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1、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。,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
2、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。,2.1
3、 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。,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
4、)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。,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 01) 一等头车01 /(TC 02) 变压器车02/ (IC 03) 中间动车03/ (FC 04) 中间拖车04/ (BC 05) 二等餐车05/ (IC 06) 中间动车06/ (TC 07) 变压器车07/ (
5、EC 08) 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）,（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）,通过MVB连接到列车通讯和控制系统的装置,连接到车辆总线（MVB）的
6、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；,（1）WC系统；（2）火灾报警系统和烟雾探测器；（3）内门；（4）厨房。,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。,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
7、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。, 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
8、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, 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
9、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；, 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C
10、CU功能，即，每次接通车辆电源后，配置变更。,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。 在主-从转换时，MVB和
11、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,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。
12、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。,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。, 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。,每个牵引单元有两个网关，
13、但只有指定给主CCU的网关才参与WTB和MVB通讯。从CCU网关不工作。 网关负责从列车总线（WTB）到车辆总线（MVB）的过程数据编组和消息数据发送。 网关进行初始化工作，包括“TCN初始化”和“逻辑初始化”（UIC初始化），并提供经计算验证的配置。,4.2 网关,通过连接到车辆总线（MVB）的分布式输入和输出站，可控制输入、输出车辆通信和控制系统的数字和模拟处理信号的接口。 SIBAS KLIP站（KLIP=智能外围终端）：带有许多不同数字I/O通道（110V DC）和模拟输入模块的分布式输入、输出站。,4.3 分布式输入/输出站,MVB-Compact I/O：作为具有许多固定的输入和输
14、出通道的集成装置：分布式输入和输出站，用于接收司机室内的专门信号，例如，来自按钮、开关、指示器、断路器、编码插头和主控制器。一个MVB-Compact I/O网站有2 x 16二进制输入、1 x 8二进制输出以及两个数字式位置编码器接口的数字输入，如主控制器（10个通道）。信号电压为24V DC。,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。,每车有一个MVB服务插座，用于调试和服务（如MVB通讯检查）。,4.4 MVB服务插座,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
