（电力电子与电力传动专业论文）电力机车逻辑控制诊断系统的研究与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 a b s t r a c t t h e t e c h n o l o g yo f m o d e r np o w e re l e c t r o n i c e m b e d d e dd e v i c ea n d f i e l db u sc o n s t i t u t et h el o g i cc o n t r o lu n i t i tc a nt a k et h e p l a c eo ft h e t r a d i t i o n a l r e l a yl o g i c c o n t r o le l e c t r o c i r c u i tt h e c o m p u t e r o r d e r d i r e c t l yc o n t r o lt h ee x t e r i o rl o a ds u c ha st h ec o n t a c t o r t h i sm e t h o d c a n a v o i dt h ec u r r e n tm u l t i l e v e ld r i v e i nt h i sw a y i tc a nn o to n l ys i m p l i f y t h ed e s i g no fc o n t a c tc o n t r o lo ft h ee l e c t r o c i r c u i to fe l e c t r i cl o c o m o t i v e d e c r e a s ee x t e r i o rc o n n e c t i o nl i n ea n di n c r e a s et h e r e l i a b i l i t y o ft h e s y s t e m b u ta l s os i m p l i f yt h ec o n t r o ls y s t e mo f t h ee l e c t r i cl o c o m o t i v e i m p r o v et h ef l e x i b i l i t yo f c o n t r o ls y s t e ma p p l i c a t i o n s h o r t e nt h ep e r i o d o ft h e d e s i g na n de x p e r i m e n to ft h e e l e c t r i cl o c o m o t i v e a c h i e v et h e i n t e r c h a n g e a b l ea b i l i t yo ft h ec o n t r o ls y s t e m t h e r e f o r e i nt h i sp a p e r t h es c h e m et or e a l i z et h el c ui nt h es s 3 be l e c t r i cl o c o m o t i v ei s r e s e a r c h e d t h ef i r s tp a r to ft h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eq u a l i t yo ft h ec o n t r o l l e d o b j e c t a n dt h ed e s i g ns c h e m eo ft h el c u t h i sp a r t a l s oi n c l u d e st h e i l l u m i n a t i o no ft h et e c h n o l o g i c s p e c i a l t y t h a tw i l lb eu s e di na c t u a l e n g i n e e r i n gp r o j e c t i nt h es e c o n dp a r t t h es y s t e mc o n s t i t u t i o no ft h e l c u t h ew o r k i n gp e r f o r m a n c ea n da p p l i c a t i o n e n v i r o n m e n to ft h e m i c r o c o m p u t e r a n d t h e t r a p e z i a c h a r tt h a ti n c a r n a t e s b o o l e a n c a l c u l a t i o n r e l a t i o n s h i p o ft h ec o n t r o l l e d o b j e c t a r e r e l a t i v e l y d e t a i l e d l y e l a b o r a t e d t om e e tt h e o p e r a t i n g d e m a n do f t h e e l e c t r o c i r c