列車總線控制基礎(列車通信網絡概述)第一頁，共54頁。課程的基本內容第1章緒論第2章網絡與通信基礎第3章微機控制基礎第4章列車通信網絡第5章CRH系列動車組網絡控制系統第6章列車自動運行控制系統第二頁，共54頁。列車通信網絡的定義列車通信網絡是一個安裝在列車上的計算機局域網絡系統，負責對整列車各部分信息的采集與傳遞，對整列車進行控制、監測、故障診斷以及為旅客提供信息服務。第三頁，共54頁。列車總線通信任務列車總線上不同類型的通信主要用于:控制牽引控制:車輛控制:故障診斷旅客信息預定座位等1)2)4)

燈,門,加熱,傾擺,...遠程,重聯牽引,...預報下一站,故障,線路.客車客車機車具有司機室的客車司機室列車服務員診斷計算機設備故障,維修信息狀態信息查詢3)設備運行及狀態第四頁，共54頁。列車控制網絡的特點列車網絡特點

工作環境惡劣，可靠性要求高；實時性（時間確定性）要求高；列車組成的動態性（自動組網）。第五頁，共54頁。列車網絡的層次結構

第六頁，共54頁。常見的列車通信網絡1、現場總線2、TCN3、工業以太網第七頁，共54頁。現場總線1、定義2、組成3、特點1）全數字通信2）系統的開放性3）互可操作性4）通信的實時性與確定性5）功能自治性6）現場環境的適應性

