引言：网络控制系统在列车制造技术迅猛发展的今天已经是车辆重要的电气功能系统，在列车通讯，车辆控制，数据采集及记录等方面具有重要的作用，同时也是衡量机车制造技术水平的一个重要方面。本文对和谐电3系列电力机车的网络控制系统进行了梳理和研究，总结了现有网络控制系统的拓扑结构及特点。
1.HXD3G型电力机车网络控制系统
HXD3G型交流传动客运电力机车是公司2014年重大研发课题项目。采用工业以太网作为整车TCMS网络购下，同时为兼顾铁路总公司要求，在硬件设备中预留TCN网络控制系统功能，满足IEC61375-2-5，IEC61375-3-4等工业以太网的立车通信网络最新标准。
1.1系统设备：
1.1.1控制监视系统装置TCMS
每节机车具有一个TCMS主机机箱，内置主从两套TCMS控制系统。车辆级控制包含机车逻辑控制、机车牵引/再生制动特性控制、主变流器控制、辅变流器控制、冗余控制等。
1.1.2 列车交换机TS
每节机车具有两台TS交换机，除了作为本节车各个子设备的以太网汇聚节点外，还用于本车与他车数据之间的路由。每个TS有12个以太网端口，其中4个专门用于ETB网络；
1.1.3牵引变流器控制单元MPU
每节机车有两个变流柜，每个变流柜内有一个MPU机箱，包含了两个MPU控制单元。每个变流柜送出两根互为冗余的以太网通讯线缆，每根线缆传送了两个MPU的数据流，分别连接TS1，TS2。
1.1.4辅助变流器控制单元APU
每个变流柜内有一个辅助变流控制单元APU，通过两根互为冗余的以太网线缆交互辅助供电变流器的相关数据，通过软件功能升级可以进行APU辅助供电控制功能的延伸。
1.2网络系统拓扑
图1 HXD3G电力机车网络系统拓扑结构图
HXD3G网络系统拓扑满足了列车级网络通讯线路冗余，以太网设备的硬件冗余，TS、MPU、APU通过环形以太网与TCMS进行组网，其他设备以星形结构通过485通讯与TCMS进行组网，ETB直接通过TS交换机与组网的设备进行ECN以太网数据交互。该拓扑结构特点在于划分了结构分明的三层网络结构，列车级的ETB交互网络，车辆级的ECN交互网络，车辆级的485交互网络。各层网络结构相对简单，增大了以网络系统的稳定性。TCMS主机具备了交换机和网关（以太网转RS485）的功能，承担了更多的网络功能，且TCMS本身具有主从冗余设置，更合理的使用了TCMS的设备冗余性。
2.时速160公里动力集中动车组动力车网络控制系统
动车组网络控制系统采用统一的网络通信标准。动车组动力车网络控制系统符合 GB/T28029.1-2011。列车级总线采用绞线式列车总线WTB，车辆级总线采用多功能车辆总线MVB。同时布设以太网，满足IEC61375-3-4—2014。动力集中动车组拖车网络控制系统分采用列车级和车辆级总线。
2.1系统设备
2.1.1中央控制单元CCU
两个中央控制单元CCU1，CCU2安装在微机柜内，主要完成列车级控制、车辆级控制、车辆级总线管理及设备通信状态的诊断、故障保护、故障记忆、与显示单元的交互等功能。操作端司机室所在的中央控制单元可作为全列主控单元发布列车级指令，其他中央控制单元接收。
2.1.2WTB网关
两个WTB网关安装在微机柜内，用于完成列车级的总线管理，同时具有检测WTB总线故障和冗余切换功能。
2.1.3司机室显示单元DDU
动力车操纵台上设置两个司机室显示单元DDU，并互为冗余。当任意一个显示单元发生异常时，非故障显示单元可在各模式间进行切换，维持动力车运行。
2.1.4远程输入输出单元RIOM