u i to fe l e c t r i cl o c o m o t i v e t h e t h i r d p a r ta n a l y z e s t h e w o r k i n gp r i n c i p l ea n dc o m p o s i n gs t r u c t u r eo ft h es o f t w a r ep c o s i i w h i c hi s i m p o r t e d a st h er e a l t i m e o p e r a t i n gs y s t e m r t o s i nt h i s p a r t i a ls oi l l u s t r a t et h ew h o l e t r a n s p l a n tp r o c e s s o ft h isr t o s s o f t w a r ei nt h em i c r o d r o c e s s o rm b 9 0 5 4 3 a n db a s e do nt h es u c c e s s f u l t r a n s p l a n t i n gw o r k i n g 1g i v et h er e a l i z a t i o no f t h es o f t w a r et i m e r t h e 西南交通大学硕士科究生学位论文第3 页 f o r t hp a r to ft h i st h e m em a k ei tc l e a rt h es t r u c t u r ea n d s p e c i a l t yo ft h e d i s p l a y u n i to fs s 3 b l c u a c c o r d i n g t ot h ev i r t u a l s y s t e mc o n t r o l s i g n a l i nt h ef i f t hp a r t ig i v em y p e r s p e c t i v ea b o u t t h ef a u l td i a g n o s e c o n t e n tt h a tn e e d e d 协i m p r o v e da f t e rt h el c u i si m p o r t e d i nt h ee n d i s u m m a r i z et h ec o n t e n to ft h i st h e s isa n dd r a wac o n c l u s i o n m o r e o v e ri i n d i c a t et h e p r o s p e c ta n da s s u m p t i o n w h i c hi s r e l a t e dt ot h em o r e r e s e a r c hi nt h i ss t u d yd i r e c t i o n k e yw o r d s e l e c t r i cl o c o m o t i v e o p e r a t i n gs y s t e mt r a n s p l a n t l o g i cc o n t r o lu n i t r e a l t i m e i n t e r n e t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 电力机车逻辑控制单元概述 机车逻辑控制单元 l o g i c c o n t r o lu i m l c u 是一种专门为铁路 机车和动车研制的专用可编程控制器 它采用单片机系统作为硬件基础 研制成适合电力机车1 1 0 v 直流电源的专用输入输出电路 用软件实现原 有控制电路逻辑关系 用现代电力电子开关元件和微机控制技术构成的 无触点电子控制电路替代传统的继电器有触点电路 1 1 1 研制的目的和意义 随着科学技术的发展 铁路机车水平及运行速度的提高 对列车可 靠性 安全性及高效性提出了更高要求 传统的机车继电器有触点逻辑 控制系统由于应用比较成熟而具有一定的优点 但其固有的缺点也很明 显 如由于振动而可能出现继电器误动作 故障率高 寿命短 驱动设 计繁琐 且维护工作量大 所以 随着机车速度的不断提高 有触点继 电器控制系统将越来越不适应铁路高速熏载发展的需要 i 对现有的这种 控制系统进行电子化 无触点化改造是对研究高速列车逻辑控制系统的 有益尝试 目前 我国干线上运行的机车 绝大部分都是传统继电器构成的控 制电路 如何在现有条件下增强机车高速运行的可靠性 检修的方便性 和预见性 延长机车的使用寿命是现场面临的实际问题 以8 k 型电力机 车为例 8 k 型电力机车自1 9 8 8 年至今 一直运用在环境恶劣的晋煤外 运通道上 温差大 灰尘多 电器部件老化 磨损严重 有触点电器因 长期使用 接触表面不洁净 氧化及电弧烧蚀造成凹凸不平及毛刺等 使接触面成接触点状 导致动 静触头接触不良 严重时不导通 例如 仅主断路器保持线圈电路中串入2 节机车的继电器联锁达9 7 对之多 致 使主断路器不保持 不闭合的故障频繁发生 继电器卡位 烧损的现象 经常发生 主断路器不闭合 牵引 制动无流及受电弓升不起引发的机 破每年高达2 0 多台 占总机破率的8 5 