（电力系统及其自动化专业论文）基于eda技术的机车逻辑控制系统的研究.pdf

! ! 立銮望查竺堡主兰生丝壅些! ! 篓羔 a b s t r a c t o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h er e l a yc o n t r o ls y s t e mo f8 ke l e c t r i c a l l o c o m o t i v e ，t h i sp a p e rp r o p o s e s am o d u l i z e d ，e l e c t r o n i c sa n d n o n c o n t a c t i n gl o g i c c o n t r o l s y s t e m t h i ss y s t e m u s e sc p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e s ) a st h em a i nc o n t r o l l e rw i t h t h e a p p l i c a t i o no fe d at e c h n o l o g y t h et e c h n o l o g i e s o fp o w e r e l e c t r o n i c sa n df i e l d b u sa r ea l s oa d a p t e d e a c hn o d eo ft h es y s t e mi s i n t e r l i n k e dt of o r mac o n t r o ln e t w o r kt h r o u g hl o n w o r k sf i e l d b u s t e c h n o l o g y t h en e wc o n t r o ls y s t e mw i l lc o m p l e t e l yg e tr i d eo ft h e d i s a d v a n t a g e so ft h er e l a yc o n t r o ls y s t e m i ta l s oi n c l u d e sf u n c t i o n s s u c ha sf a u l td e t e c t i o na n dc o m m u n i c a t i o n t h ec o n t r o lf u n c t i o no ft h en e ws y s t e mi sd i s t r i b u t e di n t of o u r n o d e s t h i sp a p e rd i s c u s s e st h eh a r d w a r ec i r c u i t ，s o f t w a r ea n dc p l d d e s i g ni nd e t a i l t h ec i r c u i to fe a c hn o d ei sa l m o s tt h es a m e ，t b u s s i m p l i f y i n gt h ec o n t r o ls y s t e m sd e s i g n i n ga n dp r o d u c i n gp r o c e s s w i t ht h eu s eo fn e u r o nc h i pa n dn e u r o nc l a n g u a g e ，w er e a l i z et h e c p l d si s p ( i ns y s t e mp r o g r a m m a b i l i t y ) a b i l i t yi nt h es y s t e m t h ee l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n ti nt h ee l e c t r i c a ll o c o m o t i v ei s v e r yb a d t h i sp a p e rb r i e f l ya n a l y z e st