２０１０年第５期 ２Ｏｌ０年９月ｌ０日 机 车 电 传 动 ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＤＲＩＶＥ ＦＯＲ ＬＯＣＯＭＯＴＩＶＥＳ 研究开发 作者简介：震雪妓（Ｉ９７７一）， 摘要：针对铁路信息网络化发展方向，提出一套以ＬｏｎＷｏｒｋｓ网络为载体，实现联网控制各车女，工程师・主要 事电 工 。 厢在线数据的采集、存储、故障诊断、控制等功能的系统。阐述了车载网络的架构、网络热备及其实 妻电气系统设计和研发 现方案。 关键词：铁路客车；车载网络；ＬｏｎＷｏｒｋｓ；双口ＲＡＭ；网络冗余 中图分类号：ＴＰ３９３；Ｕ２７０．３８＋２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—１２８Ｘ（２０１０）０５—００３９—０３ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅａｌｉｚｅ ｏｆ Ｔｒａｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｏｎ．ｂｏａｒｄ Ｎｅｔｗｏｒｋ ＹＵＡＮ Ｘｕｅ－ｊｉａｏ，ＬＩ Ｌａｎ，ＧＯＮＧ Ｊｕｎ （Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｚｈｕｚｈｏｕ ＣＳＲ Ｔｉｍｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｚｈｕｚｈｏｕ，Ｈｕｎａｎ ４１２００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｒａｉｌｗａｙ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａ ｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈ ｈａｄ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｏｎｌｉｎｅ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ｓｔｏｒａｇｅ，ｆａｕｌｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＬｏｎＷｏｒｋｓ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｏｆ ｏｎ— ｂｏａｒｄ ｎｅｔｗｏｒｋ，ｎｅｔｗｏｒｋ ｈｏｔ ｂａｃｋｕｐ ａｎｄ ｉｔｓ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐａｓｓｅｎｇｅｒ ｃａｒｓ；ｏｎ・ｂｏａｒｄ ｎｅｔｗｏｒｋ；ＬｏｎＷｏｒｋｓ，ｄｕａｌ—ｐｏｔ ＲＡＭ；ｎｅｔｗｏｒｋ ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ ０ 引言 目前客车电气控制系统已从简单、单一的电气控 制发展到综合电气控制，以我国２５Ｔ型客车为典型代 表，客车电气控制如空调、供电、照明、门控、防滑器 等装置的电气控制都由ＰＬＣ完成。再通过ＰＬＣ将采集到 的数据上传到单一的ＬｏｎＷｏｒｋｓ网络连接，进行集中处 理、显示。为增加电气控制的集中控制能力和 ＬｏｎＷｏｒｋｓ网络的可靠性，提出了“客车电气控制监测 系统”的设计方案，采取自行设计电气模块对电气节 点进行控制，网络采用双网络冗余设计，同时通过车 ～设备运行情况，利用车载数据库进行在线的智能诊 断；并通过双网络实现网络的热备冗余，保证铁路客 车系统的稳定可靠运行。