以上 8 k 机车进口配件价格高 供货周期长 并且许多配件国外已经不再生产 货源紧缺 严重影响机 车的维修 控制电路继电器动态故障的大量出现 愈来愈严重地影响着 8 k 机车的正常运用 而且给机车入段后的故障查找带来一定的难度 根 据大同西电力机务段2 0 0 0 年机车质量总结分析报告分析 控制电路继电 器故障占到总故障的4 8 从现场实际情况来看 对现有旧型号电力机 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 车进行技术改造刻不容缓 开发新型 实用 低成本的电力机车逻辑控 制单元迫在眉睫 1 1 2 不采用p l c 的原因 从功能上看 逻辑控制单元相当于一般的可编程控制器佃l c 之所 以要研制专门的l c u 而不使用通用的p l c 主要是由电力机车这个特 定的使用对象决定的 电力机车的继电器有触点控制系统具有许多特殊性 控制电压为直流 1 1 0 v 继电器的负载电流最大可达近1 0 a 环境条件恶劣 一般的p l c 直接用于电力机车主要存在以下几个问题 机车电子装置必须符合铁道部标准t b t 1 3 9 4 9 3 铁道机车动车 电子装置 的要求 而市场上的p l c 很难满足这一标准的要求 简单地 说 一般p l c 无法适应机车的工作环境 也无法满足机车控制系统的技 术要求 p l c 工作电压为d c 2 4 v 或a c 2 2 0 v 直流输出点的负载能力较低 而电力机车控制电压为d c l l 0 v 并且负载电流比较大 一般p l c 逻辑运算直接在内部进行 输出点在p l c 外不必进行逻辑 运算 而电力机车控制系统需要l c u 在外部能够进行逻辑运算 特别是利 用l c u 对既有电力机车进行改造时 同时必须解决输出点的共地 悬浮 等问题 1 2 l e o 需要处理的电力机车信号 电力机车逻辑控制单元的输入信号主要有三类 电力机车微机控制系统来的信号 这些信号可以直接输入l c u 从 司机控制器 按键开关组等来的1 1 0 v 指令信号 从主断路器 隔离开关 两位置转换开关和接触器等的辅助触点或者 其它用l c u 无法取代的特殊继电器来的1 1 0 v 信号 很显然 后两种1 1 0 v 的信号是不能直接输入到l c u 里面去的 必 须经过输入电路进行降压 隔离 电力机车逻辑控制单元输出电路的负载情况比较复杂 在电力机车继 电器控制电路中的一些特殊问题 用一般工业用途的p l c 是难以解决的 l c u 输出电路的负载有三类 三相交流接触器 主断路器的合闸和分断线圈 电空阀与电空接触器 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 国产电力机车上的辅助电机都采用三相交流异步电动机 而这些电 动机是通过三相交流接触器进行控制的 由于三相交流接触器型号的不 同 其控制电流变化很大 如s s 3 b 型电力机车上所用的c j 8 2 1 5 0 2 型 电磁接触器口 其最大吸引电流达7 a 而s s 4 b s s 8 等电力机车上所采 用的3 t b 系列接触器 其吸引和保持电流都在o 3 a 以下 同时电力机车 上主断路器的合闸和分断线圈电流都是4 3 9 a 电空阀与电空接触器的线 圈控制电流虽然只有0 1 2 a 但由于线圈有1 3 0 0 0 匝 所以在线圈开断时 感应出的干扰电压可高达1 3 k v 如果不加防护的话 会对机车微机控制 系统和电子线路形成极大的危害 所以在l c u 的设计过程中 电磁兼容 方面的考虑甚为重要 1 3 技术方案 1 3 1 逻辑控制单元的实现原则 逻辑控制单元的设计应该遵循铁道部制定的逻辑控制单元 l c u 技术条件 采用通用 模块化方式 符合t b t 3 0 2 1 2 0 0 1 铁道机车车辆 电子装胃 标准的要求 t 工作条件 工作电源电压 7 7 1 3 7 9 v 1 作环境温度 2 5 c 一 7 0 0 c 最低存放温度 一4 0 c 工作海拔高度 不超过2 5 0 0 m 工作相对温度 不大于9 0 无凝结 2 技术性能 逻辑控制单元主要作用是替代有触点控制电路 实现机车的逻辑控 制 其特点为 l c u 发出的指令直接控制接触器等外部负载 避免多次驱动 简化电力机车有触点控制电路 减少外部连线 提高可靠性 硬件通用 机车控制逻辑由软件实现 提高机车控制系统设计的 灵活性和通用性 具有功能相同的a b 两组控制系统 提高机车控制的可靠性 具有r s 4 8 5 通信端口 可以与电子控制系统故障诊断装置 显示 屏等交换信息 堕塑奎塑查兰堕主堑塞竺兰堡笙窒釜 夏 3 主要技术参数 输入信号 逻辑 1 7 0 1 3 7 5 v 为有效逻辑 l 逻辑 0 0 5 0 v 为有效逻辑 0 输出信号 a 输出负载能力 a 类 负载为直流电压i i o v 持续电流不大于o 3 a 启动电流不大 于8 a b 类 负载为直流电压1 1 0 v 持续电流不大于o 2 a 启动电流不大 于5 a c 类 负载为直流电压1 5 v 驱动电流不大于5 0 m a b 输出保护 输出回路均应设有短路保护功能 有效地保证当外围线路出现短路 时l c u 本身不因此而损坏 c 输出回路电压降 a 类 在测量电流3 a 时 导通压降 1 5v b 类 在测量电流o 5 时 导通压降 2 v c 类 在测量电流5 0 m a 时 导通压降 2 v 隔离 