毕业设计列车网络控制系统设计HXD型电力机车网络样本.docx

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毕业设计列车网络控制系统设计HXD型电力机车网络样本

毕业设计阐明书

课题名称：

列车网络控制系统设计

—HXD2型电力机车网络控制系统

专业系牵引与动力学院

班级

学生姓名

指引教师

完毕日期

毕业设计任务书

一、课题名称：

列车网络控制系统分析及故障排除

二、指引教师：

三、设计内容与规定

1、课题概述

随着牵引动力交流化和运营速度提高，列车上采用微机实现智能化控制部件或装置也越来越多，各微机系统间协调和信息互换显得越来越重要。

此外，为提高列车舒服度，各种辅助装置控制和服务装置控制都必要纳入到这个微机控制系统中来。

因而，列车控制也由单台机车牵引传动控制逐渐向网络控制方向发展，网络控制技术已经成为核心技术之一。

本课题基于TCN、ARCNET等常用列车通信网络，分析其通信原理和通信特点，着重分析高速动车、大功率交传机车、城轨车辆等多类列车网络控制系统拓扑构造、控制功能、硬件构成及工作原理，指出网络控制系统中常用故障现象，阐述其故障应急解决办法。

2、设计内容及规定

（1）设计内容

本课题下设3个子课题：

1CRH动车组网络控制系统分析及故障排除

2HXD交传机车网络控制系统分析及故障排除

3城轨车辆网络控制系统分析及故障排除

每个子课题设计重要内容可涉及：

1列车网络控制系统发展历史及现状分析

2列车网络控制系统功能、特点及其与老式机车微机控制系统区别

3常用列车网络通信原则

4以某个车型为例，从构造、原理、可靠性、实时性等方面详细分析该车型网络控制系统

5列车网络控制系统常用故障判断分析与解决

6结论

（2）规定

1通过检索文献或其她方式，进一步理解设计内容所需要各种信息；

2可以灵活运用《电力电子技术》、《计算机应用技术》、《机车总体》、《列车网络控制技术》等基本和专业课程知识来分析城轨列车、大功率机车及高速动车组上网络控制系统。

3规定学生有一定电子电路，轨道交通专业基本。

四、设计参照书

1、《列车网络控制技术原理与应用》

2、《动车组网络控制系统》

3、《CRH2型动车组》、《CRH5型动车组》

4、《HXD大功率机车》

五、设计阐明书规定

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（设计方案比较与选取，设计方案原理、计算、分析、论证，设计成果阐明及特点）

6、结束语

7、附录（参照文献、图纸、材料清单等）

六、毕业设计进程安排

第1周：

资料准备与借阅，理解课题思路。

第2-3周：

设计规定阐明及课题内容辅导。

第4-7周：

进行毕业设计，完毕草稿。

第7-10周：

第一次检查，理解设计完毕状况。

第11周：

第二次检查设计完毕状况，并作好毕业答辩准备。

第12周：

毕业答辩与综合成绩评估。

七、毕业设计答辩及论文规定

1、毕业设计答辩规定

答辩前三天，每个学生应准时将毕业设计阐明书或毕业论文、专项报告等必要资料交指引教师审视，由指引教师写出审视意见。

学生答辩时对自述某些应写出书面提纲，内容涉及课题任务、目和意义，所采用原始资料或参照文献、设计基本内容和重要办法、成果结论和评价。

答辩小组质询课题核心问题，质询与课题密切有关基本理论、知识、设计与计算办法、实验办法、测试办法，鉴别学生独立工作能力、创新能力。

2、毕业设计论文规定

文字规定:

阐明书规定打印（除图纸外），不能手写。

文字通顺，语言流畅，排版合理，无错别字，不容许抄袭。

图纸规定:

按工程制图原则制图，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，文字注释必要使用工程字书写。

曲线图表规定：

所有曲线、图表、线路图、程序框图、示意图等不准用徒手画，必要按国家规定原则或工程规定绘制。

摘　　要

随着列车运营速度提高，列车网络控制系统具备越来越重要意义。

同步，列车网络控制系统是动车组九大核心技术之一，因而建立可靠安全车载通信网络是十分必要。

一方面分析了列车网络系统体系构造，功能模块及车载通信网络拓扑构造、传播信息等。

接着简介了IEC-61375原则，即列车通信网络（TCN）原则是IEC联合UIC通过几十年工作采用了一种用于规范车载设备数据通信原则。

简介了TCN网络基本构造、实时合同、数据传播及介质访问方式。

并详细讨论了WTB和MVB总线物理层、报文、介质访问及链路层控制。

另一方面分析比较了ARCnet和TCN两种车载通信网络，并总结出各自优势。

ARCnet用于CRH2动车组，TCN用于CRH1、CRH3和CRH5动车组。

本设计阐明书针对TCN、ARCnet等常用列车通信网络，分析其通信原理和通信特点，同步对列车网络控制技术发展历史与现状进行阐述分析，着重分析HXD2型电力机车网络控制系统拓扑构造、控制功能、硬件构成及工作原理，指出网络控制系统中常用故障现象，阐述其故障应急解决办法。

