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1、中南大学硕士学位论文和谐型电力机车制动系统监测单元的设计与实现姓名：李烁申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：彭军20090401摘要和谐I 型电力机车自规模投入运行以来大幅提高了我国铁路的重载装备水平。但是在接近两年的运行当中，机车多次出现不明原因的异常制动现象，造成了极大的安全隐患。为了诊断异常制动原因，保证机车的运行安全，需要研制机车制动系统监测单元。本文深入研究了基于多协议异构网络的和谐I 型电力机车控制系统，并结合制动系统监测单元的功能需求，提出了基于F P G A 片上集成多协议兼容技术的总体设计方案。首先，在硬件设计中，采用了基于触发式全数字锁相环的方法解决强电磁干扰环
2、境中的通信失步问题。通过数字鉴相器、量化器和滤波器计算本地信号与机车网络信号的相位误差，驱动数控振荡器调整本地信号相位保证数字信号的位同步。针对多协议兼容中共享通信存储器并发冲突访问的问题，采用了存储器总线的时分复用的方法。通过建立多通信接口共访存储器冲突模型，对通信接口的相位偏移参数进行评估，得到最小访问冲突下的时分复用参数。其次，在软件设计中，针对制动系统监测单元C P U 模块在运算能力上的不足，根据机车多协议异构网络的数据传输特点，提出了基于循环分相模型的数据更新算法。根据数据制动相关性的强弱，将周期数据分配到更新循环中优先级不同的相位进行访问。通过改进型二进制算法搜索非周期数据的更新
3、事件。保证数据访问的实时性。最后，给出了系统的软硬件实现。目前该制动监测系统已安装在太原铁路局湖东机务段和谐I 型电力机车上，实际运行结果证明了监测单元设计的可行性和有效性。关键词现场总线，电力机车，状态监测，多协议兼A BS T R A C TS i n c ei t so p e r a t i o ni nl a 唱es c a l e，H X D1e l e c t r i cl o c o m o t l V eh a sm a d eas m)s t a n t i a l i n c r e a s ei nC h i n a sh e a V y l o a dr a i l
4、w a ye q u i p m e n t H o w e V e r，o v e rt h ep a s tt w o y e a ro p e r a t i o n，t h ea b n o r m a lb r a k ep h e n o m e n o nh a se m e 玛e dr e p e a t e d l yo nt h el o c o m o t i V e，s oi tt u m e do u tt ob ei n s e c u r e I no r d e rt of i n do u tc a u s e so f a b n o r m a lb r
5、a k es oa st oe n s u r es a f eo p e r a t i o no fl o c o m o t i v e s，am o n i t o ru n i to fl o c o m o t i V eb r a k i n gs y s t e m si si nn e e d T h i sp 印e rp u t sf o r w a r da no V e r a l ld e s i g I lp r o 铲锄b a s e do nt h eF P G A-c h i pi n t e g r a t i o nm u l t i p r o t o
6、c o lt e c h n o l o g ya R e ra I li n-d e p t hs t l J d yo fh e t e r o g e n e o u sm u l t i p r o t o c o ln e t w o r k sH X Dle l e c t r i cl o c o m o t i V ec o n t r c l ls y s t e m，c o I l l b i n e dw i t ht h e 如n c t i O nn e e do fb r a k es y s t e mm o n i t O ru n i t I nt h 6d
