電氣化列車RS-485總線應(yīng)用可靠性研究*

沈　迪， 劉光輝， 李冀昆， 朱　峰

(1　中車長春軌道客車股份有限公司， 吉林長春 130062；2　西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院， 四川成都 610031)

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電氣化列車RS-485總線應(yīng)用可靠性研究*

沈迪1， 劉光輝2， 李冀昆2， 朱峰2

(1中車長春軌道客車股份有限公司， 吉林長春 130062；2西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院， 四川成都 610031)

電氣化列車控制監(jiān)視系統(tǒng)(TCMS)具有傳輸距離遠(yuǎn)、節(jié)點(diǎn)多、電磁環(huán)境惡劣等特點(diǎn)，RS-485總線是TCMS重要組成部分，保證其可靠、有效的工作對列車安全、平穩(wěn)運(yùn)行意義重大。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測以及Ansoft Maxwell 14軟件仿真，對電氣化列車RS-485總線網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性進(jìn)行研究，分析了離線電弧放電對RS-485總線干擾的原因。結(jié)果表明：離線電弧激發(fā)強(qiáng)磁場使車體電位不等，導(dǎo)致其共模干擾電壓提高，從而使信息傳輸?shù)舭?/p>

RS-485； TCMS； 電氣化列車； 離線電??； 共模干擾

電氣化列車的智能化 、自動化已是大勢所趨，RS-485總線以其成本低廉、控制方便、設(shè)計(jì)簡單、支持多節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)距離通信和高接收靈敏度以及連線簡單等優(yōu)點(diǎn)在電氣化列車控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。隨著電氣化列車車體內(nèi)外電磁環(huán)境日趨惡劣，列車的安全運(yùn)營面臨越來越多的外部挑戰(zhàn)[4-6]。某型電力機(jī)車在運(yùn)行的過程中發(fā)生一起典型的電磁干擾現(xiàn)象—RS-485總線傳輸信息掉包。目前，國內(nèi)外文獻(xiàn)對RS-485總線可靠性研究比較多，文獻(xiàn)[1-2]分析了影響RS-485總線信息可靠性傳輸?shù)囊蛩兀墨I(xiàn)[3]對智能電網(wǎng)中IP通過RS-485總線控制主從網(wǎng)絡(luò)信息安全傳輸研究。關(guān)于電氣化列車這一特殊工業(yè)環(huán)境RS-485總線信息傳輸可靠性研究較少，為保證列車安全運(yùn)行有必要對其電磁兼容性進(jìn)行研究。

從RS-485總線工作原理入手，指出RS-485具有一定的抗干擾能力。經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)測得到離線電弧的幅頻特性，由于車體轉(zhuǎn)移阻抗的存在，弓網(wǎng)電弧放電激發(fā)的高頻電磁場會使車體電位不等。應(yīng)用Ansoft Maxwell 14軟件仿真得到車體電流密度的分布，驗(yàn)證了車體電位不等，從而對RS-485總線信息傳輸產(chǎn)生干擾。該研究可以為電氣化列車弱電系統(tǒng)電磁兼容提供借鑒。

1　RS-485總線工作原理

RS-485是一種電氣接口規(guī)范，采用平衡發(fā)送差分接收，因此具有一定的共模抑制能力并且接收靈敏度高(能檢測低達(dá)200 mV電壓)。如圖1，RS-485是半雙工工作模式，DE使能端控制收發(fā)。收、發(fā)端通過平衡雙絞線將A—A與B—B對應(yīng)相連。當(dāng)在接收端VA-VB≥+200 mV的電平時(shí)，輸出正邏輯電平1；VA-VB≤-200 mV時(shí)，輸出負(fù)邏輯電平0；|VA-VB|<200 mV時(shí)，輸出不確定。

由于RS-485工作原理可知，只需檢測VA、VB之間的電壓差判斷邏輯，但容易忽略收發(fā)器之間的共模電壓不能超過-7～+12 V，一旦超過接收就不能正常工作。如圖1所示，R/T01、R/T02存在獨(dú)立的接地系統(tǒng)，兩者之間存在電位差VGND。電子工業(yè)協(xié)會(EIA)RS-485標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定R/T01作為驅(qū)動器時(shí)VOS≤3 V，接收器R/T02輸入端的共模電壓VCM=VOS+VGND。當(dāng)車體電位不相等時(shí)，VGND的幅值可能高達(dá)幾十伏。如此，VCM就會超出RS-485總線要求共模電壓的范圍，出現(xiàn)信息掉包。

2　測試實(shí)施

2.1儀器選擇及參數(shù)設(shè)置

由于離線電弧的隨機(jī)性，測試采用頻譜儀+接收天線模式對離線電弧進(jìn)行多次測量，得到離線電弧主要頻譜特性，測試儀器性能參數(shù)如表1所示。接收機(jī)采用頻譜掃描模式，檢波方式為峰值檢波。

表1　測試儀器性能參數(shù)

2.2測試地點(diǎn)選取及布局

接觸線不平順、接觸網(wǎng)振動、受電弓振動等多方面因素均能產(chǎn)生弓網(wǎng)離線電弧，但產(chǎn)生電弧均為概率事件[7-9]。為保證每次列車通過均產(chǎn)生電弧，選取電分相處進(jìn)行測試[10]。本次測試地點(diǎn)選擇在成達(dá)鐵路沿線的天堂村電分相處。

