LCU逻辑控制装置.doc

第六节 lcu逻辑控制单元ss9型电力机车控制电路采用了逻辑控制单元（logical control unit简称lcu），实现无触点控制以提高机车电气控制线路的可靠性。lcu利用现代电力电子技术和微计算机技术构成无触点控制电路取代机车上原有的时间继电器、中间继电器等低压电器和大量的迂回线路，具有控制方式灵活、编程方便、布线直观、检修条理清晰等特点，同时采用无触点输出控制方式解决了原有系统在强振环境下的不可靠问题。lcu逻辑控制装置采用双路冗余设计，并配置手动万能转换开关，当装置一路出现故障时，可人为切换至另一路工作。从而提高了机车整个控制系统的可靠性。lcu逻辑控制装置内部逻辑梯形图见附图所示。目前ss9型电力机车共装备了2种逻辑控制单元。一种是长沙瑞纬公司生产的ss9lcu，一种是深圳通业公司生产的tylcu，两种lcu配置情况如表3.61所示：表3.61 lcu机车配置情况ss9型电力机车车号配属段lcu型号00010043、00460072、00820091、01120119沈阳段ss9lcu 00440045沈阳段tylcu0073、0077、0078、01020111北京段ss9lcu00740076北京段tylcu00790081北京西ss9lcu00920101广州段ss9lcu01200124北京段tylcu01250129、01360140武南段tylcu01300135、01410154武南段ss9lcu由于两种逻辑控制单元硬件、软件均不相同，下面分别介绍：一、ss9lcu逻辑控制单元、概述ss9lcu逻辑控制单元相当于可编程控制器（plc）。它在电力机车上的作用主要就是取代传统的继电器有触点控制电路。 1ss9lcu逻辑控制单元与一般工业plc比较 逻辑控制单元与plc的作用相同，但一般工业用plc直接用于电力机车主要存在以下几个问题： （1）机车电子装置必须符合tb/t 1394 机车动车电子装置的要求。而一般的plc很难满足这一标准的要求。简单地说，一般plc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。（2）根据iec标准，一般plc工作电压为dc 24v或ac 220v，直流输出点的负载能力较低。而电力机车控制电压为dc 110v，且负载电流比较大。 ss9lcu电力机车逻辑控制单元符合tb/t 1394 机车动车电子装置的要求。结构组成符合高速列车硬件规范。其内部核心是单片机。主要由主机板、电源、输入板、输出板等所组成。 2ss9lcu的输入电路 输入信号主要有三类： （1）电力机车微机控制系统来的信号。这些信号可以直接输入ss9lcu； （2）从司机控制器、按键开关组等来的110v指令信号； （3）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ss9lcu无法取代的特殊继电器来的110v信号。 后面两种110v的信号是不能直接输入到ss9lcu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的输入电路，是对110v信号电压电路而言的。电力机车逻辑控制单元的输入单元电路将外部进来的110v信号电压经电阻网络降压、用稳压管限幅，电容滤波，再经光耦隔离后输入ss9lcu主机。这种电路有着应用成熟的优点，其可靠性很高，抗干扰能力强，能适应电力机车的工作环境。 3电力机车逻辑控制单元的负载特点 国产电力机车上的辅助电机都是采用三相交流异步电动机，而这些三相交流异步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。电空阀与电空接触器的线圈控制电流虽然只有0.12a，但由于线圈有13000匝，所以在线圈开断时感应出的干扰电压可高达1.3kv，对机车微机控制系统和电子线路形成极大的危害。因此，逻辑控制单元的负载，要求ss9lcu不仅能够适应机车恶劣的工作环境，并且应该具有抗干扰性能好等特点。4电力机车逻辑控制单元的输出电路 ss9lcu内部工作电压为几伏水平，负载能力较小，为了使其具有足够的驱动能力，ss9lcu输出单元电路采用mosfet作功率开关元件，负载能力大，开关速度高。用高频调制信号通过脉冲变压器耦合去控制mosfet的通断。并且当110v直流电源电压大范围变化时，逻辑功能保持正常。电力机车逻辑控制单元的输入输出电路是ss9lcu与电力机车控制系统的接口电路，其性能直接影响机车的行车安全。