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绪论--列车通信网络2011

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机车车辆工程系
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1.2.3
WorldFIP总线
• 1987年3月成立的WorldFIP组织以法国几家大公司 为主要成员，开发了FIP（FIP：Factory Instrumentation Protocol）现场总线技术。 • FIP最初为法国标准，后经WorldFIP用户组织推 荐，于1999年被采纳为现场总线国际标准 IEC61158-2，后来，成为WorldFIP。现在 WorldFIP是欧洲现场总线标准EN50170-3和国际 标准IEC61158-type7。
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• LON具有完整的七层协议，具备了局域网的基本 功能，与异型网的兼容性比现存的任何现场总线 都完善。它还提供了与LAN互联的接口，从而实 现两者的有机结合。 • 1997年5月，美国铁路协会AAR将LON作为其列 车内部通信规范，编号为S-4230。 • 1999年8月，IEEE将LON作为其制订的列车通信 协议标准IEEE1473-1999的一部分，即IEEE1473Ｌ。IEEE1473定义了T型（TCN）、L型 （LonWorks）和T/L混合型（WTB/LonWorks）多 种组网方式。
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1.2.1 列车通信网络（TCN）
• 1988年，受国际电工委员会（IEC）第9技术委员会（TC9） 的委托，来自20多个国家（中国、欧洲国家、日本和美 国，以及UIC（国际铁路联盟）的代表组成的第22工作组 （WG22），共同为铁路设备的数据通信制订一项标准。 • 1999年6月，经过长达11年的工作，工作组在ABB公司的 MICAS基础上，以及西门子（Siemens）公司的DIN43322 和意大利的CD450等运行经验的基础上制订的列车通信网 络（TCN）标准 —— IEC61375正式成为国际标准。 • 我国于2002年颁布的铁道部标准TB/T3025－2002也将其正 式确认为列车通信网络标准。 西南交通大学
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“和谐”号高速动车组
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CRH3
CRH2-300 西南交通大学
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• 高速、舒适是世界铁路发展的主要目标和方向。 • 1964年10月1日，世界上第一条高速铁路－－日本 东海道新干线通车，最高运行速度210km/h，拉开 了世界高速铁路的序幕。 • 法国（1981年始）、德国（1991年始）、意大利 （1992年始）、西班牙（1992年始）和英国、瑞 典、韩国等国家取得了高速铁路的成功经验。 • 美国、俄罗斯、比利时、荷兰、我国台湾省等国 家和地区已建成高速铁路。 • 2007年4月3日，法国ALSTOM公司的V150高速动 车组试验速度已达到574.8km/h。
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• 新泽西的“彗星”号列车，由采用TCN的ADtranz机 车和采用LonWorks的ALSTOM客车组成。 • ADtranz已着手开发WTB/ LonWorks网关。实际 上，将WTB网卡与LonWorks网卡的双口RAM数 据通过第三方CPU定时调度即可实现网关功能。 • 2002年7月，我国铁道部制订了列车通信网络标准： TB/T 3035－2002。也将LonWorks网络作为列车 通信网络的一部分，并开始正式在我国机车车辆 上进行应用。 • 目前，LonWorks网络在北美及亚洲一些国家应用 较多，如纽约地铁车辆、“美洲飞人”高速列车、 重载列车的ECP电空制动系统、日本的单轨车 辆，以及我国都有一些应用。
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• 目前TCN在国际上得到了广泛应用，TCN网络技 术在欧盟范围内还得到了一些控制部件供应商的 开发支持：
– 除Siemens的SIBAS16、SIBAS32系统、ADtranz（目前 属于Bombardier公司）的MICAS-S2、MITRC系统外， 芬兰的EKE电子公司、意大利的Far-system公司以及捷 克的Unicontrol公司都开发出了符合TCN和UIC标准的 网关产品，瑞士的Duagon等公司则开发出了基于FPGA 的系列MVB网卡和I/O设备。 – 我国也把IEC61375-1国际标准等效采纳为铁路行业标准 （TB/T3035—2002）之一，并在“中华之星”、“中原之 星”动车组和SS3B型重联电力机车等项目上推广应用。 西南交通大学
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• WorldFIP不论高速还是低速，只有一套通信协 议，所以不需要任何网桥或网关，低速和高速的 衔接只用软件就可实现。 • WorldFIP技术已经被广泛使用在世界上70多个国 家的能源、化工、电力、空间技术、汽车制造等 工业领域。 • WorldFIP在铁路上也有成功的应用，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，成功应用于 TGV高速列车、城市轨道交通等领域，并且在 2007年4月创造了574.8km/h的世界最高运行记录。 • 上海轻轨明珠线上的轻轨车辆也使用了WorldFIP 技术。