核心词：

HXD2电力机车　　列车网络技术　　故障应急解决

ABSTRACT

Withtheincreaseoftrainspeed，trainnetworkcontrolsystemismoreandmoreimportant.Atthesametime，trainnetworkcontrolsystemisoneofthekeytechnologiesinnineofEMU，thereforetheestablishmentofvehicularcommunicationnetworksecurityisverynecessary.

Thispaperfirstanalyzesthearchitectureoftrainnetworksystem，functionmoduleandvehiclecommunicationnetworktopologystructure，transmissioninformationetc..

ThenintroducesIEC-61375standard，namelythetraincommunicationnetwork（TCN）standardisIECcombinedwithUICafterdecadesofworkbyusingastandardcarequipmentfordatacommunicationstandard.Thispaperintroducesthebasicstructure，theTCNnetworkprotocol，datatransmissionandmediaaccessmode.Andadetaileddiscussionofthephysicallayer，WTBandMVBbusmessage，mediaaccessandlinklayercontrol.

ThencomparesARCnetandTCNtwokindsofvehicularcommunicationnetworkanalysis，andsumsuptheirrespectiveadvantages.ARCnetforCRH2EMU，TCNforCRH1，CRH3andCRH5emu.

ThedesignspecificationforTCN，ARCnetandothercommontraincommunicationnetwork，analysesthecommunicationprincipleandcommunicationfeatures，thedevelopmenthistoryandcurrentsituationoftrainnetworkcontroltechnologyisanalyzed，emphasizesontheanalysisofHXD2typeelectriclocomotivetopologystructure，controlfunction，hardwarenetworkcontrolsystemcompositionandworkingprinciple，pointsoutthecommonfaultsnetworkcontrolsystem，thefaultemergencytreatmentmethod

Keywords：

HXD2electriclocomotivefaulttrainnetworkemergencytreatment

引言

提高列车运营速度是铁路技术发展重要目的，保证列车运营安全是实现国内列车提速战略重要保证，而列车控制系统则是实现这一重要保长技术支持手段。

随着牵引动力交流化和列车运营速度提高，机车和列车上采用微机实现智能化控制部件或装置也越来越多。

各微机系统间协调和信息互换显得越来越重要，特别是对动力分散型动车组，为了提高旅客列车舒服度，各种辅助装置控制和服务装置控制都必要纳入到这个微机控制系统中来。

因而，列车控制也由单台机车牵引传动控制逐渐向列车网络控制方向发展，列车网络控制技术已经成为高速动车组、城轨车辆核心技术之一。

本设计以网络通信基本知识和计算机控制基本知识作为铺垫，在此基本上详细讲述了可以用于列车通行几种网络原则，涉及LonWorks、ARCNET、CAN等现场总线原则，TCN列车通行网络原则以及新兴控制网络——工业以太网等。

与此相应还简介了应用不同网络原则CRH系列动车组网络控制系统TCMS，最后简朴简介了列车自动运营控制系统。

其重要分析是HXD2电力机车网络通信，并详细解读HXD2电力机车各项网络知识。

第一章　网络控制系统概述

1.1网络控制系统概念

网络控制系统又被成为基于网络控制系统，它是一种完全网络化、分布化控制系统，是通过网络构成闭环反馈控制系统。

侠义网络控制系统是以网络为基本，事先传感器、控制器和执行器等系统各部件之间信息互换，从而实现资源共享、远程检测与控制。

例如，基于现成总线技术网络控制系统就可以堪称是一种侠义网络控制系统。

广义网络控制系统不但涉及侠义网络控制系统在内，还涉及通过Iternet、公司信息网络以及公司内部网络，事先对工厂车间、生产线以及工程现场设备远程控制、信息传播、信息管理以及信息分布等。

列车网络控制系统重要实现对列车核心设备运营状态监视，并依照需要对设备进行远程控制．列车网络控制系统集列车控制系统、故障检测与诊断系统以放客信息腥务系统于一体，以车载微机为重要技术手段，通过网络实现列车各系统之间信息互换，最后达到对车载设备集散式监视。