、sss9lcu主要技术参数输入电压77v 137.5v（额定110v）瞬间最大负载电流8a持续电流1.2a、3a驱动方式隔离放大驱动输入点数最大126路输出点数最大81路3 、ss9lcu逻辑控制单元的硬件系统根据系统所需完成的功能及电力机车特殊的工作环境，ss9lcu 在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扩展输入输出点，利用软件进行不同的逻辑组合来满足要求，软件编写时采用软件容错和冗余设计。ss9lcu 的硬件结构主要包括机箱、电源、主机板、输入板、输出板等。结构示意如图（一）所示。每套ss9lcu包含功能相同的a、b两组，并能进行手动转换。采用标准的6u机箱硬件结构，可与外围设备进行总线通讯。 n201 n202 n203 n204 内 部 风 扇 区边插及布 插 件 箱线区转换开 关 图一 ss9lcu结构示意图由于标准6u机箱本身并不具备防尘功能，所以在机箱外面，还有外部机箱，用于防尘、安装外接插头和安装冷却风扇、风道。接插件为铁路专用56针插座,共四个,其中输入两个、输出两个。每路输入输出都有状态指示灯。长度为84r的标准6u机箱共有21个板位，其箱内插件布置如图二所示。123456789101112131415161718192021a输出板1b输出板1a输出板2b输出板2a输出板3b输出板3a主机板b主机板a输入板1b输入板1a输入板2b输入板2a输入板3b输入板3空电源板1电源板2图二 ss9lcu插件箱布置图1 电源板电源采用机车电子控制装置专用电源，其输入电压为77伏135伏，输出电压为+5伏/2安、24伏/2安。a、b两组各自采用独立的稳压电源，自带过流、过压、过热等保护功能。图三 电源插件原理框图2主机板主机板主要完成输入点状态的采集、逻辑运算、输出点状态确定，以及与串行通讯板的数据交换等。 主机板采用了双机冗余设计，一台单片微机处于在线工作状态，而另一台处于热等待。当处于在线工作状态的单片微机发生故障时，由主机板上的冗余管理系统自动将处于热等待单片微机取代发生故障单片微机来管理整个系统并报警。若故障单片微机恢复正常则它又处于热等待状态。在正常工作时两台单片微机通过串行通讯保持具有同样的输入点、输出点及各个定时器的状态信息一样，以使双微机切换时不发生输出点状态不确定的现象。单片微机采用了工业级的atmel 89c55wdpi单片机，每台单片机有个看门狗监视单片机是否处于正常工作状态。整块主机板只有一片芯片与系统其他部分保持联系，从而避免其它干扰串入影响单片机正常工作。cpu插件具体原理框图如图四所示图四 cpu插件原理框图主机板前面板有9个发光二极管分别代表： a1： 黄灯（亮）-+5v电源正常 a2： 绿灯（亮）-cpu1为主机 b2： 绿灯（亮）-cpu2为主机 （a2和b2都不亮或都亮请进行a、b组转换） a3： 红灯（闪烁）-cpu1故障 b3： 红灯（闪烁）-cpu2故障 （a3和b3都闪烁请进行a、b组转换） a4： 黄灯（闪烁）-cpu2正在运行程序 b4： 黄灯（闪烁）-cpu1正在运行程序 （a4和b4 都不闪烁请进行a、b组转换） a5： 绿灯（亮）-数据rs485接收正常 b5： 绿灯（亮）-数据rs485接收正常3 输入板输入板用于输入数字信号。由于从司机控制器、按键开关组等来的信号及从主断路器、隔离开关、两位置转换开关和接触器等的辅助触点来的信号其输入信号为直流110v ，因此必须经过电阻网络降压、稳压管限幅、电容滤波、光电隔离后再经过施密特触发器输入给主机板。这种电路可靠性很高，抗干扰能力强，能适应电力机车上的恶劣工作环境，具体电路和插件原理框图如图五、图六所示。图五 光电隔离的数字输入电路图六 输入插件原理框图每套ss9lcu输入板设计为每组有3块输入板，每组总的输入点数为126点。每块输入板为42点，各点都有指示灯指示该点的工作状态。 4 输出板ss9lcu的输出模块设计： 系统内工作电压为ttl等级，且其负载能力较低，为了与ss9lcu外部的110v直流工作电压一致，并具有足够的驱动能力必须有专门的输出模块。经过可行性分析研究决定采用 mosfet 作为功率放大元件来取代传统的中间继电器，利用高频调制的控制信号通过脉冲变压器藕合控制 mosfet 的通断，从而解决了多个串联触头间输出共地问题。输出插件原理框图如图七所示。图七 输出插件原理图 每块输出板输出通道为27路，其中有四路为干触点，1路常开常闭触点，其他22路输出通道都为正电源110v输出。ss9电力机车每套ss9lcu输出板设计为a、b两组，每组ss9lcu有3块输出板，总的输出通道数为81 路，每路的输出负载电流最大允许为8安，各通道都有指示灯指示该通道的工作状态。