输入通道与主控回路之间 输出通道与主控回路之间均采用隔离电 路 隔离耐压值参照t b t 3 0 2 1 2 0 0 1 标准 响应时间任何输入至输出响应时间不大于5 0 m s 插件采用6 u 结构 在同一种机车下l c u 整机能够互换 1 3 2 逻辑控制单元的组成 1 硬件结构 逻辑控制单元的硬件结构主要包括机箱 主板 输入板 输出板 电源 显示羼等 加装外部机箱用于防尘 安装外接插头 接插件为铁 路专用5 6 针插座 l c u 硬件结构上采用模块化设计 可根据不同型号的机车的需要确 定输入输出点数 选择输入板和输出板的块数 不同车型其输入板 输 出板 主板等的硬件电路是完全一样的 只是软件不同 软件是要根据 不同车型控制电路的逻辑组合原理来实现的 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 2 系统组成 如图1 1 所示 电力机车控制电路的信号经过j l 2 0 j 5 6 插头插座进 入逻辑控制单元 然后由连接线到l c u 模板 各l c u 模板通过c a n 总 线将数据送到主l c u 模板 经主l c u 模扳软件运算处理 再通过c a n 总线 下传数据到各l c u 模板 每个l c u 模板驱动相关的电器动作 实现机车的运行控制 逻辑控制单元的显示屏是一种选件 它除了为逻辑控制单元服务外 还可以配合故障诊断等各种模块 通过操作按钮 显示机车有关电路参 数 状态和故障信息等数据 图1 1电力机车逻辑控制单元系统组成原理 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 3 3 采用和添加的新技术和新功能 电力机车实时逻辑控制需要检测及交换大量数据 为了提高可靠性 最大限度的减少l c u 模块内部的硬接信号线数量 引入现场总线技术一 c a n c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k 即控制器局域网络 c a n 属于总线式串 行通信网络 由于其采用了许多新技术及独特的设计 与一般的通信总 线相比 它的数据通信具有突出的可靠性 实时性和灵活性 1 0 其特点可 概括如下 1 c a n 总线是一种多主总线 即c a n 总线上任一一个节点均可在任意时 刻主动向网络上的其他节点发送数据 而不分主从 因而通信非常灵 活 且无需站地址等节点信息 2 c a n 总线采用非破坏性的总线仲裁 当多节点同时向总线发送报文 m e s s a g e 时 优先级低的节点主动停止数据发送 仲裁丢失 而优 先级高的节点可以不受影响地继续发送数据 优先级最高的节点 其 数据等待时间小于1 3 4 9 s 3 c a n 总线具有点对点 一点对多点 以及全局广播传送数据的功能 4 1c a n 总线将业务数据订包成报文发送 报文采用短帧结构 每一个 报文的有效字节数最多为8 个 保证传输时间短 提高了实时性 减 少了受于扰而要求重发报文的几率 而且即使出错 自动重发的时间 也很短 5 c a n 总线采用位校验 位填充校验 循环冗余码校验 c r c 和数据帧 格式校验 数据出错概率一般在1 0 15 以下 有效地保证了数据传输 的正确性和可靠性 6 c a n 总线通信能力强 传输距离远 通信速率高 最远传输距离可 达1 0 k m 丽最高传输速率可达1 m b i t s 7 1c a n 总线中 当节点出现重大故障时 可自动关闭总线 即当某一 节点出错次数大于一定数量时 可自动退出总线操作 切断该节点与 总线上其他节点之间的联系 使总线上其他节点的操作不受影响 使 错误节点对总线的于扰降到最低程度 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 在编制逻辑控制单元实时控制软件的过程中 我们使用了r t o s 实 时操作系统 的软件肛c o s i i 这么做的最主要原因是提高系统的可靠 性 尤其是控制系统 不死机 是最起码的要求 在系统的硬件设计上 尽量提高抗干扰能力 满足电磁兼容性要求只是一方面 另一方面就是 在软件上采取的措施 长期以来 国内传统的开发方式是 针对某一应 用 画程序流程图 编制应用程序 这种程序可以称之为线性程序 在 遇到强干扰时 程序在任何一处产生死循环或破坏都会引起死机 受到 强于扰时只能依靠硬件的最后防线 看门狗复位 重新肩动系统 而 对于r t o s 管理的系统 这种干扰可能只是引起若干进程中的一个被破 坏 可以用另外的进程对其进行修复 不仅可以将应用程序分解成若干 独立的进程 而且可以另外启动一个监控进程 监视各进程运行状况 遇到异常情况时采取一些措施 像在u n i x 中有问题的进程将被k i l l 掉 在u n i x 的讨论中 普通使用进程 p r o c e s s 这一概念 而在嵌入式 r t o s 的讨论中使用任务 t a s k 的概念则更明确 有关实时操作系统的概 念 特点和使用方法在后面的章节中有详细地论述 1 4本文的研究任务 首先了解s s 3 b 型电力机车的控制原理和特性 编制新的逻辑控制t 形图 设计逻辑控制单元输入 输出模块的硬件 基本实现该模块的降压 隔离 稳压 防浪涌以及驱动的功能 其次掌握带有双c a n 总线通讯功能的1 6 位单片机m b 9 0 5 4 3 的使用 方法 熟练使用其软件丌发工具 