電力機車邏輯控制單元的輸入輸出電路

武新龍

【摘 要】隨著機車速度的不斷提高，對機車運行的可靠性、安全性及高效性提出了更高的要求，電力機車有觸點繼電器控制系統(tǒng)將越來越不適應(yīng)鐵路高速和重載發(fā)展的需要。電力機車邏輯控制單元（LCU）是一種電力電子器件構(gòu)成的新型無觸點控制裝置。本文分析了電力機車邏輯控制單元的設(shè)計方法，并論述電力機車邏輯控制單元中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】電力機車；邏輯控制；CAN；總線

傳統(tǒng)的繼電器控制電路接線復(fù)雜，布線及校對工作容易出錯，特別是當機車的控制功能或控制過程需作修改時，要重新布線，控制系統(tǒng)的通用性與靈活性差。采用先進的微機控制技術(shù)和電力電子技術(shù)構(gòu)成邏輯控制單元（LCU），取代傳統(tǒng)的繼電器控制電路，完成對機車的特性控制、邏輯控制以及故障診斷、記錄、保護等功能。

一、電力機車邏輯控制單元的作用

對傳統(tǒng)的繼電器、接觸器組成的有觸點控制電路，基本上沿襲了布線邏輯方式。傳統(tǒng)的布線邏輯控制方式雖然有電路結(jié)構(gòu)簡單、容易掌握等特點，但繼電器可靠性差，動作速度慢，控制功能少且不能隨意變更；時間繼電器定時不準確，并且對比較復(fù)雜的控制方案，由于必須依靠布線邏輯去構(gòu)成硬接線系統(tǒng)，致使接線復(fù)雜，布線及校對工作也難免出錯；電器柜體積比較大，車體內(nèi)走線量既多且繁，整個控制系統(tǒng)重量大，不利高速電力機車對軸重的要求。

二、邏輯控制單元硬件的設(shè)計

電力機車邏輯控制單元由電源通訊板、輸入輸出板共七塊電路板組成。其總體結(jié)構(gòu)如圖所示。

圖中電源通訊板分為Ⅰ組、Ⅱ組兩部分，左邊的三塊輸入輸出板為一組，由電源通訊板的Ⅰ組供電，并與Ⅰ組組成一個CAN 通信網(wǎng)絡(luò)；右邊的三塊輸入輸出板為另一組，由電源通訊板的Ⅱ組供電，并與Ⅱ組組成一個CAN 通信網(wǎng)絡(luò)。這樣整個單元就包括兩個相對獨立的控制模塊，其切換可通過本裝置面板的紐子開關(guān)實現(xiàn)，同一時刻只有一個控制模塊工作。電力機車邏輯控制單元外部機箱采用標準6U 機箱結(jié)構(gòu)，工作所需的機車控制信號、斷路器、接觸器和開關(guān)的狀態(tài)信號由其背面5 個20 芯的專用連接器輸入，經(jīng)LCU 處理后，也將通過專用連接器送出繼電器動作信號和機車彩色顯示器所需的數(shù)據(jù)信息。

1、電源通訊板的設(shè)計。該板由Ⅰ 組和Ⅱ組兩套相對獨立的系統(tǒng)組成，這兩組系統(tǒng)的硬件、軟件完全一樣，所不同的只是與不同的輸入輸出板相連。每組電路可分為四個模塊：電源濾波及轉(zhuǎn)換模塊、CPU 模塊、CAN 通信模塊和RS - 485 串行通訊模塊。其工作流程是：機車上提供的直流110V 電源電壓，一路直接輸出給本組輸入輸出板，一路經(jīng)電源濾波電路濾波后送至電源轉(zhuǎn)換模塊，然后從轉(zhuǎn)換模塊輸出5V 電源電壓，以供LCU 中各電路板的單片機控制電路使用。除了為LCU 提供工作電源以外，電源通訊板還通過CAN 總線獲取各輸入輸出板的數(shù)據(jù)信息，并經(jīng)本板的CPU 處理后，借助RS - 485 總線送給機車彩顯。電源通訊板中，RS - 485 通信模塊借助CPU 的串口和RS - 485 電平轉(zhuǎn)化芯片MAX1487 實現(xiàn)LCU與司機臺上機車彩顯的串行通信，使司機實時了解機車的工作情況。MAX1487 芯片易損壞，所以通信線采用三絞屏蔽線，其中一對為通信線，另一根作為第三導(dǎo)體，以連接兩個設(shè)備的通信地，該措施避免了接口芯片的燒損。