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• WTB与MVB之间通过网关进行协议转换。 • 列车总线WTB是对Siemens的DIN43322总线的改 进，主要用于车辆之间的重联通信，其最大的特 点是具有列车初运行和烧结（通信连接器触点去 氧化）等功能； • 车辆总线MVB则来源于ADtranz公司的MICAS总 线（后更名为多功能车辆总线MVB），主要用于 车辆内控制设备的互联； • TCN网络采用基于总线管理器（BA）的集中式介 质访问控制，并支持介质和总线管理器的冗余， 因而具有强实时性和高可靠性等特点
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• WorldFIP与TCN网络类似，使用曼彻斯特编码进 行信号的传输，支持介质和总线仲裁器的冗余， 并且还具备完备的网络管理能力。网络系统由总 线仲裁器和若干用户站组成，系统具有实时性、 同步性、可靠性等特点。 • WorldFIP是开放的现场总线，WorldFIP产品的设 计者、用户或集成商都可以得到WorldFIP组织的 技术培训、一致性测试等支持。 • WorldFIP用户组织目前有100多个成员，经过十多 年的应用与改进，WorldFIP已经是一项完全成熟 的技术，具有品种齐全的通信部件、产品和开发 工具。
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• 2007年4月18日，我国铁路进行第六次大提 速，开行了200km/h的高速动车组，部分线 路区段运行速度达到了250km/h。 • 2008年8月8日，京津客运专线开行了 300km/h的动车组，最高速度350km/h。 • 2009年12月，武广线重联列车达到394km/h 的试验速度。
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• 1.2 列车计算机网络技术的发展
–
70年代末至80年代初，车载微机的雏形分别在西
门子公司和ＢＢＣ公司出现，开始仅仅是用于传 动装置的控制。 – 随着微机技术和通信技术的发展，列车通信网络 在初期的串行通信总线的基础上应运而生。
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– 目前广泛使用的列车通信网络有： • 符合IEC标准的TCN网络（IEC61375）； • 符合IEEE标准的列车通信网络（IEEE1473， 包括TCN网络和LonWorks网络）； • 其他工业控制网络，如应用于法国TGV高速 列车ARGAT控制系统的WorldFIP网络、应用 于日本新干线高速列车采用的ARCNET网络 等。
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• 列车控制的特点也促进了列车通信网络的发展。 由于列车设备具有分散的特点，各个设备是分散 在各个编组的机车车辆中，要使分布于列车中各 车辆的设备协调工作，就必须借助于一个分布式 的计算机控制系统，即列车通信网络来实现。
– 在动力分散的列车中，如何保证在牵引过程中各动车 上的牵引电机协调工作或柴油机的重联控制； – 在列车制动时如何协调各车辆间的制动力分配； – 在摆式列车中如何让每节车辆在进入曲线时依次及时 倾摆等等。
离开列车通信网络是无法实现的！
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• 随着人们生活水平的不断提高，旅客对乘坐舒适 性以及对旅行中的娱乐和资讯的需求也更大。因 此，在世界高速铁路列车运行速度达到300km/h之 后，发展列车主动控制与网络信息技术、提高旅 客乘坐的软环境成为了各个国家机车车辆发展的 另一重要技术方向。
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1.2.4
ARCNET网络
• ARCNET（Auxiliary Resource Computer Network） 是一种基于令牌传递（Token Passing）协议的现 场总线，其最初是美国Datapoint公司在20世纪70 年代末作为办公自动化网络发展起来的。 • 该系统具有快速性、确定性、可扩展性和支持长 距离传输等特点，非常适合过程实时控制，近年 来被广泛应用在各种自动化领域，是一种理想的 现场总线技术。
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• 计算机技术的发展使其在机车车辆上的应用日益 增多，如牵引、供电、制动系统以及主动控制等 都广泛应用了计算机技术，导致车载计算机设备 的数量增加。 • 如何将这些大量的信息安全、快速、可靠准确的 在整个列车上传输，以及如何实现整列车所有车 辆计算机设备之间的信息交换和共享，从而实现 列车安全运行、远程故障诊断和维护，目前成为 了机车车辆学科的一个重要研究方向。
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• ARCNET是一个真正开放标准协议，1999年成为 美国国家标准ANSI/ATA-878.1。 • ARCNET支持总线型、星型以及分布式星型拓扑 结构。 • ARCNET速率为2.5 Mbit/s，传输的介质有同轴电 缆、双绞线、光纤，可满足绝大多数自动控制应 用对速度、抗干扰性和物理介质的要求。使用光 纤时的新型ARCNET plus速率已从原来的2.5 Mb/s 增加到100 Mb/s。

