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        動車組MVB通訊信號衰減問題分析與解決措施

        2018-09-10 07:20:58董成印
        中國科技博覽 2018年33期

        董成印

        [摘 要]在分析MVB通訊信號強度的基礎上,結合實例,詳細介紹了MVB通訊在ESD和EMD兩種模式下長期可靠工作允許的信號衰減,施工過程中應注意的事項和檢查方法、出現(xiàn)故障后的解決措施。

        [關鍵詞]MVB ESD EMD 插入損耗 衰減

        中圖分類號:TE357.1 文獻標識碼:A 文章編號:1009-914X(2018)33-0016-02

        1. 動車組通訊構架

        既有動車組列車通訊網絡基本都采用TCN模式,TCN網絡由絞線式列車總線WTB和多功能車輛總線MVB組成。WTB總線和MVB總線由網關連接在一起,并由網關對WTB信號和MVB信號進行相互轉換,實現(xiàn)WTB和MVB的有機結合,從而完成對整列車的有效控制。

        國內動車組由8輛車或16輛車組成,8輛車為一個標準列,根據(jù)高壓、控制等拓撲結構不同,將8輛車分為2~3個單元組,單元組內部網絡控制系統(tǒng)與各子系統(tǒng)和輸入輸出模塊之間通過MVB總線貫通并于網關相連,網關通關WTB總線將各單元組連接一起。

        2. 通訊信號的衰減

        WTB總線僅連接在網關和網關之間,布線結構簡單、節(jié)點少、長度短,一般不會由信號衰減造成通訊問題;MVB總線需要連接各設備之間、設備與網關之間,布線結構復雜、節(jié)點多,長度長,布線不良時易出現(xiàn)由信號衰減,造成通訊丟失的問題。

        MVB通訊是現(xiàn)代動車組通控制最主要的通訊方式,列車網絡控制系統(tǒng)與牽引、制動等系統(tǒng)通訊均用到MVB通訊,良好的MVB信號質量是保證通訊正常的有力條件,如果信號幅值過低、波形變形,輕則造成單元組通訊丟失,車輛失去部分動力,限速運行,重則配置失敗,車輛無法維持運行,停車晚點,嚴重干擾正常的運營秩序,因此保障MVB通訊質量良好是車輛正常行車至關重要的因素。

        影響MVB通訊質量的因素很多,本文只討論易出故障且比較常見的信號衰減問題。

        信號衰減也稱為插入損耗(insertion loss),由于傳輸電纜的電阻、連接器電阻和漏電流,信號強度在傳輸過程會衰減,如圖1所示:

        隨著通訊頻率的增加,由于集膚效應和感抗、容抗相應增加,信號衰減也會增加。由于MVB通訊額定頻率為1.5MHz, 而計算衰減一般按兩倍額定頻率考慮,所以本文所談MVB信號衰減均為在3MHz頻率下數(shù)據(jù)。

        MVB通訊有ESD和EMD兩種模式,在IEC 61375中,關于MVB信號衰減問題沒有明確的量化要求,僅對發(fā)送和接收的電壓幅值進行限制,根據(jù)電壓幅值進行計算,ESD和EMD允許的衰減分別如下:

        ESD允許衰減理論計算

        ESD實際是MVB增加了MVB/RS485轉發(fā)器,信號定義和有效值采用RS485的標準,發(fā)送和接收分別要求如下:

        發(fā)送:發(fā)送電壓要求最小幅值為±1.5V,

        接收:接收電壓,Up-Un>+0.2V 為高電平, Up-Un<-0.2V 為低電平

        理論允許衰減:

        EMD允許衰減理論計算

        在IEC61375-3-1中,EMD模式的發(fā)送和接收分別要求如下:

        發(fā)送:發(fā)送電壓要求最小幅值為±1.5V,

        接收:最低幅值應不小于0.3V,持續(xù)時間至少100ns,

        理論允許衰減:

        上述衰減為理論允許衰減,考慮到噪聲抑制, 根據(jù)標準要求,信號幅值0.7V時,3×106 幀出錯不應超過3次, 此時ESD和EMD允許衰減為:

        考慮到溫升后衰減的增加,測試設備一般直接將允許衰減信號判定的標準更高,比如Fluke Cable Tester 中,在MVB信號測試時,最大衰減判定標準定為額定通訊頻率(1.5MHz)為3dB,兩倍額定通訊頻率時(3MHz)為4dB。

