列车网络控制系统.docx

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列车网络控制系统

2014届毕业设计任务书

列车网络控制系统分析及故障排除

专业系轨道交通系

班级城轨车辆111班

学生姓名赵蒙

指导老师陶艳

完成日期

2014届毕业设计任务书

一、课题名称：

城轨车辆电力牵引交流传动控制系统的分析及故障排除

二、指导老师：

陶燕

三、设计内容与要求：

1、课题概述:

随着电力电子技术的发展，电力牵引交流传动系统逐步替代了早期的直流牵引传动系统，在轨道交通领域得到了广泛应用，成为铁路实现高速和重载运输的唯一选择和主要发展方向。

而交流传动控制系统是交传机车和电动车组的核心部件，是列车运行的神经中枢系统。

分析该系统的工作原理，掌握常见故障的处理方法有着非常重要的现实意义。

本课题主要分析电力牵引交流传动控制系统的组成结构及各组成部件的主要功能原理，以及常见的交流传动控制技术；分析系统常见的故障现象及应急处理方法。

2、设计内容与要求：

（1）设计内容

本课题下设3个子课题：

1CRH动车组交流传动控制系统的分析及故障排除

2HXD交传机车传动控制系统的分析及故障排除

3城轨车辆交流传动控制系统的分析及故障排除

每个子课题设计的主要内容可包括：

a.电力牵引交流传动控制系统的发展历史及现状分析

b.电力牵引交流传动控制系统的组成结构分析

c.电力牵引交流传动控制系统主要组成部件功能和原理分析

d.各种交流传动控制技术的对比和分析

e.电力牵引交流传动控制系统的常见故障排除

f.结论

（2）要求

a.通过检索文献或其他方式，深入了解设计内容所需要的各种信息；

b.能够灵活运用《电力电子技术》、《交流调速技术》、《CRH动车组》《HXD型电力机车》等基础和专业课程的知识来分析电力机车交流传动控制系统。

c.要求学生有一定的电力电子，轨道交通专业基础。

四、设计参考书

1、《现代变流技术与电气传动》

2、《电力牵引交流传动与控制》

3、《CRH2动车组》、《CRH3动车组》

4、《HXD1型电力机车》

5、《HXD2型电力机车》

6、《HXD3型电力机车》

五、设计说明书内容

1、封面

2、目录

3、内容摘要（200-400字左右，中英文）

4、引言

5、正文（设计方案比较与选择，设计方案原理、分析、论证，设计结果的说明及特点）

6、结束语

7、附录（参考文献、图纸、材料清单等）

六、设计进程安排

第1周：

资料准备与借阅，了解课题思路。

第2-3周：

设计要求说明及课题内容辅导。

第4－7周：

进行毕业设计，完成初稿。

第7-10周：

第一次检查，了解设计完成情况。

第11周：

第二次检查设计完成情况，并作好毕业答辩准备。

第12周：

毕业答辩与综合成绩评定。

七、毕业设计答辩及论文要求

1、毕业设计答辩要求

（1）答辩前三天，每个学生应按时将毕业设计说明书或毕业论文、专题报告等必要资料交指导教师审阅，由指导教师写出审阅意见。

（2）学生答辩时，自述部分内容包括课题的任务、目的和意义，所采用的原始资料或参考文献、设计的基本内容和主要方法、成果结论和评价。

（3）答辩小组质询课题的关键问题，质询与课题密切相关的基本理论、知识、设计方法、实验方法、测试方法，鉴别学生独立工作能力、创新能力。

2、毕业设计论文要求

文字要求：

说明书要求打印（除图纸外），不能手写。

文字通顺，语言流畅，排版合理，无错别字，不允许抄袭。

3、图纸要求：

按工程制图标准制图，图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，文字注释必须使用工程字书写。

4、曲线图表要求：

所有曲线、图表、线路图、程序框图、示意图等不准用徒手画，必须按国家规定的标准或工程要求绘制。

摘　　要

随着列车运行速度的提高,列车网络控制系统具有越来越重要的意义。

同时,列车网络控制系统是城轨车辆关键技术之一,因此建立可靠安全的车载通信网络是十分必要的。

论文首先分析了列车网络控制系统的体系结构,功能模块及车载通信网络的拓扑结构、传输信息等。

接着介绍了IEC-61375标准,即列车通信网络（TCN）标准是IEC联合UIC经过十年的工作采用了一个用于规范车载设备数据通信的标准。

介绍了TCN网络的基本结构、实时协议、数据传输及介质访问方式。

并详细讨论了WTB和MVB总线的物理层、报文、介质访问及链路层控制。

其次分析比较了CRH型动车组通信网络,并总结出了各自的优势。