15、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,4.5 司机和列车乘务员的MMI,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。, 动车组运行等级,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、
16、记录、评估和发出可能的故障信号。, 诊断系统,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进行故障诊断。,（1）子系统的自诊断（2）动车组中央诊断作为一个诊断系统集中在司机/列车乘务员的MMI之中。,司机/列车乘务员的MMI中的子系统和动车组中央诊断系统通过车辆总线（MVB）经常交换数据。冗余的司机MMI间通过以太网交换数据，并进行数据比较。在动车组的司机室内的司机MMI中的诊断系
17、统通过WTB与列车总线连接。,动车组中央诊断系统允许目标组的子系统向列车员（司机和列车乘务员/列车工程师）和向维修站发出诊断信息。主要包括下列功能部分。,集中在司机/列车乘务员的MMI之中的诊断系统包括下列主要成分：（1）动车组中央诊断系统（通过子系统处理全部诊断事件的输入）（2）信息系统和目测装置（用于司机、列车乘务员和维修人员的故障观察）（3）人工故障输入；（4）通过GSM移动无线电系统提前将诊断情况报告（远距离数据传输）给维修部门,车门控制装置连接到每辆车的车辆总线（MVB）。它包括到内、外车门下一级控制装置的连接。车门控制装置执行内、外车门的全部控制功能。,4.6 车门控制系统,HVA
18、C也通过每辆车的MVB连接到列车通讯和控制系统，用于中央控制和诊断。空调系统的基本功能通过司机室的司机的MMI和酒吧车列车乘务员的MMI进行操作。,4.7 HVAC控制系统,主CCU通过车辆总线（MVB）为牵引系统发出设置点的值，并通过TCU从牵引系统接收状态信息。牵引单元的重要控制命令由TCU通过输入/输出通道直接读出/发送。,4.8 牵引控制单元,至少在每辆车中有一个制动控制装置（BCU）,在头车中有两个冗余的BCU。所有BCU执行下列功能：对各自车辆中制动单元的控制和诊断，包括防滑（基本功能）。执行分段制动管理的头车BCU还执行下列功能：对牵引单元内的车辆总线(MVB)的分段制动管理。,
19、4.9 制动控制单元,WC控制系统通过SIBAS KLIP站连接到列车通讯和控制系统。通过此连接可对动车组中央诊断系统的WC基本功能和诊断信息进行控制。,4.10 WC系统控制系统,4.11 充电机控制系统,充电机控制系统连接到各自车辆上的MVB。充电机（BC）为负载提供110 V DC的供电电压和从3x 440 V AC 60Hz电压中提供蓄电池的充电电压。,辅助变流单元控制系统连接到相应车辆中的MVB。每个辅助变流器装置（ACU）提供3x 440 V AC 60Hz电压。外接电源提供3x 400 V AC 50Hz电源。,4.12 辅助变流器装置控制系统,4.13 列车自动保护系统,列车自
20、动保护系统由三个部分组成（ETCS，数据记录仪和位于司机室的ETCS显示器），在头车（1和16车）各有一套。列车保护系统的部件都与MVB相连。,列车无线电是一个独立的装置，未与列车控制相连，也没有通过MVB直接或通过SIBAS KLIP网站间接地与列车控制相连。,4.14 列车无线电,4.15 旅客信息系统,旅客信息系统（PIS）用于旅客视听信息、列车员通讯（见“显示和通知”）和旅客娱乐（见“可视娱乐系统”）。旅客信息系统的中央系统控制器（PIS-STC）通过车辆总线（MVB）连接到列车通信网络。,火灾报警系统是一个带有烟雾探测器的独立系统，和一个更高级的火灾报警中心（鉴定装置），作为连接到列
21、车通讯和控制的接口，可发出报警、故障和运行状态信号。通过SIBAS KLIP站连接到列车通讯和控制。火灾报警系统可探测烟雾和热辐射。,4.16 火灾报警系统,特别是与安全相关的信号（例如，安全回路）不但通过列车和车辆总线（WTB或MVB）传输，而且通过用传统硬线技术的列车线传输。除了列车和车辆总线（WTB和MVB）外，在车组中有下列列车线,4.17 列车线,（1）蓄电池接通/断开（2）紧急关断回路（主断路器和受电弓）（3）紧急制动回路/ 旅客紧急制动回路/ 制动缓解回路/停放制动监视回路（4）火灾报警回路/ 转向架监视回路/ 拖拽模式/ 实施弹簧加载停放制动（5）缓解弹簧加载停放制动/通过接地
22、紧急切断/ 主断路器释放（6）线路隔离开关断开,5.可操作的列车编组, 列车总线的TCN初始化（WTB初始化）,所有列车总线（牵引装置的工作网关）设备在TCN初始化时分配一个唯一的TCN地址。在TCN初始化后，列车主控总线（列车总线管理装置）向所有总线设备拓扑。从列车总线拓扑图上看，列车总线设备可确定开始和结束节点的TCN地址，它们自己的TCN地址和与列车总线主控有关的定位，以及TCN地址和所有其它列车总线设备的类型是TCN初始化的组成部分。,5.1 列车初始化, 逻辑（UIC）列车总线初始化,在每一个TCN初始化后，列车总线（WTB）有一个逻辑初始化（UIC初始化）。 TCN初始化是TCN网