7、e s i g no ft h eh a r d w a r e，t r i g g e r-b a s e da l l-d i g i t a lp h a s e l o c k e dl o o p印p r o a c hw a su e s e dt or e s o l V et h ea s y n c h r o n o u sp r o b l e mi nc o m m u n i c a t i o nd u et ot h es t r o n ge l e c t r o-m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e W be n s
8、u r et h eb i ts y n c h r o n o u sd i g i t a ls i g n a lt k o u g hd i g i t a lp h a s ed e t e c t o r，a n df i l t e r sq u a n t i t a t i V ec a l c u l a t i o no ft h el o c a ln e t w o r ks i g n a l sa n dl o c o m o t i V e so ft h ep h a s ee r r o rs i g n a lt od r i V et h el o c
9、a lo s c i l l a t o rs i g n a lp h a s ea d j u s t m e n t s T h em e m o r yb u st ot h et i m e-d i V i s i o nm u l t i p l e x i n gm e t h o di sp r o p o s e di nm el i g 址o fc o m p a t i b l em u l t i p r o t o c o lf o rc o m m u n i c a t i o ni ns h a r e dm e m o 巧p r o b l e mo fc o
10、 n c u l l r e n ta c c e s st ot h ec o n n i c t T h r o u g ht h ee s t a b l i s h m e n to fam u l t i c o m m u n i c a t i o ni n t e r 妇c em e m o 叫t oV i s i tt h ec o n n i c tm o d e l，t h ep h a s e-s h i f tp a r a m e t e r st ot h et i m eo ft h ec o n l n l u n i c a t i o ni n t e r
11、 f a c ei sa s s e s s e ds oa st oo b t a i nt i m e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n gp a r a m e t e r so ft h ec o n f l i c tu n d e rt h em i n i m u ma c c e s s W h e ni tc o m e st ot h es o R w a r ed e s i g nw h i c ha i m st oe r a s et h ec o m p u t i n gc o n s t r a i n t so fC
12、P U，i na C c o r d a n c ew i t hc h a r a c t e r i s t i c so fd a t at r a n s m i s s i o no fl o c o m o t i V e，t h ed a t am o d e lu p d a t ea l g o r i t h mi ss u g g e s t e db a s e do nt h ec y c l ep h a s e T h er e l e v a n c eo ft h ed a t as t r e n g t ho fb r a k i n gw i Ub ea