最后介绍了地铁网络可能出现的故障，并加以分析。

关键词：

CRH型动车组通信网络控制系统故障排除

ABSTRACT

Withthedevelopmentofpowerelectronictechnology,electrictractiondrivesystemgraduallytooktheplaceofearlyDCtractiondrivesystem,inthecityrailtransportationhasbeenappliedextensively,becometheorbittraffictoachievehighspeedandheavyhaultransportationonlyoptionandthemaindirectionofdevelopment.TheACdrivecontrolsystemofcityrailelectrictractiondrivecontrolisacorecomponentofthesystem,isthecityrailtraininthecentralnervoussystem.Throughtheanalysisofurbanrailvehicletractioncontrolsystemstructureandprinciple,tograspthecommonbreakdownprocessingmethodhasaveryimportantpracticalsignificance.

ThemaintopicofcityrailwayvehicleACdrivecontrolsysteminelectrictractioncomponentsandeachcomponentisthemainfunctionprinciple,trainnetworkcontrolsystemisintroducedaswellasthecommonACdrivecontroltechnology,analyzesthecommonfaultsandemergencytreatmentmethod.AndlookforwardtodirectionofACdrivetechnologyofChina'surbanrailvehicleequipmentmanufacturingindustrydevelopmentprospect.

Keywords:

UrbanrailvehicleElectrictractionACdriveControlsystem

Troubleshooting

第１章列车网络控制系统的发展历史及现状分析

1.1列车网络控制系统的概念

网络控制系统又被称为基于网络的控制系统，它是一种完全网络化、分布化的控制系统，是通过网络构成闭环的反馈控制系统

狭义的网络控制系统是以网络为基础，实现传感器、控制器和执行器等系统各部件之间的信息交换，从而实现资源共享、远程检测与控制。

例如，基于现场总线技术的网络控制系统可以看成一种狭义的网络控制系统。

广义的网络控制系统不但包括狭义的网络控制系统在内，还包括通过Interner、企业信息网络以及企业内部网络，实现对工厂车间、生产线以及工程现场设备的远程控制、信息传输、信息管理以及信息分析等。

1.2列车网络控制系统的产生和发展

早期的网络控制系统中，控制装置是安装在被控装置附近的，而且每个控制回路都有一个单独的控制器。

这些控制装置就地测量出过程变量的数值，并把它与定值相比较从而得到偏差值，然后按照一定的控制规律产生控制信号，通过执行机构去控制生产过程。

运行人员分散在全厂的各处，分别管理着自己所负责的那一部分生产过程。

随着生产规模的扩大，运行人员需要综合掌握多点的运行参数与信息，需要同时按多点的信息实行操作控制。

于是，出现了气动、电动系列的单元组合式仪表，出现了集中控制室。

生产现场各处的参数通过统一的模拟信号，如0.002-0.1MPa的气压信号，0-10mA、4-20mA的直流电流信号，1-5V直流电压信号等，送往集中控制室，在控制盘上连接。

运行人员可以坐在控制室纵观生产过程各处的状况，获得整个生产过程中的相关信息。

这是一种集中式的模拟控制系统。

集中控制系统能够及时、有效地进行各个部分之间的协调控制，有利于生产过程的安全运行。

然而，随之而来的问题就是信息的远距离传输。

要想在集中控制室内实现对整个生产过程的控制，就必须把反映过程的变量的信号传送到集中控制室，同时还要把控制变量传送到现场的执行机构，因而变送器、控制器和执行器是分离的，变送器和执行器安装在现场，控制器安装在集中控制室。

