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1、,大连交通大学列车总线控制基础,王悦东,课程的基本内容,第1章 绪论第2章 网络与通信基础 第3章 微机控制基础第4章 列车通信网络 第5章 CRH系列动车组网络控制系统第6章 列车自动运行控制系统,列车通信网络的定义,列车通信网络是一个安装在列车上的计算机局域网络系统，负责对整列车各部分信息的采集与传递，对整列车进行控制、监测、故障诊断以及为旅客提供信息服务。,列车总线通信任务,列车总线上不同类型的通信主要用于:,控制,牵引控制:,车辆控制:,故障诊断,旅客信息,预定座位等,1),2),4),灯, 门, 加热, 倾摆, .,远程, 重联牵引,.,预报下一站, 故障, 线路.,客车,客车,机车
2、,具有司机室的客车,司机室,列车服务员,诊断计算机,设备故障,维修信息,状态信息查询,3),设备运行及状态,5,列车控制网络的特点,列车网络特点,工作环境恶劣，可靠性要求高；实时性（时间确定性）要求高；列车组成的动态性（自动组网）。,列车网络的层次结构,常见的列车通信网络,1、现场总线2、TCN3、工业以太网,现场总线,1、定义2、组成3、特点1）全数字通信2）系统的开放性3）互可操作性4）通信的实时性与确定性5）功能自治性6）现场环境的适应性4、优缺点5、与计算机通信的区别,网络节点,网络体系,现场总线概述,1. 现场总线的概念是应用在生产现场、连接智能现场设备和自动化测量控制系统的数字式、
3、双向传输、多分支结构的通信网络。,全数字通信抗干扰能力和传输精度得到显著提高信号的检错、纠错机制得以实现可进行多参数传输，消除了模拟信号的传输瓶颈现场设备的测量、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，如中央控制器等。,2.现场总线的特点,现场总线概述,开放式系统通信协议一致公开，任何人、任何单位均可采用不同厂家的设备遵守相同的技术规范不同厂家的设备可实现信息互访用户可按需要，任意选用现场总线设备不同设备之间可实现资源共享与其他网络（如互联网）相联，可实现网络与数据库共享,现场总线概述,2.现场总线的特点,
4、互可操作不同设备间，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即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不同厂家的相同类型的设备可以互相替换可统一组态，无需专用的驱动程序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自主性提供了产品保障,2.现场总线的特点,现场总线概述,分散控制现场设备的智能化与功能自治性：它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构 。,2.现场总
5、线的特点,现场总线概述,对环境的高度适应专为现场环境设计可支持多种传输介质双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等可两线制供电支持本质安全与防爆,2.现场总线的特点,现场总线概述,一对多的总线型结构现场总线是多分支结构，其网络拓扑可为总线型、星型、树形等多种形式，以总线型为主。 传统控制系统中设备的连接都是一对一的布线简单，工程安装周期缩短、维护也很方便很强的系统扩展性 主机能自动识别设备的增加或删减 无需架设新的线缆 无需系统停机,2.现场总线的特点,现场总线概述,2.现场总线的特点,现场总线控制系统结构,现场总线概述,3.现场总线的特殊功能,(1)经济、安全、可靠地传输信息经济性信息
6、、电源同时传输介质廉价安全性解决防爆问题可靠性电磁、气候、机械环境适应性,现场总线概述,(2)正确使用所传信息可互操作性：不同厂家的设备相互理解所传信息(3)及时处理所传信息信息处理现场化，避免信息在网络上过多传输,3.现场总线的特殊功能,现场总线概述,线状（总线、菊花链型）、星型、树型以线状结构为多,4.现场总线的网络结构,现场总线概述,现场总线技术产生于二十世纪八十年代是为满足日益急迫的企业综合自动化的需求开放性通用性可靠性智能仪表为现场总线的出现奠定了基础,5.现场总线的产生与发展现状,现场总线概述,现场总线近年来成为控制领域的研究热点各国投入巨额资金与人力在开发这一技术，形成了企业、国
7、家、国际标准（欧洲、北美、亚洲、中国），呈现百花齐放的现状。最后，通过妥协，现场总线技术出现了协调共存、共同发展的局面现场总线国际标准IEC61158包含了八种类型，据说可能还要增加到十二种类型,5.现场总线的产生与发展现状,现场总线概述,现场总线技术与计算机通信技术,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：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；解决现场装置的总线供电问题，实现性现场总线的本质安全规范，以体现