h ee l e c t r o - m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ( e m i ) s o m es o l u t i o n sa r ea l s ob r o u g h tf o r w a r ds oa st os t r e n g t h e nt h e s y s t e m sr e l i a b i l i t y k e yw o r d s ：l o g i cc o n t r o l ，e d a ，c p l d ，i s p ，l o n w o r k s i ! 互奎望查差堡主兰些笙奎一量蔓l 堕堡 第一章概 述 1 1课题研究的背景与目的 1 1 1继电器控制系统的优缺点 长期以来，电力机车d c l l 0 v 逻辑控制系统都是采用继电器有触 点的方式来实现的。 传统的机车d c l l 0 v 继电器有触点逻辑控制系统的控制回路使用 大量的时间继电器、中间继电器和阻流二极管等完成机车控制所需的 各种逻辑组合和延时控制功能。该控制方式从第一代国产电力机车一 直到现在近四十多年的时间里一直没有发生变化，而当今机车已由直 流传动发展到交流传动，机车特性控制装置也经历了有接点电器实现 方式到模拟电路实现方式直到现在的数字电路实现方式的几个发展阶 段。传统的机车继电器有触点逻辑控制系统主要具有下述优点： ( l ) 、控制电路的原理与结构都比较简单； ( 2 ) 、应用比较成熟； ( 3 ) 、系统价格比较低； ( 4 ) 、容易掌握，对检修人员的技术水平要求不高。 但是，继电器有触点控制系统也具有下述主要缺点： ( 1 ) 、继电器有触点控制系统的设计、生产和调试过程比较烦琐； ( 2 ) 、在振动大、尘土比较多的机车工作环境下，继电器工作的可 靠性比较差。特别是在机车速度提高到1 6 0 k m h 以上时，由于机车振 动加剧，继电器触点的振动也随之增大，使得控制电路的误动作明显 增加，并曾有因此而造成机破的记录； 基于e d a 技术的机车逻辑控制系统的研究1 ! ! 立奎望查兰堡主兰堡丝壅一生二兰! ! 堕 ( 3 ) 、布线多，容易出错，控制功能少，变更控制功能比较麻烦； ( 4 ) 、时间继电器定时不准确，动作速度慢： ( 5 ) 、继电器控制系统需要定期维护，继电器的触头需要定期清洗， 以防时间长后接触不良： ( 6 ) 、继电器控制系统在出错时不容易查找： ( 7 ) 、各种迂回布线将机车各种输入电器和输出电器沟通起来，恶 化了机车d c l l 0 v 电源条件，形成了恶劣的机车电磁环境。 这一点即使8 k 型电力机车也不例外。8 k 机车是我国8 0 年代中 期从欧洲5 0 赫兹集团进! z l 的代表八十年代世界交一一直电传动先进 水平的大功率电力机车。8 k 机车的控制系统，尤其是电子控制系统设 计思想独特，控制方法先进。机车引进后，它的许多优秀设计已被成 功地运用于国产电力机车，使我国电力机车电子控制系统的设计水平 上了一个新的台阶。但是，在8 k 电力机车中，其逻辑控制部分仍采 用传统的继电器( 包括中间继电器、时间继电器，双稳态继电器等) 控制系统来实现的。8 k 机车的整个继电器控制系统包括两个继电器 柜，一共有继电器1 2 0 多个，继电器触点将近5 0 0 个，使得体积庞大， 内部布线复杂。 1 1 2现阶段的发展状况 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 控制系统的可靠性、安全性及高效性提出了更高要求，诸如微机控制 系统的通讯功能、故障检测与诊断、机车电器的自诊断功能等已逐渐 提上议事日程。因此，传统的继电器有触点控制系统将越来越不适应 机车高速发展的需要，研制在高速运行条件下的逻辑控制系统己成为 迫切需要，用现代的电力电子技术和计算机技术改进传统的控制技术 己成为势在必行的事情。 正是由于继电器控制系统的种种弊端以及形势发展的需要，国内 基于e d a 技术的机车逻辑控制系统的研究 2 ! ! 塑銮望查兰堡兰兰垡堡苎 一 一兰叠生! ! 堕 已研制出几种替代产品： ( 1 ) 、“机车逻辑控制单元( l c u 一一l o g i c a lc o n t r o lu n i t ) ”一一 这是由长沙铁道学院主持，株洲电力机车厂和株洲电力机车研究所三 家单位，共同开发研制的电力机车专用可编程控制器。