控制和管理目，实现列车控制系统智能化、网络化与信息化．

通过列车网络连接列车上各智能控制单元通过传播过程数据、消息数据和监督数据柬实现列车控制，诊断以及列车状态评估．而其她未与列车网络连接智C2控制单元则通过硬连线连接来实现其控制功能．

列车网络控制系统实现如下重要控制功能：

（1）实现各动力车重联控制．

（2）实现全列车（动车和拖车）所有由计算机控制单元联网通信

和资潭共享．

（3）实现全列车制动控制、门控制、空调控制及轴温检测等功

能．

1.2网络控制系统构成构造及层次模型

网络控制系统普通由三某些构成：

控制器、被控对象以及通信网络，被控对象普通为持续系统，而控制器普通采用离散系统。

被控对象输出通过传感器采样方式离散化并通过网络发送到控制输入端。

控制器进行运算后，将输出通过网络发送到被控对象输入端，并由零阶保持器生成分段持续函数作为持续系统输入。

常用网络控制系统构造有径直构造和分层构造。

在径直构造中，控制器将传感器等检测装置从现场检测到实际参数和预定预期参数值进行对比计算，得出相应控制成果后，输出到执行器，作用于被控对象。

在分层构造中，主控制器将计算好参数控制信号通过网络发送给远程控制系统，远程控制器依照参照信号执行本地闭环控制，并将传感器测量数据传给主控制器。

网络控制系统层次模型

（1）设备层。

设备层中设备种类繁多，有只能传感器、启动器、驱动器、I/O不见、变送器、变换器、阀门等。

设备多样性规定设备层满足开放性规定，各厂商遵循公认原则，保证产品满足原则化。

来自不同厂家设备在功能上可以用相似功能同类设备互换、事先可互换性；来自不同厂家设备可以互相通信，并可以在多厂家环境中完毕功能，实现可互操作性。

设备层中设备是智能化。

她们可独立完毕系统传感测量、补偿计算、工程量解决与控制等自动控制基本功能，并可随时诊断设备运营状态。

设备控制功能自治化使得分散在现场不通物理位置现场设备之间以及现场设备与远程监控计算机之间，可以实现数据传播与信息互换，从而形成各种适应实际需要自动控制系统。

（2）自动化层。

自动化层事先控制系统网络化，控制网络遵循开放体系构造与合同。

对设备层开放性，容许符合开放原则设备以便地接人；对信息化层开放性，容许与信息化层互联、互通、互操作。

（3）信息化层。

信息化层已经较好实现了开放性方略，各类局域网满足IEEE802原则，信息网络互联遵循TCP/IP合同。

信息网络开放性为事先控制网络与信息网络集成提供了有力支持。

列车网络控制系统

（4）完毕全列车自检及故障诊断决策

1.3车载通信网络基本构造

车载通信网络重要功能是作为沟通各个控制、诊断单元信息通道�将列车上众多由计算机控制部件互相联网通信�从而达到统一控制与诊断和资源共享目。

车载通信网络普通采用分层构造。

用于连接数据采集站、设备站、司机控制站�构成列车设备控制、监测与故障诊断列车级网络,普通称为列车总线,用于连接车辆内各种控制设备,构成车厢级数据采集、控制车辆级网络�普通称为车辆总线。

在拓扑构造上则采用环形或总线形。

列车控制网络把安装在列车上各动力车和车厢内各种可编程设备互连在一起。

通过车载通信网络传播信息重要有如下六种;

（1）列车运营控制命令。

（2）运营中各车厢（涉及有动力装置机车和无动力装置旅客车厢）状态信息。

（3）故障诊断所需信息及成果。

（4）显示单元所要显示和提示各种信息。

（5）通信网管理信息。

（6）其她与列车运营、安全及服务关于�需要在列车内互相传递信息。

1.4列车通信网络中数据传播

列车通信网重要功能是为控制、诊断单元信息通信提供通道,实现各种信息流通,从而达到控制统一和资源共享目。

在高速列车控制系统中传播信息重要有如下几种;

（1）列车在运营过程中各种控制命令.

（2）列车在运营过程中各个设备状态信息.

（3）故障诊断所需信息及成果.

（4）需要在显示单元上显示各种信息.