8、其安全性；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、振动等因素，以体现其可靠性；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。,现场总线技术与计算机通信技术,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。,现场总线技术与计算机通信技术,2.信号传输要
9、求现场总线的实时性主要体现在响应时间和循环周期二个方面：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它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。,现场总线技术与计算机通信技术,2.信号传输要求现场总线通常采用以下二种技术来保证其实时性：简化技术：极大地提高通
10、信传递速度简化网络结构：一般将网络形式简化成线形；简化通信模型，一般只利用了OSI/RM中的23层；简化节点信息，通常简化到只有几字节。采用网络管理技术来实现实时性，并保证其可预知性。例如:采用主-从访问方式，只要限制网络的规模，就可以将响应时间控制在指定的时间内。总之，实时性要求是现场总线区别于一般计算机通信的主要因素。改善现场总线的实时性，减少响应时间的不确定性是现场总线的重要发展趋势。,现场总线技术与计算机通信技术,3.网络结构计算机通信系统的结构是网络状的，节点间的通信路径是不固定的；大部分现场总线的结构是线状的，节点间的通信路径是比较固定的。,FB采用线状结构的原因在于： 容易实现对
11、现场仪表的总线供电。 一条线状结构现场总线支路上的电源负载是确定的，沿总线电源电压的变化也是可以预料的。 容易实现本安防爆规范。 目前的本安防爆主导理论还是认为，电缆的分布电感、电容以及由于电磁感应产生的火花能量，都是随着电缆的长度而增加。现场总线由于限制电缆的长度和总线上负载的数量，可以较好的解决本安防爆问题，同时这也对现场总线的应用产生了一定的限制。,现场总线技术与计算机通信技术,4.系统结构 现场设备 + 传输介质,现场总线接口,微处理器,传感器,A/D,现场节点,工作站,现场总线,现场总线技术与计算机通信技术,2.现场总线比较,现场总线标准,30,现场总线,德国西门子公司：1979年德
12、国西门子公司第一次开发车载微机控制装置1992年在SIBAS16基础上推出以80386为CPU的SIBAS32系统。已具备网络控制功能（符合TCN标准）法国ALSTOM公司：将WorldFIP作为标准通信协议应用于其开发的AGATE列车控制系统，并成功应用于TGV高速列车美国Echelon公司：20世纪90年代初，发明了Lonworks控制网络技术德国Bosch公司:CAN总线美国：ARCNET,TCN （列车通信网络）概述功能体系结构WTB和MVB的特点多功能车辆总线 MVBMVB物理层MVB帧 绞式列车总线WTBWTB特性摘要WTB网络拓扑WTB帧、报文WTB介质访问控制方式列车初运行,
13、【主要内容】,TCN（列车通信网络）概述,TCN（列车通信网络）于1999年6 月正式成为国际标准，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。,功能,TCN（列车通信网络）将列车上的智能设备连接起来，完成下述功能：列车牵引及车辆控制（如车门、车灯等的远程控制）；远程诊断及维护；旅客信息及舒适性；,TCN三层结构：列车级控制、车厢级控制、设备级控制,TCN的体系结构,1.连接各车辆的绞线式列车总线（Wire Train Bus,WTB）,列车新编组时可自动配置（组态），通信介质为双绞线，通信速率为1
14、Mbit/s； 2.连接一节车辆内或车辆组各设备的多功能车辆总线（Multifunction Vehicle Bus , MVB)，具有快响应性，通信介质为双绞线或光纤，通信速率为1.5Mbit/s。3.这些总线在链路层提供了两种相同的服务：过程数据：周期性的，源寻址广播数据；消息数据：按需传送的，目标寻址的数据报文。4.实时协议提供两种与总线无关独立的应用服务5.网络管理支持组态、维护及操作。,TCN的体系结构,商业以太网办公自动化工业以太网工业自动化,工业以太网,为什么工业领域需要以太网,原因一：现场总线标准难以统一，带来系统复杂性1999 年现场总线技术标准IEC 61158 终于尘埃落
