电力机车逻辑控制单元的输入输出电路

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【摘 要】随着机车速度的不断提高，对机车运行的可靠性、安全性及高效性提出了更高的要求，电力机车有触点继电器控制系统将越来越不适应铁路高速和重载发展的需要。电力机车逻辑控制单元（LCU）是一种电力电子器件构成的新型无触点控制装置。本文分析了电力机车逻辑控制单元的设计方法，并论述电力机车逻辑控制单元中的应用。
【关键词】电力机车；逻辑控制；CAN；总线
传统的继电器控制电路接线复杂，布线及校对工作容易出错，特别是当机车的控制功能或控制过程需作修改时，要重新布线，控制系统的通用性与灵活性差。采用先进的微机控制技术和电力电子技术构成逻辑控制单元（LCU），取代传统的继电器控制电路，完成对机车的特性控制、逻辑控制以及故障诊断、记录、保护等功能。
一、电力机车逻辑控制单元的作用
对传统的继电器、接触器组成的有触点控制电路，基本上沿袭了布线逻辑方式。传统的布线逻辑控制方式虽然有电路结构简单、容易掌握等特点，但继电器可靠性差，动作速度慢，控制功能少且不能随意变更；时间继电器定时不准确，并且对比较复杂的控制方案，由于必须依靠布线逻辑去构成硬接线系统，致使接线复杂，布线及校对工作也难免出错；电器柜体积比较大，车体内走线量既多且繁，整个控制系统重量大，不利高速电力机车对轴重的要求。
二、逻辑控制单元硬件的设计
电力机车逻辑控制单元由电源通讯板、输入输出板共七块电路板组成。其总体结构如图所示。
图中电源通讯板分为Ⅰ组、Ⅱ组两部分，左边的三块输入输出板为一组，由电源通讯板的Ⅰ组供电，并与Ⅰ组组成一个CAN 通信网络；右边的三块输入输出板为另一组，由电源通讯板的Ⅱ组供电，并与Ⅱ组组成一个CAN 通信网络。这样整个单元就包括两个相对独立的控制模块，其切换可通过本装置面板的纽子开关实现，同一时刻只有一个控制模块工作。电力机车逻辑控制单元外部机箱采用标准6U 机箱结构，工作所需的机车控制信号、断路器、接触器和开关的状态信号由其背面5 个20 芯的专用连接器输入，经LCU 处理后，也将通过专用连接器送出继电器动作信号和机车彩色显示器所需的数据信息。
1、电源通讯板的设计。该板由Ⅰ 组和Ⅱ组两套相对独立的系统组成，这两组系统的硬件、软件完全一样，所不同的只是与不同的输入输出板相连。每组电路可分为四个模块：电源滤波及转换模块、CPU 模块、CAN 通信模块和RS - 485 串行通讯模块。其工作流程是：机车上提供的直流110V 电源电压，一路直接输出给本组输入输出板，一路经电源滤波电路滤波后送至电源转换模块，然后从转换模块输出5V 电源电压，以供LCU 中各电路板的单片机控制电路使用。除了为LCU 提供工作电源以外，电源通讯板还通过CAN 总线获取各输入输出板的数据信息，并经本板的CPU 处理后，借助RS - 485 总线送给机车彩显。电源通讯板中，RS - 485 通信模块借助CPU 的串口和RS - 485 电平转化芯片MAX1487 实现LCU与司机台上机车彩显的串行通信，使司机实时了解机车的工作情况。MAX1487 芯片易损坏，所以通信线采用三绞屏蔽线，其中一對为通信线，另一根作为第三导体，以连接两个设备的通信地，该措施避免了接口芯片的烧损。
2、输入输出板的设计。输入输出板分为：输入单元、输出单元、CPLD、中央处理器单元和CAN 通信单元。输入单元用于完成输入信号的采集、隔离及电平转换；输出单元采用专用的输出模块以构成不同功率的驱动回路，其中小功率输出回路主要用于点亮故障显示屏指示灯；大功率输出回路用于驱动机车接触器（如6C180）以及分、合主断线圈等大功率负载。在CPLD 中将输入信号按字节编组、编址后供CPU 读取。此时，CPU 利用输入信号以及CAN 总线传输的数据信息，就可按照机车控制的电路原理图进行逻辑关系处理，然后发出输出信息，这些输出信息通过输出单元中不同的光电继电器又转化为直流110V，用于驱动各种机车负载；同时为了保护输出单元和便于故障诊断，每路输出信号都会经CPLD 反馈到中央处理单元。输入输出板除了完成输入输出功能以外，还将本板数据信息利用CAN 总线发出，以实现整个LCU 中信息资源共享。
三、逻辑控制单元软件的设计
1、电源通讯板软件的设计。电源通讯板的软件由初始化程序、主程序以及定时中断程序、CA N 通信中断程序、串行通信中断程序等子程序组成。
（1）主程序。主程序主要实现串行通信的发送。发送过程如下：当检测到回复标志置位时，启动回复帧的发送。先送地址，接着进入串行中断发送其它数据信息，此时主程序处于查询等待，直到整个帧发送结束后才继续执行主程序，最后串行通信的发送完成后经一定的延时再转为接收状态。如图。
（2）串行通信中断子程序。串行通信中断子程序实现LCU 与机车彩显的联系，完成逻辑控制单元故障信息的显示及查询，机车彩显与LCU 通信采用RS - 485 标准、主从半双工多机通信方式。LCU 初始化时，即置串行通信口为接收态，彩显作为通信主机，LCU 为从机，主机通过实时循环、存储查询、存储撤消三个子程序访问LCU，三个子程序的功能分别是：实时循环子程序：检查实时故障缓冲区信息，把时间信息写入存储器，然后按通讯要求打包回复，求累加和的反码，写入校验和；存储查询访问子程序：按彩显要求查询特定的故障信息，首先判断是否有查询信息，有就按有的要求打包回复，没有就按没有的要求打包回复；存储撤消访问子程序：清除指定的故障信息并打包回复。
2、输入输出板软件的设计。输入输出板的软件由初始化程序、主程序、CAN 通信中断程序、定时中断程序等子程序组成。其中，初始化程序主要完成输入输出板中CPU 的工作方式的选择、相关外围器件的初始值和工作方式的设置；主程序则是对Ⅰ、Ⅱ两路CAN 通信中Ⅰ路信息的发送进行控制；CAN 通信中断程序则主要完成与同组其它输入输出板的信息交换。输入输出板软件中，定时中断程序较复杂，它主要通过CPU 的软件定时器中断完成实时开关量数据的采集、逻辑控制关系的实现、故障的诊断以及对CAN 通信中Ⅱ路信息的发送进行控制。采集开关量数据时，采取了软件去抖动措施，以保证采集数据的准确性；所谓逻辑控制关系的实现，
电力机车逻辑控制单元的设计结合了微机控制技术、现代电力电子技术及容错技术，并广泛采用大规模集成电路，具有外部接线简单、可靠性高、逻辑功能强、速度快的特点。其中双CAN 冗余内部通信网络的设计，进一步提高了通信的可靠性。实践证明，这种新型的通信网络保证了系统信息的可靠传输。由于电力机车逻辑控制单元采用通用模块设计，容易向其它类型机车移植，所以具有广泛的应用。
（作者单位：神华准格尔能源集团公司大准铁路公司机务段）