学士学位论文--列车网络控制系统设计hxd2型电力机车网络控制系统.doc
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1、2012届毕业设计说明书课题名称:列车网络控制系统设计 HXD2型电力机车网络控制系统专 业 系 牵引与动力学院 班 级 学生姓名 指导老师 完成日期 2014届毕业设计任务书一、 课题名称:列车网络控制系统分析及故障排除二、 指导老师:三、 设计内容与要求1、 课题概述 随着牵引动力的交流化和运行速度的提高,列车上采用微机实现智能化控制的部件或装置也越来越多,各微机系统间的协调和信息交换显得越来越重要。另外,为提高列车的舒适度,各种辅助装置的控制和服务装置的控制都必须纳入到这个微机控制系统中来。因此,列车控制也由单台机车的牵引传动控制逐渐向网络控制方向发展,网络控制技术已经成为核心技术之一。
2、本课题基于TCN、ARCNET等常见列车通信网络,分析其通信原理和通信特点,着重分析高速动车、大功率交传机车、城轨车辆等多类列车网络控制系统的拓扑结构、控制功能、硬件组成及工作原理,指出网络控制系统中常见的故障现象,阐述其故障应急处理方法。2、 设计内容及要求 (1)设计内容本课题下设3个子课题: CRH动车组网络控制系统的分析及故障排除 HXD交传机车网络控制系统的分析及故障排除 城轨车辆网络控制系统的分析及故障排除每个子课题设计的主要内容可包括: 列车网络控制系统的发展历史及现状分析 列车网络控制系统的功能、特点及其与传统机车微机控制系统的区别 常见的列车网络通信标准 以某个车型为例,从结
3、构、原理、可靠性、实时性等方面详细分析该车型的网络控制系统 列车网络控制系统常见故障的判断分析与处理 结论 (2)要求 通过检索文献或其他方式,深入了解设计内容所需要的各种信息; 能够灵活运用电力电子技术、计算机应用技术、机车总体、列车网络控制技术等基础和专业课程的知识来分析城轨列车、大功率机车及高速动车组上的网络控制系统。 要求学生有一定的电子电路,轨道交通专业基础。四、 设计参考书1、 列车网络控制技术原理与应用2、 动车组网络控制系统3、 CRH2型动车组、CRH5型动车组4、 HXD大功率机车五、 设计说明书要求1、 封面2、 目录3、 内容摘要(200400字左右,中英文)4、 引言
4、5、 正文(设计方案比较与选择,设计方案原理、计算、分析、论证,设计结果的说明及特点)6、 结束语7、 附录(参考文献、图纸、材料清单等)六、毕业设计进程安排 第1周:资料准备与借阅,了解课题思路。 第2-3周:设计要求说明及课题内容辅导。 第4-7周:进行毕业设计,完成初稿。第7-10周:第一次检查,了解设计完成情况。第11周:第二次检查设计完成情况,并作好毕业答辩准备。第12周:毕业答辩与综合成绩评定。七 、毕业设计答辩及论文要求1、 毕业设计答辩要求答辩前三天,每个学生应按时将毕业设计说明书或毕业论文、专题报告等必要资料交指导教师审阅,由指导教师写出审阅意见。学生答辩时对自述部分应写出书
5、面提纲,内容包括课题的任务、目的和意义,所采用的原始资料或参考文献、设计的基本内容和主要方法、成果结论和评价。答辩小组质询课题的关键问题,质询与课题密切相关的基本理论、知识、设计与计算方法、实验方法、测试方法,鉴别学生独立工作能力、创新能力。2、 毕业设计论文要求文字要求:说明书要求打印(除图纸外),不能手写。文字通顺,语言流畅,排版合理,无错别字,不允许抄袭。图纸要求:按工程制图标准制图,图面整洁,布局合理,线条粗细均匀,圆弧连接光滑,尺寸标注规范,文字注释必须使用工程字书写。曲线图表要求:所有曲线、图表、线路图、程序框图、示意图等不准用徒手画,必须按国家规定的标准或工程要求绘制。摘要随着列
6、车运行速度的提高,列车网络控制系统具有越来越重要的意义。同时,列车网络控制系统是动车组的九大关键技术之一,因此建立可靠安全的车载通信网络是十分必要的。首先分析了列车网络系统的体系结构,功能模块及车载通信网络的拓扑结构、传输信息等。接着介绍了IEC-61375标准,即列车通信网络(TCN)标准是IEC联合UIC经过几十年的工作采用了一个用于规范车载设备数据通信的标准。介绍了TCN网络的基本结构、实时协议、数据传输及介质访问方式。并详细讨论了WTB和MVB总线的物理层、报文、介质访问及链路层控制。其次分析比较了ARCnet和TCN两种车载通信网络,并总结出各自的优势。ARCnet用于CRH2动车组
7、,TCN用于CRH1、CRH3和CRH5动车组。本设计说明书针对TCN、ARCnet等常见列车通信网络,分析其通信原理和通信特点,同时对列车网络控制技术的发展历史与现状进行阐述分析,着重分析HXD2型电力机车网络控制系统的拓扑结构、控制功能、硬件组成及工作原理,指出网络控制系统中常见的故障现象,阐述其故障应急处理方法。关键词:HXD2电力机车列车网络技术故障应急处理ABSTRACTWith the increase of train speed, train network control system is more and more important. At the same time,
8、 train network control system is one of the key technologies in nine of EMU, therefore the establishment of vehicular communication network security is very necessary.This paper first analyzes the architecture of train network system, function module and vehicle communication network topology struct
