隨著技術(shù)的進(jìn)步和市場需求的變化，鐵路機(jī)車車輛工業(yè)對列車微機(jī)控制系統(tǒng)中的車載數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)提出了新的要求，期望建立一個(gè)在機(jī)車車輛內(nèi)部及列車和地面控制系統(tǒng)之間交換控制命令、狀態(tài)、故障診斷信息以及旅客信息等的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。為此，國際電工委員會(huì)制定了IEC61375—1:1999《列車通信網(wǎng)絡(luò)》，它包括2種總線，即列車總線WTB和多功能車輛總線MVB，分別用來連接列車的各個(gè)車廂和車廂內(nèi)的電氣設(shè)備。本文結(jié)合“北亞”號內(nèi)燃動(dòng)車組，研究基于TCN技術(shù)的內(nèi)燃動(dòng)車組列車通訊網(wǎng)絡(luò)。
“北亞”號內(nèi)燃動(dòng)車組是一種自帶動(dòng)力、具有載客功能、成組運(yùn)行的軌道交通工具，動(dòng)車組設(shè)頭尾2輛動(dòng)車，中間由幾節(jié)拖車組成。司機(jī)在頭車操縱，尾車不配司機(jī)。頭尾2輛車控制系統(tǒng)完全相同，并相互聯(lián)鎖，尾車控制系統(tǒng)通過列車通訊網(wǎng)絡(luò)接收頭車操縱指令，頭尾2輛車同步工作，頭車的監(jiān)控信息在頭車直接顯示，尾車的監(jiān)控信息可以通過通訊網(wǎng)絡(luò)在頭車司機(jī)臺顯示，司機(jī)在頭車上可以操縱2臺動(dòng)車的各個(gè)工況。該列車通訊網(wǎng)絡(luò)可完成頭尾2輛動(dòng)車的重聯(lián)控制、監(jiān)測并實(shí)施安全保護(hù)。
1 動(dòng)車組列車通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
“北亞”號內(nèi)燃動(dòng)車組采用列車控制與通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對整列車進(jìn)行控制，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。按照TCN標(biāo)準(zhǔn)，列車通訊網(wǎng)絡(luò)分為2級，第1級為絞線式列車總線WTB，實(shí)現(xiàn)車輛間的數(shù)據(jù)通信；第2級為多功能車輛總線MVB，主要實(shí)現(xiàn)同一車輛內(nèi)各個(gè)功能控制單元之間的數(shù)據(jù)通信。
每臺動(dòng)車由1個(gè)微機(jī)控制裝置和1個(gè)智能顯示單元組成。在頭尾2輛動(dòng)車上各裝有1臺控制機(jī)箱，每臺機(jī)箱中裝有數(shù)字量輸入/輸出單元（DI/DO）、模擬量輸入/輸出單元（AX）、車輛控制單元（VCU）、無線數(shù)據(jù)傳輸單元（GPRS板）、網(wǎng)關(guān)（GW）和智能顯示單元（IDU）。2臺控制機(jī)箱間采用WTB通訊；每臺控制箱內(nèi)各單元之間采用MVB通訊，其介質(zhì)采用電氣中距離介質(zhì)EMD。
2 列車控制與通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組成
列車控制與通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用通用的EXP機(jī)箱，機(jī)箱為背板式結(jié)構(gòu)。以C8051F040CPU為核心，由開關(guān)電源、數(shù)字量輸入/輸出、模擬量輸入/輸出、無線數(shù)據(jù)傳輸單元等組成，各單元通過MVB總線與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。各插件功能介紹如下。
2.1 開關(guān)電源
采用開關(guān)電源技術(shù)，將輸入24V電源變換為+5V和±15V電源，給機(jī)箱、網(wǎng)關(guān)、輸入輸出單元及傳感器供電。
2.2 數(shù)字量輸入/輸出
采用光電隔離技術(shù)，接收司機(jī)控制指令及動(dòng)車狀態(tài)信號，完成動(dòng)車邏輯控制。
2.3 模擬量輸入/輸出
對動(dòng)車速度、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、柴油機(jī)潤滑油壓力、柴油機(jī)冷卻水溫度信號進(jìn)行采樣。
2.4 無線通訊模塊
無線數(shù)據(jù)傳輸單元是利用通用分組無線業(yè)務(wù)GPRS將動(dòng)車組現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控站，供相關(guān)人員對機(jī)車的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。
2.5 車輛控制單元VCU
