LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在列車(chē)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

1．引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和在各行業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，越來(lái)越多的證據(jù)證明，某一行業(yè)或更廣泛領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一越來(lái)越重要，并成為制約或促進(jìn)行業(yè)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)極為重要的因素。在鐵路系統(tǒng)中也存在同樣的問(wèn)題，如果沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各車(chē)輛系統(tǒng)制造商往往沿著自己的路子，開(kāi)發(fā)出專(zhuān)有的，不兼容接口的產(chǎn)品，以限制買(mǎi)方只能使用他們的系統(tǒng)，不利于產(chǎn)品和技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)，制約了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。過(guò)去相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，鐵路系統(tǒng)列車(chē)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)就處于一種無(wú)標(biāo)準(zhǔn)的狀態(tài)，在很大程度上制約了列車(chē)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展。1999年，對(duì)于列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)，國(guó)際上制定了兩個(gè)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)：IEC（國(guó)際電工委員會(huì)）制定的《列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)》和IEEE（美國(guó)電氣與電子工程師協(xié)會(huì)）制定的《列車(chē)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議》。后者的內(nèi)容范圍包含了前者，它規(guī)定了兩種類(lèi)型的列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)：T型和L型。T型即TCN網(wǎng)絡(luò)（列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)），L型為《自由拓?fù)潆p絞線信道規(guī)范》規(guī)定的LonWorks通信網(wǎng)絡(luò)。參照上述兩大國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合國(guó)內(nèi)鐵路牽引的實(shí)際情況，2002年，我國(guó)鐵道部也制定了相應(yīng)的《中華人民共和國(guó)鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)――列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)》。本標(biāo)準(zhǔn)同樣規(guī)定了兩種類(lèi)型的列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)：T型和 L型。目前，國(guó)內(nèi)列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用主要集中在L型網(wǎng)絡(luò)。在鐵路系統(tǒng)內(nèi)采用開(kāi)放的IEEE標(biāo)準(zhǔn)將可以保證多廠家產(chǎn)品的互操作性，從而可以幫助促進(jìn)供應(yīng)鏈中每一環(huán)節(jié)的競(jìng)爭(zhēng)力，加快技術(shù)發(fā)展。

2. 網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的特點(diǎn)

LonWorks（Local Operating Networks）是美國(guó)Echelon公司1991年推出的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，它可以很好地解決在控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)、構(gòu)成、安裝和維護(hù)中出現(xiàn)的大量問(wèn)題。

LonWorks網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的特點(diǎn)：

（1） 開(kāi)放性：網(wǎng)絡(luò)協(xié)議開(kāi)放，對(duì)任何用戶(hù)平等；

（2） 互操作性：LonWorks通信協(xié)議LonTalk符合ISO（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織）定義的OSI開(kāi)放互連模型。任何制造商的產(chǎn)品都可以實(shí)現(xiàn)互操作；

（3） 通信媒介：幾乎囊括了目前所有可用通信媒介，包括雙絞線、電力線、光纖、同軸電纜、無(wú)線電波、紅外線等，而且在同一網(wǎng)絡(luò)中可以有多種通信媒介；

（4） 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：可以是主從式、對(duì)等式或客戶(hù)/服務(wù)器模式；

（5） 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌河行切?、總線形、環(huán)形以及自由形；

（6） 通信速率：可達(dá)1.25Mb/s，此時(shí)有效通信距離為130m。采用雙絞線情況下，在78Kb/s速率下直線通信距離長(zhǎng)達(dá)2700m；

（7） LonWorks網(wǎng)絡(luò)通信采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法：LonWorks網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)稱(chēng)之為“網(wǎng)絡(luò)變量”，它使網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化為參數(shù)設(shè)置，增加了通信的可靠性；

正是由于LonWorks技術(shù)完全滿(mǎn)足了未來(lái)發(fā)展對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的要求，目前，它的使用已經(jīng)遍及世界56個(gè)國(guó)家和地區(qū)的工業(yè)、樓宇、交通、能源等自動(dòng)化領(lǐng)域。

3．LonWorks技術(shù)的應(yīng)用

3.1鐵道部列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)L型網(wǎng)絡(luò)的規(guī)定

標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定“適用于連接一個(gè)基本運(yùn)轉(zhuǎn)單元（單個(gè)車(chē)輛或車(chē)輛的固定組合）或一組基本運(yùn)轉(zhuǎn)單元內(nèi)的電子裝置，傳送時(shí)間不太緊迫、時(shí)間不要求確定的由事件驅(qū)動(dòng)的消息數(shù)據(jù)的傳送”，主要應(yīng)用于列車(chē)監(jiān)控系統(tǒng)中。由于列車(chē)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控對(duì)象組成的相對(duì)固定和列車(chē)編組的特殊性，標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)規(guī)定了最為常用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)中的總線關(guān)系，如圖1所示。

