La red de comunicación ferroviaria (TCN) es una combinación jerárquica de dos redes de bus de campo para la transmisión de datos dentro de los trenes. Consta del bus multifunción para vehículos (MVB) ubicado en cada vehículo y del bus de cableado para trenes (WTB) que conecta los diferentes vehículos. Los componentes de la TCN están estandarizados en la norma IEC 61375 .
Autobús de vehículo multifuncional (MVB)
El MVB conecta nodos individuales dentro de un vehículo o conjunto de tren cerrado. A diferencia del WTB, no existe un único estándar de conector para el MVB ; en su lugar, hay 3 clases de medios y conectores definidas:
- OGF ( Fibra Óptica de Vidrio ) utiliza fibra de 240 micras hasta 2000 m
- EMD (Electrical Medium Distance) utiliza par trenzado apantallado con transmisores RS-485 y transformadores para aislamiento galvánico, hasta 200 m
- ESD (Electrical Short Distance) utiliza un cableado de placa base simple sin aislamiento galvánico, hasta 20 m
Los enchufes y tomas son los mismos que utiliza Profibus , con 2 tomas DE-9 por dispositivo. [ 1 ]
En OGF, las fuentes de medios se conectan mediante repetidores (generadores de señal) unidos a un acoplador central en estrella. También se utiliza un repetidor para la transición entre medios.
No hay inauguración, las direcciones se asignan estáticamente. El número de dispositivos direccionables depende de la configuración del bus del vehículo : puede haber hasta 4095 sensores / actuadores simples (Clase I) y hasta 255 estaciones programables (Clase 2, con ranuras de configuración). El nivel físico utiliza transmisiones a una velocidad de datos de 1,5 Mbit/s con codificación Manchester II . La distancia máxima está determinada por la restricción de un retardo de respuesta máximo permitido de 42,7 μs (para distancias mayores se utiliza un segundo modo que permite hasta 83,4 μs con rendimiento reducido, en caso de que se utilice MVB para el equipo de conmutación en el lado de la vía), mientras que la mayoría de las partes del sistema se comunican con un tiempo de respuesta típico de 10 μs. [ 1 ]
Historia
MVB se derivó del bus P215 desarrollado por Brown Boveri Cie , Suiza (ahora ABB ), incorporando el principio de publicador/suscriptor de los primeros buses de campo ( DATRAS ) . En 1984, IEC TC 57 definió las especificaciones de requisitos para los buses que se utilizarían en subestaciones eléctricas en colaboración con IEC SC65C . MVB presenta muchas similitudes con el bus de campo FIP (originalmente del francés " Flux d'Information vers le Processus ", renombrado como Factory Instrumentation Protocol o algunas referencias también utilizan el híbrido "Flux Information Protocol") que se desarrolló en la serie de estándares franceses NFC 46602. [ 2 ] Dado que ambos surgieron de las mismas especificaciones de IEC TC 57 . Esto explica por qué MVB y FIP tienen un funcionamiento similar (cíclico y basado en eventos), solo difiere el método de arbitraje en caso de acceso múltiple, ya que MVB usaba un modo de bisección binaria basado en la detección de colisiones, mientras que FIP añadía un bit de "mírame" sobre los datos periódicos. Los esfuerzos por fusionar FIP y MVB fracasaron debido a la obstinación de las dos partes . MVB, Profibus y WorldFIP fueron propuestos como un bus de subestación en IEC TC 57 , pero para evitar soluciones paralelas, IEC TC 57 decidió que no se usaría ninguna y favoreció Ethernet como denominador común .
Las tramas MVB no son compatibles con las tramas de bus de campo IEC 61158-2, ya que omiten la mayor parte de la sincronización del preámbulo (que no es necesaria si es posible la detección de cruce por cero). [ 1 ] La situación paradójica es que el bus de campo IEC 61158 y la capa física MVB fueron desarrollados por las mismas personas en IEC TC 57. La diferencia surgió de la capa física del bus de campo , que asume un bucle de enganche de fase para decodificar los datos Manchester, lo que requiere un preámbulo para sintetizar el decodificador, mientras que MVB opera principalmente con fibras ópticas donde este método es inútil, la decodificación de MVB se basa en detectores de cruce por cero y reconocimiento de patrones Manchester.