VCU主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯控制功能，其組成如圖2所示。具有RS—232、RS—485、CAN以及MVB通信接口，其中RS—485和CAN為功能擴(kuò)充預(yù)留。
VCU采用C8051F040單片機(jī)，其速度可達(dá)25MIPS（使用25MHz時(shí)鐘）。具有4352字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM（4K+256）和64KBFLASH。
隨著技術(shù)的進(jìn)步和市場需求的變化，鐵路機(jī)車車輛工業(yè)對列車微機(jī)控制系統(tǒng)中的車載數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)提出了新的要求，期望建立一個(gè)在機(jī)車車輛內(nèi)部及列車和地面控制系統(tǒng)之間交換控制命令、狀態(tài)、故障診斷信息以及旅客信息等的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。為此，國際電工委員會(huì)制定了IEC61375—1:1999《列車通信網(wǎng)絡(luò)》，它包括2種總線，即列車總線WTB和多功能車輛總線MVB，分別用來連接列車的各個(gè)車廂和車廂內(nèi)的電氣設(shè)備。本文結(jié)合“北亞”號內(nèi)燃動(dòng)車組，研究基于TCN技術(shù)的內(nèi)燃動(dòng)車組列車通訊網(wǎng)絡(luò)。
“北亞”號內(nèi)燃動(dòng)車組是一種自帶動(dòng)力、具有載客功能、成組運(yùn)行的軌道交通工具，動(dòng)車組設(shè)頭尾2輛動(dòng)車，中間由幾節(jié)拖車組成。司機(jī)在頭車操縱，尾車不配司機(jī)。頭尾2輛車控制系統(tǒng)完全相同，并相互聯(lián)鎖，尾車控制系統(tǒng)通過列車通訊網(wǎng)絡(luò)接收頭車操縱指令，頭尾2輛車同步工作，頭車的監(jiān)控信息在頭車直接顯示，尾車的監(jiān)控信息可以通過通訊網(wǎng)絡(luò)在頭車司機(jī)臺顯示，司機(jī)在頭車上可以操縱2臺動(dòng)車的各個(gè)工況。該列車通訊網(wǎng)絡(luò)可完成頭尾2輛動(dòng)車的重聯(lián)控制、監(jiān)測并實(shí)施安全保護(hù)。
1 動(dòng)車組列車通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
“北亞”號內(nèi)燃動(dòng)車組采用列車控制與通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對整列車進(jìn)行控制，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。按照TCN標(biāo)準(zhǔn)，列車通訊網(wǎng)絡(luò)分為2級，第1級為絞線式列車總線WTB，實(shí)現(xiàn)車輛間的數(shù)據(jù)通信；第2級為多功能車輛總線MVB，主要實(shí)現(xiàn)同一車輛內(nèi)各個(gè)功能控制單元之間的數(shù)據(jù)通信。
每臺動(dòng)車由1個(gè)微機(jī)控制裝置和1個(gè)智能顯示單元組成。在頭尾2輛動(dòng)車上各裝有1臺控制機(jī)箱，每臺機(jī)箱中裝有數(shù)字量輸入/輸出單元（DI/DO）、模擬量輸入/輸出單元（AX）、車輛控制單元（VCU）、無線數(shù)據(jù)傳輸單元（GPRS板）、網(wǎng)關(guān)（GW）和智能顯示單元（IDU）。2臺控制機(jī)箱間采用WTB通訊；每臺控制箱內(nèi)各單元之間采用MVB通訊，其介質(zhì)采用電氣中距離介質(zhì)EMD。
2 列車控制與通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組成
列車控制與通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用通用的EXP機(jī)箱，機(jī)箱為背板式結(jié)構(gòu)。以C8051F040CPU為核心，由開關(guān)電源、數(shù)字量輸入/輸出、模擬量輸入/輸出、無線數(shù)據(jù)傳輸單元等組成，各單元通過MVB總線與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。各插件功能介紹如下。
2.1 開關(guān)電源
采用開關(guān)電源技術(shù)，將輸入24V電源變換為+5V和±15V電源，給機(jī)箱、網(wǎng)關(guān)、輸入輸出單元及傳感器供電。
2.2 數(shù)字量輸入/輸出
采用光電隔離技術(shù)，接收司機(jī)控制指令及動(dòng)車狀態(tài)信號，完成動(dòng)車邏輯控制。
2.3 模擬量輸入/輸出
對動(dòng)車速度、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、柴油機(jī)潤滑油壓力、柴油機(jī)冷卻水溫度信號進(jìn)行采樣。