（5）其他与列车运营、安全、旅客服务有关信息。

依照通信网上所传播数据性质和实时性规定,把通信网上数据分为三类;过程数据、消息数据、和管理数据。

通信网采用不同办法来传递这三类数据。

（1）过程数据；过程变量值叫作过程数据。

它表达车辆设备状态和控制信息；如手柄位、列车运营速度、当前时间、各单元工作状态、操作员命令等。

过程数据传播时间是拟定和有界。

其特点是长度短而时间性强�传播时间拟定并且有界，这些数据采用源地址数据广播方式。

主设备通过发送具有功能码主帧，来祈求传送过程数据。

发送过程数据从设备将根据过程数据祈求中标记符来产生一种过程数据响应。

过程数据将通过12位逻辑地址和功能代码来辨认，它们表白了过程数据长度。

对于每个逻辑地址，其相相应过程数据长度应在规定操作开始前，在源设备和所有接受设备中被设定好。

对于车辆总线上所有重要变量，从一种应用到另一种应用拟定性传送传送时间必要保证在16ms内，车辆内总线数据发送周期不大于50ms：

而通过WTB从车辆总线到车辆总线拟定性传送传送时间必要保证在100ms以内。

为了保证这个时延，过程数据周期性地发送。

（2）消息数据；它与事件关于，传播非实时性信息，可以是诊断信息、显示信息和服务功能信息，这些数据也许数量较大并且传递没有拟定期间限制。

因而它们传送是采用点对点或广播数据报文偶发性传送，并且也许依照需要分帧传送。

一种消息数据帧应具备256bits固定长度；从帧前4bits定义了通信模式，用模式0001来指定单播消息数据，模式1111来指定广播消息数据，而其他模式将作为保存以供将来使用，接下来12bits定义了目的设备地址，一旦使用广播模式，则该区域将被应用来使用，此后4bits定义了合同类型，随后12bits定义了源设备地址，而背面8bits里定义了随后链接数据有效长度。

消息被提成小包，这些包分别被编号并由目站确认。

消息包及与之有关控制数据形成消息数据。

功能消息被应用层所使用，服务消息用于列车通信系统自身管理等。

为了保证消息数据端到端可靠传播，应用过程间通信可采用呼喊/应答方式。

消息数据既可以点对点单独传播，也同样可以进行全网广播。

（3）管理数据；是网络自身管理、维护和初始化时�在通信网中传递数据。

监督数据是在相似总线内用于监视设备状态、检测寂静设备、总线主设备权转移、事件轮询等数据。

它是主设备对从设备状态校验、联机设备检测、主权传播以及车辆初运和其她管理所用数据，特点是帧很短，这些数据只有在网络重构或初始化时才传递，管理数据传递与其他两种数据不会发生冲突。

因而在列车运营时通信网上传送只有过程数据和消息数据。

管理数据响应将携带16bits帧数据。

主设备可以向从设备祈求管理数据或者向从设备发送管理数据，该数据带有一种管理数据祈求主帧。

1.5列车通信网络介质访问方式

普通有动力装置车厢（动车和机车）内节点作为主节点�无动力装置车厢内节点作为从节点。

WTB介质访问控制方式为主�从控制方式�每一列车在运营中必要有且只能有一种控制总线工作节点，称为控制节点，控制节点必要是主节点，普通状况下此前导机车内主节点为控制节点，称为主控节点。

主控节点管理列车总线运营，必要时主控节点可以切换，车厢总线由各车厢内节点管理运营。

主节点将总线带宽以25ns为基本周期进行划分，基本周期又分解为周期相和偶发相。

周期相占总线时间固定期段，与状态发送有关联。

在此时段，主节点依次轮询各变量，按预先生成周期列表祈求从节点向总线广播其过程数据，此外在WTB中有消息数据发送从节点还在其过程数据中发送一种祈求标志，主节点将记录此祈求。

