HXN3B机车设计原理微机网络控制系统.pdf

文件类别 : 时间 : 设计说明20120317 项目名称及编号 :文件编号： 交流传动内燃调车机车技术方案研究 2011J010-B 8F9D-2 拟稿 : 校核： 审核：批准 : 魏宏 刘景来 曲天威 张思庆 交流传动内燃调车机车交流传动内燃调车机车 微机网络控制系统设计说明微机网络控制系统设计说明 中国北车集团大连机车车辆有限公司中国北车集团大连机车车辆有限公司 2012 年年 4 月月 交流传动内燃调车机车 第1页 共 12页 目录目录 1 概述.2 2 控制系统的组成和主要功能.2 2.1 中央处理模块(CPM) .2 2.2 牵引处理模块(MPU) .4 2.3 数字量输入输出模块（DIO）.4 2.4 模数转换模块（ADA）.5 2.5 模拟信号调制模块（ASC）.6 2.6 FIRE 显示屏 .6 3 机车网络通讯.8 3.1 机车级网络通讯 .8 3.2 车载微机内部上下位机之间通讯 .9 4 机车网络控制系统功能.11 1 概述.2 2 控制系统的组成和主要功能.2 2.1 中央处理模块(CPM) .2 2.2 牵引处理模块(MPU) .4 2.3 数字量输入输出模块（DIO）.4 2.4 模数转换模块（ADA）.5 2.5 模拟信号调制模块（ASC）.6 2.6 FIRE 显示屏 .6 3 机车网络通讯.8 3.1 机车级网络通讯 .8 3.2 车载微机内部上下位机之间通讯 .9 4 机车网络控制系统功能.11 交流传动内燃调车机车 第2页 共 12页 1 概述概述 机车微机系统 EM2000由各个功能模块组成，不仅实现了机车控制的高度 自动化，还提供了极为有效的元器件和系统故障检测手段。同时，自身具有“自 检”功能，十分有利于机车状态检测及故障排除。 2 控制系统的组成和主要功能控制系统的组成和主要功能 EM2000由各个模块板组成，主机整合装在一个机箱内。显示终端设置在 机车司机室操纵台上。EM2000微机系统包括以下模块。 1） CPM 模块(中央处理模块) 2） MPU模块 （牵引处理模块） 3） DIO模块 (数字量输入输出模块) 4） ADA模块（模数转换模块） 5） ASC301（模拟信号调节模块） 6） FIRE 显示屏(多功能集成铁路电子设备) EM2000微机系统通过 DIO、ADA、ASC 等外设模块，检测机车各个模拟 量和数字量输入。上位机 CPM 模块根据机车不同的工况控制外设模块输出数字 量和模拟量，控制机车各个子系统功能。同时给下位机 MPU发出给定指令，控 制机车牵引主传动性能。FIRE 显示屏为整个微机网络系统提供显示终端，并提 供人机交互平台。 2.1 中央处理模块中央处理模块(CPM) 中央处理器模块是整个机车微机控制系统的核心。模块面板有错误指示 灯，可以直观的了解模块当前的状态。CPM 模块主要负责将表征机车主发励磁 占空比的频率信号输给励磁斩波器。同时根据机车工况，产生需要送给下位机 牵引处理模块的转矩给定。完成机车各个工况下，各子系统的自动控制。此外 通过 RS232 总线或主寄存器模块，处理器可以进行再编程。运行总数、错误存 档、校准信息及单位数据信息都被保存在有备份的 RAM 存储器中（使用锂电池 交流传动内燃调车机车 第3页 共 12页 做为 RAM 的电池备份）。CPM 模块通过母板对 ADA 模块、DIO 模块、MPU 模块等 进行控制或数据交互。 CPM 模块配备 32位处理器，工作频率大于 25MHz，具有浮点运算功能或 配备浮点运算协处理器。配备 VME总线接口、RS422串行接口、CAN总线接 口。处理器与 VME及 CAN总线之间通过双口 RAM 交换信息。CPM 模块框图 如图 1。 CPU 处理器总线-A-D 浮点运算 协处理器 Flash SRAM 系统缓冲 存储器总线-MA/MD 系统控制器 DPRAM CAN控制器 锁存CAN AD CAN- D CAN-A 光电隔离CAN X 2 CAN总线电平转 换及保护电路 线圈隔离电源 隔离后 5V UART控制器 （RS-232D） UART电平变换 （RS-232D） UART控制器 （RS-422） UART电平变换 （RS-422） RS232 X1（4线） 调试/维护接口 调试接口 母板接口 VME总线缓冲 脉冲控制 带备份的 SRAM VME控制器 及系统外设 实时时钟E2prom RS-422 X2 总线缓冲 总线 PTM组 电源管理 （电池及电源切换） 板内5V SINP 输入 串行通信-4线 图 1 CPM模块系统框图 交流传动内燃调车机车 第4页 共 12页 2.2 牵引处理模块牵引处理模块(MPU) 牵引处理模块与中央处理模块通过 VME 总线通信。