它的主控制器 采用了工业级的m c s 5 1 系列单片机，输出采用m o s f e t 作功率开关 元件。虽然它已通过试验运行的考验，但它从设计之初便存在一定的 问题：首先是采用单片机作为主控制器，不可能完全避免程序的“跑 飞”和“死机”，且限制了输入输出的回路数：其次在设计输出回路时， 未对m o s f e t 做完善的过流、过压保护措施；再一点就是它是一个集 中式的控制系统。 ( 2 ) 、“d k l 制动逻辑控制装置”一一这是由株洲电力机车厂委托 深圳通业微电子有限公司研制的电力机车制动逻辑控制装置。它的主 控制器采用了a m d 公司的m a c h 4 系列逻辑控制芯片m a c h 4 1 2 8 ， 从而避免了应用单片机可能出现的问题，使可靠性大为提高。但它的 输出采用了继电器方式的功率接口电路；整个系统仍为一集中式的控 制系统，且不具备通信功能，只能通过查看控制装置的发光二极管来 了解各路输入输出状态。 ( 3 ) 、“t y l c u 机车逻辑控制装置”一一这也是由株洲电力机车厂 委托深圳通业微电子有限公司研制的最新的机车逻辑控制装置。相比 于“d k l 制动逻辑控制装置”，它主要改进的地方有：主控制器采用 了t r i s e n d 公司的内嵌8 0 3 2 c p u 核的大规模逻辑阵列专用芯片 t e 5 2 0 ，从而增加了监控、通讯和诊断功能；其次是功率驱动电路的 改进，选用了松下公司的专用驱动模块a q z l 0 4 和a q z 2 6 4 ，该模块 内置m o s f e t 开关管及其保护电路和t t l 电平的驱动电路。但是， 通过研究该驱动模块的内部结构可以发现，该模块仅对m o s f e t 的过 压采取了相应的保护措施，而对未过流故障采取保护措旋。还有点 就是该控制装置仍然是集中式的控制系统。 基于e d a 技术的机车逻辑控制系统的研究 ! ! 塑奎望查兰堡主兰垡堡苎兰二皇堕堕 以上三种控制系统的共同点就是都为集中式的控制系统，且都采 取双机冗余( 备份) ，或称a b 组转换的方式，当其中一组故障时， 通过切换开关转换到另一组。 为了改善以上设计的不足，并适应列车控制系统分散化的发展方 向。本设计提出了分散化、模块化的设计思想。在将8 k 型电力机车 继电器控制系统电子化、无触点化改造的基础之上，将整个控制系统 的功能划分为几个相互独立的控制节点。节点的通信通过l o n w o r k s 现场总线来完成的，也就是说将各个控制节点连接到由l o n w o r k s 总 线构成的控制网络上，以实现节点之间以及节点与外部的通信。 1 2e d a 技术概述 在本设计中，由于采用了c p l d 作为主控制器，在进行c p l d 的 设计过程中，就必须应用到e d a 技术，下面就对它作简要介绍。 在现代电子系统设计领域，集成电路技术与计算机辅助设计技术 ( c o m p u t e r a i d e d d e s i g n ，c a d ) 技术的发展是相辅相成、相互促进的。 经过发展融合，逐步形成了电子设计自动化e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g n a u t o m a t i o n ) 这一概念，它已发展成为电子领域多功能、多层次的工 具软件，可以在电予系统元件级、电路和p c b 级、a s i c 和i c 级进行 数字、模拟电路的各种分析、仿真和综合。 现在，e d a 已经逐渐成为电子系统设计的重要设计手段。所谓电 子设计自动化是指利用计算机完成电子系统的设计。e d a 技术以计算 机为工具，代替人完成数字系统的逻辑综合、布局布线和设计仿真等 工作。设计者只需要完成对系统功能的描述，就可以由计算机进行处 理，得到设计结果。 随着电子技术、计算机技术的迅速发展，数字系统的应用范围越 来越广，规模越来越大。在这种情况下，如何利用中、大规模集成电 路，按设计任务的要求，迅速而准确的设计系统无疑是一个有重要意 基于e d a 技术的机车逻辑控制系统的研究 韭塑奎望奎兰堕主兰垡堡塞 一翌二里型 义的问题， e d a 技术的发展给数字系统设计带来了革命性的变化，传统的 “固定功能集成块+ 连线”的设计方法正逐步退出历史舞台，而基于 芯片的设计方法正在成为电子系统设计方法的主流。 