15、定,有8种总线成为国际电工委员会(IEC) 现行的现场总线技术标准。它们分别是: 基金会现场总线FF(fundation fieldbus); ControlNet; Profibus; P-Net; FF(fieldbus fundation)高速以太网HSE; SwiftNet; WorldFIP; Inter-bus.从用户应用的角度来看,多种现场总线标准并立导致在一个具体应用中可能会涉及多种不同标准的现场总线仪表,需要解决不同标准系统之间的互连接和互操作的问题,这必然会增加用户的投资和使用维护的复杂性。,原因二：信息集成有新的要求带宽问题：一般地来说,现场总线标准的特点是通信协议比较简
16、单,通信速率比较低。如基金会总线FF的H1和PROFIBUS-PA 的传输速率只有31.25Kbps。但随着仪器仪表智能化的提高,传输的数据也必将趋于复杂,未来传输的数据可能已不满足于几个字节,甚至是WEB网页,所以网络传输的高速性在工业控制中越来越重要。与商业网集成问题：在制造加工工业中，能够走出办公室,在任何地方对企业生产进行实时监控,无疑是各个企业提高生产效率、增强竞争力的有效方法。如此一来，现场总线的底层信息必然要和上层的通用局域网连接,将底层信息集成到车间、公司级的数据库中, 通过WEB方式浏览和交互控制。现有现场总线标准大都无法直接与互联网连接，需要额外的网络设备才能完成通信。,原
17、因三：工业以太网的技术优势(1) 解决协议的开放性和兼容性问题。工业以太网因为采用由IEEE802.3所定义的数据传输协议，它是一个开放的标准，从而为PLC厂家和DCS厂家广泛接受。与现场总线相比，以太网还具有向下兼容性。快速以太网是在双绞线连接(10BaseT)的传统以太网标准的基础上发展起来的，但它的传输速度从10Mbps提升到了100Mbps。在大多数场合，它还可以使用已有的布线。此外，以太网还允许逐渐采用新技术。也就是说，没必要一下子改变整个网络，可以一步步将整个网络升级。(2) 解决带宽需求问题。以太网最初的数据传输速度只有10Mbit/s，随着1996年快速以太网标准的发布。以太网
18、的速度提高到了100Mbit/s。1998年，千兆以太网标准的发布将其速度提高到最初速度的100倍。最初的以太网需要1.2毫秒才能传送一个1518字节大小数据；现在，快速以太网已经将这一时间减少到120秒；如果采用千兆以太网，这一时间只需12微秒。,(3) 解决与商用以太网集成问题。以太网作为现场总线,尤其是高速现场总线结构的主体,可以避免现场总线技术游离于计算机网络技术的发展之外,使现场总线技术与计算机网络技术很好地融合而形成相互促进的局面。(4) 以太网适配器的价格大幅度下跌以及各产品和标准对以太网的支持是其成功的重要因素。,什么是以太网?,1980 年DEC( digital equip
19、ment corporation) 、Intel 和Xerox 三大公司发布了DIX版以太网1.0 规范,其传输速度为10Mb/S ,所支持的唯一物理介质为粗同轴电缆。1982 年, 发布了DIX2.0 版, 这就是通常所说的Ethernet 。与DIX同步的是IEEE 成立的至今闻名的802.3 委员会。1985 年，IEEE 802.3 委员会发布了CSMA/ CD 访问方法和物理层规范。尽管其帧的定义与DIX2.0不尽相同，但是现在更多的人认为它就是以太网。以太网标准包括：physical layer: media, configurationdata link layer: MAC p
20、rotocol, CSMA/CD,CSMA/CD,Carrier Sense (CS)“侦听”在发送信息帧之前是否有网络传输。一旦侦听到信道空闲，等待一个IFG (46bit时间)后便立刻发送信息帧Multiple Access (MA)“多点接入”如果多个节点同时发送信息，此时就会发生冲突Collision Detect (CD)“冲突检测”CSMA/CD协议中采用重传机制重新执行信息帧的发送操作，直到该信息帧成功发送或重传次数n达到上限(attempLimit)而 终止发送,Intel Demo 2,CSMA/CD,Exponential Back-off Algorithm “二进制指数
21、回避算法，BEB”每次检测到冲突，CSMA/CD采用BEB算法随机地计算出下一次重传需要等待的时间，即帧重传时延。帧重传时延的大小为时隙时间(slot Time,512bit的传输时间)的整数倍r。r为随机整数，其取值为:0r2r，k=min(n,10), 其中，n为重传次数，最大值为16.对于 10M bit/s网络，一个时隙时间为51.2us。因此冲突所导致的等待时间最长可以达到51ms。,重传时延的不确定性，不能满足工业系统的实时性,工业以太网与商业以太网的区别,1、工业以太网的基本体系结构2、改进的实时工业以太网体系结构3、工业以太网的实时通信技术4、工业以太网的设备环境适应性和可靠性