MPU 外部为接口面板，连 接所需要控制的牵引逆变器。其与上位机 CPM 模块及被控对象牵引逆变器的功 能框图如图 2。 图 2 牵引处理模块的功能框图 牵引处理模块配备高性能 TI6000系列 DSP，工作频率达 120MHz，外部配 有 512K 字节 SRAM, DSP 总线缓冲器和控制器；VME 总线与 DSP 之间 32K 字节的 双口交换信息；配备 8 路 A/D 转换通道和 8k x16 bit 的双口存储器；故障记录 器由 1M 字节 SRAM 和控制器组成，SRAM 由大电容构成的备份电源提供数据保持 功能； 2.3 数字量输入输出模块（数字量输入输出模块（DIO） 机车配备数字量输入输出模块（DIO）共四个，每个 DIO模块共有 24个输 入通道和 26个输出通道，DIO采用光电隔离传输的方式将机车 74VDC系统与 计算机 5VDC系统联系起来。 交流传动内燃调车机车 第5页 共 12页 对于数字量输入，采用了多路复用技术。可以在一个内部时钟周期 100ms 内，对每个通道以每隔 10ms 的速度采样 5组数据。对于一个物理通道来说，可 以最多监测 6个输入信号。也就是说原来需要 48个 DIO通道的信号量，现在只 需要 8 个通道就能完成。 此外，DIO具备自我检测的功能。在一个内部时间周期 100m内，单独设置 两个 10ms 周期检测通道本身是否可以正常的开启和关闭。如果这两个时段程序 中有一个失效，将记录为故障，并且忽略从这些通道获取的所有输入信号。 2.4 模数转换模块（模数转换模块（ADA） ADA模块接收来自各种传感器的模拟信号反馈。将模拟信号转换成数字形 式并进行调制，以便于 CPM 模块使用。ADA模块也能将某些数字 CPM 输出信 号转换成模拟形式，以便于外部设备使用。图 3即为 ADA模块检测前架电流、 接地电流、高温水温度、辅助电压、雷达这些模拟信号的原理图。 图 3 ADA 相关电路 交流传动内燃调车机车 第6页 共 12页 2.5 模拟信号调制模块（模拟信号调制模块（ASC） ASC模拟信号调节器模块将反馈的模拟信号调制到 ADA模块可以处理的范 围内。ASC301 处理的模拟信号有： BAR PRS 大气压力信号，该信号作为判断机车所处位置海拔的关键信号， 对柴油机控制非常重要 MG CTA1，2 前架及后架主发输出交流侧电流信号 TL 24T 电阻制动手柄位置信号，作为机车提供电阻制动力大小的依据。 BATT V蓄电池电压信号 2.6 FIRE 显示屏显示屏 机车配备高性能基于内嵌式 windows XP 开发的车载微机人机接口设备，保 证了机车信号的传输及响应迅速。其开发简单、主流，安全可靠。内嵌式 Windows XP支持磁盘写保护的功能，提供了一种保护卷以防止写入的手段，轻 易实现本地数据安全和防计算机病毒。 FIRE 显示屏采用 MSM800 系列 PC104单板机，小巧、坚固、扩展性强。 它采用 GEODE LX800 CPU，主频率 500MHZ，BIOS ROM，DDR-SODIMM 200 针插口，LPT1并行接口，COM1、 COM2- RS232 串行接口，话筒接口， PS/2 键盘接口，软盘接口， AT-IDE 硬盘接口，VGA/LCD 视频接口，PC/104 ISA 总线，PC104+ PCI 总线，PS/2 鼠标接口，4个 USB 2.0等广泛的外部设备 接口。此外，还具有 8路 RS232 通讯接口的串口卡， 4路光隔离高速同步 RS422通讯串口卡， CAN通讯板卡，用于机车重联 LONWORKS 板卡，全球定 位系统 GPS板卡，及一块具有可编程控制串口接口，看门狗时钟，为 PC104 单 板机提供+5V电源，为 LCD背光提供 DC 转 AC电源逆变模块的电源控制板。 