13、 s s i g n e dt ot h eu p d a t ec y c l e，d a t ac y c l ep h a s ed i a e r e n tp r i o r i t i e sf o rav i s i t N o n p e r i o d i cd a t au p d a t e st ot h ei n c i d e n ta r es e a r C h e dt h r o u 曲t h ei m p r o V e db i n a r ys e a r c ha l g o r i t h m G u a r a n t e er e a l-t
14、i m ed a t aa c c e s s F i n a l l y，w em a k ead e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h er e a l i z a t i o no ft h eI Ih a r d w a r ea n dt h es o R w a r ei nt h es y s t e m T h eb r a k em o n i t o r i n gs y s t e mh a sb e e ni n s t a l l e do nH u d o n gh a n n o n yL o c o m o t i V
15、 eD e p o to nI-e l e c t d c1 0 c o m o t i Va tt h e1 1 a i y u a nR a i l w a yB u r e a u，t h et e s t i n gp r 0 V i n g 出ef e a s i b i l 时a n de 毹c t i V e n e s so ft h ed e s i g n K-卫YW O R D Sf i e l d b u s，e l e c t r i cl o c o m o t i V e，c o n d i t i o nm o n i t o r i n g，m u l t i
16、-p r o t o c 0 1c o m p a t i b l eI原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：j 虹日期：三型乒年月上日学位论文版权使用授权书本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查阅和借阅：学校可以公布学位论文的全部
17、或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。作者签名：导师签名距日期：上竺扛年上月上日硕士学位论文第一章绪论1 1 课题背景第一章绪论随着我国经济的高速增长，对能源的需求和消耗日益增加。然而，“富煤缺油”的资源结构特征决定了煤炭是中国最重要的战略能源资源。煤炭资源的分布不均衡对我国经济发展的制约越发明显，为缓解煤炭运输这一制约国民经济发展的瓶颈，2 0 0 4 年1 2 月，南车株机公司与铁道部签署了1 8 0 台“和谐1 型”八轴大功率交流传动电力机车订单，仅用三年时间，实现电
18、力机车从直流传动技术到世界最先进的交流传动技术的跨越，基本建立了具有世界先进水平的交流传动电力机车技术平台，并于2 0 0 7 年开始将和谐I 型电力机车正式投入到我国煤运的大动脉大秦线的运营当中。和谐I 型交流传动电力机车的研制成功和大规模实际运用，显著提升了我国铁路的重载装备水平。但是，作为研制并投入实际运营不过2 年的新车型，和谐I 型电力机车在技术上还不完全成熟，还需要一个逐步完善的磨合期。另外，由于和谐I 型电力机车作为一个庞大而复杂的系统，从设计、设备制造到组装都是多个国家的数十个厂商完成的，各个厂商所生产设备和接口的兼容性问题尽管经历了长时间的设计论证和实验，但在实际运行过程中仍
19、然不断出现。由此造成的各种无法彻底查明和完全解释清楚的故障和问题，不但给维护人员对机车的修理和维护带来了困难，更重要的是带来了不可预知的安全隐患。其中对行车安全影响最大是机车的制动系统的可靠性和稳定性。在长达一年半年多的运营过程中，陆续发现当机车产生紧急制动或惩罚制动时，无法定位故障发生的信号源，也没有相应的故障处理办法和维护措施。而且和谐I 型机车配套的地面分析软件S I B A SE x p e r t 无法通过日志文件分析出紧急制动产生的原因。这给机务段内解决实际问题，确保机车安全，防止机破等重大事故，造成了很大的困难。为此，需要研制和谐I 电力机车制动监测系统，对和谐I 机车内部与制动