地一车无线通信系统由安装 在列车网络管理器中的ＧＰＲＳ通信模块组成，系统负责 将列车网络管理器整理存储的列车运行信息发送到地 面处理设备。地面数据管理与专家系统由ＧＰＲＳ通信模 块和包含地面数据分析、数据管理软件的计算机组成。 通过３方面的协调工作，实现对客车电气的实时控制与 监测。系统结构如 １所示。 地无线通信实现了远程控制。 １ 系统结构 客车电气控制监测系统是一个基于车载系统、车 一地无线通信系统和地面数据管理与专家系统于一体 的客车安伞运行控制、监测与调度系统。车载系统基 于控制网络采集、分析、处理客车上二各车厢内的电气 收稿日期：２０１ ０—０３—０４；收修改稿日期：２０１０—０５—２５ Ｉ 系统结构 ２ 系统功能 客车电气控制检测系统通过车载网络和车地无线 电源电流、整流电压、电池电压、空调状态等。⑧车载 网络自动切换功能：当列车级主机诊断出其中一个 ＬｏｎＷｏｒｋｓ网络出现故障时，能够自动切换到另一网 络，不影响客车通信的正常工作。⑨故障诊断功能：智 能诊断关键设备故障。⑩无线转储功能：通过无线网 络将车载设备的运行状态及故障信息实时发送到地 面。⑩地面控制功能：地面装置能够实现远程监控、下 载数据和实时调度。 传输网络实现对车载数据的统一管理和控制。系统围 绕着智能化控制客车电气系统和保障系统安全可靠为 主题，设计各项软硬件功能。通过处理和分析动态监 测到的各类数据对车厢内的电气进行协调控制。系统 实现的主要功能如下：①电源供电转换功能：综合控 制柜的主电源有两路供电，通过车载网络控制电源转 换为“自动”、“试验Ｉ路”和“试验Ⅱ路”。②空调机组 控制功能：通过检查车厢内的温度情况，控制各车厢 内空调转换开关实现“自动”、“制冷”和“制热”。③照 明控制功能：照明控制一直采用手动操作，控制器不 自动进行控制，但可以在列车级实现集中控制。转换 ３ 车载网络的设计与实现 ３．１车载网络的构架 车载网络为实现每个车厢结点的智能通信，选择 了ＬｏｎＷｏｒｋｓ网络的神经元芯片（Ｎｅｕｒｏｎ Ｃｈｉｐ）３１５０开 发智能通信节点。在每列车的主控室设置一个列车级 节点，每节车厢设置一个车厢级节点，列车级节点和 车厢级节点均挂在ＬｏｎＷｏｒｋｓ网络上，通过ＬｏｎＷｏｒｋｓ 网络贯通全列车。 开关放置于乘务员室（餐车则放置于控制柜面板）。④ 应急蛊褐转挽功能：当供电主电路因故障停止供电或 整流模块电源发生故障时，整流模块电源停止向一般 负载供电，同时蓄电池向应急负载供电，触摸屏显示 电池电压（应急负载电压）和电池放电电流。⑤动态识 别车厢：能够自动识别车厢类别，设置车号。⑥状态监 视功能：通过车载网络将轴温、防滑器、烟火报警器、 每一车厢级节点配备１个车厢级模块，每一车厢级 模块设有２个独立的ＬｏｎＷｏｒｋｓ收发器，以实现网络系 统的双路冗余。列车级节点配备２个独立的列车级模 块，每个模块连接一路网络，实现网络双路冗余。每一 车门、车下电源箱的状态信息发送给控制器，并在显 示器上显示。通过显示器上的“本车网络”触摸开关可 以查询本车轴温报警器、防滑器、烟火报警器、车门的 详细信息。⑦数据记录功能：直流控制柜、交流控制 柜，能记录当前时间、车内温度、供电状态、电源电压、 列车级模块通过ＵＳＢ总线与列车级主机相连，列车级 主机收集整车数据，诊断故障信息，显示列车的实时 状况。网络双路冗余采取热备方式，当列车级主机诊 断出一个网络出现问题时及时切换到另一网络工作， 保证系统的正常安全工作。如图２所示。 陶２ 车载网络构架 ３．２车载网络的设计实现 将车厢总线的数据上传到车载ＬｏｎＷｏｒｋｓ总线，并且考 ３．２．１ 车载网络的车厢级模块硬件实现 车厢级模块采用双口ＲＡＭＩＤＴ７１３２１作为与车厢总 虑到双网冗余特性采用２个收发器（ＦＴＴ一１０Ａ）同时完 成数据的传输，２套系统同时独立一ｒ作，互不影响，从 而实现网络的冗余热备。