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列车通信网(3)

列车通信网(3)


第一节 TCN（列车通信网络）通信网络
三、绞式列车总线WTB（Wired Train Bus） （五）WTB列车初运行
在初运行过程中，节点和电缆段从电气上连接起来，形 成一条两端都有终端连接器的单一总线。初始时，如果 一个节点未被命名，它的介质连接装置便通过打开总线 开关，同时在与之相连的每段的末端插入一个终端连接 器的方法，把总线断开。介质连接装置的两个信道监听 总线，每个信道监听一个方向。一个没命名的从设备不 能发送帧。
8
8
8
8
8 0..1024bits 16 8 2
flag DD LC SD Size
Link_data
FCS
Flag
E D
time (stuffed bits are not counted)
图3.7 WTB frame (extended ISO/IEC 3309)
第一节 TCN（列车通信网络）通信网络
（二） MVB 帧
MVB介质访问控制采用主从方式，由唯一的主控器以定时轮询的 方式发送主控帧。总线上其它设备均为从属设备，需要根据收到 的主控帧来回送从属帧。它们不能同时发送信息。MVB由专用主 设备—总线管理器进行管理。管理器是唯一的主设备。为增加可 用性，可能有多个总线管理器，可能有多个总线管理器，它们以 令牌方式传递主设备控制权。在列车运行时通信网上传送的只有 过程数据和消息数据，这两种数据用周期传送和非周期传送来区 分。周期性和偶发性数据通信共享同一总线。但在各设备中被分 别处理。周期性和偶发性数据发送由充当主节点的一个设备控制。
第一节 TCN（列车通信网络）通信网络
TCN分为上、下两层，上层为列车总线，即WTB（wirst train bus）绞式列车总线；下层为车辆总线，即MVB （multifunction vehicle bus）
列车通信网络_2数据通信

列车通信网络_2数据通信


单极性不归零制编码(NRZ)
表示二进制数据非常方便 不宜在通信线路上直接传送
连续出现多个“1”或“0”时，由于不归零，造成 同步困难（需设置专门的同步时钟线路）
由于单极性，具直流分量且随传送的数据不同 而变化，引起通信线路电压漂移
00
1
10
1
曼切斯特和差分曼切斯特编码
编码规则
(M)每个二进制位中间一个电平跳变，分为前后两个半 位，正跳变“1”，负跳变“0”
数据 8 9 A B C D E F
4Bit输入 5Bit码组
1000
10010
1001
10011
1010
10110
1011
10111
1100
11010
1101
11011
1110
11100
1111
11101
脉冲编码调制方法
脉冲编码调制PCM(pulse code modulation):数字信号 承载模拟数据
电报通信的莫尔斯码、BCD码、ASCII码
美国标准信息交换码ASCII
数据编码波形
通信系统中以何种物理信号的形式来表达数 据。
数字数据编码
数字数据的数字信号编码 数字数据调制编码
模拟数据编码
模拟数据的数字信号编码 模拟数据调制编码
模拟传输和数字传输
模拟数据,模拟信号
话音
电话
模拟
典型的发送接收设备有：
各种变送器、传感器； 各种数据采集装置，(PLC,PID)控制器； 作为监视操作设备的监控计算机或工作站； 各种调节阀门、电机控制设备、变频器、机器人； 网络连接设备，如中继器、网桥、网关等
数据通信的基本过程
建立通信链路:用户将通信对方地址告知交换机， 交换机查该地址终端。若对方同意，则建立双方 通信的物理信道
列车CRH2组通信网络