20、相关的C C B I I 制动机、L o c o 觚l 系统、机车安全(惩罚)回路中的信号进行监测分析，获取机车内部制动信息表，并实时诊断机车制动状态，指出紧急制动和惩罚制动的故障源，并对乘务员提供科学可行的恢复措施或者维护方法。该系统还应具备日志存储下载功能，以便检修人员在地面对机车制动信息进行进一步离线分析。硕士学位论文第一章绪论1 2 机车监测技术的研究现状机车监测系统是指利用车载设备或地面设备对列车运行状态参数进行实时跟踪记录，根据这些参数利用诊断系统查找、判断故障以帮助维护人员排除故障，达到安全监控的目的【。1 2 1 国外研究现状利用现代技术手段开展设备的状态监测和故障诊断，始于2
21、 0 世纪6 0 年代，最早开展相关研究的是美国，英国和日本紧随其后。目前，国外现场监测设备整体水平较高，行车安全技术装备向系统化、综合化发展。表现在两个层次上，其一在单项设备层次上，安全技术装备的功能不断扩展，并趋于横向融合，其二在系统层次上，安全综合监控统与运行控制、调度指挥、运营管理、维修养护、客货营销等系统不断融合，发展成为集安全监控、车指挥、运营管理、服务等为一体的综合性系统【2 1。(1)北美的机车监测技术研究现状美国研制的车载式车辆运动状态自动监测系统，通过监测车辆运动及加速度状态，可判断某车辆已临近脱轨或已经脱轨，并通过无线通知司机立即停车这种监测系统目前在重载单元列车上试验，
22、还将在旅客列车上试用【3】。加拿大开发的转向架性能自动测试系统(A T P M S)，利用装在线路上的传感器，可测出每个轮对通过曲线时的垂向力和侧向力。微机系统判断出某个转向架性能不合格，结合车号自动识别系统，把该转向架编号通知调度中心并转告车长，及时采取措施，可防止酿成重大脱轨事故【4 l。(2)日本的机车监测技术研究现状日本新干线使用的C O M T R A C 系统包括运行图生成与变更、车辆与乘务员运用、列车运行控制、列车运行监视、旅客信息等运营管理功能以及电力调度、车辆运用管理、接触网、线路状态检查、灾害监测(地震、风、水、雨、雪、滑坡)等安全功能，是一个功能较为完备的复杂系统【5 1
23、。(3)欧洲的机车监测技术研究现状欧洲新型机车普遍采用动力系统、制动系统的自诊断系统【6 1，英国已实现对I C1 2 5 列车的远程监测，利用移动电话拨号接人机车自诊断系统，在地面可以下载运行中的机车的诊断数据【7。8】。俄罗斯铁路的货物列车装运检查自动化系统(A C K 0 1 l B)，可保证记录被检查车辆货运状态的所有参数，包括：地区装载限界、车辆货运故障、装载状态、超偏载等【9。J。2硕士学位论文第一章绪论德国I C E 高速列车自检系统，在列车运行过程中能不断检测列车的运行状态及机车车辆，电器和机械方面的故障，一旦发生故障，不仅能报警，还可通过无线通信系统将维修所需的重要诊断数据传
24、送给有关的检修段，使其做好快速修复的准备【1 2 l。总的来说，国外在机车监测技术方面已经完全向全局化、网络化和在线诊断方向发展【1 3】。1 2 2 国内研究现状我国铁路自2 0 世纪8 0 年代起，才开始重视状态监测和故障诊断技术在机车车辆上的应用和研究工作，并加大了相关的投入。近年来，随着六次客运列车的大提速和重载货运列车的长足发展，在铁道部的宏观指导与积极推动下，铁道科学研究院、一些铁路局科研所、铁路外科研机构以及一些高等院校等在铁路局、机务段和车辆段的配合下，进行了内容广泛的监测与诊断技术研究、开发和应用，技术上取得了很大进展，并获得了明显的经济效益。我国株洲电力机车研究所和河南思维
25、公司自行研制生产的L K G 2 0 0 0 型列车监控记录装置，可以将列车司机运行途中的驾驶情况、列车机车各部的运行情况随时记录下来，当列车到达终点后，管理人员通过信息转储检索分析，可以发现安全隐患，查找规律性的安全问题，有针对性地及时采取措施。还可以在列车司机驾驶不当、机车发生友障以及发生其他危及列车安全的突然性问题时，用语音及时提醒司机采取措施，如果司机不能马上回应，列车监控记录装置就可以自动转为紧急停车或减速，以确保列车运行的绝对安全【1 3 1。由铁道科学研究院机车车辆所开发的客车行车安全监测诊断系统。主要对车辆运行中基础制动子系统，走行部动力学性能子系统，防滑器子系统，轴承温度，配
