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2021-03-31
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随着技术的进步和市场需求的变化，铁路机车车辆工业对列车微机控制系统中的车载数据通信网络提出了新的要求，期望建立一个在机车车辆内部及列车和地面控制系统之间交换控制命令、状态、故障诊断信息以及旅客信息等的数据通信网络。为此，国际电工委员会制定了IEC61375—1:1999《列车通信网络》，它包括2种总线，即列车总线WTB和多功能车辆总线MVB，分别用来连接列车的各个车厢和车厢内的电气设备。本文结合“北亚”号内燃动车组，研究基于TCN技术的内燃动车组列车通讯网络。
“北亚”号内燃动车组是一种自带动力、具有载客功能、成组运行的轨道交通工具，动车组设头尾2辆动车，中间由几节拖车组成。司机在头车操纵，尾车不配司机。头尾2辆车控制系统完全相同，并相互联锁，尾车控制系统通过列车通讯网络接收头车操纵指令，头尾2辆车同步工作，头车的监控信息在头车直接显示，尾车的监控信息可以通过通讯网络在头车司机台显示，司机在头车上可以操纵2台动车的各个工况。该列车通讯网络可完成头尾2辆动车的重联控制、监测并实施安全保护。
1 动车组列车通信网络拓扑结构
“北亚”号内燃动车组采用列车控制与通讯网络系统对整列车进行控制，网络拓扑结构如图1所示。按照TCN标准，列车通讯网络分为2级，第1级为绞线式列车总线WTB，实现车辆间的数据通信；第2级为多功能车辆总线MVB，主要实现同一车辆内各个功能控制单元之间的数据通信。
每台动车由1个微机控制装置和1个智能显示单元组成。在头尾2辆动车上各装有1台控制机箱，每台机箱中装有数字量输入/输出单元（DI/DO）、模拟量输入/输出单元（AX）、车辆控制单元（VCU）、无线数据传输单元（GPRS板）、网关（GW）和智能显示单元（IDU）。2台控制机箱间采用WTB通讯；每台控制箱内各单元之间采用MVB通讯，其介质采用电气中距离介质EMD。
2 列车控制与通信网络系统的组成
列车控制与通信网络系统采用通用的EXP机箱，机箱为背板式结构。以C8051F040CPU为核心，由开关电源、数字量输入/输出、模拟量输入/输出、无线数据传输单元等组成，各单元通过MVB总线与CPU进行数据交换。各插件功能介绍如下。
2.1 开关电源
采用开关电源技术，将输入24V电源变换为+5V和±15V电源，给机箱、网关、输入输出单元及传感器供电。
2.2 数字量输入/输出
采用光电隔离技术，接收司机控制指令及动车状态信号，完成动车逻辑控制。
2.3 模拟量输入/输出
对动车速度、柴油机转速、柴油机润滑油压力、柴油机冷却水温度信号进行采样。
2.4 无线通讯模块
无线数据传输单元是利用通用分组无线业务GPRS将动车组现场采集的数据传输到地面监控站，供相关人员对机车的运行状态进行监控。
2.5 车辆控制单元VCU
VCU主要实现系统的逻辑控制功能，其组成如图2所示。具有RS—232、RS—485、CAN以及MVB通信接口，其中RS—485和CAN为功能扩充预留。
VCU采用C8051F040单片机，其速度可达25MIPS（使用25MHz时钟）。具有4352字节内部数据RAM（4K+256）和64KBFLASH。
VCU的主要功能有：
（1）实现动车组的柴油机、辅助发电机、空气压缩机等设备的逻辑控制及故障诊断功能。
（2）头尾2辆动车的VCU依靠司机钥匙档位定义主控微机信号来确定主控微机。当1台VCU被定义为主控微机时，则另一台VCU为从控微机。从控微机不具有MVB总线管理器功能。
（3）实现防空转/防滑控制功能。在牵引或制动工况下，系统检测轮根据空转或滑行程度的不同，采取撒沙、降功、卸载等保护措施，以充分利用动车粘着性能，发挥牵引力。
（4）具有柴油机与动车电气系统保护功能。动车微机实时检测柴油机温度、压力、转速等信号。若这些信号超过正常工作范围，则根据故障的不同种类分别采取报警、降功、卸载、停机等措施对其进行保护并记录，确保柴油机和换档机构的正常工作。
3 列车TCN网络通信及重联控制
通信采用TCN网络，取消了以往动车组头尾2辆动车之间的所有硬连线。为了提高可靠性，采用双通道热备冗余控制方案，即采用2路WTB总线同时传递数据，当一路发生故障时，由软件自动完成转换。
3.1 TCN网络的组成
3.1.1 组成
该列车通讯网络完全符合TCN标准。网络上设有2个WTB节点，头尾2辆动车上各1个。列车总线WTB和多功能车辆总线MVB通过网关连接。
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