武新龍

【摘 要】隨著機(jī)車速度的不斷提高，對(duì)機(jī)車運(yùn)行的可靠性、安全性及高效性提出了更高的要求，電力機(jī)車有觸點(diǎn)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(jī)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(diǎn)控制裝置。本文分析了電力機(jī)車邏輯控制單元的設(shè)計(jì)方法，并論述電力機(jī)車邏輯控制單元中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】電力機(jī)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(duì)工作容易出錯(cuò)，特別是當(dāng)機(jī)車的控制功能或控制過程需作修改時(shí)，要重新布線，控制系統(tǒng)的通用性與靈活性差。采用先進(jìn)的微機(jī)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(duì)機(jī)車的特性控制、邏輯控制以及故障診斷、記錄、保護(hù)等功能。

一、電力機(jī)車邏輯控制單元的作用

對(duì)傳統(tǒng)的繼電器、接觸器組成的有觸點(diǎn)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(jiǎn)單、容易掌握等特點(diǎn)，但繼電器可靠性差，動(dòng)作速度慢，控制功能少且不能隨意變更；時(shí)間繼電器定時(shí)不準(zhǔn)確，并且對(duì)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(duì)工作也難免出錯(cuò)；電器柜體積比較大，車體內(nèi)走線量既多且繁，整個(gè)控制系統(tǒng)重量大，不利高速電力機(jī)車對(duì)軸重的要求。

二、邏輯控制單元硬件的設(shè)計(jì)

電力機(jī)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(gè)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(gè)CAN 通信網(wǎng)絡(luò)。這樣整個(gè)單元就包括兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的控制模塊，其切換可通過本裝置面板的紐子開關(guān)實(shí)現(xiàn)，同一時(shí)刻只有一個(gè)控制模塊工作。電力機(jī)車邏輯控制單元外部機(jī)箱采用標(biāo)準(zhǔn)6U 機(jī)箱結(jié)構(gòu)，工作所需的機(jī)車控制信號(hào)、斷路器、接觸器和開關(guān)的狀態(tài)信號(hào)由其背面5 個(gè)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(dòng)作信號(hào)和機(jī)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(jì)。該板由Ⅰ 組和Ⅱ組兩套相對(duì)獨(dú)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(gè)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(jī)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(jī)控制電路使用。除了為L(zhǎng)CU 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(jī)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(shí)現(xiàn)LCU與司機(jī)臺(tái)上機(jī)車彩顯的串行通信，使司機(jī)實(shí)時(shí)了解機(jī)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(duì)為通信線，另一根作為第三導(dǎo)體，以連接兩個(gè)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(jì)。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(hào)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(dòng)回路，其中小功率輸出回路主要用于點(diǎn)亮故障顯示屏指示燈；大功率輸出回路用于驅(qū)動(dòng)機(jī)車接觸器（如6C180）以及分、合主斷線圈等大功率負(fù)載。在CPLD 中將輸入信號(hào)按字節(jié)編組、編址后供CPU 讀取。此時(shí)，CPU 利用輸入信號(hào)以及CAN 總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，就可按照機(jī)車控制的電路原理圖進(jìn)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(dòng)各種機(jī)車負(fù)載；同時(shí)為了保護(hù)輸出單元和便于故障診斷，每路輸出信號(hào)都會(huì)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(shí)現(xiàn)整個(gè)LCU 中信息資源共享。

三、邏輯控制單元軟件的設(shè)計(jì)

1、電源通訊板軟件的設(shè)計(jì)。電源通訊板的軟件由初始化程序、主程序以及定時(shí)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(shí)現(xiàn)串行通信的發(fā)送。發(fā)送過程如下：當(dāng)檢測(cè)到回復(fù)標(biāo)志置位時(shí)，啟動(dòng)回復(fù)幀的發(fā)送。先送地址，接著進(jìn)入串行中斷發(fā)送其它數(shù)據(jù)信息，此時(shí)主程序處于查詢等待，直到整個(gè)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(shí)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(jī)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(jī)車彩顯與LCU 通信采用RS - 485 標(biāo)準(zhǔn)、主從半雙工多機(jī)通信方式。LCU 初始化時(shí)，即置串行通信口為接收態(tài)，彩顯作為通信主機(jī)，LCU 為從機(jī)，主機(jī)通過實(shí)時(shí)循環(huán)、存儲(chǔ)查詢、存儲(chǔ)撤消三個(gè)子程序訪問LCU，三個(gè)子程序的功能分別是：實(shí)時(shí)循環(huán)子程序：檢查實(shí)時(shí)故障緩沖區(qū)信息，把時(shí)間信息寫入存儲(chǔ)器，然后按通訊要求打包回復(fù)，求累加和的反碼，寫入校驗(yàn)和；存儲(chǔ)查詢?cè)L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(chǔ)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(jì)。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(shí)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(duì)Ⅰ、Ⅱ兩路CAN 通信中Ⅰ路信息的發(fā)送進(jìn)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(shí)中斷程序較復(fù)雜，它主要通過CPU 的軟件定時(shí)器中斷完成實(shí)時(shí)開關(guān)量數(shù)據(jù)的采集、邏輯控制關(guān)系的實(shí)現(xiàn)、故障的診斷以及對(duì)CAN 通信中Ⅱ路信息的發(fā)送進(jìn)行控制。采集開關(guān)量數(shù)據(jù)時(shí)，采取了軟件去抖動(dòng)措施，以保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；所謂邏輯控制關(guān)系的實(shí)現(xiàn)，

電力機(jī)車邏輯控制單元的設(shè)計(jì)結(jié)合了微機(jī)控制技術(shù)、現(xiàn)代電力電子技術(shù)及容錯(cuò)技術(shù)，并廣泛采用大規(guī)模集成電路，具有外部接線簡(jiǎn)單、可靠性高、邏輯功能強(qiáng)、速度快的特點(diǎn)。其中雙CAN 冗余內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高了通信的可靠性。實(shí)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(jī)車邏輯控制單元采用通用模塊設(shè)計(jì)，容易向其它類型機(jī)車移植，所以具有廣泛的應(yīng)用。

（作者單位：神華準(zhǔn)格爾能源集團(tuán)公司大準(zhǔn)鐵路公司機(jī)務(wù)段）