4、優缺點

5、與計算機通信的區別第八頁，共54頁。網絡節點包括PLC以及各種智能化的現場控制設備基于統一、規范的通信協議

通過同一總線實現相互間的數據傳輸與信息共享

網絡體系通信總線在現場設備中的延伸生產控制網絡結構

位于的底層現場總線概述1.現場總線的概念是應用在生產現場、連接智能現場設備和自動化測量控制系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡。第九頁，共54頁。全數字通信抗干擾能力和傳輸精度得到顯著提高—信號的檢錯、糾錯機制得以實現可進行多參數傳輸，消除了模擬信號的傳輸瓶頸—現場設備的測量、控制信息以及其他非控制信息如設備類型、型號、廠商信息、量程、設備運行狀態等都可以通過一對導線傳輸到現場總線網絡上的任何智能設備，如中央控制器等。2.現場總線的特點現場總線概述第十頁，共54頁。開放式系統通信協議一致公開，任何人、任何單位均可采用不同廠家的設備遵守相同的技術規范不同廠家的設備可實現信息互訪用戶可按需要，任意選用現場總線設備不同設備之間可實現資源共享與其他網絡（如互聯網）相聯，可實現網絡與數據庫共享現場總線概述2.現場總線的特點第十一頁，共54頁。互可操作不同設備間，除了能實現信息互訪外，還能理解信息的含義，并能根據信息要求進行操作即某廠家生產的設備能夠對另一個廠家的設備進行控制和操作不同廠家的相同類型的設備可以互相替換可統一組態，無需專用的驅動程序解決了設備的壟斷性和產品故障處理的時效性為系統集成的自主性提供了產品保障2.現場總線的特點現場總線概述第十二頁，共54頁。分散控制現場設備的智能化與功能自治性：它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現場設備中完成，僅靠現場設備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設備的運行狀態。由于現場設備本身已可完成自動控制的基本功能，使得現場總線已構成一種新的全分布式控制系統的體系結構。2.現場總線的特點現場總線概述第十三頁，共54頁。對環境的高度適應專為現場環境設計可支持多種傳輸介質—雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等可兩線制供電支持本質安全與防爆2.現場總線的特點現場總線概述第十四頁，共54頁。一對多的總線型結構現場總線是多分支結構，其網絡拓撲可為總線型、星型、樹形等多種形式，以總線型為主。—傳統控制系統中設備的連接都是一對一的布線簡單，工程安裝周期縮短、維護也很方便很強的系統擴展性–主機能自動識別設備的增加或刪減–無需架設新的線纜–無需系統停機2.現場總線的特點現場總線概述第十五頁，共54頁。2.現場總線的特點現場總線控制系統結構現場總線概述第十六頁，共54頁。3.現場總線的特殊功能(1)經濟、安全、可靠地傳輸信息經濟性信息、電源同時傳輸介質廉價安全性解決防爆問題可靠性電磁、氣候、機械環境適應性現場總線概述第十七頁，共54頁。(2)正確使用所傳信息可互操作性：不同廠家的設備相互理解所傳信息(3)及時處理所傳信息信息處理現場化，避免信息在網絡上過多傳輸3.現場總線的特殊功能現場總線概述第十八頁，共54頁。線狀（總線、菊花鏈型）、星型、樹型以線狀結構為多4.現場總線的網絡結構現場總線概述第十九頁，共54頁。現場總線技術產生于二十世紀八十年代是為滿足日益急迫的企業綜合自動化的需求開放性通用性可靠性智能儀表為現場總線的出現奠定了基礎5.現場總線的產生與發展現狀現場總線概述第二十頁，共54頁。現場總線近年來成為控制領域的研究熱點各國投入巨額資金與人力在開發這一技術，形成了企業、國家、國際標準（歐洲、北美、亞洲、中國），呈現百花齊放的現狀。最后，通過妥協，現場總線技術出現了協調共存、共同發展的局面現場總線國際標準IEC61158包含了八種類型，據說可能還要增加到十二種類型5.現場總線的產生與發展現狀現場總線概述第二十一頁，共54頁。現場總線技術與計算機通信技術計算機通信技術的發展會從各個方面影響現場總線的發展。但是，二者在基本功能、信號傳輸要求和網絡結構上均有所不同。第二十二頁，共54頁。1.基本功能計算機通信的基本功能：可靠地傳遞信息。現場總線的功能則是包括了更多的內容：①高效、低成本地實現儀表及自控設備間的全數字化通信，以體現其經濟性；②解決現場裝置的總線供電問題，實現性現場總線的本質安全規范，以體現其安全性；③解決現場總線的環境適應性問題，如電磁干擾、環境溫度、適度、振動等因素，以體現其可靠性；④現場儀表及現場控制裝置要盡可能地就地處理信息，不要將信息過多地在網絡上往返傳遞，以體現現場總線技術發展趨勢——信息處理現場化。現場總線技術與計算機通信技術第二十三頁，共54頁。2.信號傳輸要求二者在速度要求上是一致的，但現場總線不僅要求傳輸速度快，還要求響應快，即需要滿足控制系統的實時性要求。一般通信系統也會有實時性的要求，但這是一種“軟”的要求，即只要大部分時間滿足要求就行了。過程控制對實時性的要求是“硬”的，因為它往往涉及安全，必須在任何時間都及時響應，不允許有不確定性。現場總線技術與計算機通信技術第二十四頁，共54頁。2.信號傳輸要求現場總線的實時性主要體現在響應時間和循環周期二個方面：響應時間是指系統發生特殊請求或發生突發事件時，儀表將信息傳輸到主控設備或其它現場儀表所需的時間。這往往需要涉及：現場設備的中斷和處理能力，傳輸時間，優先級控制等多種因素。過程控制系統通常并不要求這個時間達到最短，但它要求最大值是預先可知的。過程控制系統通常需要周期性地與現場控制設備進行信息交流，循環周期是指系統與所有現場控制設備都至少完成一次通信所需的時間。這個時間往往具有一定的隨機性，過程控制系統同樣希望其最大值是可預知的。現場總線技術與計算機通信技術第二十五頁，共54頁。2.信號傳輸要求現場總線通常采用以下二種技術來保證其實時性：簡化技術：極大地提高通信傳遞速度簡化網絡結構：一般將網絡形式簡化成線形；簡化通信模型，一般只利用了OSI/RM中的2～3層；簡化節點信息，通常簡化到只有幾字節。采用網絡管理技術來實現實時性，并保證其可預知性。例如:采用主-從訪問方式，只要限制網絡的規模，就可以將響應時間控制在指定的時間內。總之，實時性要求是現場總線區別于一般計算機通信的主要因素。改善現場總線的實時性，減少響應時間的不確定性是現場總線的重要發展趨勢。