为提高系统的可靠性和控制软件的强 壮性 在充分理解uc o s i i 源代码的基础上 将其移植到单片机 m b 9 0 5 4 3 上去 构筑一个基于实时操作系统 r t o s 的软件平台 以梯形图为蓝本 编写l c u 的逻辑控制软件 将其和由他人研究开 发的c a n 通讯软件整合在一起 形成一套完整的s s 3 b 电力机车逻辑控 制单元的系统软件 并按照实际情况进行校验 针对现场操作和维护的需要 开发与l c u 相配套的信息显示系统 可以对机车的工况进行及时 可靠和直观的显示 应用智能故障诊断技术的理论知识 结合s s 3 b 机车实际情况和现有 技术 从诊断系统的实用性出发 提出机车故障检测和诊断系统的系统 方案 渗断方式和诊断模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章逻辑控制单元的模块设计 2 1 系统硬件模块组成 图2 所示是l c u 一种可行的系统组成框图的架构 实际的硬件结构 基本如此 m v b 总线接口和信息显示模块是作为逻辑控制单元的外部接 口和外挂功能模块 控制模块 输入模块 输出模块和c a n 总线接口是 逻辑控制单元内部每个节点的功能模块 每个节点硬件电路完全一样 它们之间的差异在于控制模块中控制软件的不同 图2 1 电力机车逻辑控制单元的组成框图 1 输入输出模块 输入模块指的是数字量输入模块 数字量输入模块采用板内光电隔 离技术 能直接接收o 1 1 0 v 的各种开关信号 直流1 1 0 v 输入信号 降压 隔离 滤波 整形 稳压 图2 2l c u 的输入模块电路原理框图 内部 电力机车逻辑控制单元的输入信号比较简单 输入单元电路原理框 图如图2 2 所示 外部进来的1 1 0 v 信号电压用电阻网络降压 用稳压 管限幅 电容滤波 再经光耦隔离后输入l c u 实验表明 这种电路的 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 可靠性很高 抗干扰能力强 能适应电力机车上恶劣的工作环境 电力机车逻辑控制单元的输出模块在实际应用中有一个必须解决的 问题是输出点悬浮时的导通问题例 就是说在同一串联的电器线路里 可 能串联有多个l c u 的输出点 即在l c u 的输出点之间形成逻辑 与 并且可能其中的一个输出点导通要引起另一支路的状态变化 这个问题 在一般的p l c 中是不存在的 因为p l c 本身输出点的逻辑 与 可以在 内部通过逻辑运算实现而不必输出 但是 电力机车逻辑控制单元对应 的负载情况很复杂 有时必须由一个l c u 输出点与外部的其他一个或多 个信号 与 以后再和另 r 一个l c u 输出点串联f 与 1 并且串联的先 后次序不宜改变 这一点在利用l c u 对既有电力机车继电器进行改造时 特别突出 所以对此应该引起足够的重视 输出模块就是数字量输出模块 数字量输出模块采用板内4 0 0 v 光电 隔离技术和电力电子功率放大技术 实现0 2 0 a 1 1 0 v 负载的直接驱动 原理如图2 3 所示 l c u 内部工作电压为5 伏 为了使其具有足够的驱 动能力 选择具有光耦功能的i g b t 作为功率开关元件 负载能力大 丌 关速度高 输出控制指令由微处理器发出 通过锁存器控制i g b t 从而 解决了多个输出触点串联的导通问题 l c u 内部输出 选通信号 整形 缓冲 隔离 滤波 锁存 保护 驱动 图2 3电力机车逻辑控制单元输出单元电路原理框图 2 通讯模块 通讯模块由两部分组成 c a n 总线接口和m v b 总线接口 逻辑控制单元每块模板上有两个c a n 总线通信接口c a n 0 和c a n l 互为热备份 各个模板之间通过c a n 0 和c a n l 总线实现数据交换 总 线上可方便地加挂显示屏 故障诊断模块等装置 系统的扩展性好 由 于c a n 总线在工业控制领域应用非常广泛 很多单片机厂商都将c a n 总线控制器集成到单片机中 例如我们所用的富士通1 6 位单片机 m b 9 0 5 4 3 中就集成了两个c a n 总线控制器 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 在实际应用中 我们发现c a n 总线只采用了i s o 标准模型的两层 物理层和数据链路层 包括l l c 和m a c 在c a n 协议中只定义了这 两层协议 缺乏一个应用层定义 因此c a n 协议对多个节点管理是无能 为力的 必须需要应用层来支持 应用c a n 总线通信 用靠语言编程实现应用层的功能 需要自己创 造一个应用层协议 如果仅需要管理两三个节点 定义简单的应用层协 议 是可以做到的 但随着节点的增多 系统趋向复杂 编程的难度将 大大增大 可靠性难以得到保证 同时程序的可移植性也将降低 没有 成熟的应用层协议支持 要真正实现系统的分布式控制 无论是节点加 入判断 还是节点故障确定 都比较困难 随着c a n b u s 技术的发展 发展了c a n 的高层协议一一种在c a n 协议的基础上发展起来的应用层协议 一些组织制定并开放了应用层标 准 使得系统的综合应用变得非常容易 其中c i a 制定的c a n o p e n 协议 与o d v a 制定的d e v i c e n e t 协议就是比较有代表性的两种 二者尤以后 者由于更易于得到产品开发支持 故国内工控业的应用更广泛 