、ss9lcu逻辑控制单元的使用说明与常见故障检测1 使用说明当司机合上蓄电池开关后，逻辑控制单元（ss9lcu）即得到了电源。当ss9lcu上电正常时，在司机显示面板上预备灯应该亮，若不亮则表示ss9lcu不正常，须进行a、b组切换。如果运行途中ss9lcu出现异常，司机可以通过a、b转换来切换，在切换前请先将司机钥匙关掉后，再进行a、b组切换。ss9lcu不要求司机在途中进行检修。当机车110v控制电源输入ss9lcu内部的开关电源。ss9lcu散热风扇开始运转。a、b两组系统自动完成初始化。a、b两组的工作可以通过ss9lcu面板上的转换开关来进行选择。当转换开关的红色箭头指向a或b，则对应的那组ss9lcu正在工作。2故障检测(1) 确认是否逻辑控制单元故障随着电子技术的不断发展，元器件中的质量以及逻辑控制单元的生产工艺已经有很大改善，ss9lcu的可靠性也越来越高。因此，在怀疑ss9lcu故障以前，有必要首先确认：主电路是否已经构成，如线路接触器是否可靠闭合等；与ss9lcu有关的状态控制信号是否送到ss9lcu，正确与否，如牵引、制动、零位、准备、操作端等； ss9lcu对外连接插座是否接触好等等。(2) 确认a/b组是否都有故障ss9lcu有a/b两组完全相同的系统，它们可以完全独立工作。要检查是否a/b组都有故障就要检查a/b两组的公共部分，即：在条件都满足的情况下，转换a/b两组，看故障是否一样。如果故障想象一样，则基本排除ss9lcu本身的故障；如果现象不一样，则可能ss9lcu其中一组发生故障。(3) 确认是否ss9lcu的电源插件故障如果基本确定是ss9lcu本身故障，则可以开始检测ss9lcu插件故障。首先看电源板是否正常工作，如果电源板指示灯为红色，则首先看是否ss9lcu工作电压太低，电源板欠压保护，如果工作电压正常则看是否后部短路，电源板过流保护了，否则可能电源板已经发生了故障。(4) 确认是否ss9lcu的cpu板故障如果电源板指示灯为绿色，而且从测试孔量得输出电压正常，则在检测cpu板，主要检测cpu板指示灯是否显示正常。如果a3红灯闪烁，则cpu板的第一块cpu故障；如果b3红灯闪烁，则cpu板的第二块cpu故障；此时应更换cpu板。(5) 确认是否ss9lcu的输入板故障首先确认输入信号是否送进ss9lcu，可以通过测量56芯矩形插座上相对应的针是否得电，如果有电，而ss9lcu输入板上相应的通道指示灯不亮，则可能该输入板的这个输入通道故障。(6) 确认是否ss9lcu的输出板故障根据逻辑关系判断，某一输出点条件满足，应该有输出，而ss9lcu输出板相应的通道指示灯不亮，并且相应的输出线不得电，则可能该输出板的这个输出通道故障。如果某一输出线上不管条件是否满足一直有电，则该通道已经短路。、 ss9lcu的检修 一般来说ss9lcu运行一段时间之后应对其进行全面的检测，ss9lcu的检测可以采用专用的ss9lcu便携式测试仪或者ss9lcu地面测试系统对ss9lcu的每个输入输出通道进行测试，对ss9lcu的逻辑关系判断进行测试，以及串行通讯、机箱布线等，针对整台ss9lcu进行全面的测试。在日常的维护中也可以通过ss9lcu地面测试系统提供的单板测试功能对单块插件进行测试。二、tylcu逻辑控制单元、tylcu主要技术参数额定输入电压 dc110v（机车提供），波动范围：dc 77v-137.5v输入点数120点输出点数90点（大功率30路、中功率30路、小功率30路）输入低电平电压范围0-30v额定功率200w、tylcu逻辑控制单元构成tylcu机车逻辑控制装置采用标准6u机箱硬件结构, 由机箱、电源通信板、控制板组成，tylcu外形尺寸图如图所示。位于机车逻辑控制装置后面的4个56芯连接器用于实现装置与机车之间的电信号连接。标准6u机箱共有11块电路板，分别位于左右两侧。构成了两套相对独立的系统, 每块插接板，使用2个m2.58的螺丝固定到机箱上，以保证在机车运行过程中插接板与机箱之间的紧密固定。其中有1块电源通信板,10块控制板。电源通信板能够独立的提供两套电源和内部can通讯系统；每块控制板有24路输入,18路输出,10块控制板分为ab两组,每组各5块。每组控制板和电源板一起能够独立工作实现机车的逻辑控制功能。电路插接板位置布局如图一所示。 