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1、第六章 CRH5列车网络控 制系统-TCMS第一节 网络控制系统（TCMS ）的体系结构 一、TCMS的体系结构 CRH5动车组配有一套基于多台微机的系统，可控制 并监控所有列车和车辆的相关功能(列车网络控制系 统TCMS) 。 其结构基于TCN 标准 (IEC 61375-1) ，具有WTB ( 列车总线) 和MVB (车辆总线)串行接口， 使用两个 冗余的MPU模块，每个动力单元一个。 TCMS体系结构基于具有高冗余度的标准TCN，该体系 结构使用2个标准的TCMS模块，每半列车（称为车组 ）一个。 两个动力单元通过网关进行动力单元 间和连挂列车间的通讯。 此外还有一个CAN总线标准的车辆
2、总线 ，仅用于次要设备的诊断。 系统具有完善的冗余和控制、诊断和 监视以及故障存储功能。 一个标准的TCMS模块可以控制4节车辆， 并且包括两个不同的等级： 牵引（主要功能） 支持（次要功能） 从两个MPU中（冗余设计）对每条总线进 行控制。 根据设备的数量或线路的长度，可利用“ 中继器”来增加MVB总线的长度。 MPU有两个MVB接口。第二个接口将两条总 线的MPU与MVB/WTB网关（冗余设计）和驾 驶员监控器连接在一起。 网关被用于在TCMS模块之间交换信息 。下图中显示的主要设备连接在MVB 总线上。非智能设备通过远程输入/输 出模块（RIOMS）与TCMS系统接口。 RIOM被分布在
3、每辆车中，从而减少配 线和相应的重量。在每个重要位置上均 预留冗余的RIOM。注：有 重影的 设备表 示冗余 。ACU:Auxiliary Control Unit 辅助控制单元PIS:Passenger Information System 乘客信息系统BCU: Brake Control Unit 制动控制单元REP:Repeater 中继器CGA:Automatic Coupler central unit 自动车钩 中央单元RIOM CAB:Remote I/O Modules (drivers cab) 远程 I/O模块 (司机室)CLT:Local Traction Control
4、 本地牵引控制RIOM LQ:Remote I/O Modules (BT panel) 远程 I/O模块(BT面板)EXT. DOORSExternal Doors外部门TCU:Traction Control Unit 牵引控制单 元 GW:Gateway WTB/MVB 网关 WTB/MVBTD:Drivers Diagnostic display 司机诊断显示器HVAC:Air Conditioning 空调TS:Drivers Instruments display 司机仪器显示器LT:Train Logic display 列车逻辑显 示器WCToilet 厕所MPU LC:Mic
5、roprocessor Unit Comfort Line 微处理器单元车内设施线路CB Battery Charger充电机MPU LT:Microprocessor Unit Traction Line 微处理器单元牵引线 TCMS主要零部件可以按照以下分组： 列车控制与监视单元： MPU(微处理单元) WTB/MVB网关 RIOM（远程I/O模块） MVB 中继器 人机接口设备: 司机室主监视器 司机室诊断监视器 本地监视器(在列车长室) 控制杆、开关、按钮、灯 位于低压配电柜和司机台上的低压零部件 （继电器、二极管）。 与原型车SM3的改变之处： 诊断线采用CAN总线替代RS485 充
6、电机连接到CAN总线上 将自动车钩控制单元连接到CAN总线上 司机室 RIOM在 MVB-A 和 MVB-B上分开 “本地牵引控制”(CLT)与 HV箱RIOM集成 在一起 在车辆级MVB总线上，该体系结构被分 为两个不同的层次：牵引和服务设施, 每一层次均使用一对MPU进行管理。这 两个层次的MVB总线通过第三条MVB总 线（信号总线）连接在一起。此总线 由牵引层的MPU控制。二、列车总线两个动车组之间的连接通过穿过头车自动车钩的 “WTB”（列车总线）型冗余链路来实现。 此总线是TCN网络的一部分，它在长度因挂钩/摘 钩操作而发生变化时可以实现网络的动态重组（ 网关重新编号）。 该总线使用
7、具有可控阻抗的冗余介质，其传输的 信息速率约为1 Mb/s。传输距离为860米，22个节 点，备用节点有4 个。 网关的轮询周期约为50 ms。同一总线还用于两个 单元之间的通信。每次列车重新编组或列车连挂初运行，要 进行列车总线即WTB总线的配置，对于规 范的列车总线WTB，本身具有自动配置功 能,操作人员只要按规程操作，最后检查 配置状态以确认配置是否正确。如果配置 不正确，列车总线将不能正常通信。三、 网关 网关可以实现列车总线与车辆总线之间的双 向信息交换。 每个网关与列车线路之间以128字节的报文（ 周期数据）交换与其车组相关的信息，并接 收来自整个列车编组中其他所有网关的同类 信息
8、。 网关为完全冗余（电路板、连接器、电源等 ）。四、 MPU-LT, MPU-LC MPU（Main Processing Unit，主处理 单元），负责对相应车辆输出指令和控 制。 在每一车组中（4辆车）有2对MPU。其 中的2个（MPU-LT）控制牵引和信号设 备总线上的所有设备，而另外2个（MPU -LC）则控制车内设施和CAN总线上的所 有设备。 MPU功能任务周期可认为不超过100 ms （目标值为50 ms）。五、车辆总线 车辆总线为MVB（Multifunction Vehicle Bus，多 功能车辆总线）。 该总线使用阻抗受控的冗余介质，其传输的信息速 率约为1.5 Mb/s
