列车总线控制基础(列车通信网络概述)

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1、大连交通大学列车总线控制基础王悦东 大连交通大学课程的基本内容第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大连交通大学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。大连交通大学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

2、客车机车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) 设备运行及状态大连交通大学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）。大连交通大学列车网络的层次结构 大连交通大学常见的列车通信网络1、现场总线2、TCN3、工业以太网大连交通大学现场总线1、定义2、组成3、特点l1）全数字通信l2）系统的开放性l3）互可操作性l4）通信的实时性与确定性l5）功能自治性l6）现场环境的适应性4、优缺点5、与计算机通信的区别大连交通大学网 络 节 点包括PLC以及各种智能化的现场控制设备 基于统一、规

3、范的通信协议 通过同一总线实现相互间的数据传输与信息共享 网 络 体 系通信总线在现场设备中的延伸 生产控制 网络结构 位于的底层 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、双向传输、多分支结构的通信网络。大连交通大学u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大连交通大学u开放

4、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.现场总线的特点大连交通大学u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大连交通大学u分散控制u

5、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。u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.现场总线的特点现场总线概述大连交通大学u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大连交通大学u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

6、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大连交通大学2.现场总线的特点现场总线控制系统结构现场总线概述大连交通大学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、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大连交通大学(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大连交通大学线状（总

7、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大连交通大学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大连交通大学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大连交通大

8、学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。线的发展。 但是，二者在但是，二者在基本功能基本功能、信号传输要求信号传输要求和和网络结网络结 构构上均有所不同。上均有所不同。大连交通大学1. 1. 基本功能基本功能计算机通信的基本功能：可靠地传递信息。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：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，高效、低成本地实现仪表及自控设备间的全数字化通信， 以体现其以体现其经济性；经济性； 解决现场装置的总线

9、供电问题，实现性现场总线的本质安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，以体现其全规范，以体现其安全性安全性； 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、适度、振动等因素，以体现其可靠性可靠性； 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 展趋势展趋势信息处理现场化信息处理现场化。现场总线技术与计算机通信技术大连交通大学2.2.

10、信号传输要求信号传输要求l l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，还要求响应快，即需要满足控制系统的实时性实时性要求。要求。l l一般通信系统也会有实时性的要求，但这是一种一般通信系统也会有实时性的要求，但这是一种“ “软软” ”的要求，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 是是“ “硬硬” ”的，因为它往往涉及安全，必须在任何时间都及时响应的，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

11、确定性。，不允许有不确定性。现场总线技术与计算机通信技术大连交通大学2.2.信号传输要求信号传输要求现场总线的实时性主要体现在现场总线的实时性主要体现在响应时间响应时间和和循环周期循环周期二个方面二个方面 ：l l响应时间响应时间是指系统发生特殊请求或发生突发事件时，仪表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先级控制等多种因素。过程控制系

12、统通常并不要求这个时 间达到最短，但它要求最大值是间达到最短，但它要求最大值是预先可知预先可知的。的。l l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，交流，循环周期循环周期是指系统与所有现场控制设备都至少完成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，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过程控制系统同样希望其最大值是可预知可预知的。的。现场总线技术与计算机通信技术大连交通大学2.2.信号传输要求信号传输要求现场总线通常采用以下二种技术来保证

13、其实时性：现场总线通常采用以下二种技术来保证其实时性： 简化技术简化技术：极大地提高通信传递速度：极大地提高通信传递速度l l简化网络结构：一般将网络形式简化成线形；简化网络结构：一般将网络形式简化成线形；l l简化通信模型，一般只利用了简化通信模型，一般只利用了OSI/RMOSI/RM中的中的2 23 3层；层；l l简化节点信息，通常简化到只有几字节。简化节点信息，通常简化到只有几字节。采用网络管理技术采用网络管理技术来实现实时性，并保证其可预知性。来实现实时性，并保证其可预知性。l l例如例如: :采用主采用主- -从访问方式，只要限制网络的规模，就可以从访问方式，只要限制网络的规模，就

14、可以 将响应时间控制在指定的时间内。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总之，实时性要求是现场总线区别于区别于一般计算机通信的一般计算机通信的主要主要 因素因素。改善现场总线的实时性，。改善现场总线的实时性，减少响应时间的不确定性减少响应时间的不确定性 是现场总线的重要发展趋势。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大连交通大学3.网络结构计算机通信系统的结构是计算机通信系统的结构是网络状网络状的，节点间的通信路径是不固定的，节点间的通信路径是不固定 的；的； 大部分现场总线的结构是大部分现场总线的结构是线状线状的，节点间的通信路径是比较固定的，节点间的通

15、信路径是比较固定 的。的。 FBFB采用线状结构的原因在于：采用线状结构的原因在于： 容易实现对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大连交通大学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

16、与计算机通信技术大连交通大学2.现场总线比较现场总线标准大连交通大学30现场总线德国西门子公司：1979年德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大连交通大学TCN （列车通信网络）概述l功能l体系结构lWTB和MVB的特点 多功能车辆总线 MVBlMVB物理层lMVB帧 绞式列车总线WTBlWTB特性摘要lWTB网络拓扑lWTB帧、报文lWTB介质访问控制方式l列车初运行 【