Sin embargo, la mayoría de los equipos modernos de desarrollo y prueba pueden comunicar igualmente tramas WTB/MVB, así como tramas Profibus en la línea , ya que la estructura del telegrama es similar a la de Profibus .
The WorldFIP connectors found usage in train equipment in France and North America (by Bombardier) until a joined effort on a common UIC train bus was started (with Siemens and other industry partners) that led to the WTB/MVB standard in late 1999.
Alternate vehicle buses
The MVB standard was introduced to replace the multitude of field buses in the train equipment. Despite the advantages of the MVB field bus, many vehicle buses are still built from CANopen, WorldFIP (in France), LonWorks (in the USA) and Profibus components. While the WorldFIP, CANopen, Lonworks and Profinet are controlled by international manufacturer associations targeting a wide range of application, MVB was tailored to the rolling stock application, with the goal of plug-compatibility, and therefore allows no options. This was intentional as the fight between the field busses raged in the 1990s and the decision of the IEC that any of the eight field busses was a standard did not help plug-compatibility.
MVB modules are more expensive than for instance CANopen or LonWorks components. This is not due to the communication technology: most devices implement the MVB protocol machine in a small area of an FPGA which is today anyhow present, and the costliest component remains the connector. But railways certification is costly and not always needed for uncritical applications such as comfort and passenger information. When total cost of ownership is considered, the cost of the hardware elements can easily be outweighed by additional engineering costs in the railways market with its small series.
In the USA, the IEEE RTVISC evaluated both MVB and LON as vehicle and train bus. The IEEE finally decided to standardize both in IEEE 1374, with a clear separation of tasks:
- MVB for critical operation such as traction control and signalling in the driver's cab,
- LON for uncritical and slow data transfer, but low-cost connections such as passenger displays and diagnostics. This separation is not always observed.
Además, cada vez se añaden más componentes a los vehículos ferroviarios que requieren un ancho de banda mucho mayor del que puede proporcionar cualquier bus de campo (por ejemplo, para videovigilancia ), por lo que se está introduciendo Ethernet conmutada IEEE 802.3 de 100 Mbit/s en los trenes (según el perfil EN 50155 ). Sin embargo, todos los buses alternativos de los vehículos están conectados al Wire Train Bus. [ 3 ]
MVB es similar a FlexRay ; ambos tienen los "datos de proceso", que se denominan "segmento estático" en FlexRay , y los "datos de mensaje", que constituyen el "segmento dinámico", y se gestionan mediante un esquema TDMA fijo . Ejecutar FlexRay con 2,5 Mbit/s, una capa física RS-485 y un único "arranque en frío" daría lugar a un comportamiento muy similar en lo que respecta a la aplicación. A pesar de las similitudes, ningún fabricante ferroviario ha considerado FlexRay , ya que valoraron una solución común por encima de una multitud de buses mejores. Por el contrario, en 1999, la industria automotriz evaluó MVB (en una versión extendida de 24 Mbit/s), pero la descartó debido a los costes, que deberían ser excesivamente bajos para el mercado masivo de millones de vehículos.
Autobús de tren de alambre (WTB)
El autobús ferroviario de cable ha sido diseñado para trenes internacionales de pasajeros de composición variable, que constan de hasta 22 vehículos.
El medio de transmisión consiste en un cable de par trenzado blindado duplicado , que discurre por los cables UIC entre los vehículos.
El conector entre los vehículos es un conector UIC de 18 polos. Dado que los conectores están expuestos y pueden oxidarse, se aplica un pulso de corriente al establecer la conexión para evaporar la capa de óxido , proceso denominado fritado . El conector estándar para los nodos WTB es un conector DIN de 9 pines.
