LonWorks现场总线技术在列车监控系统中应用

1．引言

　　随着科学技术的不断发展和在各行业领域的广泛应用，越来越多的证据证明，某一行业或更广泛领域内技术标准的统一越来越重要，并成为制约或促进行业技术发展的一个极为重要的因素。在铁路系统中也存在同样的问题，如果没有统一的标准，各车辆系统制造商往往沿着自己的路子，开发出专有的，不兼容接口的产品，以限制买方只能使用他们的系统，不利于产品和技术的竞争，制约了相关技术的发展。过去相当长的一段时间内，铁路系统列车网络通信技术就处于一种无标准的状态，在很大程度上制约了列车网络监控系统技术的发展。1999年，对于列车通信网络，国际上制定了两个相应标准：IEC（国际电工委员会）制定的《列车通信网络》和IEEE（美国电气与电子工程师协会）制定的《列车网络通信协议》。后者的内容范围包含了前者，它规定了两种类型的列车通信网络：T型和L型。T型即TCN网络（列车通信网络），L型为《自由拓扑双绞线信道规范》规定的LonWorks通信网络。参照上述两大国际标准，并结合国内铁路牵引的实际情况，2002年，我国铁道部也制定了相应的《中华人民共和国铁道行业标准――列车通信网络》。本标准同样规定了两种类型的列车通信网络：T型和 L型。目前，国内列车通信网络的应用主要集中在L型网络。在铁路系统内采用开放的IEEE标准将可以保证多厂家产品的互操作性，从而可以帮助促进供应链中每一环节的竞争力，加快技术发展。

2. 网络控制技术的特点

　　LonWorks（Local Operating Networks）是美国Echelon公司1991年推出的现场总线技术，它可以很好地解决在控制网络的设计、构成、安装和维护中出现的大量问题。

　　LonWorks网络控制技术的特点：

　　（1） 开放性：网络协议开放，对任何用户平等；

　　（2） 互操作性：LonWorks通信协议LonTalk符合ISO（国际标准化组织）定义的OSI开放互连模型。任何制造商的产品都可以实现互操作；

　　（3） 通信媒介：几乎囊括了目前所有可用通信媒介，包括双绞线、电力线、光纤、同轴电缆、无线电波、红外线等，而且在同一网络中可以有多种通信媒介；

　　（4） 网络结构：可以是主从式、对等式或客户/服务器模式；

　　（5） 网络拓扑：有星形、总线形、环形以及自由形；

　　（6） 通信速率：可达1.25Mb/s，此时有效通信距离为130m。采用双绞线情况下，在78Kb/s速率下直线通信距离长达2700m；

　　（7） LonWorks网络通信采用面向对象的设计方法：LonWorks网络通信技术称之为“网络变量”，它使网络通信的设计简化为参数设置，增加了通信的可靠性；

　　正是由于LonWorks技术完全满足了未来发展对测控系统的要求，目前，它的使用已经遍及世界56个国家和地区的工业、楼宇、交通、能源等自动化领域。

3．LonWorks技术的应用

　　3.1铁道部列车通信网络标准对L型网络的规定

　　标准中规定“适用于连接一个基本运转单元（单个车辆或车辆的固定组合）或一组基本运转单元内的电子装置，传送时间不太紧迫、时间不要求确定的由事件驱动的消息数据的传送”，主要应用于列车监控系统中。由于列车监控系统监控对象组成的相对固定和列车编组的特殊性，标准同时规定了最为常用的网络拓扑结构和网络中的总线关系，如图1所示。

　　3.2列车网络监控系统概述

　　在目前众多的应用中，列车网络监控系统主要是实现对列车运行中所有车辆设备运行状态的监视，并根据需要对可可控设备进行远端控制操作。这些车辆设备往往比较固定，一般包括空调控制器、辅助电源逆变器、烟火报警器、门控器、轴温报警器、防滑器、列车供电控制器等，几乎列车上所有必需的电子设备。系统对这些设备的监视控制变量中，既有模拟量，也有数字量。因为列车的编挂数量往往超过18辆，整个系统的监控对象数量比较多，网络通信量也比较大。另外，由于列车编组情况可能会变动，网络监控系统还必须根据设定器中设定的车号和编组对整个网络进行动态配置，以适应不同的列车编组情况。系统设计中，除了通用节点的设计外，由于目前很多列车设备采用传统微控制技术，还保持原有的RS-232/485串行通信方式，系统要与这些设备建立通信，就必须安装协议转换节点。因此，整个系统的设计和实现都比较复杂。

　　3.3应用现状

　　国外，尤其是美国等西方国家，LonWorks现场总线技术已经在铁路领域得到广泛应用。欧洲国家则主要采用TCN。

　　国内目前列车监控系统LonWorks现场总线技术的应用也在不断增加。已经投入使用的有用于内燃动车组（曙光号、神州号）点对点通信，实现首尾机车的重联控制。在新设计的动车组上，有的用于列车总线（多个节点），有的用于车辆总线（多个设备）。北京高包车则全部采用LON总线。

　　在目前已经投入运行的系统中，基本上都采用了总线形网络拓扑结构，每一节车厢作为一个独立的监控单元，每一监控单元内根据需求不同所需节点数量也不一样。同一单元内各节点通过车辆总线（LON总线）相连。通过在每一单元内安装一代理节点来完成本单元内网络节点的管理，同时也提供本单元同列车总线及其它单元的接口。在司机室或发电车内有一监控主机，通过LON网卡与列车总线相连，负责数据的显示、存储等工作。操作员可通过主机触摸屏监视列车运行状况以及各设备状态，并可对车辆设备进行远方操作控制。整个网络结构如图2 所示。除了上述主从方式的的系统，也有的系统采用对等方式，不再设监控主机，而是在每一监控单元内各有一监控终端（配置可相对较低），通过监控终端可对其它单元内设备状况进行监视，并可对可控设备进行控制。目前在一些新型车或改造车上，这种方式已经得到了应用。另外，国产地铁列车监控系统中也开始采用LonWorks现场总线技术。目前，国内投入运营的地铁列车监控系统，基本都是从日本或欧洲随车进口，成本很高，如果采用我们自己的系统成本将会大大降低。

监控系统结构示意图

4．结束语

　　LonWorks现场总线技术是一项新技术，它突出的优点使得LON总线也成为当前最为流行的现场总线之一。虽然国内引入改项技术比较晚，但也得到了越来越多的应用和发展。在铁路行业，LonWorks现场总线技术被列为铁路网络通信标准后，其发展必将更迅速，应用也将越来越广泛。这对于铁路列车国产化水平的提高，列车成本的降低有极为重要的意义。同时，对于LonWorks现场总线技术在其它行业的应用也将是一个促进。