26、电室火情等影响旅客列车运行安全的主要部件进行实时监测诊断、数据记录和存储，故障集中显示、定位和报警。并利用W b r l d F I P 现场总线组建网络进行数据传输，实现了系统的模块化组态式设计【1 4】。系统应用效果良好，但存在走行部监测所选特征参数少、制动故障不能定位到具体点和监测的电设备较少等不足。针对机车制动装置监测的研究，在国内有不少的尝试和探索。长沙瑞纬电气有限公司和太原铁路局湖东电力机务段联合研制的C C B I I 制动机故障诊断测试装置。北方交通大学研制的基于重载货运列车同步操控的和谐I 型电力机车L O C O T R O L 系统测试平台，天津大学研制的具有机车车辆制动
27、功能的监控系统1 1 5】，哈尔滨铁路局齐齐哈尔研究所研制的制动机便携式检测仪【1 6 l，这些系统的研究和应用都取得了一定的成果和效益，但主要是侧重于地面试验台和便携式测硕+学位论文第一章绪论试仪等离线设备的研究。对车载的制动系统实时监测和在线诊断设备的研究，特别是针对新一代的和谐型大功率交流传动电力机车制动系统的研究，由于核心技术还掌握在国外K N O R R 和G E 公司手中，应该说研究工作还处于起步阶段。1 3 论文的研究内容本文以和谐I 型电力机车为应用背景，研究和探讨了在基于现场总线网络和模块化组态式设计的新一代交流传动电力机车上，应用和研制状态监测系统的一些先进的技术和方法。并
28、详细阐述了运用这些技术、方法解决监测系统研制中遇到的关键问题和系统软硬件的实现过程。论文主要内容包括：(1)论文首先介绍了课题的背景及来源，较深入的研究了国内外相关领域的发展现状；(2)深入分析了适用于同步操作的和谐I 型电力机车制动系统的结构和工作原理。结合了和谐I 型电力机车制动系统监测单元的设计目标，提出相应的解决方案，并给出了系统的总体结构图；(3)针对制动监测系统硬件的核心现场总线通信接口数字前端的逻辑设计，提出基于触发式数字锁相环和存储器总线的时分复用的解决方法；(4)在软件设计中，对数据访问和查找的方法进行论证和比较，给出基于可更新盾环分相模型的数据访问算法的原理和具体实现方法；
29、(5)阐述和谐I 型电力机车制动监测系统软硬件的具体实现过程，并对系统的实际应用情况进行了分析。1 4 论文的结构安排论文的主要组织结构安排如下：第二章阐述和谐I 型电力机车的网络控制系统及其工作原理。深入分析和谐I 型电力机车的设计需求和关键问题。提出制动系统监测单元的总体解决方案。第三章讨论和谐I 型电力机车制动系统监测单元设计的关键问题。针对强电磁环境中的信号失真问题，采用触发式全数字锁相环保证物理层信号的同步。提出基于总线时分复用的存储器访问算法，减少多通信接口共访共享存储器时的冲突次数。利用不同协议网络中数据传输的不同特性，提出基于循环分相模型的数据更新算法，保证了数据访问的实时性。
30、第四章根据提出的设计方案，给出和谐I 型电力机车制动系统监测单元的软硬件实现。第五章是结论和展望。4硕七学位论文第二章和谐I 型电力机车制动系统监测单元的解决方案第二章和谐I 型电力机车制动系统监测单元的解决方案和谐I 型电力机车的制动系统是一个基于多协议异构网络的复杂系统，影响机车制动的因素十分繁多。针对和谐I 型电力机车设计制动监测系统，需要详细了解制动机乃至整个机车的系统结构和工作原理，进而提出制动监测系统的设计目标，分析设计中的难点和关键问题并提出解决方法。在此基础上，给出制动监测系统的总体设计方案。2 1和谐I 型电力机车多协议异构网络控制系统和谐I 型机车的两节机车电子控制系统具有
31、相同的控制级结构，是基于西门子铁路自动化系统S I B A S3 2 和T C N 列车通讯网络技术的成熟产品。每节车内由M V B 总线把所有的S I B A S 系统、无线重联同步控制系统(L o c o t r 0 1)和制动控制单元连接在一起。制动系统的显示屏和制动控制单元由其内部的总线连接【1 7】。如图2 1 所示。图2 1和谐I 型机车网络节点部署及连接图5硕十学位论文第二章和谐l 型电力机车制动系统监测单元的解决方案2 1 1基于T C N 的机车控制系统T C N 网络采用二层总线结构，由绞线式列车总线W T B 和多功能车辆总线M V B 组成符合I E C6 1 3 7
