專注福祿克測試儀銷售與技術(shù)

本來主要介紹國內(nèi)外主流的城軌車輛通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，從技術(shù)層面上進(jìn)行了比較，進(jìn)而具體分析了城軌車輛基于MVB總線的通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用現(xiàn)狀及面臨的難題。重點(diǎn)剖析了基于MVB總線的通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)及層次。闡述了MVB通信網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備的分類，網(wǎng)絡(luò)接口及網(wǎng)絡(luò)控制器。通過試驗(yàn)平臺進(jìn)行了MVB設(shè)備通信的波形試驗(yàn)，通過對波形的分析，達(dá)到預(yù)期試驗(yàn)效果。并且通過福祿克DSX-5000電纜測試儀對MVB 總線中M12接口進(jìn)行測試分析。

隨著城軌車輛局域網(wǎng)技術(shù)、嵌入式微機(jī)控制技術(shù)以及現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代城軌車輛的過程控制已從集中型的直接數(shù)字控制系統(tǒng)發(fā)展為基于通信網(wǎng)絡(luò)的分布式控制系統(tǒng)。城軌車輛分布式控制系統(tǒng)通過應(yīng)用多種總線技術(shù)把分布于各車廂內(nèi)部、獨(dú)立完成特定功能的微控制器互連起來形成類似于工業(yè)局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)形式，以實(shí)現(xiàn)車輛資源共享、協(xié)同工作、分散監(jiān)測和集中操作等目的。列車通信網(wǎng)絡(luò)（TCN-Train Communication Network）就是在這個(gè)系統(tǒng)上建立起來的列車控制、診斷信息數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。

目前，國際上TCN成功應(yīng)用的項(xiàng)目已經(jīng)很多，然而國內(nèi)由于起步較晚等種種原因，技術(shù)水平與國外存在一定差距。本文主要就TCN網(wǎng)絡(luò)中基于MVB總線的城軌車輛通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析。

國內(nèi)MVB通信網(wǎng)絡(luò)面臨的難題

目前MVB通信網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)品和核心技術(shù)仍然由國外的幾個(gè)公司壟斷。

由于國外公司對MVB通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)的壟斷，嚴(yán)重阻礙了國內(nèi)自己開發(fā)MVB通信網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，而整機(jī)引進(jìn)的周期長且價(jià)格難以承受。

國內(nèi)對標(biāo)準(zhǔn)的引進(jìn)、技術(shù)的理解消化和二次開發(fā)都做得不夠，不利于MVB通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在國內(nèi)城軌車輛或者其他領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，同時(shí)也不利于吸取經(jīng)驗(yàn)研制自己的列車網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品和制定自己的列車網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。

國內(nèi)對列車通信網(wǎng)絡(luò)的研究較少，沒有技術(shù)積累，而此類技術(shù)要求高，投入大，導(dǎo)致國內(nèi)列車通信網(wǎng)研究進(jìn)步緩慢。

基于MVB總線的城軌車輛通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

MVB總線是瑞士Lok460機(jī)車上創(chuàng)始的總線為基礎(chǔ)，并已經(jīng)在1000輛以上的城軌車輛上應(yīng)用過。MVB可使用雙絞線或者光纖介質(zhì)，不同的介質(zhì)可以通過中繼器互相連接。MVB由一個(gè)集成的總線控制器支持，它能夠構(gòu)成簡單的設(shè)備而無須處理器。MVB控制器在物理層提供冗余；一個(gè)設(shè)備在兩個(gè)互為冗余的線路上發(fā)送，但是僅從一條線路上接受，同時(shí)監(jiān)視另一條線路。

圖1 MVB總線 EMD介質(zhì)連接圖

MVB體系結(jié)構(gòu)表

作為通用的現(xiàn)場總線，MVB屬于總線仲裁型網(wǎng)絡(luò)，采用主幀/從幀應(yīng)答方式，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備和介質(zhì)冗余，總線的實(shí)時(shí)性依靠實(shí)時(shí)協(xié)議來保證。

列車故障診斷系統(tǒng)可對運(yùn)行中或停車狀態(tài)下的城軌車輛設(shè)備以及由這些設(shè)備所構(gòu)成的系統(tǒng)進(jìn)行在線監(jiān)測，在發(fā)生故障時(shí)可確定故障所在部位，提示排除故障的方法或采取應(yīng)急措施的建議，提高了列車運(yùn)行的安全性。