El nivel físico utiliza niveles RS-485 a una velocidad de datos de 1 Mbit/s . La codificación emplea un código Manchester II y un protocolo de trama HDLC con un correcto equilibrio de voltaje para evitar componentes de CC en los transformadores de aislamiento galvánico . El decodificador Manchester utiliza una demodulación de fase/cuadratura (no RS-485 , que opera con cruces por cero), lo que permite cubrir 750 m en las peores condiciones, especialmente cuando solo están equipados los dos vehículos de los extremos, como ocurre con la tracción múltiple en trenes de mercancías. No se prevén repetidores, ya que los vehículos intermedios pueden tener las baterías descargadas.
A unique property of the WTB is the train inauguration (In German: Zugtaufe) in which the newly connected vehicles receive an address in sequence and can identify the vehicle side (called port and starboard like in the marine) so that doors open on the correct side. Up to 32 addresses can be dynamically allocated. When two train compositions join, the addresses are reallocated to form a new composition of vehicles with a sequential address. Vehicles without WTB node ("conduction vehicles") are not counted.
The frames have a maximum payload of 1024 bits.
The WTB operates cyclically to provide deterministic operation, with a period of 25 ms, used mainly for the traction control. The WTB also supports sporadic data transmission for diagnostics. The content of the periodic and sporadic frames is governed by the UIC 556 standard.[4] Since frame size is limited, a version of TCP with reduced overhead was used for message segmenting and reassembly, that at the same time allows to cope with changes in composition, called RTP (Real-Time Protocol).
Alternate train buses
History
The WTB was derived from the German DIN bus developed by ABB Henschel (now Bombardier). It benefited from the phase/quadrature decoding provided by Italy and from an improved train inauguration provided by Switzerland, based on the experience with the FSK multiple traction bus of ABB Secheron, Geneva used in the SBB freight trains. The physical layer of WTB shows similarities with the WorldFIP field bus (EN 50170 part 4) - its "voltage mode" did use 1 Mbit/s and a maximum of 32 stations on the bus with a maximum length of 750 meters, the use of FIPtransceivers was studied early in the TCN evaluation, but the Phase/Quadrature decoding was used instead.
Usage
The TCN is used in most of the modern train control systems usually connecting the vehicles with an 18-pin UIC 558, including:
- Deutsche Bahn: ICE T, ICE-TD, ICE 3 and TRAXX AC2 P160
- Swiss Federal Railways: IC2000 and EW IV (de)
- Austrian Federal Railways: All Railjet and Talent trains
IEC 61375 standards
IEC 61375 is a suite of standards.
Lecturas adicionales
Notas y referencias
- ^ Prof. Dr. Hubert Kirrmann (20 de enero de 1999 ) . "Red de comunicación de trenes IEC 61375 - Bus de vehículos multifunción 3" . Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL). Archivado desde el original (powerpoint) el 13 de abril de 2017.
- ↑ Enlace obsoleto de WorldFIP archivado el 3 de agosto de 2012 en archive.today
- ↑ "Informaciones – und Steuerungstechnik auf Schienenfahrzeugen – Bussysteme im Zug" . elektronik industrie 9/8 2008 (en alemán). Especial InnoTrans : Bahnelektronik. 2008-09-14. Archivado desde el original el 2 de abril de 2012 . Consultado el 16 de septiembre de 2011 .
- ↑ Prof. Dr. Hubert Kirrmann (20 de enero de 1999). «Red de comunicación de trenes IEC 61375 - Bus de tren de 4 hilos» . Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL). Archivado desde el original (powerpoint) el 16 de junio de 2011.
Enlaces externos
- Hubert Kirrmann (ABB Corporate Research); Pierre A. Zuber (DaimlerChrysler Rail Systems). "The IEC/IEEE Train Communication Network"(PDF). IEEE Micro. March–April 2001: 81–92. 0272-1732/01.
- "The IEC / IEEE / UIC Train Communication Network for time-critical and safe on-board communication". Bombardier Transportation. 2002-06-10. Archived from the original(powerpoint) on 2009-12-22. Retrieved 2011-09-11.
- Rail technologies
- Serial buses
- Automated track-bound traffic