32、5 标准【1 8】。(1)列车总线W T BW T B 总线采用两路动态冗余，用于连接各节机车。当系统上电运行或每次车辆摘挂时，W T B 列车总线重新组态。W T B 传输介质为双绞线，最多可连接3 2个节点，总线跨距8 6 0m。W T B 具有列车初运行和接触处防氧化功能，它的发送基本周期是2 5m s，传输速率达1M b s。W T B 总线传输4 种类型的报文：R 1 报文控制命令，由本务机车给所有被控机车；R 2 报文所有被控机车的状态信息反馈给本务机车；P 1 报文A 节车的控制命令发给B 节车；P 2 报文B 节车的状态信息反馈给A 节车。报文的每个b i t 对应一条明确的指
33、令。(2)多功能车辆总线M V BT C N 协议规定在M V B 总线上传输的数据都必须是曼彻斯特编码。曼彻斯特码又称数字双向码，是一种时钟自同步编码技术，编码后数据包含了丰富的时钟信息。它是对每个二进制代码分别利用两个具有不同相位的二进制新码去取代的原码。其特点是使用两个电平，可以保证在每一个码元的正中间时间出现一次电平的转换，这对接收端的提取位同步信号是非常有利的。曼彻斯特码中的数据位的编码规范：一个“l”的编码在位元的前半部分应为“高”电平，后半部分为“低”电平；一个“0”的编码在位元的前半部分应为“低”电平，后半部分为“高”电平；如果曼彻斯特码中出现整个位元的高电平洲H)或整个位元的
34、低电平m L)，则被认为非数据符，用于特殊场合，如：帧头、帧尾的标识。数据编码规范如图2 2 所示。l B T=6 6 6 7 n s图2 2M v B 位编码在帧的最后一位位单元后，发送器将发送一个终止分界符，终止分界符根据介质区分：当介质为E s D 时，添加一个N L”编码，并停止发送；当介质为E M D6硕十学位论文第二章和谐I 型电力机车制动系统监测单元的解决方案时，在N L 编码之后添加一个N H 编码，并停止发送；当介质为O G F 时，添加一个N L”编码，并停止发送。一个主帧以主帧起始分界符开始，其后为1 6 位帧数据，接着为8 位校验序列C S(C h e c kS e q
35、 u e n c e)，最后为终止分乔符。如图2 3所示。起始位主帧起始分界符l+一帧数据一IIlIFc o d e地址II校訾宁列终止分界符C S“”卜一1 8 住+|_-一1 6 位。叫I _ 一8 位。叫+l 或2 位叫图2 3M V B 帧格式主帧1 6 位字中最高有效前四位应为Fc o d e，次有效的后1 2 位应表示Fc o d e 所指定的地址或参数。前4 位的Fc o d e 限定了后1 2 位数据且表明了要接收的从帧的长度及类型。一类设备是能实现过程数据的通信和设备状态数据的传输，分别是Fc o d e 为0 4(过程数据)和Fc o d e _ 1 5(设备状态信息)【1
36、 9 1。M V B 总线连接每节车内部所有的网络设备。西门子铁路自动化控制系统S I B A S 3 2 即承载于M V B 总线实现机车控制。其主要部件包括中央控制单元、牵引控制单元、智能终端接口单元(S K S l A、S K S l B、S K S 3)、显示单元等【2 0 1，如图2 4 所示。图2-4 和谐I 型电力机车M V B 网络结构中央控制单元是整个系统的核心单元，机车的控制、调节和监视由C C U 实施和控制【2。牵引控制单元的作用是控制和调节机车牵引、再生制动，从电气上实现防空转滑行保护。S K S l A、S K S l B、S K S 3 为智能外围连接的终端，S
37、K S l A、S K S l B 采用分散化输入输出，减少车内所需布线，增加控制和诊断能力；S K S 3是一个紧凑设计的数字输入(D I)、数字输出(D O)接口和模拟输出(A O)接口，其中每个D I 输入1 6 路D C1 1 0V 信号，每个D O 输出8 路D C1 1 0V 信号，A O 输出2 路2 0m A 1 0V 信号分别显示牵引制动力矩表的实际值和设定值。7硕士学位论文第二章和谐I 型电力机车制动系统监测单元的解决方案2 1 2 基于L 0 n W b r k s 的C C B I I 制动控制单元在L o n w o r k S 现场总线中，L o n T a l k
38、 作为其核心技术是总线通信协议的标准。在介质层，l o l l w o r l【s 采用了微分曼彻斯特编码进行数据的传输。微分曼彻斯特码用每一位的起始处有无跳变来表示“0 和“l”，而每位中间即l 2 b i t 处必然发生电平的跳变，为接收器提供时钟同步信号，如图2 5。图2 5L o n w o r I 岱总线的微分曼彻斯特编码在数据链路层采用的是带预测的P P e r s i s t e n tC S M A 算法。其帧格式如图2 6所示【2 2】。其中数据的第一字节保存了网络变量的选择号信息。图2-6L o n T a l k 协议帧格式C C B I I 是一种符合北美铁道协会(凡R