现在构成数字系统流t ? - - 类“积木块”，即微处理器、存储器和 p l d 。由于器件可编程，则硬件的设计便可以像设计软件那样方便。 现在已有越来越多的设计者采用p l d 实现逻辑控制，即用所谓 “c p u + r a m + p l d ( f p g a ) ”的模式进行设计。图1 1 表示了传统的 电子系统设计方法和基于芯片的设计方法。 传统电子系统 设计方法 基于芯片的 设计方法 i 可编程逻辑器件 0 芯片设计 0 电路板设计 电子系统 图1 1两种电子系统设计方法 p l d 的出现，改变了传统的数字系统的设计方法。传统的数字系 统设计只能对电路板进行设计，通过设计电路板来实现系统功能。采 用p l d 则可以对器件进行设计。通过设计芯片来实现系统功能，这种 方法称为基于芯片的设计方法。新的设计方法能够由设计者定义器件 的内部逻辑和管脚，将原来由电路板设计完成的大部分工作在芯片设 计中进行，这样不仅可通过芯片设计实现多种数字逻辑系统功能，而 且由于管脚定义的灵活性，大大减轻了电路图设计和电路板设计的工 作量和难度，从而有效的增强了设计的灵活性，提高工作效率：同时 基于e d a 技术的机车逻辑控制系统的研究5 j ! 查奎望查兰堡兰三兰垡丝壅 基于芯片的设计可以减少芯片数量 提高系统的性能指标和可靠性。 第一章概述 缩小系统体积，降低能源消耗 在设计数字系统时，从设计方法学的角度来讲，有两种截然不同 的设计方法：种是自顶向下( t o p d o w n ) 的设计方法；另一种是自 底向上( d o w n t o p ) 的设计方法。 本设计就是采用自顶向下的设计方法，根据系统完成的功能要求， 将系统完成的功能进行模块化的设计，分别对各模块进行功能设计和 仿真，再在顶层设计中调用这些模块形成完整的设计，以实现既定的 功能。 在设计数字系统时，从设计描述方法的输入形式上，可分为硬件 描述语言( h d l ) 输入、逻辑图输入以及波形图输入。 h d l ( h a r d w a r ed e s i g nl a n g u a g e ) 方式能够用来描述逻辑电路的 功能和结构，可以包含精确的定时信息，并且很容易的被重复利用。 对于现代超高速集成电路( v h s i c ，v e r yh i g hs p e e di n t e g r a t e dc i r c u i t ) 的设计，要求描述语言能在行为和结构描述的不同领域的各个层次上 同时进行混合描述、编译、综合、模拟验证和测试。在本设计中的各 个功能模块都是采用v h d l 语言( v h s i ch a r d w a r ed e s c r i p t i o n l a n g u a g e ) 编写而成的，这样在总体设计时，只要调用各个功能模块 即可。 ! ! 立銮望查兰堡主兰竺堡墨； 笙三兰墨堑塑璺壁j 兰翌 第二章系统的总体方案 2 18 k 机车继电器控制系统【9 1 【1 0 1 8 k 型电力机车的一台机车通常是由完全相同的两节构成，每节 机车有两台完全相同的转向架，每台转向架由两台电机串联而成， 即所谓的2 ( b o b o ) 结构。虽然一台机车是由完全相同的两节构 成，但司机只能在一个司机室操纵。司机通过操纵台给出控制指令， 分别送给电子控制系统和继电器控制系统，再由它们去完成机车运 行的控制。8 k 机车整个机车的控制系统框图如图2 1 所示。 图2 1 机车控制系统框图 由图2 1 可看出，继电器控制系统在整个机车控制系统中起着非 常重要的作用。司机通过继电器控制系统的控制电路来间接控制机 车主电路及辅助电路，以完成控制机车牵引、再生、向前、向后、 加速、制动等各种工况，另外还控制各辅助机械的开停和各照明、 基于e d a 技术的机车逻辑控制系统的研究7 韭立奎望查兰堡主堂垡堡苎 笙三塞墨竺塑望! 查立墨 信号灯有关的主令电器。机车上这些控制电器以及信号、照明灯装 置，全由直流1 1 0 v 控制电源供电。