实现车厢级节点与车载 线的数据交换桥梁，通过神经元芯片（Ｎｅｕｒｏｎ Ｃｈｉｐ）３１５０ 第５期 袁雪姣，李 岚，龚 军：客车电气控制监测系统及车载网络的设计实现 ＬｏｎＷｏｒｋｓ总线的通信功能。车厢级模块的结构如图３ 所示。 车厢级模块 ：：：：：：：：：：一ｉ 下达到各车厢内的电气节点。实现方式与车厢级模块 相似，列车级模块通过采用双口ＲＡＭＩＤＴ７ｌ３２１作为通 信桥梁，将ＬｏｎＷｏｒｋｓ总线上的内容信息通过收发器 （ｂ－Ｔｒ－１０Ａ）直接写入双口ＲＡＭ中，然后通过ＡＴ８９Ｃ５２对 双口ＲＡＭ提取数据，再通过ＵＳＢ接口芯片转发到列车 级主机中。结构如图５所示。 列车级模块 Ａ板Ｉｏ 总 厢主线 嚣善 ＞ 盆缸ｊ茹 图３ 车胭级模块框图 ＡＩＯ板（模拟信号采集板）独立采集车厢内的模拟 量信号，并通过车厢总线直接访问车厢级模块的双口 ＲＡＭ。车厢级模块的神经元芯片３１５０通过双口ＲＡＭ获 取数据，同时将数据传输到ＬｏｎＷｏｒｋｓ总线上。由于双 骨 １．．＿－Ｊ ３神经兀芯片１Ｓ ０一图５ 列车级模块框网 口ＲＡＭ采用２路独立的地址、数据及控制信号，以完成 对一个通常的ＲＡＭ数据存储阵列的读、写操作，允许 ２个互不干涉的设备对同一存储单元同时进行操作，使 得２个设备之间能够进行数据交换。 收发器为ＬｏｎＷｏｒｋｓ所配套的设备，支持各种不同 车载网络的列车级模块再次利用双口ＲＡＭ允许２ 个互不干涉的设备对同一存储单元同时进行操作的优 点，实现ＬｏｎＷｏｒｋｓ总线对列车级模块２个设备之间的 数据交换。列车级模块通过对ＬｏｎＷｏｒｋｓ总线上指定车 厢节点模块的读取，得到指定车厢级模块上的数据。 来自指定车厢的电气数据通过列车级模块传送到双口 ＲＡＭ中，再由单片机ＡＴ８９Ｃ５２从双口ＲＡＭ中读取数据 后通过ＰＤＩＵＳＢＤＩ２（ＵＳＢ接口芯片）将数据传输到列车 主机的ＣＰＵ上。因此列车级主机就能够通过查询或者 访问的方式实时地得到任一车厢的数据，并可以进行 通信介质的器件。在列车通信网中，一般选用Ｆ１广ｒ一１０Ａ， 它是支持ｔｈ由拓扑结构的双绞线收发器，通信速率可 以达到７８ ｋｂｐｓ。由于系统进行双网冗余设置，因此在 收发器部分进行了处理，由两套收发器同时进行热备 工作，当网络在一定时间内发生数据交换错误或者丢 包次数达到一定程度，就自动转换到另一网络工作。 这样将保证系统稳定可靠地运行。 此种方案采用双口ＲＡＭ做为协议转换的桥梁，能 够实现微处理器和神经元芯片在初始化后可以互不干 相应的判断和控制指挥各车厢内电气设备的工作。主 控制室内的操作人员也能通过显示屏直观地了解整列 涉地进行数据的存取，通信的速率和车载网络模块的 稳定性都很高，软件实现也比较简单，另有一大优点 就是容易做成插件式结构，便于维修更换。同时采用２ 个（ＦＴＴ．１０Ａ）收发器也实现了网络的冗余。 ３．２．２ 车载网络的车厢级模块软件流程 系统上电自检完成 后，采集车厢内各模拟数 车的电气设备情况，从而提高了整车的集成效率。 ３．２．４ 车载网络的列车级模块软件流程 列车级模块上电自 检完成后，通过 ＬｏｎＷｏｒｋｓ总线获得列车 各车厢类型和编号组 成，将各车厢数据发送 给主机，实现动态编组。 然后接收主机发送过来 的控制命令，并通过 字信号、明确本车厢的类 型，并存储在双口ＲＡＭ 中，然后等待接收 ＬｏｎＷｏｒｋｓ总线列车级模 ＬｏｎＷｏｒｋｓ总线将其发送 到各车厢级模块，车厢 级模块数据也通过 ＬｏｎＷｏｒｋｓ总线发送给列 块发送过来的数据，分析 并处理列车级主机的要 求，同时将采集到的车厢 数据及时上传到 ＬｏｎＷｏｒｋｓ总线。流程如４ 图所示。 用４ 车厢级模块软件流程 车级模块，后传送到系 统主机。