RIOM单元位于司机室操纵台和微机柜内，用于采集司机操作指令和设备状态，同时输出指令驱动操纵台上的按钮指示灯，控制动力车上的各继电器、接触器等。所有输入输出信号通过两根硬线分别连接到冗余的两个RIOM上，实现设备冗余功能。
2.2.2拓扑分析
时速160公里动力集中动车组网络系统具有MVB和以太网双网冗余功能，兼备lonworks，WTB总线通信功能。四台以太网交换机环形组网，互为冗余，同时两部WTB交换机实现了三层网络交互功能的同时也互为冗余，单机可以完全支撑起整列网络系统的正常运转。司机室内的RIOM完成了数字信号输入和模拟信号输入的信号手机和转换为以太网，MVB数据的功能，司机室信号与微机之间是完全依靠网络通讯的，实现了非特殊和制动工况下的司机室网络控车。该拓扑又一重点在于对于所有变流模块，均具有双线以太网和双侧MVB网络，这使对变流模块的网络监测和控制更加的准确和稳定。该拓扑设计理念为通过绝对的设备冗余保证MVB和以太网的工作稳定性。
3.HXD3B型电力机车网络控制系统
HXD3B型机车的微机网络控制系统采用庞巴迪公司提供的MITRAC系列产品，MITRAC机车控制系统由多微机环境组成，机车微机网络控制系统基于TCN网络标准结构形式，通过MVB车辆总线连接车上各相关设备，重联机车之间采用WTB列车总线。
3.1系统设备
3.1.1网关TCN-GW
列车总线WTB和机车总线MVB之间通过TCN网关连接，网关采用冗余配置，当一个网关出现故障时，另一个网关可接管全部功能。两个网关以串行方式接到冗余的WTB总线上，WTB故障由网关检测。
3.1.2牵引控制单元DCU2
每台机车有3个变流柜，每个变流柜由4个相同的DCU2硬件单元体构成。根据安装的软件决定它们相应的功能，其中DCU2/L为网侧变流器控制单元，DCU2/M1和DCU/M2为电机变流器控制单元，DCU/A为辅助变流器控制单元。
3.2拓扑分析
图2 HXD3B型机车微机网络控制系统拓扑结构
如图2所示，HXD3B型电力机车微机网络控制系统拓扑采用了MVB以太网双车辆级网络通讯技术，WTB列车总线技术，以及RS485驱动级 网络。该网络系统的最大特点在于三段MVB通讯控制。三段MVB网络独立运行，数据通过MVB星形耦合器SC汇合到MVB总线上，这保证了三台变流柜的独立通讯工作能力，又做到了信息通讯的互联互通。对于其他网络设备，均使用了两段MVB接入互为冗余设计。HXD3B机车MVB网络的机械间布线，即柜外布线均使用了光纤线缆，通过各个设备内的RS485网络，经过光信号转换器（BC-L）转换。这样消除了传统金属线芯线缆容易受到电磁辐射干扰的问题，从信道的角度保证了网络信号的品质。以太网的拓扑设计则更加具有针对性，在MVB通讯段故障的时候依然通过以太网对变流器模块的RS485数据进行检测和驱动控制。以太网交换机置于三个变流柜中，将柜内的多条以太网线缆数据汇合后通过一条以太网线缆传出，这样大大减少了以太网机械间布线。HXD3B电力机车的网络拓扑设计非常有针对性，重点在于保证变流柜的网络系统冗余稳定性，网络分工及层级十分鲜明，对于网络物理层信道的搭建十分重视。是具有很强应用经验及独特设计理念的网络系统结构。
4.结束语
电力机车网络系统发展有很大前景，网络系统拓扑的形式也将有更多的形式，以及更具有针对性的设计，这些设计来自于运用经验，技术基础以及客户需求。而新技术的引用也必然会影响网络拓扑设计的发展，网络拓扑设计的发展需求也会带动新技术。
论文作者:冀文轩
论文发表刊物:《基层建设》2018年第20期
论文发表时间:2018/8/14
标签：网络论文; 以太网论文; 冗余论文; 拓扑论文; 单元论文; 控制系统论文; 变流器论文; 《基层建设》2018年第20期论文;