39、)标准要求基于L o n w o k s 现场总线的适用于干线货运机车的制动控制单元，具备自动制动、单独制动、后备空气制动、列车管流量检测等功能。C C B I I 制动控制单元主要由司机室电子制动阀(E B V)、制动显示单元(L C D M)等操作与显示设备及机械间制动柜中的中央处理模块(M I P M)、中继接口模块(M)、电空控制单元(E P C U)等组成【2 3 1，如图2-7。电空控制单元(E P C U)司机室显示模块制动缸平均管(L C D M)瞄衡风缸磊制岳i 1 际螽；翮一一t一【E R c i 17 l(2 0 c P)M V B 集成处理“模块(M I P M)列车臂
40、。_。1。_ _-。_。1。L 一列乍管控制模块7 号(P S J 8)1。I电子制动阀(B P C P】7 j(E B V)【一总风管r 一一J 一甄1-1 6 擘等型警块。l继电器接口I一JLL一-一7 I模块R M 4 2 2 总线L o n w o r k l总线风路图2 7C c B l I 制动控制单元结构图其中E P C U 作为制动控制单元的核心安装在制动控制柜里，配有气动阀，该8硕十学位论文第二章和谐I 型电力机车制动系统监测单元的解决方案气动阀用于控制和测量机车空气功能。这些阀已按其功能进行分类，分别控制机车的各个制动风缸和管路，并模块化成为8 个“现场可更换单元”(L R
41、 U)。这些“现场可替换单元”中有5 个是基于E c h e l o n 公司L o n W 6 r k s 网络技术的智能网络节点，可通过L o n w b r k s 总线与E B v 和M I P M 相互交流信息，传递制动机控制命令和压力传感器反馈值。“现场可替换单元 的运用大大减少了制动控制单元的操作和维护费用，增强了机车的可靠性】。2 1 3基于G S M R 的L o c o t r o l 多车重联同步控制系统多车重联同步控制就是各机车应该在允许的一段很短的时间范围内按照主控机车的指令同时进行启动、加速和减速等作业【2 5 1。L o c o t r o l 系统即是是一个典型
42、的全面集成的多车重联同步控制系统的解决方案，能对列车上分布的1 台主控机车和最多3 台从控机车进行全面控制1 2 7】。L o c o 缸o l 系统通过机车内部的多种现场总线网络与牵引系统、机车空气制动系统、通信控制系统以及各种机车控制装置(例如主断路器和受电弓)相集成，以正确控制从控机车。L o c o 的l 系统可以实现主控机车的操作人员控制从控机车的牵引和空气制动功能，同时主控也可以接收从控的状态反馈。如图2 8 所示。无线信号图2 8 和谐1 型电力机车同步控制系统结构框图9硕士学位论文第二章和谐I 型电力机车制动系统监测单元的解决方案在通信建立阶段，主控机车M I P M 通过R
43、S 4 2 2 通信控制数据端口与C P M 进行数据传输，优先经由O C U 与从控制机车建立无线通信连接。在无线通信建立完成后，机车进入分布式动力(D P)模式。机车制动和牵引控制指令及其状态信息分别通过L o n W b r k s 和M V B 总线由C C B 和C C U 与M I P M 进行交互。M I P M对这些数据进行处理后通过R S 4 2 2 应用数据端口传输给C P M，实现与其他重联机车的无线通信。2 2多协议兼容系统2 2 1基于网关和路由的多协议兼容系统网关和路由器是进行异质网络互联最常用的方法，T C P I P 是最具开放性的高层网络协议。一般选择网关在应
44、用层进行集成，而用路由器在数据链路层进行异质网络数据交换【2 7 1。文献2 8】提出在应用层集成的情况下，网关运行代理程序，功能类似于W 曲服务器，来自于局域网上的客户机对现场设备进行访问的服务请求，以H T T P 信息的形式传送到运行在网关上的W 曲服务器上。在这里，网关负责丌始执行C G I(C o m m o nG a t e，a yI n t e m c e，通用网关接口)或J A、，A 脚本程序，发起一个进程，请求现场设备信息。现场设备接到请求后，做出响应，并将响应放在确认信息中返回给脚本程序。最后，网关通过一个H T M L 页的形式返回现场设备信息给远程客户机，完成信息交互。