a b控 制 板 a控 制 板 b控 制 板c控 制 板 d控制板e电源板控 制 板 a控 制 板 b控 制 板c控 制 板 d控制板e图一、电路插接板位置布局图其中阴影部分为b组控制板，非阴影部分为a组控制板、tylcu系统框图装置用开关电源来自机车110v电源 输出单元 输入单元中央处理单元输出信号输入信号lcu逻辑控制单元原理框图由于司机控制器、按键开关组等来的指令信号及从主断路器、隔离开关、两位置转换开关和接触器等的辅助触点来的反馈信号作为逻辑控制装置的输入信号，其幅值为直流110v信号，因此，在进行逻辑控制运算之前首先要经过电阻网络的降压、稳压限幅、电容滤波、光电隔离等环节进行处理。将每路110vdc的机车信号转换为5v电平信号，进入逻辑处理单元参加逻辑运算；每路转换在输入控制板中完成，同时具有硬件抗干扰设计，让10毫秒以内的尖峰电压串入输入电路后不被误认为正常的输入信号。中央处理单元主要完成逻辑运算、延时控制、及软件抗干扰功能等。该单元主要根据机车的实际工况确定的输入信号状态来决定各个输出的状态。输出单元用来驱动各类机车负载。同时用光电隔离的方式实现高低电压的隔离和驱动功率的放大。、电路原理说明1、 输入电路：tylcu逻辑控制装置输入电路用于完成输入信号的隔离及电平转换。输入板电路如下图所示。输入板电路原理图(1路)由于机车输入信号为110vdc信号，逻辑运算处理单元要求的信号又常常是ttl电平，所以，首先需要进行电平转换。如上图，当外部输入信号i1输入时，信号经r3、led支路点亮led指示灯；同时，经过r1和r2组成的分压电路输出vrr1作为u1（光电耦合器）的输入信号，驱动光藕动作，完成电平转换。dw1、c1用于完成对干扰信号的抑制。完成转换的ttl电平信号送入逻辑控制芯片，同时读入微机控制芯片进行逻辑运算处理。2、 输出电路： tylcu逻辑控制装置输出电路完成信号驱动转换功能。输出板电路原理图如下图所示。输出电路原理图输出信号一路送由ro1和do1构成的输出指示信号，另一路经过稳压管后送光电隔离耦合器，完成低电平到高电平（110v）的转换。经过输出板输出的信号，通过56芯机车专用电连接器，形成各类负载的驱动信号。、tylcu的对外接口tylcu逻辑控制装置采用4个56芯机车电连接器实现同外部的连接。其中n201、n202为输入连接器，n203、n204为输出连接器。机车连接器接线图如下图所示。tylcu逻辑控制装置4个连接器与机车连接线号如下表所示：n2011234ai21ai5ci9ci3e404523538431bi22ai12di24ai4e405528539432ci9di14di10ci5e406529540433di2ei1bi1di10e407551619437ei4ai11ai13di11e412552527438fi18ai15di2bi12e752553456439gi7bi3di9bi1e531562458443hi6bi22bi16di12b445741554452ji19bi20ci11bi14c430746460731ki15ai17di16ei16c723606419735l485comi17ai6ci18c（e）686751577742m485-bi21ei12ci17e(r01)687729464496n485-ai23ei7ci4b(r03)685755576497p110v+110v+i13a110vg560560537400n2021234ai4ci8ci17bi16a411578434724bi3ai13ci7ei15c894462435733ci20ai7di8ei17c812524436737di19ai8di13ei19c495525440744ei10ai5ai14ei21c557502441747fi15bi6ai15ei22e461503442730gi11ci6di10di24e550468444756hi20ei4di16bi19d510469453739ji9ai5di9ei20d556470446565ki3bi2di5bi3c457480447804li14bi23ci1ai2c459564448526mi19ei21di2ai22c518549449694ni18di8b110vg555454400p110vg400 n2031234au4e (大)u16d(小)u3c(大)u8b(中)549702568481bu4a(大)u13e(小)u3e(大)u7b(中)589703541483cu1d(大)u14e(小)u1b(大)u3d(大)621704575547du7a(中)u17d(小)u1a(大)u3b(大)624705583463eu7d(中)u14d(小)u4d(大)u4b(大)223706598428fu8a(中)u15d(小)u5a(大)u13b(小)62570