22、要求,1、工业以太网基本体系结构,工业以太网在商用以太网基础上发展而来，它的体系结构基本上采用了以太网的标准结构。对应于ISO/OSI通信参考模型，工业以太网协议在物理层和数据链路层均采用了802.3标准，在网络层和传输层则采用被称为以太网“事实上标准”的TCP/IP协议簇，在高层协议上，工业以太网通常省略了会话层、表示层，而定义了应用层，有的工业以太网还定义了用户层。,根据实时以太网实时扩展的不同技术方案，可将实时以太网通信协议模型分为5类，是经过常规最大努力提高实时性，一般工业以太网的通信协议模型;采用在TCP/IP之上进行实时数据交换方案;采用经优化处理和提供旁路实时通道的通信协议模型;
23、采用集中调度提高实时性的解决方案;采用类似Interbus现场总线“集总帧”通信方式和在物理层使用总线拓扑结构提升以太网实时性能。,2、改进的实时工业以太网体系结构,3、工业以太网的实时通信技术,采用以太网与TCP/IP相结合的方法直接修改传统以太网MAC协议(CSMA/CD)方式数据链路层增加实时调度层的方式网络节点间的时间同步机制也是实现确定性实时调度的必要手段之一,采用以太网与TCP/IP相结合的方法,标准：HSE、EtherNET/IP和Modbus/TCP 说明：它们是建立在以太网和TCP/IP协议基础上的数据传递。提高实时性的主要手段包括提高通信速率,控制网络负荷以及采用全双工交换
24、技术。然而,交换式以太网并不是实时通信最终的解决方案, 当多个数据流同时到达交换机时,需要将其缓存后从目的端口顺序输出,此时多路转换和缓存的时间取决于不同交换机的具体实现方式和网络的负载情况,其值仍是一个不确定的数值。在许多工业应用环境中,需要一个设备同时向多个设备发送数据(如广播或发布/预定关系)。交换式以太网更适合于点对点的数据交换，当广播或多播报文同时传递到一个端口时会造成数据传递的时延。,采用以太网与TCP/IP相结合的方法,标准：HSE、EtherNET/IP和Modbus/TCP 说明：它们是建立在以太网和TCP/IP协议基础上的数据传递。提高实时性的主要手段包括提高通信速率,控制
25、网络负荷以及采用全双工交换技术。然而,交换式以太网并不是实时通信最终的解决方案, 当多个数据流同时到达交换机时,需要将其缓存后从目的端口顺序输出,此时多路转换和缓存的时间取决于不同交换机的具体实现方式和网络的负载情况,其值仍是一个不确定的数值。在许多工业应用环境中,需要一个设备同时向多个设备发送数据(如广播或发布/预定关系)。交换式以太网更适合于点对点的数据交换，当广播或多播报文同时传递到一个端口时会造成数据传递的时延。,采用以太网与TCP/IP相结合的方法,另外，HSE，Ethernet/IP和Modbus TCP都没有在实质上解决以太网的通信不确定性问题，而是采取了一种比较折衷的方案，即传
26、输层、数据链路层和物理层沿用以太网的原有机制，在用户层或应用层对数据的传输进行控制。而对于应用层以下的报文是不能控制的，如ARP (Address Resolution Protocol)、ICMP (Internet Control Messages Protocol)等协议所产生的报文。这种折衷的方案不能满足实时性要求很高的场合。,直接修改CSMA/CD方式,由于导致不确定性通信的CSMA/CD机制位于以太网MAC层,所以最直接的方法是修改以太网的MAC层协议。采用这种方式中,加州大学开发的CSMA /DCR协议影响较为广泛，它保持了与标准CSMA/CD 的兼容，该协议在未发生冲突的情况下
27、，采用CSMA/CD协议，当发生冲突时，采用一种确定性的冲突解决算法(二叉树遍历算法)来保证一个确定性数据的最坏信道访问时间。但由于以太网的MAC协议是固化在硬件芯片中的,要修改MAC层协议,就必须对相关硬件进行改动;其次,该类只能保证确定时间内解决冲突,往往最坏冲突解决时间通常远大于平均冲突解决时间,而实时系统中最关注的正是系统在最坏条件下的表现。因此此类方案多见于学术文章，没有相应的工业标准采用。,数据链路层增加实时调度层的方式,在MAC层之上增加一个实施确定性调度的软件层. 现有的几种方案的共同思想是,网段内的实时报文和非实时报文将分时发送,协议栈中实时通信报文经过数据链路层传递后,不经过网络层和传输层而直接传递给应用层,同时非实时报文仍然要通过TCP/IP协议来传递.典型的有下列几种：(1) 基于带宽预留方式的调度(2) 基于时间片的分时调度方式(3) EtherCAT方式,4、工业以太网设备环境适应性和可靠性要求,几种主流的工业以太网标准,EPAEtherCATProfinetHSEModbus TCPEthernet PowerlinkEthernet/IP,