9、。最大传输距离200米，32个节点（ 设备）。 备用节点至少每段为20%。用于处理数据的备用带宽 约为30%。 在此总线上可以使用不同的轮询周期：从用于快速 信息的32 ms到用于较次要信息的512 ms。 每个车组有3条总线：牵引、车内设施和信号。六、 中继器 中继器是一种主要为硬件的专用设备 ，用于扩展MVB在长度和节点方面的容 量。事实上，通过中继器连接的MVB总 线的两个不同区段在MPU层次上看来只 是一个有32+32个节点、200+200米长 的一条MVB总线。中继器引起的数据传 输延时非常微小。七、监视器 （一）司机台监视器 驾驶台上有2个分别名为TS和TD的监视器。 监视器为彩色
10、TFT显示器。 屏幕尺寸为10.4英寸，其分辨率为800 x 600（SVGA）。 监视器带有加热器和风扇，可在低和高环 境温度下使用。 监视器具备“节电”模式功能，可以延长 寿命。 监视器所使用的语言为中文。（二） TS监视器 TS监视器以图形化方式向司机显示主要驾驶 信息值（即线电压、线电流、力矩等）。 司机可以用屏幕周围设置的一组按键与监视 器进行交互。 也可以使用这些按键向设备发送全局性或选 择性命令。 司机还可以在专门画面中通过监视器手动排 除掉某些设备。（三） TD监视器 TD监视器向司机显示有关整个编组（2组联挂 的列车）全部设备的所有诊断信息。 所有被监视设备和组件的状态（启用
11、、停用、故 障、被排除等）。 具有操作指导的自动报警（在故障情况下）。 司机可以用屏幕周围设置的一组按键与监视器进 行交互。也可以使用这些按键向设备发送全局性 或选择性命令。司机还可以在专门画面中通过监 视器手动排除掉某些设备。（四）本地监视器 在每辆车的BT机柜或乘务员室中将会提供本 地监视器。 此显示器的主要功能是： 显示主要本地信息（即制动气缸压力等）的默认 画面 发送本地命令（即设置乘客车厢温度、灯光等） 显示自动报警 显示车辆设备的状态 显示车辆的故障信息 本地监视器与驾驶台监视器的技术特性相似。表5-2 TS与TD主要显显示信息如下说说明显显示的信息Main monitor (TS
12、) 主监视 器（TS ）列车速度（实际 的与设定 的） 牵引力，电力制动（实际 的与设定的） 线电压 线电 流 线电 流极限 时间 电池电压显 示器 牵引系统配置 Diagnostic monitor (TD) 诊断监视 器 (TD)相关设备 状态 给司机的警告 维修信息八、RIOM RIOM（远程输入/输出模块，）为MPU执行信 号采集并执行由 MPU发送的输出命令。 它们通过车辆牵引总线与MPU进行通信。 每个IO部件可以有不同类型的输入/输出： 数字输入（以电池负极为参考的数字信号） 模拟输入（电流或电压模拟信号） 数字输出（继电器触点，用于断开RIOM与外部电 路的连接） 模拟输出（电
13、流或电压模拟信号）第二节 列车网络控制系统（ TCMS）的冗余性及故障对策 TCMS是一个智能单元，通过采集、 传输信息和命令来管理列车上的大 多数主要设备。为了保证列车上设 备信息传送的正确性，TCMS必须工 作正确。因此，列车网络控制系统 重要部分采取冗余设计来优化系统 的可靠性。 冗余功能以并联连接的冗余输入和冗 余输出实现。 冗余管理依据冗余设备中对故障的辨 识进行完全自动管理。 对于列车认为是重要的信号通过远程 I/O模块被冗余地获得，并沿着MVB串 行线传输到指令和控制单元。一、 网关冗余性 只有一个启用，而另一个处于待机模式，并 且可在已启用的一个发生故障时立即自动开 启。这一转
14、换过程对应用而言是透明的。 为对这种情况进行管理，网关的两个部分通 过一条内部串行总线（CAN）进行通信。同 时还通过同一条串行线进行确定谁为主站、 谁为从站的仲裁。MVB line “2”MVB 1MVB 2GATE 1 in TCN networkMVB 1MVB 2MPU “1”MPU “2”I/O 1 Red.I/O 2 Red.MVB line “1”I/O NON Red.I/O NON Red.I/O 2 Red.I/O NON Red.GATE 2I/O 1 Red. I/O NON Red.正常情况下的网络配置MVB line “2”MVB 1MVB 2GATE1 FAULT
15、Y网关1故障MVB 1MVB 2MPU “1”MPU “2”I/O 1 Red.I/O 2 Red.MVB line “1”I/O NON Red.I/O NONRed.I/O 2 Red.I/O NON Red.GATE 2 IN TCN NETWORKI/O 1 Red.I/O NON Red.GATE 1 FAULTY网关1故障二、 MPU冗余性 MPU的冗余类型为热备冗余。两个MPU均 可管理其MVB总线（单条或多条）。它 们读取相同的输入，并执行相同的任务 。在故障情况下一个会自动接替另一个 。同一总线上的所有设备均由同一MPU 发送指令。 当MPU1故障时，MPU2替代了MPU1作
16、为 MVB“1”和MVB“2”线上的主控制器。MPU1故障时的网络配置三、RIOM冗余性 为实现冗余功能，RIOM的输出继电器以并联 连接。 当一个输出出现故障时，其继电器将被释放 。相应功能由冗余RIOM的输出保证。 最坏的情况可能是当电源故障或MVB接口故 障时，在这种情况下，该RIOM的所有输出继 电器均会被释放。 同样在这种情况下相应功能也由冗余RIOM的 输出保证。四、监视器冗余性 （一）驾驶台监视器冗余性 TS和TD互为冗余。当二者之一出现故 障时，司机可以通过屏幕周围的按键 选择作用模式（TS或TD），以便从另 一个监视器上获取所有画面及信息。 此监视器的冗余性不是自动实现的， 需要司机干