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及總線關(guān)系

3.2列車(chē)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)概述

在目前眾多的應(yīng)用中，列車(chē)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)列車(chē)運(yùn)行中所有車(chē)輛設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視，并根據(jù)需要對(duì)可可控設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)端控制操作。這些車(chē)輛設(shè)備往往比較固定，一般包括空調(diào)控制器、輔助電源逆變器、煙火報(bào)警器、門(mén)控器、軸溫報(bào)警器、防滑器、列車(chē)供電控制器等，幾乎列車(chē)上所有必需的電子設(shè)備。系統(tǒng)對(duì)這些設(shè)備的監(jiān)視控制變量中，既有模擬量，也有數(shù)字量。因?yàn)榱熊?chē)的編掛數(shù)量往往超過(guò)18輛，整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控對(duì)象數(shù)量比較多，網(wǎng)絡(luò)通信量也比較大。另外，由于列車(chē)編組情況可能會(huì)變動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)還必須根據(jù)設(shè)定器中設(shè)定的車(chē)號(hào)和編組對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置，以適應(yīng)不同的列車(chē)編組情況。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，除了通用節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)外，由于目前很多列車(chē)設(shè)備采用傳統(tǒng)微控制技術(shù)，還保持原有的RS-232/485串行通信方式，系統(tǒng)要與這些設(shè)備建立通信，就必須安裝協(xié)議轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)。因此，整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)都比較復(fù)雜。

3.3應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)外，尤其是美國(guó)等西方國(guó)家，LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已經(jīng)在鐵路領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。歐洲國(guó)家則主要采用TCN。

國(guó)內(nèi)目前列車(chē)監(jiān)控系統(tǒng)LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的應(yīng)用也在不斷增加。已經(jīng)投入使用的有用于內(nèi)燃動(dòng)車(chē)組（曙光號(hào)、神州號(hào)）點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，實(shí)現(xiàn)首尾機(jī)車(chē)的重聯(lián)控制。在新設(shè)計(jì)的動(dòng)車(chē)組上，有的用于列車(chē)總線（多個(gè)節(jié)點(diǎn)），有的用于車(chē)輛總線（多個(gè)設(shè)備）。北京高包車(chē)則全部采用LON總線。

在目前已經(jīng)投入運(yùn)行的系統(tǒng)中，基本上都采用了總線形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每一節(jié)車(chē)廂作為一個(gè)獨(dú)立的監(jiān)控單元，每一監(jiān)控單元內(nèi)根據(jù)需求不同所需節(jié)點(diǎn)數(shù)量也不一樣。同一單元內(nèi)各節(jié)點(diǎn)通過(guò)車(chē)輛總線（LON總線）相連。通過(guò)在每一單元內(nèi)安裝一代理節(jié)點(diǎn)來(lái)完成本單元內(nèi)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的管理，同時(shí)也提供本單元同列車(chē)總線及其它單元的接口。在司機(jī)室或發(fā)電車(chē)內(nèi)有一監(jiān)控主機(jī)，通過(guò)LON網(wǎng)卡與列車(chē)總線相連，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)等工作。操作員可通過(guò)主機(jī)觸摸屏監(jiān)視列車(chē)運(yùn)行狀況以及各設(shè)備狀態(tài)，并可對(duì)車(chē)輛設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)方操作控制。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。除了上述主從方式的的系統(tǒng)，也有的系統(tǒng)采用對(duì)等方式，不再設(shè)監(jiān)控主機(jī)，而是在每一監(jiān)控單元內(nèi)各有一監(jiān)控終端（配置可相對(duì)較低），通過(guò)監(jiān)控終端可對(duì)其它單元內(nèi)設(shè)備狀況進(jìn)行監(jiān)視，并可對(duì)可控設(shè)備進(jìn)行控制。目前在一些新型車(chē)或改造車(chē)上，這種方式已經(jīng)得到了應(yīng)用。另外，國(guó)產(chǎn)地鐵列車(chē)監(jiān)控系統(tǒng)中也開(kāi)始采用LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。目前，國(guó)內(nèi)投入運(yùn)營(yíng)的地鐵列車(chē)監(jiān)控系統(tǒng)，基本都是從日本或歐洲隨車(chē)進(jìn)口，成本很高，如果采用我們自己的系統(tǒng)成本將會(huì)大大降低。

監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

4．結(jié)束語(yǔ)

LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是一項(xiàng)新技術(shù)，它突出的優(yōu)點(diǎn)使得LON總線也成為當(dāng)前最為流行的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。雖然國(guó)內(nèi)引入改項(xiàng)技術(shù)比較晚，但也得到了越來(lái)越多的應(yīng)用和發(fā)展。在鐵路行業(yè)，LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)被列為鐵路網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)后，其發(fā)展必將更迅速，應(yīng)用也將越來(lái)越廣泛。這對(duì)于鐵路列車(chē)國(guó)產(chǎn)化水平的提高，列車(chē)成本的降低有極為重要的意義。同時(shí)，對(duì)于LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在其它行業(yè)的應(yīng)用也將是一個(gè)促進(jìn)。