而且，由于模拟信号的传递需要一对一的物理连接，信号变化缓慢，提高计算速度与精准度的开销、难度都很大，信号传输的抗干扰能力也较差。

于是，人们开始寻求用数字信号取代模拟信号，用数字控制器取代模拟仪盘表，用数字控制取代模拟控制。

20世纪50年代末，计算机开始进入过程控制领域。

最初它只是用于生产过程的安全监视和操作指导，后来用于实现监督控制，这时计算机还没有直接用来控制生产过程。

到了20世纪60年代初期，计算机开始用于生产过程的直接数字控制。

但由于当时的计算机造价很高，所以常常用一台计算机控制全厂所有的生产过程。

这样，就造成了整个系统控制任务的集中。

由于受到当时硬件水平的限制，计算机的可靠性比较低，一旦计算机发生故障，全厂的生产就陷于瘫痪，因此，这种大规模集中式的直接数字控制系统基于上宣告失败。

但人们从中认识到，直接数字控制系统的确有许多模拟控制系统无法比拟的优点，只要解决了系统的可靠性问题，计算机用于闭环控制还是有希望的。

20世纪60年代中期，控制系统工程师分析了集中控制失败的原因，提出了集散控制系统的概念。

他们设想像模拟控制系统那样，把控制功能分散在不同的计算机中完成，并且采用控制功能，并且又比集中过程控制计算机更安全可靠。

只是一种分散型多微处理机综合过程控制系统，又称分散型综合控制系统，又俗称集散控制系统，简称DCS，属于典型的网络控制系统。

然而，DCS也有其明显的缺点。

首先，它的结构是多级主从关系，现场设备之间互相通信必须经过主机，使得主机负荷重、效率低，且主机一旦发生故障，整个系统就会崩溃；其次，使得大量的模拟信号，很多现场仪表仍然使用传统的4-20mA电流模拟信号，传输可靠性差，难以数字化处理；第三，各系统设计厂家制定独立的DCS标准，通信协议不开放，极大地制约了系统的集成与应用，不利于相关企的发展。

因此DCS从这个角度而言实质是一种封闭专用的、不具有互可操作性分布式控制系统，且DCS造价也昂贵。

在这种情况下，用户对网络控制系统提出了开放性和降低成本的迫切要求。

为了顺眼以上潮流，客服DCS的技术瓶颈，进一步满足工业现场的需要，现场总线控制系统（FieldControlSystem，FCS）应运而生。

FCS用现场总线这一开放的、具有可互操作的网络将现场各控制器以及仪表设备互联，构成现场总线控制系统，同时将控制功能能够彻底下到现场，降低了安装成本和维护费用。

因此，FCS实质上是一种开放的、具有可互操作性的、彻底分散的分布式控制系统。

现场总线控制系统作为新一代控制系统，一方面突破了DCS系统采用专用通信网络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到了现场。

与传统的控制系统相比，它具有体系结构开放、系统集成灵活方便、硬件智能化、传输数字化、控制计算高品质化的特点

但是FCS也有许多瓶颈问题。

首先，现有的现场总线标准种类过多，且各有各的优势和适用范围，用户如何取舍是比较棘手的问题；其次，控制系统中如果有多种现场总线同时存在，而用户又希望将工业控制系统与企业信息网络实现无缝集成，真正实现企业级管控一体化，系统功能组态会变得相当复杂；第二，FCS在本质安全、系统可靠性、数据传输度等方面存在一些技术瓶颈或不符合现代企业对信息的要求。

而工业以太网（Ethernet）具有传输速度高、低耗、易于安装、兼容性好、软硬件产品丰富和技术成熟等方面的优势，几乎支持所有流行的网络协议，能够有效地促进了现场仪表的智能化、控制功能分散化、控制系统开放化，符合工业控制系统的技术发展趋势，在工业现场得到越来越多的应用，在控制领域中占有更加重要的地位，其技术优势非常明显，只要有以下优点：

（1）以太网是全开放、全数字化的网络，遵守网络协议，不同厂商的设备可以很容易实现互连。

（2）以太网能实现工业控制网络与企业信息网络的无缝连接，形成企业级管控一体化的全开放网络。

（3）软硬件成本低廉。

由于以太网技术已经非常成熟，支持以太网的软硬件收到广大厂商的高度重视和广泛支持，有多种软件开发环境和硬件设备供用户选择。

（4）通信速率高。

随着企业信息系统规模的扩大和复杂程度的提高，对信息量的需求也越来越大，有时甚至需要音频、视频数据的传输，目前标准的以太网的通信速率为10Mb/s，100Mb/s的快速以太网已经广泛应用，千兆以太网技术也逐渐成熟，10Gb/s的以太网也正在研究，其速率比目前现场总线要快很多。

（5）可持续发展潜力大。

在这信息瞬息万变的时代，企业的生存与发展在很大程度上依赖于一个快速而有效的通信管理网络。

信息技术也通信技术的迅速发展和成熟，保证了以太网技术的不断地持续向前发展。

1.3TCN列车网络的现状

在推出TCN国际标准后，基于TCN标准的产品需求增加，对于TCN产品的研制有了越来越多的单位支持，TCN列车网络在世界范围内也得到了日趋广泛的应用。

1.3.1TCN列车网络产品主要供应商

目前，TCN标准列车通信网络的推广形成以Siemens、Bombardier等大公司主导，日趋增多的第三方广泛支持的局面。

Bombardier、Siemens等公司推出了一系列符合TCN标准的产品，诸如列车网络专用芯片（MVBC01、MVBD、AMED）以及网络实时协议（RTP）软件等。