由于数据是周期性重复发送，因此周期性数据无需目的设备确认。

一种基本周期大小在MVB上是1ms或2ms，在WTB上是25ms。

不是很紧急变量可以以2个、4个、8个等等基本周期长度周期发送，其最长周期是1024ms。

两个周期相间偶发相容许设备按需要发送数据，偶发性发送是与事件发送有关联，事件是设备状态变化，设备状态变化引起发送规定。

因而，事件必要得以确认，以保证不会丢失状态变化信息。

在此期间主节点向祈求发送消息数据节点依次发送消息数据传送祈求，收到祈求节点将要发送消息数据发向目节点。

这种介质访问方式可保证明时变量传播拟定性。

实时变量最大传送时延只与总线基本周期关于，而与总线负载状况无关。

在过程数据和消息数据之间，主节点还发送某些监控数据祈求以监控总线状态。

第二章列车通信网络TCN

2.1TCN原则化进程

2.1.1TCN列车网络简介

由于世界范畴内列车通信网络技术差别，导致了各种总线技术并存局面。

除TCN原则列车总线之外，WorldFIP、LonWorks、CAN等其她总线形式也在列车通信网络中有不同限度运用。

上述几种列车网络技术，绝大某些都是在其她领域应用成熟现场总线技术移植到列车控制系统中来。

它们根据各自原则，不便进行互联。

于是基于制定一种开放式列车通信系统，实现各种轨道车辆互相联挂，车载可编程电子设备统一接口原则而实现互换构想，TCN列车通信网络原则应运而生。

2.1.2TCN列车网络雏形

任何技术都不是凭空而生，TCN列车网络也正是如此。

它是由车载微机系统发展而来，在原有技术基本上加以遴选、改进和原则化而形成。

其重要参照模型则是Siemens公司SIBAS系统和Adtranz公司MICAS系统。

以上两种形式车载微机控制系统发展已从最初完毕简朴单一功能，发展到当前多功能集成列车通信网络，为TCN列车网络技术起步与成型，以及日后成为国际原则，做出了巨大贡献。

2.1.3SIBAS系统

在铁路机车动车控制方面，德国Siemens公司早在1981年就研制出了相应微机控制系统，并命名为SIBAS16，这个系统样机初次应用在纽伦堡交通运送管理局地铁车辆上。

SIBAS16中数字代表其采用是16位微解决器，这个系统由中央机、一种或各种子机以及存储单元构成，各计算机之间采用串行通信来实现数据传送。

这种机车控制系统形式新颖，扩展性好，可靠性高，使用安装便捷，大有取代老式控制技术趋势，成为列车微机控制发展中发轫之作，影响不可不谓之重大。

随着技术不断革新以及SIBAS16不断完善，Siemens公司不失时机地推出了基于32位控制器和信号解决器列车微机控制系统SIBAS32，其在性能上较SIBAS16更具优越性，同步也对原有SIBAS16系统在接口上保持了向下兼容。

20世纪90年代，列车通信网络国际原则正在制定当中，Siemens公司着眼于控制系统功能长远发展，其推出SIBAS32系统是一种多功能通用计算机系统。

系统采用网络通信技术，外围设备已经开始原则化、专用化、智能化，基本上可在保持硬件构造不变状况下便捷地与任意终端相挂接，构成一种对各种机车车辆移植性较好控制与监控系统。

2.1.4MICAS系统

MICAS系统浮现是在20世纪80年代。

瑞士布朗·勃法瑞公司（BBC）最早研发MICAS系统是应用于运送部门微型计算机自动控制系统，能抱负地实现机动车与船只等场合控制功能。

针对MICAS应用领域不同，研发人员相应地开发出了合用于该场合软件、硬件模块及工具，形成了以MICASS、MICASL和MICASE等不同系列。

其中MICASS系统在1985年初次应用于牵引控制技术中，在对过程解决速度和性能规定苛刻牵引控制系统中较好地实现了控制功能。

1988年瑞典阿西亚公司（ASEA）和瑞士布朗·勃法瑞公司（BBC）合并而成ABB集团。

此后，ABB旗下Adtranz公司在MICASS牵引控制系统基本上开发出了MICASS2，并于1992年第一次成功运用在瑞士Re460型变流机车上。

MICASS2列车控制系统实行分级控制形式，由列车级、车辆级和传动级3级控制构成，各级系统控制单元之间通信通过列车通信网络实现。

列车通信网络采用总线型拓扑构造，提成车辆总线、列车总线两级局域网。

车辆总线由同一车辆内几种控制单元互连构成，采用RS485串行通信原则。

列车总线为贯穿各车辆节点互连通信线路，采用9芯EP电缆或18芯UIC电缆，线路通过两种总线之间网关实现总线耦合。

在MICASS2基本上Adtranz公司又推出了MITRAC系统，这是更新一代分布式列车控制与通信系统。

MITRAC系统中没有集中控制柜和机箱，各个控制单元或I/O单元均自成一体，分别封装在一种配备独立电源和原则车辆总线接口壳体中，并分布于车体内接近控制对象各个位置。

其良好电磁兼容性能保证各车辆控制单元工作在环境恶劣列车中。

　　之后Adtranz公司几易其主，4月，Bombardier公司从DaimlerChrysler手中将其子公司Adtranz收购。

Bombardier公司对MITRAC系统继续不断改进，并按照不同客户需求加以系列化，如今该系统有MITRAC500系列、1000系列和3000系列等。

2.2TCN列车网络技术现状

在推出TCN