下面以國內(nèi)某軌道車輛項(xiàng)目為例說明列車控制及監(jiān)視系統(tǒng)。

列車控制及監(jiān)視系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如下圖所示：

圖2 列車控制及監(jiān)視系統(tǒng)拓?fù)鋱D

基于MVB總線的列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用分布式控制技術(shù)，劃分為兩級：列車控制級、車輛控制級。列車控制級總線和車輛控制級總線均采用EMD電氣中距離介質(zhì)的MVB多功能車輛總線。中繼模塊REP作為列車級總線和車輛級總線的網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)列車級總線到車輛級總線的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能。

基于MVB總線的列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)配置以太網(wǎng)無線傳輸模塊EWLM，通過工業(yè)以太網(wǎng)連接事件記錄模塊ERMe的M12以太網(wǎng)接口，可以將ERMe中記錄的數(shù)據(jù)信息通過WLAN或者3G無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到地面維護(hù)中心，實(shí)現(xiàn)車地?zé)o線數(shù)據(jù)通信功能：

圖3車地?zé)o線通信示意圖

不論是列車級總線還是車輛級總線，均采用通信線路雙通道冗余設(shè)計(jì)，當(dāng)某一路通信線路出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)可以自動切換到另一路通信線路。對于關(guān)鍵的車輛控制模塊VCMe，由于其主要實(shí)現(xiàn)重要的車輛控制、總線管理，因此在整個(gè)列車網(wǎng)絡(luò)中也對VCMe做了熱備冗余配置，正常情況下兩個(gè)VCMe通過底層協(xié)議芯片的競爭機(jī)制自動選取一個(gè)VCMe為總線管理主，另外一個(gè)VCMe為備用主，當(dāng)主VCMe出現(xiàn)故障時(shí)，備用VCMe將接管主VCMe的職責(zé)，行使所有的總線管理和控制功能。但是不論哪個(gè)VCMe為總線管理主，在控制邏輯上都以司機(jī)鑰匙激活端的控制指令為準(zhǔn)，總線管理主權(quán)的交換不會導(dǎo)致控制指令來源的切換。

多功能車輛總線MVB用于連接各車輛內(nèi)的電子部件和控制系統(tǒng)（也稱為MVB段）。數(shù)據(jù)在車輛總線上可以雙向傳遞。

車輛內(nèi)MVB的電氣線路（一條線路＝一對電線）是有物理冗余的，以提高可利用性。數(shù)據(jù)通過兩條線路（即兩對電線）傳遞，即使一條線路出現(xiàn)故障，數(shù)據(jù)仍可通過第二條線路傳遞。

MVB所使用的電纜是兩對雙絞屏蔽線。為防止反射及干擾，MVB在總線的每一端都設(shè)有終端電阻（120歐姆）。

MVB電纜是與電子控制單元內(nèi)的MVB接口模塊相連的。MVB接口模塊進(jìn)行總線管理和數(shù)據(jù)通信管理，包括總線主控器（總線管理器）的定義及線路監(jiān)控。

2.2 MVB總線故障診斷及顯示

列車故障診斷功能由列車中央控制單元集中完成。即在每個(gè)中央控制單元中有專用的32位微處理器，用于故障數(shù)據(jù)的處理。所有診斷信息以及列車故障信息自動提供給整組列車。在該系統(tǒng)中，對于每個(gè)連接到多功能車輛總線上的子系統(tǒng)控制單元，對各子系統(tǒng)可診斷到最小可更換單元。中央控制單元通過列車總線控制系統(tǒng)接受從各子系統(tǒng)傳來的故障信息，并附帶一定的相關(guān)數(shù)據(jù)和相應(yīng)的時(shí)間。

1）對重要的故障信息的記錄該給出跟蹤數(shù)據(jù)，并通過分析數(shù)據(jù)記錄能顯示出連續(xù)的牽引/制動工況特性參數(shù)的曲線圖形。

2）監(jiān)測蓄電池電壓、電流、箱內(nèi)溫度，可在顯示屏上顯示蓄電池的容量及狀態(tài)信息，當(dāng)蓄電池溫度過高或電壓過低時(shí)，記錄并報(bào)警。

3）列車故障診斷系統(tǒng)包括列車中央控制單元執(zhí)行中央故障處理功能，其主要功能如下：

-?故障信息進(jìn)行識別，處理；

-?輸出故障信息；

-?中央故障處理單元具備自診斷和保護(hù)功能并且可對本系統(tǒng)部件診斷到最小可更換單元；

-?所有的故障信息保存在存儲器里，便于下載。對于重要的故障信息包含相應(yīng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過相應(yīng)的專家分析軟件將下載的數(shù)據(jù)還原成可用于分析故障的故障記錄表和相關(guān)的模擬量/數(shù)字量圖形，分析過程可以在通用的PC上完成。