9、ure, transmission information etc.Then introduces IEC-61375 standard, namely the train communication network (TCN) standard is IEC combined with UIC after decades of work by using a standard car equipment for data communication standard. This paper introduces the basic structure, the TCN network pro
10、tocol, data transmission and media access mode. And a detailed discussion of the physical layer, WTB and MVB bus message, media access and link layer control.Then compares ARCnet and TCN two kinds of vehicular communication network analysis, and sums up their respective advantages. ARCnet for CRH2 E
11、MU, TCN for CRH1, CRH3 and CRH5 emu.The design specification for TCN, ARCnet and other common train communication network, analyses the communication principle and communication features, the development history and current situation of train network control technology is analyzed, emphasizes on the
12、 analysis of HXD2 type electric locomotive topology structure, control function, hardware network control system composition and working principle, points out the common faults network control system, the fault emergency treatment methodKeywords: HXD2 electric locomotive fault train network emergenc
13、y treatment40 引言提高列车运行速度是铁路技术发展的重要目标,保证列车运行安全是实现我国列车提速战略的重要保证,而列车控制系统则是实现这一重要保长的技术支持手段。随着牵引动力交流化和列车运行速度的提高,机车和列车上采用微机实现智能化控制的部件或装置也越来越多。各微机系统间的协调和信息交换显得越来越重要,特别是对动力分散型的动车组,为了提高旅客列车的舒适度,各种辅助装置的控制和服务装置的控制都必须纳入到这个微机控制系统中来。因此,列车控制也由单台机车的牵引传动控制逐渐向列车的网络控制方向发展,列车网络控制技术已经成为高速动车组、城轨车辆的核心技术之一。本设计以网络通信基础知识和计算机
14、控制基础知识作为铺垫,在此基础上详细讲述了能够用于列车通行的几种网络标准,包括LonWorks、ARCNET、CAN等现场总线标准,TCN列车通行网络标准以及新兴的控制网络工业以太网等。与此对应还介绍了应用不同网络标准的CRH系列动车组网络控制系统TCMS,最后简单介绍了列车自动运行控制系统。其主要分析是HXD2电力机车的网络通信,并详细解读HXD2电力机车的各项网络知识。目 录第一章网络控制系统的概述31.1 网络控制系统的概念31.2 网络控制系统的组成结构及层次模型31.3 车载通信网络的基本结构51.4 列车通信网络中的数据传输51.5 列车通信网络介质访问方式7第二章 列车通信网络T
15、CN82.1 TCN的标准化进程82.1.1 TCN列车网络简介82.1.2 TCN列车网络雏形82.1.3 SIBAS系统82.1.4 MICAS系统92.2 TCN列车网络技术的现状102.2.1 TCN列车网络产品主要供应商102.2.2 TCN列车网络产品应用现状102.2.3 TCN列车网络的研究推广112.2.4 TCN列车网络的发展趋势112.3 WTB总线122.3.1 绞线式列车总线WTB122.3.2 WTB介质访问13第三章 微机控制基础153.1 微型计算机的概述153.1.1 微机简介与发展153.1.2 微机的特点与应用153.2 微机网络控制系统结构183.2.1