此外，一些第三方公司（如Farsystem、Firema、EKE、Duagon、Unicontrol）等也相继推出了TCN网关和相关网络产品，用户可以选择需要的网络部件来集成、开发符合自己要求的TCN网络控制系统。

其他可以提供TCN产品的公司还有：

自动控制方面的Holec、Ansaldo、AEG，制动方面的KnorrElectronic、WestinghouseBrakes，门控方面的IFE，采暖通风与空调方面的Hagenuk。

另外，一些中小公司也能提供MVB板卡、WTB网关、实时协议文件等。

我国作为TCN标准的制定成员国之一，也对该标准大力支持。

在研发方面，我国南车、北车集团等单位通过自主研发与技术引进相结合，目前也具有了提供TCN相关产品的能力。

铁道科学研究院、西南交通大学、同济大学、北京交通大学等研究单位在TCN方面也进行了广泛研究，取得了一定的成果。

1.3.2TCN列车网络产品应用现状

TCN网络主要应用在高速动车组、重载列车以及地铁车辆等轨道交通领域，这些场合对产品的互操作性和控制实时性要求一般很高，只有通过可靠、实时的列车网络技术才能达到要求。

目前采用TCN方案的国家有德国、法国、英国、瑞士、瑞典、挪威、芬兰、丹麦、印度、澳大利亚、菲律宾、美国、巴西等，包括高速列车、摆式列车、城市轨道车辆。

我国列车网络技术采用的形式繁多，但TCN技术应用的比重很大，并且采用TCN标准已经成为趋势，如和谐号动车组CRH1、CRH3、CRH5和CRH380A等车型，各大城市的地铁（如上海轨道交通1、2、4、9、11号线，北京地铁15号线、房山线、昌平线、亦庄线，广州地铁2、3、8号线等）均广泛采用。

1.3.3TCN列车网络的研究推广

自从TCN国际标准推出以后，得到了越来越广泛的应用。

究其原因，离不开TCN网络自身的实时、可靠、安全、开放的优点，能很好地满足列车通信需求。

当然，更离不开Siemens、Bombardier等大公司不遗余力的研发和推广，使得支持和应用TCN产品的公司和国家在十几年间有了很大的增长。

在TCN标准采纳以后，世界范围内很多研究单位积极地设计了相应的电路、仿真软件和验证工具，极大地推进了TCN技术的发展。

1.4列车网络控制系统功能与特点

列车通信网络是用于列车这一流动性大、环境恶劣、可靠性要求高、实时性高、与控制系统紧密相关的特殊环境的计算机局域网络，它属于控制网络的范畴。

列车网络控制系统是列车的核心部件。

它包括以实现各种功能控制为目标的单元控制机、实现车辆控制的车辆控制机和实现信息交换的通信网络。

其功能主要包括以下方面：

（1）实现牵引控制，即牵引性曲线的实现牵引功能的优化。

（2）实现列车牵引的黏着控制，使列车在各种运行条件下，都能保持轮轨间的牵引力，并尽可能地使机车运用在轮轨间的牵引力实现最大化、

（3）实现列车运用过程中各种可能需要的功能关联和电路连接，即逻辑控制功能。

（4）实现列车运行过程中的故障信息处理，即进行故障信息的采集、处理、传输、显示和记录，并为列车乘务员提供故障的现场处理和排除的信息提示。

（5）提供列车运行的状态信息。

网络控制适用于大范围区域的控制，系统包含大量的相互交换信号信息的设备。

网络控制系统的特征是通过一系列的通信信道构成一个或多个控制闭环，同时具备信号处理、优化决策和控制操作的功能，控制器可以分散在网络中的不同地点。

与传统的点对点控制系统相比，网络控制系统具备共享信息资源、远程监与控制，减少系统布线、易于扩展和维护、增加了系统的灵活性和可靠性等特点。

1.4TCN列车网络的发展趋势

从TCN标准推出到今天，已经十余年了，期间各方面科学技术飞速发展。

可以说，尽管TCN标准的推出为解决列车以及车载控制设备之间的相互联挂的问题贡献巨大，但总体看来，TCN网络技术中的核心部分仍基本由若干家大公司所垄断，技术门槛较高也限制了它更大范围的应用。