d e v i c e n e t 是美国r o c k w e l l 公司在c a n 基础上推出的一种低成本的 通信连接 它将基本工业设备连接到网络 从而避免了昂贵和繁琐的硬 连线 并提供了c a n 协议所欠缺的的设备级渗断功能 d e v i c e n e t 的 一些技术特点很适合分布式控制系统及实时控制 如 支持主从通信 多主通信 点对点通信选择 可带电更换网络节点 支持多种形式的数据传送入选通 轮询 状态变化和应用触发等 具有通信错误分级检测机制 通信故障的自动判别和恢复功能 支持6 4 个节点 d e v i c e n e t 规范定义了一个网络通信系统 以便在工业控制系统的各 组成元件间传送数据 d e v i c e n e t 不仅融合了c a n 协议的定义 应用层 定义了传输数据的句法和语义 还支持近五年来全球各大c a n 供货厂家 推出的c a n 芯片 有鉴于此 我们在c a n 通讯接口程序的开发中 使 用了基于应用层协议d e v i c e n e t 的c a n 总线应用程序 m v b 总线是i e c 制定的多功能车辆总线 1 3 1 现在已被铁道部确认为 我国列车车辆级数据通信的总线标准 因此l c u 应具备m v b 总线的接 口选件 便于与m v b 车厢总线通信 多功能车厢总线 m v b 在一个车厢内可连接多达4 0 9 5 个设备相传感 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 器 执行机构 在双绞线对上作短距离传输或在光纤上进行长达2 0 0 0 m 的传输时 其速率可达1 5 mb s m v b 物理层支持短距离铜介质和 长距离光介质 铜总线被分成若干个段 其两端各有一个终端器 段可 以分成若干个节 它不被端子连接 设备通过有源分接头连到段卜 为 了把总线扩展到电气限制范围以外 段可以通过包含一个信号整形器或 再生器的中继器来连接 远程端可以通过一个由一对点对点光纤组成的 光中继链连接 所有的段和链路都将在同一时刻广播同一消息 其差别 只是它们之间存在传播延迟误差而已 由于使用m v b 要用到其专用的通讯协处理芯片 再加上它的通讯协 议并没有公开 要想直接在l c u 中用该通讯总线协议以外的设备实现与 加挂m v b 通讯端口的设备直接建立通讯联接 非常困难 目前研究的 m v b 与第三方设备接口技术是一条可行的解决之道 l 3 控制模块 利用抗干扰能力强 体积小 功耗低 适合恶劣环境条件使用的单 片机为核心 它具有数据处理速度快 存贮容量大 性能稳定 运行可 靠 使用寿命长等特点 根据电力机车逻辑控制的特点 控制模块必须 具有很强的实时性和可靠性 相应的 控制软件应该尽可能地在其目标 代码中嵌入r t o s 实时操作系统 利用它来保证系统的实时性和可靠 性 在操作系统中 实时 的首要任务是调度一切可利用的资源完成实 时控制任务 其次着眼于提高计算机系统的使用效率 简单地说就是嵌 入式系统在能够响应外部事件的同时 也能完成等待其他任务或进程的 操作 重要特点是满足时限的要求 4 控制器信息显示模块 采有高亮度彩色t f t 显示器或彩色p d p 显示屏 实现机车运行状态 的查询和诊断信息的显示 逻辑控制单元和其显示系统用r s 4 8 5 连接 控制系统具体的连接节 点是主节点 显示信息咀两种方式对收到的控制系统信息进行处理 一 种是文本方式 具体的显示内容主要有 对输出点信息和输出点反馈信息以文本的方式显示其状态 如果二 者状态不一样 则意味着有短路现象 显示系统以文本的方式发出警告 信息 西南交通大学硕士研究生学位论文第l2 页 1 显示各种保护开关量的动作状况 对二值状态的开关态其代 表的实际机车工作状况用文本的方式说明 提高人机界面友 好的程度 2 隔离开关状态信息的显示 这种显示方式实现方式并不复杂 有一定的w i n d o w s 和v c 编程 经验都可以完成 需要值得注意的地方是r s 2 3 2 通讯程序的编写和调试 以及r s 2 3 2 和r s 4 8 5 两种通讯方式的转换 另一种是图形显示方式 用实际的电路原理图来显示控制系统信息 基本上囊括所有的输入信息和输出信息 这种方式下 原理图中各个图 元颜色和显示帧的不同 意味着其代表的输入或输出信息状态的改变 这种方式的好处就是简明 直观 非常符合电力机车司乘人员对机车电 路的审查习惯 但实现起来技术难度比较大 对开发人员编程能力要求 比较高 在后面的章节中对这种显示方式的开发过程以及用到的技术特 性做了专门的叙述 2 2 微处理器简介 逻辑控制单元选择富士通公司的单片机作为控制器 它是具有1 2 8 k f l a s h 6 k r a m 运行频率1 6 m h z 和双c a n 通信口的1 6 位单片机 有较强的通信控制和数据处理能力 可在 4 0 0 c 至 8 5 c 温度环境和较恶 劣的工业环境中使用 2 2 1 单片机m b 9 0 5 4 3 的硬件架构 m b 9 0 5 4 3 单片机是f u j i t s u 公司m b 9 0 5 4 0 m b 9 0 5 4 5 系列单片机中 的一款具有较高性能1 6 位微处理器 1 5 1 其工作特性如下 低电压 高速度 5 v 最小机器时钟6 2 5 n s 1 6 m h z 2 2 v 最小机器时钟1 0 0 n s 1 0 m h z 优化指令集 位 