23、络等级的配置，逻辑初始化的工作就是按应用需求来匹配列车总线（WTB）。,逻辑或UIC初始化完成下列工作：（1）在TCN初始化时主要确定所有列车总线设备的牵引单元特性。（2）主牵引单元、牵引单元顺序和UIC地址分配的技术规范。（3）编译和分配、配置描述、使能、逻辑地址、用于应用程序（列车控制）。（4）整个车组中，确认已经完成的逻辑配置结果（在头车牵引单元的司机室MMI）和已经完成的配置结果的分配。,能设置司机室方向开关到“前进”或“后退”的牵引单元则形成列车主控CCU。这种方式必须只在一个头车内选择。在另一个头车中的方向开关必须设在惰行位置。列车主控操作模式会保持（即使方向开关返回到惰性位置=司
24、机室变更），直至另一个CCU被选为列车主控单元。,5.2 列车控制的配置-相关工作方式,如果车组内所有方向开关在蓄电池接通和列车通讯和控制启动后置于惰行位置，则没有CCU处于列车主控工作方式，所有牵引单元都为从牵引单元。 非主控司机室的乘员无法对列车通讯和控制进行操作。,根据CCU的“列车主控”或“主控”工作方式，从列车总线（WTB）向车辆总线（MVB）传输过程数据，反过来在网关中的设置也是这样。,除了“列车主控”和“主控”CCU工作方式外，还有“从”CCU工作方式 在司机室更改后，可改变CCU工作方式。因为在这种情况下至少发生一个UIC配置，因此每次配置后，不管运行方式必须改变与否，必须进行
25、检查。,关于“司机室变更”的列车通讯和控制必须考虑下列工作方式：,5.3 司机室变更,（1）原始状态是在任一头车中占用司机室。（2）要离开司机室时将方向开关设置的到惰行位置。（3）在其他头车中重新设置方向开关（包括启动新列车主控的UIC初始化、确定配置和形成）。当重新占用司机室时，重新配置列车通讯和控制。,6.运行时配置数据检测,在蓄电池接通和随后列车通讯和控制启动后，由CCU检测动车组配置数据。由于从CCU必须启动以读取网关中已保存的配置数据，所以要进行CCU主从转换,在动车组检测时，连续性储存的动车组配置数据会在3个设备：主和从CCU和运行的网关中进行比较，然后比较两个头车主CCU的动车组
26、配置数据。,如果改变了一个CCU设备，只有一个动车组配置数据与在3个规定设备内的其它两个不同。进行自动比较，而不是对整列动车组运行配置进行比较。要更换的CCU必须作为从CCU启动（因而必须设置司机室内的CCU故障开关）,6.1 动车组配置数据检测,每次新列车配置（蓄电池接通和列车通讯和控制随后的启动）确定时都要检测车组的配置数据。,6.2 动车组的配置数据检测,7.冗余和诊断要求,列车通讯和控制的结构是以动车组和车组中牵引装单元概念为基础的。符合MVB段的每个牵引单元从主控牵引单元通过列车总线（WTB）单独提供控制命令（牵引、车门、空调控制等）并把所有其它牵引单元的实际值和运行状态信号单独反馈
27、到主控牵引单元。意思是当一个牵引装置发生故障时列车仍以有限的方式运行。,在牵引单元内用于车辆总线（MVB）的构架结构，以便限制故障的影响（见第4章总图）。每辆车通过中继器与牵引单元MVB（构架）相连形成 MVB分支。这种结构的优点是当一辆车内的 MVB分段发生故障时，可防止对牵引单元中其它车辆通讯上的反馈影响。,7.1 列车通讯和控制的结构冗余,对动车组的有效性以及分布式输入和输出站（CCU、司机的MMI、SIBAS KLIP 和 MVB-Compact I/O）最为重要的冗余控制和运行设备设置在头车内。为此，在头车有两个独立的MVB分支，如果列车的牵引和制动有必要，冗余设备分成两个分支,根据
28、运行备用系统（备用方式）的原则，在列车通讯和控制（主和从技术规范）的启动时设计了并配置了重要功能。自动切换到备用系统的持续监视例子有：,7.2 设备冗余,（1）带有集成网关的CCU（2）高级主控BCU功能 （3）司机室MMI,在主从结构中这些功能通常备有双份。从系统监视主系统，如发生故障，自动取代主功能。分布式KLIP站（SIBAS KLIP and MVB-Compact I/O）的重要输入输出信号也备有冗余。分布式KLIP站（SIBAS KLIP and MVB-Compact I/O）的冗余设计正在开发中,列车总线(WTB)有冗余的双线线路，用于数据传输和各自的传输通道，并在单独的牵引单
29、元间相互连接。WTB节点在这两条双绞线路上发送信号。每个WTB同时监视双绞线线路的数据接收情况并且选择数据接收情况较好的线路作为数据传输的通道。,7.3 总线系统冗余,列车总线（WTB）和车辆总线（MVB）通过牵引单元内的冗余网关相连，,列车通讯和控制的通讯概念确定所有连接到TCN总线系统的控制单元的数据连接是否正确。如果控制单元有故障，通过适当的诊断信息通知列车员和维修人员。,7.4 通讯监视,可以诊断并记录总线系统的故障和总线设备之间的通讯故障，并且可通过诊断系统显示。,通过列车总线（WTB）传输的全部过程数据受到有效信息的保护（所谓的“变量值检测”）。如果通讯发生故障，过程数据通过“变量
30、值检测”标记为无效。如果发生故障，列车和车辆控制系统首先按最后的数值运行，然后切换到缺省值。,通过所谓的“接受时间监视”保护车辆总线（MVB）上有效的过程数据（通过运转的计算器监视过程数据口中数据接收）。如果发生故障，控制单元中的系统就切换到缺省值。列车通讯和控制的下列组件的故障受到监视：,（1）主控牵引单元中网关或列车总线通讯的故障（2）主控牵引单元中列车主控CCU的故障（3）通过列车总线（WTB）到主控牵引单元的连接故障（4）网关中双绞线线路或列车总线（WTB）的传输通道的故障（5）主CCU故障（6）从CCU故障（7）车辆总线（MVB）上其它设备的故障（8）中继器中传输通道的故障（9）通过车辆总线（MVB）的双绞线线路到一个或更多总线设备的数据传输故障,谢谢,