16、 WorldFIP网络通信的原理和结构183.3 HXD2型电力机车的微机网络控制系统结构223.3.1 主处理单元MPU(Main Processor Unit)22第四章 和谐2型电力机车264.1和谐2型电力机车概述264.1.1微机网络控制系统结构264.2 和谐2型电力机车技术特点284.2.1总体布置284.2.2电气系统284.2.3控制系统294.2.4转向架29第五章 和谐2型电力机车应急处理315.1各类故障应急处理311.2 设计内容与要求38第六章心得体会39参考文献40 第一章网络控制系统的概述1.1 网络控制系统的概念网络控制系统又被成为基于网络的控制系统,它是一种
17、完全网络化、分布化的控制系统,是通过网络构成闭环的反馈控制系统。侠义的网络控制系统是以网络为基础,事先传感器、控制器和执行器等系统各部件之间的信息交换,从而实现资源共享、远程检测与控制。例如,基于现成总线技术的网络控制系统就可以堪称是一种侠义的网络控制系统。广义的网络控制系统不但包括侠义的网络控制系统在内,还包括通过Iternet、企业信息网络以及企业内部网络,事先对工厂车间、生产线以及工程现场设备的远程控制、信息传输、信息管理以及信息分布等。列车网络控制系统主要实现对列车关键设备运行状态监视,并根据需要对设备进行远程控制列车网络控制系统集列车控制系统、故障检测与诊断系统以放客信息腥务系统于一
18、体, 以车载微机为主要技术手段,通过网络实现列车各系统之间的信息交换,最终达到对车载设备的集散式监视。控制和管理的目的,实现列车控制系统的智能化、网络化与信息化 通过列车网络连接的列车上各智能控制单元通过传输过程数据、消息数据和监督数据柬实现列车的控制,诊断以及列车状态评估而其他未与列车网络连接的智C2控制单元则通过硬连线的连接来实现其控制功能 列车网络控制系统实现以下主要控制功能: (1)实现各动力车的重联控制 (2)实现全列车(动车和拖车)所有由计算机控制的单元联网通信 和资潭共享 (3)实现全列车的制动控制、门控制、空调控制及轴温检测等功 能1.2 网络控制系统的组成结构及层次模型网络控
19、制系统一般由三部分组成:控制器、被控对象以及通信网络,被控对象一般为连续系统,而控制器一般采用离散系统。被控对象的输出通过传感器采样的方式离散化并通过网络发送到控制的输入端。控制器进行运算后,将输出通过网络发送到被控对象的输入端,并由零阶保持器生成分段连续函数作为连续系统的输入。常见的网络控制系统结构有径直结构和分层结构。在径直结构中,控制器将传感器等检测装置从现场检测到的实际参数和预定的预期参数值进行对比计算,得出相应的控制结果后,输出到执行器,作用于被控对象。在分层结构中,主控制器将计算好的参数控制信号通过网络发送给远程控制系统,远程控制器根据参考信号执行本地闭环控制,并将传感器测量数据传
20、给主控制器。网络控制系统的层次模型(1) 设备层。设备层中的设备种类繁多,有只能传感器、启动器、驱动器、I/O不见、变送器、变换器、阀门等。设备的多样性要求设备层满足开放性要求,各厂商遵循公认的标准,保证产品满足标准化。来自不同厂家的设备在功能上可以用相同功能的同类设备互换、事先可互换性;来自不同厂家的设备可以相互通信,并可以在多厂家的环境中完成功能,实现可互操作性。 设备层中的设备是智能化的。他们可独立完成系统的传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等自动控制的基本功能,并可随时诊断设备的运行状态。设备控制功能的自治化使得分散在现场不通物理位置的现场设备之间以及现场设备与远程监控计算机之间,能
21、够实现数据传输与信息交换,从而形成各种适应实际需要的自动控制系统。(2) 自动化层。自动化层事先控制系统的网络化,控制网络遵循开放的体系结构与协议。对设备层的开放性,允许符合开放标准的设备方便地接人;对信息化层的开放性,允许与信息化层互联、互通、互操作。(3) 信息化层。信息化层已经较好的实现了开放性策略,各类局域网满足IEEE802标准,信息网络的互联遵循TCP/IP协议。信息网络的开放性为事先控制网络与信息网络的集成提供了有力支持。列车网络控制系统 (4)完成全列车的自检及故障诊断决策1.3 车载通信网络的基本结构车载通信网络的主要功能是作为沟通各个控制、诊断单元的信息通道将列车上众多由计
22、算机控制的部件互相联网通信从而达到统一控制与诊断和资源共享的目的。车载通信网络一般采用分层结构。用于连接数据采集站、设备站、司机控制站构成列车设备控制、监测与故障诊断的列车级网络,通常称为列车总线,用于连接车辆内的各种控制设备,构成车厢级数据采集、控制的车辆级网络通常称为车辆总线。在拓扑结构上则采用环形或总线形。列车控制网络把安装在列车上各动力车和车厢内的各种可编程设备互连在一起。通过车载通信网络传输的信息主要有以下六种;(1)列车运行的控制命令。(2)运行中的各车厢(包括有动力装置的机车和无动力装置的旅客车厢)的状态信息。(3)故障诊断所需的信息及结果。(4)显示单元所要显示和提示的各种信息
23、。(5)通信网的管理信息。(6)其他与列车运行、安全及服务有关的需要在列车内互相传递的信息。1.4 列车通信网络中的数据传输列车通信网的主要功能是为控制、诊断单元的信息通信提供通道,实现各种信息的流通,从而达到控制的统一和资源共享的目的。在高速列车控制系统中传输的信息主要有以下几种;(1)列车在运行过程中的各种控制命令.(2)列车在运行过程中各个设备的状态信息.(3)故障诊断所需的信息及结果.(4)需要在显示单元上显示的各种信息.(5)其它与列车运行、安全、旅客服务相关的信息。根据通信网上所传输数据的性质和实时性的要求,把通信网上的数据分为三类;过程数据、消息数据、和管理数据。通信网采用不同的
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