列車故障診斷系統(tǒng)是列車控制和診斷系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，完成車載各部件故障數(shù)據(jù)的采集、分析、轉(zhuǎn)儲和顯示功能。故障信息在司機(jī)臺上通過HMI顯示，并且通過PTU上傳到地面維修和服務(wù)系統(tǒng)中，供長期的儲存和深入的地面分析。

基于MVB總線的列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的診斷功能可以協(xié)助司機(jī)和檢修人員進(jìn)行工作。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，協(xié)助司機(jī)采取適當(dāng)?shù)牟僮鳎⑹咕S護(hù)人員更容易地查找并解決故障。

如果列車發(fā)生故障，將以純文本信息在HMI上顯示給司機(jī)。每條純文本信息都分配有故障代碼，根據(jù)不同的故障類別進(jìn)行故障評估。故障類別和純文本信息顯示在顯示器的界面上。此外，司機(jī)也可以從HMI上獲得所必須實(shí)施的操作指導(dǎo)說明。

列車診斷系使用以下各個(gè)顯示界面指示故障。

當(dāng)前故障界面顯示當(dāng)前基于MVB總線的列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)檢查到的當(dāng)前故障列表。此界面信息影響列車運(yùn)行的故障將給出提示，如下圖所示。

圖4 故障列表狀態(tài)畫面

MVB總線通信協(xié)議分析與波形試驗(yàn)

MVB總線基本參數(shù)

多功能車輛總線MVB連接車輛的所有智能設(shè)備，其物理介質(zhì)采用電氣中距離EMD電介質(zhì)。MVB的基本參數(shù)為：

介質(zhì)：屏蔽雙絞線，變壓器隔離；

波特率：1.5Mbps；

傳輸距離：200米（EMD）；

最多可以掛256個(gè)智能總線站；

傳輸周期：1、2、4、8…1024ms(典型值為32、64、256、1024ms)；

數(shù)據(jù)幀長度：2、4、8、16、32字節(jié)；

最多可以定義4096個(gè)報(bào)文。

數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)在可編程的基本時(shí)間周期（Basic time period）內(nèi)傳遞。每個(gè)基本時(shí)間周期從過程數(shù)據(jù)（Process data）傳遞的周期相（Periodic phase）開始，然后進(jìn)入偶發(fā)相（Sporadic phase偶發(fā)階段），在偶發(fā)相內(nèi)，監(jiān)督數(shù)據(jù)（Supervisory data）和消息數(shù)據(jù)（Message data）可按要求傳遞。

防護(hù)相（Guard phase）階段用于保證下一個(gè)周期的準(zhǔn)確開始。

數(shù)據(jù)發(fā)送主幀格式：

a）以主起始分界符開始；

b）其后為16 位幀數(shù)據(jù)；

c）接著為8 位校驗(yàn)序列。

主幀格式如下圖所示：

圖6 主幀格式

數(shù)據(jù)發(fā)送從幀格式：

a）以從起始分界符開始；

b）接著為16、32、64、128 或256 位幀數(shù)據(jù)；

c）在每64 個(gè)數(shù)據(jù)位后包含一個(gè)8 位的校驗(yàn)序列或當(dāng)幀數(shù)據(jù)只有16或32 位時(shí)將一個(gè)8位的校驗(yàn)序列附加其后。

從幀格式如下圖所示：

圖7 從幀格式

3.2 MVB信號波形

EMD介質(zhì)信號幀起始波形圖

EMD介質(zhì)信號幀結(jié)束波形圖

試驗(yàn)平臺MVB通信試驗(yàn)生成信號波形（主從幀）

采用福祿克DSX-5000或者DTX-1800，DTX-1200配套DTX-M12適配器測試總線。

（1）就TCN標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議匯總EMD介質(zhì)的MVB總線通信標(biāo)準(zhǔn)的研究分析，重點(diǎn)剖析了MVB總線結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

（2）針對具體城軌車輛項(xiàng)目實(shí)例介紹并分析了基于MVB 總線的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。

（3）對MVB報(bào)文格式進(jìn)行了分析，通過現(xiàn)有試驗(yàn)平臺完成了MVB總線通信網(wǎng)絡(luò)搭建，進(jìn)行MVB網(wǎng)絡(luò)通信試驗(yàn)，通過捕捉的主從幀波形分析，各項(xiàng)參數(shù)數(shù)值符合IEC61375-1標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到了預(yù)期試驗(yàn)效果，對自主研發(fā)國產(chǎn)城軌車輛基于MVB總線的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。