字节 字 长字 各种数据类型 多达2 3 种寻址方式 代码效率高 运算精度 高 3 2 位 高级累加器 最长3 2 位 数据精度可调整 强大的中断功能 8 个可编程中断优先级 西南交通大学硕士研究生学位论文第l3 页 独立于c p u 的自动传输功能 扩充智能i o 服务 e 1 2 0 s 类似d m a 功能 和其他系列兼容的指令集 丰富的指针 并有专门的系统堆栈 指针 指令集有良好的匀称性 单指令可完成多次移位 有符 号乘法和除法指令 执行速度得以提高 使用4 字节指令预取队列 低功耗的能量管理 有待机 睡眠 停机等多种低功耗模式 p l l 时钟倍频电路 x 1 2 1 2 3 4 减少e m i 噪声 采用 廉价的振荡电路 即可实现高速运行 外频4 m h z 内部频率最 大可达1 6 m h z 路进行噪声保护优化 所有引脚有噪声滤波器 程序补丁功能 可对掩膜后程序中得错误加以修改 减小损失 节约时间 支持全内存空间的字 字节寻址 支持1 6 m b 内存空间 可通过软件设置总线类型为地址数据复用或非复用支持8 通道 对外围芯片的片选信号输出 扩充智能i o 服务 e 1 2 0 s m b 9 0 5 4 3 单片机的功能结构图如图2 4 所示 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 图2 4m b 9 0 5 4 3 单片机的功能结构图 2 2 2m b 9 0 5 4 3 的开发环境 m b 9 0 5 4 3 的软件开发平台是s o f t u n e 这个工作平台是针对富士通 f f m c 一8 l f f m c 1 6 l l x 和f r 系列微控制器的程序开发的集成软件开 发环境m 它包括开发管理 仿真器调试 软仿真和 个集成开发环境 s o f t u n ew o r k b e n c h 管理 调试 集成开发环境 文件的操作 工程的管理 各工具软件的管理 调用调试 等功能均在此平台上完成 s o f t u n ecc o m p l i e r c 语言编译器 s o f l u n ea s s e m b l e r 汇编器 s o f t u n el i n k e r 链接器 cc h e c k e r c 程序检验上具 c a n a l y z e r c 程序分析工具 图2 5s o f i u n ew o r k b e n c h s o f t u n er e a l o s 实时操作系统 这是富士通自己开 发的一套r t o s 需要 的话要单独定购 西南交通大学硕士研究生学位论文第l5 页 s o f l u n e 开发工具包 p r o f e s s i o n a lp a c k 包括s o f t u n ev 3w o r k b e n c h c c o m p i l e r a s s e m b l e r l i n k e r ca n a l y z e r 和 s o f f u n ev 3 开发软件工 具包的结构可表示如图2 5 所示 从图2 5 可以看出 s o f f u n e v 3 同时支持c 语言和汇编语言 这使 得用户在编写程序时有极大的灵活性 在线仿真器的功能强大 使用它可以对整个控制软件的编制起到事 半功倍的效果 但价格昂贵 这样 套原装的富士通装置售价在1 万美 元左右 交货期三个月 也有国内代理生产的简化版本 售价3 万元人 民币左右 交货期也是三个月 在实际开发运用中 由于条件和资金的 限制 无法得到一套在线仿真器 只能以实时串口通讯的方式 在命令 控制程序行中加入测试信号反馈输出语句 观察上位机 p c 机得到结果 这样无法做到程序行的逐步调试 软件的查错排错困难 虽然说并不是 不可克服 但效率不高 影响了整个项目的开发进度 2 3 采用l c u 的改造方案 传统的电力机车上的控制电路由主令电器 各种功能的继电器 接 触器 转换开关 保护电器以及电源等主要部件组成 其中继电器就有 中间继电器 时间继电器 电压继电器 电流继电器 油流继电器 压 力继电器等 在利用l c u 对s s 3 b 型电力机车的继电器控制电路进行的 改造试验 主要是取代了中间继电器 时间继电器 试验和改造的基本思路是保证从性能 控制各个方面能满足对l c u 考核的要求 同时 由于电力机车在试验后还必须交有关机务段 为了 不给运用部门对机车的检修造成不便 必须考虑试验后电力机车控制电 路的恢复 所以在试验时 主要考虑了用l c u 实现原来机车继电器控制 电路的下述功能 整备控制电路 l c u 完成了除升受电弓外机车动车前的各项预备 性操作 如合分主断路器 启动劈相机 空气压缩机 通风机 完成机 车向前或向后 牵引或制动的操作 增加了劈相机启动超时保护功能 调速控制电路 l c u 完成了调速控制中的线路接触器 牵引接触 器 励磁接触器和预备环节的控制 由l c u 使机车预备完毕 2 3 1 逻辑控制梯形图 为了简单明了地表示s s 3 b 型电力机车逻辑控制关系 同时为控制 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 软件的编制做准备 在详细分析该型电力机车控制电路的基础上 编写 逻辑控制梯形图 下面以劈相机1 启动和制动风机控制的梯形图为例 对它俩的控制过程进行简要的介绍 图2 6 为逻辑控制单元的有关梯形 