TCN并没有完全满足列车在所有场合的控制需要，在技术与日俱新的今天，它需要新的发展。

列车网络技术已经成熟，也是当代轨道车辆必然采用的核心技术之一。

随着通信网络技术的应用范围不断扩大，用户对网络的开放性、性价比、开发和应用的多样性及灵活性等方面都提出了更高的要求。

由于TCN网络自身也难免存在一些不足，所以不可能完全取代其他形式的控制网络，完全满足铁路用户的所有应用需求。

因此，在将来，列车网络技术不可能是TCN的天下，必然是多种网络技术的融合。

列车控制网络技术的发展趋势可能会是以TCN为主，在轨道车辆的高速动车组、地铁车辆等高端市场应用；其他各种形式的总线形式作为列车网络的重要补充，在各种适用的场合找到应用的空间。

这些通用网络技术在今后一段时间内将和原有TCN网络共同发展，取长补短并相互融合，形成有机的整体。

另外，随着列车通信要求的不断提高，TCN自身方面的改进是必要的。

如在可靠性方面，目前对列车通信网络的可靠性进行量化的评估在国内外还是鲜见的，对于可靠性要求高的列车网络，全面引入可靠性工程的分析、评价、设计及验证的方法是必要的；在安全性方面，近些年提出了功能安全通信的理念，并在2007年推出了《IEC617843用于工业网络功能安全通信行规》国际标准，随后很多种用于工业控制的总线标准也应用该标准，对自身的协议加以完善，添加了功能安全通信层来保证通信网络的功能完整性等级。

那么，列车通信网络对安全性如此强调的总线形式，是否要执行功能安全标准，是非常值得考虑的问题。

随着列车服务质量水平和乘客需求的不断提高，列车信息化服务的要求也越来越高，TCN在此方面显然是不能满足的。

因此，为乘客提供优质的信息娱乐服务，包括移动电视、移动网络等，也必将是TCN未来的方向。

第二章几种典型的列车网络控制系统介绍

2.1SIBAS系统

SIBAS系统是德国Siemens公司提供的列车控制系统，能够实现列车牵引系统控制、信息传输、运行监控和诊断等全部控制任务。

SIBAS系统目前有SIBAS-16和SIBAS-32两个系列，主要运用到我国早期的西门子进口城市轨道交通地铁车辆中，如上海地铁1、2号线车辆使用的SIBAS-16控制系统；广州地铁1号线车辆使用的SIBAS-32控制系统。

v

列车总线

机车总线

车辆总线

节点

终端

图1.列车总线

SIBAS-16是典型的第一代微机控制系统，核心部件有16位的8086型未处理器构成的中央计算机、存储器组件以及一个或多个控制机（8088，80C188）组成。

该系统采用集中式机箱和插件式机械结构，控制系统由中央控制器集中管理，采用分层结构，即列车控制层。

机车控制层和传动层。

采用多个串行总线系统，在传输速度和运行记录方面能满足列车控制的影响要求。

SIBAS-16本质上还不能算是一个分布式的列车网络控制系统。

SIBAS-16的编程工具为SIBASL0G，系统提供大量的标准的程序模块，为控制软件的编程提供了有利的条件。

20世纪90年代，Siemens公司在SIBAS-16的基础上进一步采用32位芯片（Intel486）的SIBAS-32系统，并保持与SIBAS-16系统的接口兼容。

为了减少传统机车车辆布线，SIBAS-32系统设有智能外围设备连接终端，即SIBASKLIP站。

采用SIBASKLIP可以迅速综合信息和控制指令，并且通过一根串行总线传输给中央控制装置。

KLIP站可以很自由地分布在各类车辆上。

2.2MITRAC.系统

MITRAC系统是Bombardier（庞巴迪）公司的系列产品，包括MITRACTC（牵引逆变器）、MITRACCC（列车控制系统）、MITRACAU（辅助逆变器）MITRACDR（牵引驱动器）。

公司为了适应不同用户，推出了MITRAC500系、1000系、3000系。

500主要用于城际有轨列车，1000系主要用于高速及地铁列车，3000系主要用于大功率机车。

在广州地铁2号线、深圳地铁1号线一期庞巴迪地铁车辆中就使用了该系统。

2.2.1MITRACCC主要特点

（1）符合各国际标准（EN50155车辆上的电子设备标准；ENV50121-3-2：

铁路应用电磁兼容性的标准；ENV50204：

数字无线电话电磁场辐射标准；IEC61375-1：

列车通信网络标准;IEEE1473:

1999中关于列车通信协议标准；UIC556/557列车中信息传输的诊断标准），具有开放接口。

（2）该系统器件结构紧凑，电源直接由列车蓄电池供电，可以实现分布式安装且不需要额外的加热或制冷，器件配线最少，质量显著降低。

（3）用线少，通过余增强系统的可用性，传感器的短距离连接和I/O设备接口减少了冲突。

可测性和模块化使系统配置离火，并可兼容和连接以前不同的列车控制系