現場總線技術與計算機通信技術第二十六頁，共54頁。3.網絡結構計算機通信系統的結構是網絡狀的，節點間的通信路徑是不固定的；大部分現場總線的結構是線狀的，節點間的通信路徑是比較固定的。FB采用線狀結構的原因在于：

①容易實現對現場儀表的總線供電。一條線狀結構現場總線支路上的電源負載是確定的，沿總線電源電壓的變化也是可以預料的。

②容易實現本安防爆規范。目前的本安防爆主導理論還是認為，電纜的分布電感、電容以及由于電磁感應產生的火花能量，都是隨著電纜的長度而增加。現場總線由于限制電纜的長度和總線上負載的數量，可以較好的解決本安防爆問題，同時這也對現場總線的應用產生了一定的限制。

現場總線技術與計算機通信技術第二十七頁，共54頁。4.系統結構

現場設備+傳輸介質現場總線接口微處理器傳感器A/D現場節點工作站現場總線現場總線技術與計算機通信技術第二十八頁，共54頁。2.現場總線比較現場總線標準第二十九頁，共54頁。現場總線德國西門子公司：1979年德國西門子公司第一次開發車載微機控制裝置1992年在SIBAS16基礎上推出以80386為CPU的SIBAS32系統。已具備網絡控制功能（符合TCN標準）法國ALSTOM公司：將WorldFIP作為標準通信協議應用于其開發的AGATE列車控制系統，并成功應用于TGV高速列車美國Echelon公司：20世紀90年代初，發明了Lonworks控制網絡技術德國Bosch公司:CAN總線美國：ARCNET第三十頁，共54頁。TCN（列車通信網絡）概述功能體系結構 WTB和MVB的特點 多功能車輛總線MVBMVB物理層MVB幀絞式列車總線WTBWTB特性摘要WTB網絡拓撲WTB幀、報文WTB介質訪問控制方式列車初運行

【主要內容】第三十一頁，共54頁。TCN（列車通信網絡）概述TCN（列車通信網絡）于1999年6月正式成為國際標準，即IEC61735。該標準對列車通信網絡的總體結構、連接各車輛的列車總線、連接車輛內部各智能設備的車輛總線及過程數據等內容進行了詳細的規定。第三十二頁，共54頁。

功能TCN（列車通信網絡）將列車上的智能設備連接起來，完成下述功能：列車牽引及車輛控制（如車門、車燈等的遠程控制）；遠程診斷及維護；旅客信息及舒適性；第三十三頁，共54頁。TCN三層結構：列車級控制、車廂級控制、設備級控制TCN的體系結構第三十四頁，共54頁。1.連接各車輛的絞線式列車總線（WireTrainBus,WTB）,列車新編組時可自動配置（組態），通信介質為雙絞線，通信速率為1Mbit/s；2.連接一節車輛內或車輛組各設備的多功能車輛總線（MultifunctionVehicleBus,MVB)，具有快響應性，通信介質為雙絞線或光纖，通信速率為1.5Mbit/s。3.這些總線在鏈路層提供了兩種相同的服務：過程數據：周期性的，源尋址廣播數據；消息數據：按需傳送的，目標尋址的數據報文。4.實時協議提供兩種與總線無關獨立的應用服務5.網絡管理支持組態、維護及操作。TCN的體系結構第三十五頁，共54頁。商業以太網－辦公自動化工業以太網－工業自動化工業以太網第三十六頁，共54頁。為什么工業領域需要以太網

原因一：現場總線標準難以統一，帶來系統復雜性 1999年現場總線技術標準IEC61158終于塵埃落定,有8種總線成為國際電工委員會(IEC)現行的現場總線技術標準。它們分別是: ①基金會現場總線FF(fundationfieldbus);②ControlNet;③Profibus;④P-Net;⑤FF(fieldbusfundation)高速以太網HSE;⑥SwiftNet;⑦WorldFIP;⑧Inter-bus. 從用戶應用的角度來看,多種現場總線標準并立導致在一個具體應用中可能會涉及多種不同標準的現場總線儀表,需要解決不同標準系統之間的互連接和互操作的問題,這必然會增加用戶的投資和使用維護的復雜性。第三十七頁，共54頁。