        衰減超標時會引起通訊故障,該類故障由通訊信號超標造成,不存在單一的故障點,故障多為偶發(fā),故障后果嚴重,故障后難以查到故障的根本原因。例如某CRH-250型動車組,車輛運行時平均每兩周就發(fā)生一次MVB通訊丟失故障,多次扣車檢查,累計扣車時間超過一個月,將通訊回路內各硬件設備、連接器插針、插孔、電纜屏蔽層連接、線路絕緣等全查檢查,最終在信號衰減測試時發(fā)現(xiàn)車輛中一個MVB區(qū)段內MVB信號衰減較大,具體信息如圖2、圖3、圖4:

        線段長度:144米

        插入損耗:5.9dB,測試頻率:3MHz,超標1.9dB

        將衰減信號測試圖形轉換為Excel表格時,可以清晰的看出各頻率對應的信號衰減,在3MHz時,信號衰減為5.9dB,超標1.9dB。見表1。

        根據(jù)MVB電纜的出廠標準和IEC對MVB電纜的標準要求,在1.0BR時,衰減小于15.0dB/km, 在2.0BR時,衰減小于20.0dB/km,根據(jù)此標準,此案例中144米MVB電纜信號衰減應在2.88dB左右,即使考慮設備的信號衰減,5.9dB也遠遠超過理論衰減值,此段電纜明顯存在異常,拆開車內頂板,經檢查發(fā)現(xiàn)兩個車的廁所內MVB電纜折彎半徑嚴重超標,余量電纜存在多次對折的情況,將此電纜更換后,信號衰減明顯好轉,經運行半年驗證,問題再也沒有發(fā)生,故障得到解決。

        從上述案例中可以看出, 雖然理論信號衰減17.5dB也可以實現(xiàn)MVB通訊,但要想長期可靠無誤的連續(xù)進行MVB通訊,實際能接受的信號衰減值應遠小于理論值,新車出廠時每個MVB區(qū)段的信號衰減應控制在4dB以內。

        3. MVB信號衰減的控制

        MVB回路增加中繼器可以有效的減小信號的衰減。中繼器的功能有兩個:

        * 可以將車輛總線分為若干MVB網段,當某個網段故障時不影響其他部分車輛總線的工作;

        * 中繼器實現(xiàn)信號再生和整形的功能,可以擴大網絡傳輸?shù)木嚯x。

        目前動車組8輛車為一個標準列,分為4+4單元組或3+2+3單元組兩種基本結構,大部分動車組采用MVB回路在單元組內組網的概念,單元組之間采用WTB通訊,個別車型由于冗余概念的不同,采用MVB貫通全列的概念。需要注意的是,即使每輛車都設置中繼器,但由于中繼器一般安裝在車體端部的直流電氣柜內,由于平面的布置,有可能相鄰的兩個車中繼器安裝位置位于兩車的兩端,由于TCMS采用的是分布式模塊化采集單元,MVB回路電纜要車上車下以及左側右側來回繞多次,造成實際長度26.5米的車內布線長達七十多米,兩車加起來長達140米,僅電纜衰減理論值就達2.8dB,在這種情況下,如果電纜布線處理不當,很可能造成衰減值較大,對MVB通訊造成不良影響。

        4. 布線的控制

        MVB電纜采用截面為0.75的雙絞屏蔽電纜,電纜固定的要求見表2。

        折彎半徑要求大于5倍電纜直徑。在施工布線的過程中,尤其是余量電纜的處理,如果采用的對折的方式并用扎帶扎緊,如圖5所示,將使通訊信號衰減大幅增加。

        為解決布線過程中的出現(xiàn)的折彎半徑問題,電氣柜內可以采用布線板的方式布線,即所有走線在施工過程中采用紙板定位,柜外布線重點檢查,制作折彎半徑檢查工裝。以灝訊電纜為例,4×0.75的雙絞屏蔽電纜,其外徑最大值為9.6mm,可以制作R=50的彎曲樣板,檢查方法如圖6、圖7:

        5. 結論

        在產品設計階段,需要充分考慮MVB電纜長度,合理設置中繼器,保留合理的理論衰減余量,在生產階段,嚴把質量關,對影響衰減的因素重點檢查,如此,才能獲得理想的MVB通訊質量。

        參考文獻

        [1] DTXCableAnalyze_9821901_CHI_A_W,2004

        [2] MITRAC CC MVBC02C Data Sheet

        [3] IEC 61375-3-1, Multifunction Vehicle Bus (MVB),2012

        [4] IEC 61375-3-2,MVB (Multifunction Vehicle Bus) conformance testing,2012

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