其硬件框图如图 4： 交流传动内燃调车机车 第7页 共 12页 图 4 FIRE 显示屏硬件框图 由于内嵌式 Windows XP 映像中的主应用程序及其相关的测试自动化，模 块化，从而使其变得更加容易维护和管理，测试环境可以在开发团队中轻松共 享，便于进一步的升级开发。FIRE 显示屏专门配备了测试各个硬件的测试程 序。其测试功能有：通用串口总线端口检查、LCD背光亮度测试、串口通讯检 测、按键测试、声音测试、电源板功能参数检查、CAN 通讯测试、ID定义测 试、看门狗功能测试，图 5为部分测试程序截图。 交流传动内燃调车机车 第8页 共 12页 图 5 测试程序截图 3 机车网络通讯机车网络通讯 3.1 机车级网络通讯机车级网络通讯 机车采用 CAN总线结构作为机车主网络，车载微机通过 CAN总线与冷却 风扇逆变器、空压机逆变器、电喷系统、FIRE 显示屏进行通讯交互。两个操纵 台上的 FIRE 显示屏通过以太网路由器连接，采用以太网通讯方式。由于 FIRE 显示屏优秀的扩展能力，根据具体需要，可以配置串口通讯和 LONWORKS通 讯与各个子系统或设备交互。具体机车级网络通讯示意图见图 6。 交流传动内燃调车机车 第9页 共 12页 图 6 机车级 网络通讯示意图 3.2 车载微机内部上下位机之间通讯车载微机内部上下位机之间通讯 车载微机中上位机中央处理模块 CPM 与下位机牵引处理模块 MPU之间采 用 VME总线通讯。其示意框图如图 7。CPM 与 MPU之间交互的信号与牵引系 统密切相关。其传输信号分为三大类： 1、 CPM 与 MPU内的 DSP之间的信号，如：转矩给定、蠕滑转速变化 基准、各牵引电机转速、手柄位、心跳信号、转矩反馈、基波频率、 调制率、调制模式、相电流、dq变换参数等。 2、 CPM 与 MPU内保护序列之间的信号,如：牵引电机转速传感器失 效、看门狗故障重置、CPU故障、牵引电机转向、各种 FPGA故 障、过压保护动作、电源欠压动作等。 3、 CPM 与 MPU内故障记录器之间的信号，如：故障存储 bank，直接内 存读取 DMA。 交流传动内燃调车机车 第10页 共 12页 接 口 模 块 缓 存 电 路 D S P 保 护 序 列 故 障 记 录 器 本 地 总 线 缓存 M P U 牵 引 处 理 模 块 VME 总线 中 央 处 理 单 元 (C P M ) 牵 引 逆 变 器 1 缓 存 电 路 D S P 保 护 序 列 故 障 记 录 器 本 地 总 线 缓存 M P U 牵 引 处 理 模 块 接 口 模 块 牵 引 逆 变 器 2 图 7 CPM 与 MPU 之间 VME 通讯 为了防止上下位机之间失去响应而导致牵引系统紊乱。在 CPM 和 MPU 之间设置 四位心跳信号（0 x0-0 xF）检测。以识别各个部分处理器均正常工作。如果心跳信号丢 失达两秒以上，MPU 将关断全部 IGBT 并强制中间直流环节放电。CPM 将传给 MPU 的各种牵引参数基准降低为 0，关断主发励磁。 交流传动内燃调车机车 第11页 共 12页 4 机车网络控制系统功能机车网络控制系统功能 机车微机网络控制系统的主要功能是综合机车运行工况和各个设备的运行状态， 对机车进行控制。根据系统设计要求，主要完成以下控制功能： 1、机车主传动控制，包括牵引控制，电阻制动控制，粘着控制，主发励磁控制 控制系统将根据工况和机车的实时状态输出主发励磁电流基准给励磁斩波器从 而实现主发励磁的控制。通过 CPM 输出转矩基准给 MPU，再由 MPU按预置的 程序输出牵引逆变器 IGBT 的 PWM 脉冲信号。最后根据雷达速度和机车各个轴 转速传感器反馈的转速来进行机车粘着的控制，并进行修正轮径。其系统框图 如图 8 柴油机功率 容量 主发输出 功率基准 前架牵引 功率 基准 牵引转矩 基准 后架牵引 功率基准 牵引转矩 基准 机车转矩 限值 主发电压 基准 励磁斩波器 牵引控制器1 牵引控制器2 主发励磁 电流基准 牵引电机 转速校正 机车速度 机车工况 基准转速 蠕滑偏移量 牵引电机 转速基准 图 8 机车主传动控制框图 2、机车辅助系统控制，包括机车各个风机、空压机、百叶窗等辅助系统负载的 控制，从而满足柴油机及机车各部件的冷却及制动用风需求。 3、柴油机控制，通过 CAN通讯总线与电喷系统进行交互，实现控制并反馈信 息。 4、机车负载试验控制。 5、机车运行参数信息的记