图 z j 4 3 1 p s j h 厂 u 失电碰肘1 0 杪 z j 4 3 1 l 4 3 7 1 8 3p z jp s j4 j l l f h 一 劈丰日 阿 簟挲 铲 俨 4 3 3 臀 l 贫 型 2 芹 l u l 廿7 1 1 8 4 铲 4 7 盟 l 抽 一 肛 图2 6逻辑控制单元部分梯形图 劈相机1 的启动过程 按下劈相机按键开关1 z k z 5 在主断路器q d f 为合状态时或主断路器处于切除位f 试验用 时 l c u 内部的中间变量 z j 4 3 1 为高电平 该变量只在l c u 内部体现 不会输出 在z j 4 3 1 由低 电平到高电平时 由图2 7 可以看出以下几个支路开始动作 支路1 由于z j 4 3 1 失电 中间变量p s j 失电 它的控制行为并不立 即动作 而是要经过l o 秒钟的延时 原先虚拟的常开触点闭合 常闭触 点断开 该定时控制由l c u 内部单片机的定时器实现 支路2 在z j 4 3 1 得电 劈相机1 隔离开关和劈相机2 隔离开关不全 投入到故障位 虚拟的中间变量p x z j 不得电或者1 p x s j 得电的时候 考虑到p s j 要在l o 秒后才断开 劈相机启动电阻接触器得电吸合 i p x s j 的行为方式是在劈相机启动完成继电器动作后 延时一秒断开劈相机启 动电阻接触器 保证劈相机的可靠启动 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 支路3 在z j 4 3 1 得电 劈相机1 隔离开关处于运行位 而不是故障 位 劈相机1 接触器闭合或者劈相机启动电阻接触器闭合 过流保护开 关1 g j z 没有动作的时候 劈相机1 接触器得电吸合 由于1 p x c 和q r c 的并联 保证在启动的时候 4 3 3 在4 3 5 已得电的情况下才得电 即保证 劈相机启动时启动电阻一定是接在劈相机启动绕组上的 从而减少劈相 机的故障率 同理 制动风机控制也和上述劈相机1 启动过程类似 z j 4 4 0 是一个 表示辅助三相电源已建立 劈相机正常启动 的中间变量 在这里需要浇明的是 传统的继电器控制电路触点信号是用导线连 接起来的 在别的逻辑关系中要用到同样的信号时就要求再提供一对触 点 而l c u 中各种信号是单独输入的 它们之间的逻辑关系是由软件来 实现的 每个信号只需要一个输入点就可在多个逻辑关系中应用 这样 就不需要中间继电器来提供多对触点了 原s s 3 b 电力机车的控制中并没有p s j 和z s j 这两个起时间延迟作用 的时间继电器 实际工况又需要这个延时 如果没有逻辑控制单元 就 必须增加两个传统的机械式时间继电器 首先不说有没有合适的时间继 电器可供选择 单单就增加两个继电器这件事本身而言 必然增加系统 的复杂性 引起控制器件的重新布局 相应的连线和布线也要做大的调 整 这对用户来说是不可接受的 使用逻辑控制单元可以较好解决这个 问题 由于劈相机启动电阻是按照劈相机在几秒内就启动正常并切除启动 电阻来设计散热容量的 若因劈相机故障或劈相机启动继电器故障使得 劈相机中间继电器p x z j 始终得电就会因过热将劈相机启动电阻烧坏 因 此l c u 设置了一个1 0s 的延时继电器p s j 当劈相机启动电阻通电达1 0 s 时 就认为劈相机启动失败 将劈相机启动电阻接触器断开 达到保护 劈相机启动电阻的目的 同理对于制动风机和其通风百叶扇 也存在类似问题 直流机车在 电制动过程中的制动功率或者说是制动能量全部落在制动电阻上 大量 的热能随之产生 这时需要启动制动风机和相应的气路 用风冷的方式 带走制动电阻上的热能 在实际应用中 常常会发生这样的情况 司机 在上电制动工况的时候 忘记启动制动风机 或者在结束电制动时 立 即关闭制动风机和相应的空气气路 这两种情况都会使得制动电阻过热 造成损坏 为此 在l c u 中特设了z s j 这个虚拟的保护用中间变量来解 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 决这个问题 从逻辑图中我们可以看出 当机车进入电制动工况的时候 在其它条件得到满足的情况下 即使没有按f 制动风机的启动琴键开关 z s j 得电一样可以保证制动风机的启动 当机车退出电制动工况时 即使 其启动琴键开关恢复 由于z s j 延迟1 0 0 秒释放动作 可以保证制动电 阻得到足够的散热时间 从以上分析可以看出 l c u 不但在取消时间继电器 中f 刚继电器的 前提1 f 能完成电力机车的控制任务 而且可实现一些传统继电器控制电 路不能实现的功能 使电力机车控制性能得到提高 2 3 2l c u 信号接口定义 根据l c u 自身工作特点和控制对象特性 确定其输入量共有8 7 路 输出量为5 4 路 这些信号根据一定的规则和具体的硬件电路分配到四个 节点 具体而言 输入信号的分配主要以信号来源而定 由于每个节点 硬件电路完全 一样 每个节点所能带动的三类负载输出的数量是一定的 这就决定了输出信号在每个节点分配的情况 线号插针号背板进线号端口号信号说明 3 0 ln 9 l a 1 0 p o o 电钥匙 3 0 5n 9 1 a 3 2 p o2i 端手柄向后 3 5 2n 9 1 b 1 4 p 04 手柄 一3 位 表2 1l c u 主节点输入信号分配表 表2 1 中3 0 1 3 0 5 3 5 2