2.4 無線通訊模塊
無線數(shù)據(jù)傳輸單元是利用通用分組無線業(yè)務(wù)GPRS將動(dòng)車組現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控站，供相關(guān)人員對機(jī)車的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。
2.5 車輛控制單元VCU
VCU主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯控制功能，其組成如圖2所示。具有RS—232、RS—485、CAN以及MVB通信接口，其中RS—485和CAN為功能擴(kuò)充預(yù)留。
VCU采用C8051F040單片機(jī)，其速度可達(dá)25MIPS（使用25MHz時(shí)鐘）。具有4352字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM（4K+256）和64KBFLASH。
VCU的主要功能有：
（1）實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組的柴油機(jī)、輔助發(fā)電機(jī)、空氣壓縮機(jī)等設(shè)備的邏輯控制及故障診斷功能。
（2）頭尾2輛動(dòng)車的VCU依靠司機(jī)鑰匙檔位定義主控微機(jī)信號來確定主控微機(jī)。當(dāng)1臺VCU被定義為主控微機(jī)時(shí)，則另一臺VCU為從控微機(jī)。從控微機(jī)不具有MVB總線管理器功能。
（3）實(shí)現(xiàn)防空轉(zhuǎn)/防滑控制功能。在牽引或制動(dòng)工況下，系統(tǒng)檢測輪根據(jù)空轉(zhuǎn)或滑行程度的不同，采取撒沙、降功、卸載等保護(hù)措施，以充分利用動(dòng)車粘著性能，發(fā)揮牽引力。
（4）具有柴油機(jī)與動(dòng)車電氣系統(tǒng)保護(hù)功能。動(dòng)車微機(jī)實(shí)時(shí)檢測柴油機(jī)溫度、壓力、轉(zhuǎn)速等信號。若這些信號超過正常工作范圍，則根據(jù)故障的不同種類分別采取報(bào)警、降功、卸載、停機(jī)等措施對其進(jìn)行保護(hù)并記錄，確保柴油機(jī)和換檔機(jī)構(gòu)的正常工作。
3 列車TCN網(wǎng)絡(luò)通信及重聯(lián)控制
通信采用TCN網(wǎng)絡(luò)，取消了以往動(dòng)車組頭尾2輛動(dòng)車之間的所有硬連線。為了提高可靠性，采用雙通道熱備冗余控制方案，即采用2路WTB總線同時(shí)傳遞數(shù)據(jù)，當(dāng)一路發(fā)生故障時(shí)，由軟件自動(dòng)完成轉(zhuǎn)換。
3.1 TCN網(wǎng)絡(luò)的組成
3.1.1 組成
該列車通訊網(wǎng)絡(luò)完全符合TCN標(biāo)準(zhǔn)。網(wǎng)絡(luò)上設(shè)有2個(gè)WTB節(jié)點(diǎn)，頭尾2輛動(dòng)車上各1個(gè)。列車總線WTB和多功能車輛總線MVB通過網(wǎng)關(guān)連接。
車廂總線MVB上附掛有模擬量輸入/輸出單元、數(shù)字量輸入/輸出單元、車輛控制單元、智能顯示單元和無線通訊單元，這些單元通過MVB總線連接起來，傳遞相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。
3.1.2 車輛控制單元與網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信方式
主CPU與網(wǎng)絡(luò)通過UART仿真技術(shù)交換數(shù)據(jù)。
主CPU采用查詢方式定時(shí)從輸入緩沖區(qū)中讀取2個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的信息，并進(jìn)行校驗(yàn)。當(dāng)校驗(yàn)正確時(shí)，返回正確標(biāo)志，將數(shù)據(jù)提供給本車使用；反之，若校驗(yàn)出錯(cuò)，則返回錯(cuò)誤標(biāo)志，將所收到的數(shù)據(jù)丟棄。當(dāng)主微機(jī)的數(shù)據(jù)需要更新時(shí)，主CPU向輸出緩沖區(qū)寫數(shù)據(jù)供他車使用。正常情況下，2個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是同時(shí)工作的，并通過2根WTB總線實(shí)現(xiàn)冗余。當(dāng)主CPU檢測到一路通信故障時(shí)，由網(wǎng)關(guān)中的軟件識別并自動(dòng)轉(zhuǎn)換到另一路，并在顯示器上提示該路網(wǎng)絡(luò)通信故障。
3.1.3 網(wǎng)關(guān)的配置