下面我们仅给出8 k 机车继电器 控制系统所完成的具体控制功能，而不对这些功能加以描述a 一、机车1 1 0 v 直流电源的控制 二、车顶高压隔离开关控制 三、 受电弓控制 四、重联继电器控制 五、主断路器控制 六、机车运行工况控制 机车运行中的工况控制包括： ( 1 ) 、司机控制器的控制 ( 2 ) 、司机台开关盒钥匙b l 联锁的控制 ( 3 ) 、反向器的控制 ( 4 ) 、牵引制动转换电路的控制 七、线路接触器控制 线路接触器控制的具体环节有： ( 1 ) 、牵引工况线路接触器的控制 ( 2 ) 、制动工况线路接触器的控制 八、保护控制 主要的保护控制环节有： ( 1 ) 、过流保护：包括车项高压线过流保护、主变压器原边 过流保护、主变压器次边过流保护 ( 2 ) 、回流保护 ( 3 ) 、接地保护：包括主电路、辅助电路、控制电路接地故 障保护 ( 4 ) 、牵引电机超速保护 ( 5 ) 、转向架主电路故障保护 培十e d a 技术的机车逻辑控制系统的研究 ! ! 查窒望盔堂堡主兰垡丝塞兰兰兰生至塑型等! ：互墨 ( 6 ) 、功率因数补偿装置( a f p ) 故障保护：包括a f p 过载 保护、a f p 故障保护 ( 7 ) 、牵引电机自动切除和恢复的控制 ( 8 ) 、辅助电源故障保护：包括辅助电源过载保护、逆变器 故障保护 ( 9 ) 、中央柜通风机的牵引通风机过载保护 0 0 ) 、辅助电源自动切除和恢复的控制 q d 、变压器油泵、空气压缩机及滤清器排尘风机电机过载 保护 、防空转装置故障保护 、编码故障保护 、电子调节故障保护 、主变压器超温故障保护 、机车超速保护 、再生制动故障保护：包括再生制动失效故障保护、再 生制动过载保护 0 8 ) 、欠压保护 、充电故障保护 、油流故障保护 九、机车运行中的状态及故障信号的控制 十、照明控制 照明控制包括以下几个部分： ( 1 ) 、机车前头灯控制 ( 2 ) 、机车副头灯控制 ( 3 ) 、机车标志灯控制 ( 4 ) 、司机台、仪表照明控制 ( 5 ) 、中央柜、机械间和司机室照明灯控制 基于e d a 技术的机车逻辑控制系统的研究 j ! 立奎望奎兰堕主兰堡堡塞 兰三! 墨竺堕堕苎j ! 墨 ( 6 ) 、转向架照明和行灯插座控制 机车的这些控制功能都是由继电器来实现的，当然，并不是每 一项功能由一个继电器来实现，而是大多数控制功能是由多个继电 器共同来完成的，这就为下面的工作带来一定的困难。 2 2系统的整体方案 2 2 1系统方案 在自动控制领域中，全集中式的控制系统已被集散控制系统 ( d c s ，d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 所取代，而新型的现场总线控 制系统( f c s ，f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 突破了集散控制系统中通 信由专用网络的封闭系统来实现所造成的缺陷，把基于封闭的、专 用的解决方案变成了基于公开化的、标准化的解决方案；即可以把 来自不同厂商而遵守同一协议的自动化设备，通过现场总线连成系 统，实现综合自动化的各种功能；同时把d c s 集中与分散相结合的 集散系统结构，变成全分布式机构，把控制功能下放到现场，依靠 现场智能设备实现基本控制功能。 在列车控制领域的发展过程中，控制系统也逐渐由集中式向分 散化、网络化的方向发展，控制系统由挂在一根总线上的许多控制 节点( 或称为设备) 组成并由一微机作为上位机进行网络监控和 图2 1 列车网络控制系统示意图 基于e d a 技术的机车逻辑控制系统的研究 j ! 互銮望查兰堡主堂堡堡墨； 管理，如图2 1 所示。 第二章系统的总体方案 在本设计中，确定采用分散式的控制策略，即首先设计出基于 l o n w o r k s 现场总线技术的控制节点，然后应用l o n w o r k s 现场总 线技术将各个控制节点连接成一个小型的控制网络。在此利用 l o n w o r k s 控制网络主要是用来向上传递机车的运行状态以及故障 信息，并通过机车上的显示屏进行显示；还有就是后续章节所要讲 到的利用l o n w o r k s 技术中的n e u r o n 芯片实现对c p l d 进行在系 统编程的功能。但是，由于时间的关系，本文的重点并不是对 l o n w o r k s 控制网络的研究，而在于对逻辑控制功能及其它功能实 现的研究与实现。