依據(jù)GB/T 24338-2009《軌道交通 電磁兼容》，采用10 m法進(jìn)行測量。測試布局如圖2所示，選擇環(huán)天線距離軌道中心水平距離10 m處架設(shè)天線，其中心距離軌道平面垂直距離為2 m。

圖2　測試布局圖

3　測試結(jié)果分析與車體仿真

3.1典型測試結(jié)果

經(jīng)過對成達(dá)沿線天堂村電分相處進(jìn)行多次測量，得到電弧的頻譜特性，其典型測試結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3　測試空間場強(qiáng)背景圖

圖4　測試空間場強(qiáng)

由圖3、圖4可知，當(dāng)弓網(wǎng)產(chǎn)生電弧時(shí)會向外輻射很強(qiáng)的磁場，磁場強(qiáng)度的最大幅值為58.87 dBμA/m，頻率主要分布在20～30 MHz，27 MHz左右為廣播電視信號。由Maxwell方程組可知變化的磁場產(chǎn)生電場，所以強(qiáng)磁場會在列車車體表面感應(yīng)出電流。

3.2車體仿真

弓網(wǎng)電弧放電可近似為一段長度dl遠(yuǎn)小于波長的直線電流元Idl，即電偶極子[11]?；贏nsoft Maxwell 14軟件，對單節(jié)車廂，在激勵(lì)為1 m長、幅度為1 A、頻率為20 MHz的電流源照射下，鋁殼車體表面的感應(yīng)電流及周圍磁場進(jìn)行了建模仿真，仿真結(jié)果如圖5所示，最大幅值達(dá)4.35 A/m2。

圖5　車體表面電流密度分布

離線電弧主要頻率為20 MHz，車體可以看作一個(gè)大的屏蔽導(dǎo)體。由式(1)可知波長大于1 m，車體就存在轉(zhuǎn)移阻抗，其計(jì)算可表示為式(2)。

(1)

式中c表示光在真空中的傳播速度;f表示信號頻率。

(2)

由同軸電纜轉(zhuǎn)移阻抗可知，當(dāng)電弧頻率在20 MHz時(shí)，車體轉(zhuǎn)移阻抗約為0.1 Ω/m[12]。如圖1所示，設(shè)R/T01、R/T02之間的距離為10 m，車體高度為4.1 m，寬度為3.1 m，列車截面周長l為14.2 m。車體材料電導(dǎo)率γ=2.32×107s/m，磁導(dǎo)率為μ0[4]，則在20 MHz頻率下車體肌膚深度d為：

(3)

1 A激勵(lì)源下，車體表面最大的感應(yīng)電流I1為：

4.35×0.023×10-3×14.2=1.41mA

(4)

列車運(yùn)行過程中受電弓從接觸網(wǎng)取流，接觸網(wǎng)的電壓高達(dá)27.5 kV，弓網(wǎng)電弧放電的感應(yīng)電流的幅值高達(dá)上萬安培，且在車體表面形成的電流密度與感應(yīng)電流成正比。由式(2)～式(4)可知R/T01、R/T02之間產(chǎn)生的地電壓VGND為：

1.41×10-3×104×0.1×10=14.1V

(5)

式中I為流過轉(zhuǎn)移阻抗的電流；L為R/T01、R/T02之間的距離。

由式(5)可知，VGND高達(dá)14.1 V，則VCM超過RS-485總線允許共模電壓，會使信息掉包。

4　結(jié)　論

通過實(shí)測以及仿真的方式分析了電氣化列車RS-485總線傳輸受干擾的情況，得出以下結(jié)論。

(1)弓網(wǎng)電弧放電會激發(fā)很強(qiáng)的電磁輻射，實(shí)測得出磁場強(qiáng)度最大幅值為58.87 dBμA/m，且頻率主要分布在20 MHz左右。

(2)根據(jù)仿真可知電弧放電可以在車體上產(chǎn)生很大的電流密度，高達(dá)4.35 A/m2。

(3)由于轉(zhuǎn)移阻抗的存在，VCM高達(dá)14.1 V，超過RS-485總線允許共模電壓，導(dǎo)致信息傳輸過程中掉包。

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Research on Reliability of RS-485 Bus Communication of Electrical Vehicle

SHENDi1，LIUGuanghui2，LIJikun2，ZHUFeng2

(1CRRC Changchun Railway Vehicles Co.,Ltd., Changchun 130062 Jilin，China； 2School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031 Sichuan，China)

Train Control and Monitor System (TCMS) have many advantages, such as long transmission, much nodes, anti-harsh electromagnetic environment etc. The RS-485 bus is an important part of the TCMS and it is great significance to ensure its reliability and effectiveness. According to the magnetic field measurement and simulation by software An soft Maxwell 14, the RS-485 bus on transmission reliability、information offline produced by arc discharge was researched and analyzed. The results show that unbalance vehicle body voltage influenced by arc discharge is the main cause for information offline.

RS-485； TCMS； electrical vehicle； offline catenary arc； Common interface

1008-7842 (2016) 04-0048-03

男，工程師(

2016-01-11)

U228.2

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.04.11

*國家自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目(U1434203)