当MVB总线在地铁列车控制系统中的应用

MVB总线在地铁列车控制系统中的应用

摘 要：介绍了 MVB 总线的物理层、帧和报文的格式与时序, 以及其在广州地铁 2 号线、深圳地铁 1 号

线、上海地铁1 号线延长线等车辆控制系统中的成功应用。

关键词：地铁列车; 多功能车辆总线( MVB) ; 帧; 报文; 自动控制

地铁 2 号线、深圳地铁 1 号线、上海地铁 1 号线延长线的列车均采用了符合 IEC61375 TCN 标准的德国总线控制系统。该系统由列车总线( WTB) 和多功能车辆总线( MVB) 两部分组成, 单元( 整个列车 6 辆车为一个编组, 3 辆车为 1 个单元) 内用 MVB 总线连接, 两个单元间用 WTB 总线连接, MVB 总线实现车辆控制, WTB 总线实现列车控制。

1 MVB 总线的物理层和链路层

MVB 总线模型是在开放系统互联 OSI 模型的基础上进行了简化。OSI 具有 7 层参考模型, 而 MVB 只有其中的物理层和链路层。

1.1 物理层

MVB 总线的物理层有 3 种:

1) ESD( 电的短距离传输介质) , 使用双绞屏蔽线, 按RS- 485 标准, 最多支持 32 个设备, 最大总线长度 20 m 。

2) EMD( 电的中距离传输介质) , 使用双绞屏蔽线, 最多 支持 32 个设备, 最大总线长度 200 m 。允许使用变压器连接。

3) OGF( 光纤媒介) , 使用总线连接器, 传输距离可达2 km。

MVB 总线系统是分级控制系统。系统设备共分 5 个级别, 6 种能力:

1) 1 级设备具有的能力有设备状态和过程数据。设备端口地址一般与设备地址一致。

2) 2 级设备具有的能力有设备状态, 过程数据, 信息数据, 是智能设备可以通过总线配置, 但不能编程。

3) 3 级设备具有的能力有设备状态, 过程数据, 信息数据和用户编程。

4) 4 级设备具有的能力有设备状态、过程数据、信息数据和总线管理器。用户编程具有可选性。

5) 5 级设备具有的能力有设备状态、过程数据、信息数据、关和总线管理器。具有总线管理器的关能与各种总线同步。

1.2 链路层数据

1.2.1 帧和报文格式

有效的帧格式见图 1

1) 主帧格式: 以主起动定界符开始, 接着是 16 位报文数据, 然后是 8 位校验序列。4 位 F_code 码限制下面的12 位并指示从帧大小, 如图 2 所示。

2) 从帧格式: 以从起动定界符开始, 接着是 16, 32,64, 128 或 256 位帧数据, 8 位校验序列在 64 位数据的每个字后或在 16, 32 位数据后。帧文每 64 位后就有一个校验序列, 如图 3 所示。

3) 报文时序: 主帧和响应它的从帧称为一个报文。

4) 报文类型: 过程数据、信息数据和监管数据报文。

1.2.2 数据分布

媒介访问是通过总线管理器实现的, 周期循环。基本周期分为 4 个阶段: 周期阶段, 监管阶段, 事件阶段, 警惕阶段, 见图 4。其中事件阶段、监管阶段和警惕阶段构成临时阶段。MVB 总线的数据分为过程数据、信息数据和监管数据。其数据分布为: 过程数据为周期发布, 信息数据和监管数据发布周期不固定。过程数据都是一些非常重要的数据, 如牵引速度, 加速度的值等。

2 硬件及软件简介

2.1 硬件

系统硬件主要包括车辆控制器 VTCU、总线连接器、输入输出单元、通讯连接器 ComC、人机显示器 MMI 及相关子系统。

车辆控制器 VTCU 即总线控制器, 每个 3 节车单元各一个, 共由 7 块板组成, 自带插槽和电源, 是标准的模块化 系 统 。 车 辆 控 制 单 元 由 关(这样才能避免由于零部件的松脱致使了最后的实验检测结果收到影响 VTCU- GW) , VCUT,VCUA 及 VTCU 的电源组成。关控制列车总线( 并开动这些装备WTB)和车辆总线( MVB) , 并在两个总线系统间转换过程和信息数据。列车诊断板 VCUT 上有板载数据库( ODBS) , 可通过 RS422 接口控制人机界面。列车应用程序板 VCUA里包含着列车和车辆的控制程序。VTCU的电源提供 110V直流电源, 并与供电系统的电势隔离。

总线连接器具有连接不同车辆总线的作用, 同时也能起到信号放大的作用。

输入输出单元由数字输入输出单元 DX 和模拟输入输出单元 AX 组成。数字输入输出单元 DX 的数字数据I/O 接口一般直接连到继电器触点上。每辆车都有很多DX, 每个 DX 都可以设置地址。电源电压 DC48～120 V,10 位输入, 6 位输出。1 位报警器输出模拟输入输出单元AX 有模拟数据 I/O 接口, 每个 AX 也有自己的地址; 4 位模拟输入( ±10 V, ±20 mA) ; 2 位模拟输出。只有非常少的几处, 如牵引力大小等使用模拟量。

通讯连接器 ComC 主要用于没有 MVB 总线的第三方供货的通讯设备 MC68360 处理器, 具有 2 MB 闪存和1 MB( 静态存储器) , 2 通道 RS232 , 2 通道 RS485, 1 通道RS- 485, 1 通道 RS- 232 , 标准 MVB ESD+, 以及 DC 24～120 V 标称电压 MVB 终端插( 每个 MVB 总线段必须带有一个终端插) 。

2.2 软件

系统通讯和控制拓扑图如图 5 所示, 其软件结构见图 6。

2.2.1 基本软件 CSS( 包括基本系统软件和适时系统软件)

1) 控制系统中的操作系统基于 VxWorks 内核程序;

2) 用于应用程序的接口提供标准的功能实时操作系统 RTOS;

3) ANSI- C 的子集任务管理故障处理;

4) 数据记录;

5) 事件记录;

6) 时间同步;

7) 监控器;

8) 硬件相关功能;

9) 设备启动控制;

10) 内存测试;

11) MVB 支持和配置: 信息数据、过程数据和总线管理。

2.2.2 应用软件

应用软件使用的是功能块语言, 它实际上是一种开放式的 PLC, 代替传统继电器的逻辑关系。不用使用许多硬线就实现了自动控制。另外, 这种功能块语言不需要编程基础就能看懂, 省去了编程语言的培训。

在车辆控制上实现的功能, 主要是牵引和制动控制。但其他一些功能, 如门、空调、信息显示等也挂在总线下,只是在牵引安全和制动方面, 来判断牵引和制动能否进行, 如门没有关到位, 不能开车等。

牵引、制动、门、空调、信息显示等是 MVB 总线下的子系统, 这些子系统不需要有共同的语言, 每个系统都可以有自己的语言系统, 但它们都必须遵循 MVB 总线协议。

虽然总线系统只有物理层和链路层, 同开放式互联系统 OSI 的 7 层参考模型相比是一种低级控制, 但对实现自动控制已足够了。

3 结束语

列车自动控制是发展趋势, 而总线技术是实现自动控制的手段。目前已经在广州地铁 2 号线、深圳地铁 1 号线、上海地铁 1 号线延长线等地铁车辆上成功实践了地铁车辆自动控制, 相信总线技术必将得到进一步的推广和应用。

参考文献：

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