原因二：信息集成有新的要求 帶寬問題：一般地來說,現場總線標準的特點是通信協議比較簡單,通信速率比較低。如基金會總線FF的H1和PROFIBUS-PA的傳輸速率只有31.25Kbps。但隨著儀器儀表智能化的提高,傳輸的數據也必將趨于復雜,未來傳輸的數據可能已不滿足于幾個字節,甚至是WEB網頁,所以網絡傳輸的高速性在工業控制中越來越重要。 與商業網集成問題：在制造加工工業中，能夠走出辦公室,在任何地方對企業生產進行實時監控,無疑是各個企業提高生產效率、增強競爭力的有效方法。如此一來，現場總線的底層信息必然要和上層的通用局域網連接,將底層信息集成到車間、公司級的數據庫中,通過WEB方式瀏覽和交互控制。現有現場總線標準大都無法直接與互聯網連接，需要額外的網絡設備才能完成通信。第三十八頁，共54頁。

原因三：工業以太網的技術優勢 (1)解決協議的開放性和兼容性問題。

工業以太網因為采用由IEEE802.3所定義的數據傳輸協議，它是一個開放的標準，從而為PLC廠家和DCS廠家廣泛接受。與現場總線相比，以太網還具有向下兼容性。快速以太網是在雙絞線連接(10BaseT)的傳統以太網標準的基礎上發展起來的，但它的傳輸速度從10Mbps提升到了100Mbps。在大多數場合，它還可以使用已有的布線。此外，以太網還允許逐漸采用新技術。也就是說，沒必要一下子改變整個網絡，可以一步步將整個網絡升級。 (2)解決帶寬需求問題。

以太網最初的數據傳輸速度只有10Mbit/s，隨著1996年快速以太網標準的發布。以太網的速度提高到了100Mbit/s。1998年，千兆以太網標準的發布將其速度提高到最初速度的100倍。最初的以太網需要1.2毫秒才能傳送一個1518字節大小數據；現在，快速以太網已經將這一時間減少到120秒；如果采用千兆以太網，這一時間只需12微秒。

第三十九頁，共54頁。 (3)解決與商用以太網集成問題。

以太網作為現場總線,尤其是高速現場總線結構的主體,可以避免現場總線技術游離于計算機網絡技術的發展之外,使現場總線技術與計算機網絡技術很好地融合而形成相互促進的局面。 (4)以太網適配器的價格大幅度下跌以及各產品和標準對以太網的支持是其成功的重要因素。第四十頁，共54頁。什么是以太網? 1980年DEC(digitalequipmentcorporation)、Intel和Xerox三大公司發布了DIX版以太網1.0規范,其傳輸速度為10Mb/S,所支持的唯一物理介質為粗同軸電纜。1982年,發布了DIX2.0版,這就是通常所說的EthernetⅡ。與DIX同步的是IEEE成立的至今聞名的802.3委員會。1985年，IEEE802.3委員會發布了CSMA/CD訪問方法和物理層規范。盡管其幀的定義與DIX2.0不盡相同，但是現在更多的人認為它就是以太網。以太網標準包括：physicallayer:media,configurationdatalinklayer:MACprotocol,CSMA/CD第四十一頁，共54頁。CSMA/CDCarrierSense(CS)—“偵聽”

在發送信息幀之前是否有網絡傳輸。一旦偵聽到信道空閑，等待一個IFG(46bit時間)后便立刻發送信息幀MultipleAccess(MA)—“多點接入”

如果多個節點同時發送信息，此時就會發生沖突CollisionDetect(CD)—“沖突檢測”

CSMA/CD協議中采用重傳機制重新執行信息幀的發送操作，直到該信息幀成功發送或重傳次數n達到上限(attempLimit)而終止發送IntelDemo2第四十二頁，共54頁。CSMA/CDExponentialBack-offAlgorithm–“二進制指數回避算法，BEB”