45、这种方法最大的优点在于，不用对现场设备的通讯协议标准作任何修改，而且通过网关在应用层互联，易解决安全性问题；缺点是不灵活，当有新型通讯协议标准的设备加入网络时，代理程序需要进行很大的修改或更新。文献【2 9】提出了一种基于A t m e g a l 2 8 的以太网与L o n W b r k s 总线的网关设计与实现方案。通过对A t m e g a l 2 8 单片机编程控制网络接口控制器R T L 8 0 1 9 A S 的各种寄存器实现对以太网数据帧的发送和接受，完成以太网与主A t m e g a l 2 8 问的数据传输，并向下与L o n W b 舾N e u r o n 芯片通
46、信，它将从以太网接受数据帧解包读出数据并封装成L o n W r o r k s 协议报文发生给N e u r o n 芯片。在网络层完成以太网T C P I P 协议与L o n W b r k sL o n T a l k 协议的转换。2 2 2 片内集成式多协议兼容系统多协议兼容的片内集成方案是利用超大规模集成电路技术(L S I)将核心处理器和各网络通信控制器融合在一块芯片当中。如E c h e l o n、T o s l l i b a、C i s c 0 3 家公司合作开发的一种L o n w 洲I(S 现场总线与1 0 M 以太网接口的接口芯片I O硕士学位论文第二章和谐l 型电
47、力机车制动系统监测单元的解决方案T M P R 3 9 1 5【3 0 1。其核心为3 2 位的R I S C 微处理器。两个网络通信控制器，一个为l O M 以太网控制器，负责以太网的物理层和数据链路层处理；另一个为L o n w o 如现场总线控制器，负责解释和执行L o n T a l k 协议【3 1 1。如图2 9 所示。图2 9 片内集成解决方案一一T M P R 3 9 1 5 结构框图2 2 3片外集成式多协议兼容系统片外集成式多协议兼容的实现一般有两种方案：(1)基于P C 的P C+网络接口卡。(2)基于嵌入式系统单板的微处理器+网络接【J 芯片。方案(1)在上世纪9 0
48、年代被普遍采用，一般将现场总线网络通过协议转换链接到以太网，P C 在以太网中实现对整个现场总线控制系统的监测和管理。该方案适合于大型自控系统，成本很高。如文献f 3 2 提出了一种基于I n t e m e t 的多现场总线统一平台的实现方案。通过M i c r o s o R 的O P C 技术实现计算机与不同协议标准的现场总线设备的数据交换。方案(2)随着嵌入式系统性能的不断提升，逐步得到广泛运用。该方案要求开发设计人员完成板级电路设计，利用各总线协议制定组织推出的协议芯片和嵌入式微处理器实现协议兼容。如图2 1 0 所示。L o n W b r k s 收发器、M V B 收发器和4
49、2 2 2 3 2 协议转换模块实现物理层协议兼容。L o n w 6 r k s 神经元芯片和M V B C 0 1 1 3 3】分别为E c h e l o n 和S i e m e n z 公司开发的L o n T a l k 和T C N 协议解释芯片。协议解释芯片通过共享存储单元和译码逻辑与嵌入式微处理器进行数据交换。这样的协议兼容系统可在单块电路板上实现，相对于方案(i)集成度较高，成本更低。适合于可移动的便携式设备。硕士学位论文第二章和谐I 型电力机车制动系统监测单元的解决方案土z气X一卜L 0 n W O r k s船二拶者翟凳嘉Ny收发器刀一M Y 曼l _ 二一M v R
50、c。；l刮猫鬟委卜嵌入式N”l仪反诺i、”Ii、微处理器4 2 2 2 3 2卜协议转换模块协议兼容通信卡7、，、7图2 1 0 基于嵌入式系统的片外集成式多协议兼容方案2 2 4 方案比较与分析在深入研究目前各种多协议兼容技术之后，对各方案进行分析比较，并针对和谐I 型电力机车的特点提出了适合于车载设备的技术方案。(1)基于网关和路由的方案实现起来最为方便，利用厂商提供的成熟网关或路由产品即可快速的实现不同协议总线间的互联互通。但该方案实现成本最高，且只适合于大型的工业控制网络。(2)片内集成方案使用大规模集成电路技术，在单块芯片内同时嵌入通信控制器和微处理器，是一个典型的S O C 方案。