列车CRH2组通信网络

目录第一章绪论...............1.1 国内外铁道车辆网络技术的发展........1.2 国内外列车通信网络技术发展概况............. 1.3 国内列车发展第二章列车通信网络结构................................... 2.1 TCN的适用范围.....................2.2 TCN的网络结构..................2.2.1 TCN的网络拓扑结构..................2.2.2 TCN的网络体系结构.....................2.3 MVB总线............................2.3.1 MVB传输介质..........2.3.2 MVB 设备.........2.3.2 MVB 报文.............2.3.3 MVB 介质访问...............2.3.4 MVB 容错......................2.4 WTB总线....................2.4.1 WTB拓扑.............2.4.2 WTB 的介质......................2.4.3 WTB的介质连接方式.........................2.4.4 WTB报文...............2.4.5 WTB 介质访问....................2.5 实时协议.......................2.5.1 列车通信网络服务................2.5.2 变量服务.............2.5.3 消息服务...... ..................2.6 LonWorks总线概述...............2.7 LonWorks总线拓扑结构. ..............2.8 LonWorks通信网络协议..........第三章访问控制方式分析.......................3.1 载波监听多路访问.................3.2 令牌环访问控制方式............................3.3 令牌总线访问控制方式..................第四章列车网络通讯的具体应用................4.1 CRH2动车组概述.......................4.2 CRH2网络控制系统概述..........................4.2.1 系统组成及功能简介..........................4.2.2 网络拓扑结构..........................4.2.3 可靠性与冗余性..........................4.3 LonWorks在列车通信网络上的应用..............4.4 TCN在列车通信网络上的应用................结论................致谢...................参考文献......................第一章绪论高速、舒适是世界铁路发展的主要目标和方向。

绪论--列车通信网络2010

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• 目前TCN在国际上得到了广泛应用，TCN网络技 术在欧盟范围内还得到了一些控制部件供应商的 开发支持：
– 除Siemens的SIBAS16、SIBAS32系统、ADtranz（目前 属于Bombardier公司）的MICAS-S2、MITRC系统外， 芬兰的EKE电子公司、意大利的Far-system公司以及捷 克的Unicontrol公司都开发出了符合TCN和UIC标准的 网关产品，瑞士的Duagon等公司则开发出了基于FPGA 的系列MVB网卡和I/O设备。 – 我国也把IEC61375-1国际标准等效采纳为铁路行业标准 （TB/T3035—2002）之一，并在“中华之星”、“中原之 星”动车组和SS3B型重联电力机车等项目上推广应用。 西南交通大学
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• 列车控制的特点也促进了列车通信网络的发展。 由于列车设备具有分散的特点，各个设备是分散 在各个编组的机车车辆中，要使分布于列车中各 车辆的设备协调工作，就必须借助于一个分布式 的计算机控制系统，即列车通信网络来实现。
– 在动力分散的列车中，如何保证在牵引过程中各动车 上的牵引电机协调工作或柴油机的重联控制； – 在列车制动时如何协调各车辆间的制动力分配； – 在摆式列车中如何让每节车辆在进入曲线时依次及时 倾摆等等。
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• WorldFIP与TCN网络类似，使用曼彻斯特编码进 行信号的传输，支持介质和总线仲裁器的冗余， 并且还具备完备的网络管理能力。网络系统由总 线仲裁器和若干用户站组成，系统具有实时性、 同步性、可靠性等特点。 • WorldFIP是开放的现场总线，WorldFIP产品的设 计者、用户或集成商都可以得到WorldFIP组织的 技术培训、一致性测试等支持。 • WorldFIP用户组织目前有100多个成员，经过十多 年的应用与改进，WorldFIP已经是一项完全成熟 的技术，具有品种齐全的通信部件、产品和开发 工具。