广州地铁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:

• 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20m
• 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200m。允许使用变压器连接
• OGF(光纤媒介), 使用总线连接器, 传输距离可达2km

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 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 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 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 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 级设备具有的能力有设备状态、过程数据、信息数据、网关和总线管理器。具有总线管理器的网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

MVB总线在地铁列车控制系统中的应用

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。车辆控制单元由网关(VTCU-GW), VCUT, VCUA及VTCU的电源组成。网关控制列车总线(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DC48～120V, 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。