在該動(dòng)車組的列車控制與通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，采用捷克Unicontrols公司生產(chǎn)的網(wǎng)關(guān)。該網(wǎng)關(guān)在購買時(shí)帶有底層軟件，在應(yīng)用層面上只需根據(jù)需要對網(wǎng)關(guān)進(jìn)行相應(yīng)配置即可（包括動(dòng)車組的組成、車廂的類型、車廂內(nèi)的設(shè)備、通信存儲(chǔ)器及端口的配置等）。
3.2 TCN列車通信網(wǎng)絡(luò)的功能
3.2.1 列車重聯(lián)控制功能
頭車將司機(jī)控制指令及動(dòng)車狀態(tài)信號傳送給尾車，可實(shí)現(xiàn)尾車無人駕駛。尾車檢測動(dòng)車狀態(tài)信號傳送給頭車，以便司機(jī)了解他車運(yùn)行情況，確保列車工況一致。
3.2.2 頭尾2輛車監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通信功能
頭尾2輛車實(shí)時(shí)檢測動(dòng)車及柴油機(jī)的速度、檔位、方向、溫度、壓力等信號，通過網(wǎng)絡(luò)傳遞給智能顯示單元顯示，以便司機(jī)及時(shí)了解列車的運(yùn)行信息，確保列車正常運(yùn)行。
3.3 動(dòng)車組重聯(lián)控制邏輯
3.3.1 操縱端控制
為了防止控制邏輯錯(cuò)誤，首先必須確定操縱端。
在該網(wǎng)絡(luò)中，通過司機(jī)鑰匙來確定操縱端。司機(jī)鑰匙在“ON”位置的動(dòng)車為操縱端，另一動(dòng)車為尾車。若兩動(dòng)車同時(shí)設(shè)置為操縱端，則顯示“操縱端設(shè)置錯(cuò)誤”，兩車控制均處于無效狀態(tài)。
3.3.2 工況控制
頭車完成本車的所有控制功能，實(shí)時(shí)檢測工況、方向、司機(jī)控制器手柄等信號，并將相應(yīng)的控制指令通過TCN網(wǎng)絡(luò)傳給尾車，同時(shí)將尾車的狀態(tài)通過指示燈顯示在司機(jī)臺上。尾車接受頭車指令，控制尾車相應(yīng)的繼電器動(dòng)作，檢測動(dòng)作正確后，完成動(dòng)車相應(yīng)檔位加減載控制，否則不加載并提示尾車工況錯(cuò)誤。
4 智能顯示單元
4.1 智能顯示單元的組成及軟件
智能顯示單元主要用于顯示連接到列車總線上的各子系統(tǒng)的狀態(tài)、列車基本運(yùn)行數(shù)據(jù)、列車狀態(tài)信息和故障診斷信息。智能顯示單元由彩色液晶觸摸屏、PC104嵌入式模塊、網(wǎng)絡(luò)接口卡、顯示卡等組成，司機(jī)通過觸摸屏，可了解動(dòng)車運(yùn)行情況和查詢故障信息。
智能顯示單元的應(yīng)用軟件采用北京昆侖通態(tài)公司的MCGS全中文工業(yè)自動(dòng)化控制組態(tài)軟件編寫。軟件編寫時(shí)通過對MVB邏輯端口進(jìn)行配置，并將MVB邏輯端口和MCGS軟件中的數(shù)據(jù)變量連接起來，通過編寫腳本程序進(jìn)行不同量綱間的轉(zhuǎn)換和實(shí)現(xiàn)過程數(shù)據(jù)顯示功能。軟件在PC機(jī)上調(diào)試通過后，下載到智能顯示單元的CF卡上，然后在智能顯示單元的Win2dowsCE操作系統(tǒng)下運(yùn)行。
4.2 智能顯示單元的主要功能
該智能顯示單元為司機(jī)及維護(hù)人員提供了良好的人機(jī)接口。具體功能如下：
（1）實(shí)時(shí)顯示動(dòng)車運(yùn)行參數(shù)，如動(dòng)車組運(yùn)行速度、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、溫度、壓力、工況等；
（2）以不同顏色的指示燈顯示動(dòng)車的故障信息，如柴油機(jī)超速、動(dòng)車組超速、柴油機(jī)滑油壓力低、柴油機(jī)水溫高等，并進(jìn)行相應(yīng)故障處理，如報(bào)警、降功、卸載等；
（3）日歷、時(shí)間顯示及校正；
（4）查詢動(dòng)車故障；
（5）完成動(dòng)車輪徑值修改。
5 結(jié)語
從內(nèi)燃動(dòng)車組TCN網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)運(yùn)行情況看，該系統(tǒng)工作可靠，能滿足內(nèi)燃動(dòng)車組控制要求。但由于該控制系統(tǒng)的車輛控制單元采用C8051F040微處理器，其運(yùn)算速度有限，存儲(chǔ)空間較小，不能存儲(chǔ)歷史故障數(shù)據(jù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，采用帶有嵌入式系統(tǒng)的車輛控制單元并采用圖形化編程軟件，使所開發(fā)的TCN網(wǎng)絡(luò)達(dá)到國外同類產(chǎn)品的水平，從而開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的列車控制與通信網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，是將來研究中要解決的主要問題。