2、輸入輸出板的設(shè)計。輸入輸出板分為：輸入單元、輸出單元、CPLD、中央處理器單元和CAN 通信單元。輸入單元用于完成輸入信號的采集、隔離及電平轉(zhuǎn)換；輸出單元采用專用的輸出模塊以構(gòu)成不同功率的驅(qū)動回路，其中小功率輸出回路主要用于點亮故障顯示屏指示燈；大功率輸出回路用于驅(qū)動機車接觸器（如6C180）以及分、合主斷線圈等大功率負載。在CPLD 中將輸入信號按字節(jié)編組、編址后供CPU 讀取。此時，CPU 利用輸入信號以及CAN 總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，就可按照機車控制的電路原理圖進行邏輯關(guān)系處理，然后發(fā)出輸出信息，這些輸出信息通過輸出單元中不同的光電繼電器又轉(zhuǎn)化為直流110V，用于驅(qū)動各種機車負載；同時為了保護輸出單元和便于故障診斷，每路輸出信號都會經(jīng)CPLD 反饋到中央處理單元。輸入輸出板除了完成輸入輸出功能以外，還將本板數(shù)據(jù)信息利用CAN 總線發(fā)出，以實現(xiàn)整個LCU 中信息資源共享。

三、邏輯控制單元軟件的設(shè)計

1、電源通訊板軟件的設(shè)計。電源通訊板的軟件由初始化程序、主程序以及定時中斷程序、CA N 通信中斷程序、串行通信中斷程序等子程序組成。

（1）主程序。主程序主要實現(xiàn)串行通信的發(fā)送。發(fā)送過程如下：當檢測到回復(fù)標志置位時，啟動回復(fù)幀的發(fā)送。先送地址，接著進入串行中斷發(fā)送其它數(shù)據(jù)信息，此時主程序處于查詢等待，直到整個幀發(fā)送結(jié)束后才繼續(xù)執(zhí)行主程序，最后串行通信的發(fā)送完成后經(jīng)一定的延時再轉(zhuǎn)為接收狀態(tài)。如圖。

（2）串行通信中斷子程序。串行通信中斷子程序?qū)崿F(xiàn)LCU 與機車彩顯的聯(lián)系，完成邏輯控制單元故障信息的顯示及查詢，機車彩顯與LCU 通信采用RS - 485 標準、主從半雙工多機通信方式。LCU 初始化時，即置串行通信口為接收態(tài)，彩顯作為通信主機，LCU 為從機，主機通過實時循環(huán)、存儲查詢、存儲撤消三個子程序訪問LCU，三個子程序的功能分別是：實時循環(huán)子程序：檢查實時故障緩沖區(qū)信息，把時間信息寫入存儲器，然后按通訊要求打包回復(fù)，求累加和的反碼，寫入校驗和；存儲查詢訪問子程序：按彩顯要求查詢特定的故障信息，首先判斷是否有查詢信息，有就按有的要求打包回復(fù)，沒有就按沒有的要求打包回復(fù)；存儲撤消訪問子程序：清除指定的故障信息并打包回復(fù)。

2、輸入輸出板軟件的設(shè)計。輸入輸出板的軟件由初始化程序、主程序、CAN 通信中斷程序、定時中斷程序等子程序組成。其中，初始化程序主要完成輸入輸出板中CPU 的工作方式的選擇、相關(guān)外圍器件的初始值和工作方式的設(shè)置；主程序則是對Ⅰ、Ⅱ兩路CAN 通信中Ⅰ路信息的發(fā)送進行控制；CAN 通信中斷程序則主要完成與同組其它輸入輸出板的信息交換。輸入輸出板軟件中，定時中斷程序較復(fù)雜，它主要通過CPU 的軟件定時器中斷完成實時開關(guān)量數(shù)據(jù)的采集、邏輯控制關(guān)系的實現(xiàn)、故障的診斷以及對CAN 通信中Ⅱ路信息的發(fā)送進行控制。采集開關(guān)量數(shù)據(jù)時，采取了軟件去抖動措施，以保證采集數(shù)據(jù)的準確性；所謂邏輯控制關(guān)系的實現(xiàn)，

電力機車邏輯控制單元的設(shè)計結(jié)合了微機控制技術(shù)、現(xiàn)代電力電子技術(shù)及容錯技術(shù)，并廣泛采用大規(guī)模集成電路，具有外部接線簡單、可靠性高、邏輯功能強、速度快的特點。其中雙CAN 冗余內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，進一步提高了通信的可靠性。實踐證明，這種新型的通信網(wǎng)絡(luò)保證了系統(tǒng)信息的可靠傳輸。由于電力機車邏輯控制單元采用通用模塊設(shè)計，容易向其它類型機車移植，所以具有廣泛的應(yīng)用。

（作者單位：神華準格爾能源集團公司大準鐵路公司機務(wù)段）