流程如图６所 示 罔６ 列车级模块软件流程 ３．２．５ 车载网络的列车级主机及其显示 列车级主机通过ＵＳＢ总线和ＬｏｎＷｏｒｋｓ总线，采集 到列车各节车厢电气节点的数据，然后对其进行车厢 监测、车厢号设置、系统监测、实时数据记录、故障诊 断等，并通过ＧＰＲＳ发送无线数据到地面系统。主机以 （下转第５Ｏ页） ３．２．３ 车载网络的列车级模块硬件实现 列车级模块负责及时收集车载ＬｏｎＷｏｒｋｓ总线传送 过来的数据，通过ＵＳＢ总线将现场信息及网络信息及 时传递到列车级主机。同时通过ＵＳＢ总线等待接收主 机发送的命令，再通过车载ＬｏｎＷｏｒｋｓ总线将主机命令 机 车 电 传 动 ２０１０年 技术，２００ｌ，２７（１０４）：５１—５２． 策［Ｊ ｌ铁道标准设计，２００６（８）：１０１－１０３． ［１ ７］李 峰．电气化铁道防污闪技术的研究［Ｊ Ｊ．电气化铁道， ２００８（４）：３４—３８． ［９］张宝奇，班瑞平．电力机车车顶绝缘子闪络引发接触网故 障的研究及对策［Ｊ ｌ铁道机车车辆，２００７，２７（５）：６３－６６． ［１ ０］杨 圣，刘维来，李晓峰．绝缘子污闪电乐蒙特卡罗法预 测的基础研究［Ｊ ｌ高压电器，２００７，４３（５）：３４３－３４５． ［１ 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程控制命令。为地面调度、安全管理、设备远程监测和 维护提供依据。 简洁明了的显示界面将各类数据直观地呈现给用户， 以实现人机交换。人机交互界面包括６个主要页面：主 页面、车厢监测页面、系统监测页面、参数设置页面、 查看记录页面和无线通信页面。每一页面都会包含列 车基本运行信息：运行Ｔ况、运行速度、运行时间、运 行里程、故障记录和系统当前时间。如果用户需要了 解更详细的节点信息或者参数设定，对应操作页面底 部的切换按钮，点击进入到相应界面即可进行查询或 者参数设定。 ６结论 客车电气控制检测系统由车载、车地、地面３方面 组成。其车载网络立足于开放的现场总线技术 ４车地数据传输 车地传输系统是车一地实现无缝对接的重要载 体，承担着车载实时信息与大容量记录信息的无线传 输。为了便于了解车上设备的运行状态，本方案采用 ＧＰＲＳ无线数据传输，它以分组交换技术为基础，给用 户提供端到端、广域的无线ＩＰ连接，能够实现移动状 态下的数据高速通信。负责将车载网络上客车电气信 息的实时状态、存储数据发送到地面处理系统。它由 列车主机配合ＧＰＲＳ模块来实现，ＧＰＲＳ模块的通信情况 可以在主机的触摸屏上显示，同时ＧＰＲＳ模块自带的 （ＬｏｎＷｏｒｋｓ技术），车地传输采用无线传输技术，地面 处理采用数据库管理软件。满足了当前形势下对客车 电气系统控制的结构简单、网络冗余的要求。目前该 系统已经完成样机试制并通过公司鉴定，也为将来客 车电气控制系统的进一步升级奠定良好基础。 参考文献： ［１】张继平，曹家琏，聂向雷．基于ＴＣＮ．ＬｏｎＷｏｒｋｓ网关的列车控 制网络系统的研究［ＪＪ＿信息技术，２００３，２７（７）：８８—９Ｏ． ［２］奚国华，路向阳，夏 寅．我国列车通信网络的实践与开发 ＬＥＤ指示灯表示自身的通信情况。ＬＥＤ指示灯有频率地 慢闪烁表示通信正常，有频率地快速闪烁表示自检， 出现同定指示表示通信出现故障需要查询故障代码。 探讨【Ｊ］．机车电传动，２０００（１）：２－５． ［３］曾祝林，谢维达．智能型列车总线ＡＲＣＥＮＴ通信网卡的研究 ［Ｊ】．机车电传动，１９９７（６）：５—８． ［４】刘志刚，何正友，钱清泉．ＬｏｎＷｏｒｋｓ技术在电气化铁道监控 系统的应用研究ｆＪ】．Ｔ：业控制计算机，２００３，１３（５）：３ｌ一３３． 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