通信系统的组成部分，其作为各段

EMD总线间的接口。在中继过程中其可进行信号的再生。 SC功能如下： ¾ 星型耦合

¾ 总线耦合 ¾ 总线中继

2．主要规范和接口描述 ¾ EMD1冗余MVB通道

¾ 外形尺寸：125×65 ×200mm ¾ EMD2非冗余MVB通道 ¾ 5个可选择MVB通道，OGF4和OGF5能被共同作为一个可选通道 ¾ MVB EMD通道电气隔离 ¾ 各总线段之间信号再生 ¾ 对冗余MVB通道监控 ¾ 异常MVB通道断开 ¾ 支持冗余供电

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