每次檢測到沖突，CSMA/CD采用BEB算法隨機地計算出下一次重傳需要等待的時間，即幀重傳時延。幀重傳時延的大小為時隙時間(slotTime,512bit的傳輸時間)的整數倍r。 r為隨機整數，其取值為:0<r<2r，k=min(n,10),其中，n為重傳次數，最大值為16.對于10Mbit/s網絡，一個時隙時間為51.2us。因此沖突所導致的等待時間最長可以達到51ms。重傳時延的不確定性，不能滿足工業系統的實時性第四十三頁，共54頁。工業以太網與商業以太網的區別1、工業以太網的基本體系結構2、改進的實時工業以太網體系結構3、工業以太網的實時通信技術4、工業以太網的設備環境適應性和可靠性要求第四十四頁，共54頁。1、工業以太網基本體系結構

工業以太網在商用以太網基礎上發展而來，它的體系結構基本上采用了以太網的標準結構。對應于ISO/OSI通信參考模型，工業以太網協議在物理層和數據鏈路層均采用了802.3標準，在網絡層和傳輸層則采用被稱為以太網“事實上標準”的TCP/IP協議簇，在高層協議上，工業以太網通常省略了會話層、表示層，而定義了應用層，有的工業以太網還定義了用戶層。第四十五頁，共54頁。

根據實時以太網實時擴展的不同技術方案，可將實時以太網通信協議模型分為5類，①是經過常規最大努力提高實時性，一般工業以太網的通信協議模型;②采用在TCP/IP之上進行實時數據交換方案;③采用經優化處理和提供旁路實時通道的通信協議模型;④采用集中調度提高實時性的解決方案;⑤采用類似Interbus現場總線“集總幀”通信方式和在物理層使用總線拓撲結構提升以太網實時性能。2、改進的實時工業以太網體系結構第四十六頁，共54頁。3、工業以太網的實時通信技術采用以太網與TCP/IP相結合的方法直接修改傳統以太網MAC協議(CSMA/CD)方式數據鏈路層增加實時調度層的方式網絡節點間的時間同步機制也是實現確定性實時調度的必要手段之一第四十七頁，共54頁。采用以太網與TCP/IP相結合的方法標準：HSE、EtherNET/IP和Modbus/TCP說明：它們是建立在以太網和TCP/IP協議基礎上的數據傳遞。提高實時性的主要手段包括提高通信速率,控制網絡負荷以及采用全雙工交換技術。 然而,交換式以太網并不是實時通信最終的解決方案,當多個數據流同時到達交換機時,需要將其緩存后從目的端口順序輸出,此時多路轉換和緩存的時間取決于不同交換機的具體實現方式和網絡的負載情況,其值仍是一個不確定的數值。在許多工業應用環境中,需要一個設備同時向多個設備發送數據(如廣播或發布/預定關系)。交換式以太網更適合于點對點的數據交換，當廣播或多播報文同時傳遞到一個端口時會造成數據傳遞的時延。

第四十八頁，共54頁。采用以太網與TCP/IP相結合的方法標準：HSE、EtherNET/IP和Modbus/TCP說明：它們是建立在以太網和TCP/IP協議基礎上的數據傳遞。提高實時性的主要手段包括提高通信速率,控制網絡負荷以及采用全雙工交換技術。 然而,交換式以太網并不是實時通信最終的解決方案,當多個數據流同時到達交換機時,需要將其緩存后從目的端口順序輸出,此時多路轉換和緩存的時間取決于不同交換機的具體實現方式和網絡的負載情況,其值仍是一個不確定的數值。在許多工業應用環境中,需要一個設備同時向多個設備發送數據(如廣播或發布/預定關系)。交換式以太網更適合于點對點的數據交換，當廣播或多播報文同時傳遞到一個端口時會造成數據傳遞的時延。

第四十九頁，共54頁。采用以太網與TCP/IP相結合的方法

另外，HSE，Ethernet/IP和ModbusTCP都沒有在實質上解決以太網的通信不確定性問題，而是采取了一種比較折衷的方案，即傳輸層、數據鏈路層和物理層沿用以太網的原有機制，在用戶層或應用層對數據的傳輸進行控制。而對于應用層以下的報文是不能控制的，如ARP(AddressResolutionProtocol)、ICMP(InternetControlMessagesProtocol)等協議所產生的報文。這種折衷的方案不