从后续的章节中可以看到，节点逻辑控制功能的 实现是不依赖于网络的，即使网络瘫痪，其逻辑控制功能仍能正确 执行，这就大大提高了系统运行的可靠性。 2 2 2系统的控制模块 在设计中，我们直接采用了l o n w o r k s 标准的f t t 控制模块 ( m o d e l5 5 0 2 0 1 0 ) 。由于n e u r o n 芯片的i 0 口较少( 只有1 1 个) ， 而所设计系统需要处理的输入逻辑量较多，且控制的外部执行机构 也比较多。因而在一个设备中，一片n e u r o n 芯片的i 0 口是远远不 够的。所以，就必须扩展一片主控制器来处理控制系统的多路输入， 输出，而n e u r o n 芯片只作为通信处理器。 在确定了模块的主体结构之后，就需要选择具体的主处理器。 针对铁路机车用控制产品的级别要求不低于工业级，而且可靠性要 求极高。主控制芯片最终决定采用可编程逻辑器件( p l d ， p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 。 在确定具体方案之前，曾比较过采用可编程逻辑控制器( p l c ， p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 、单片机与p l d 作为主处理器的方 案，相比之下，采用p l c 或单片机作为主控制器的系统都存在这样 ! ! 塑茎望查兰堕主兰堡笙苎 或那样的不足。 第二章系统的总体方案 若采用p l c 作为主控制器，需要考虑以下几个问题： ( 1 ) 、工作电压：根据i e c 标准，一般p l c 的工作电压为d c 2 4 v 或a c 2 2 0 v ，而电力机车控制系统的电压为d c l l o v 。因此，机车 控制电压不能直接进入p l c ，必须经过一个降压环节；p l c 的输出 也不能直接驱动外部的执行电器，必须加一级功率接口以驱动执行 电器。 ( 2 ) 、抗振性：由于机车上的振动较大，一般工业级的p l c 难以 满足机车运行的要求。 ( 3 ) 、成本：由于系统的输入输出较多，虽然可以通过扩展p l c 的输入输出模块来满足系统的要求，但模块的增多，总的成本也随 即迅速上升。如果以每一路i o 的成本将p l c 的系统与采用p l d 作为主控制器的系统相比较，可发现它们之间的差距是相当大的。 采用单片机作为主控制芯片存在以下几个方面的缺点： ( 1 ) 、程序的复位：任何单片机在工作初始都必须经历一个复位 过程，否则将无法进行正常工作，而且复位必须满足一定的电平条 件和时间条件( 长达毫秒级) 。在工作电平有某种干扰性突变时，单 片机不可或缺的复位设置将成为系统不可靠工作的重要因素。而且 这种产生于复位的不完全性构成系统不可靠的工作隐患，出现方式 较为随机和动态，难于检测。 ( 2 ) 、程序的跑飞：在强干扰或某种偶然因素下，任何单片机的 程序都极可能越出正常的程序流程而跑飞已是不争的事实。而在电 力机车上，大电流易形成强电磁干扰，单片机无法保证其每时每刻 都正常工作而不进入不可挽回的“死机状态”。当然，采用w a t c h d o g 技术可以最大限度地避免程序的跑飞，使系统运行的可靠性大为提 高。 ( 3 ) 、i o 口限制：由于整个系统所要处理的信号绝大多数是逻 基于e d a 技术的机车逻辑控制系统的研究 北方交通大学硕士学位论文 第二章系统的总体方案 辑量( 开关量) ，而且如前所述，需要处理的逻辑量以及控制的外部 执行机构较多，一般单片机的i o 口是远远不能满足要求的。 而以上问题对可编程逻辑器件来说就不复存在，因为可以选择 合适( i o 口数目合适) 的p l d 来完成。而采用可编程逻辑器件后， 可靠性将大为提高。这是因为可编程逻辑器件尽管在功能开发上是 通过软件来实现的，但其物理机制却像一片普通逻辑芯片那样纯属 硬件电路，不容易受外界的干扰。 确定采用p l d 作为主控制器后，就需确定控制模块的设计方案。 本设计按功能将模块内部分为三个部分：输入及逻辑处理部分、输 出部分以及电源部分，每个节点的输入回路数为4 4 个，输出回路数 为5 0 个。具体结构如图2 2 所示。 输 入 信 号 图2 2系统节点方框图 i ! 塑窒望查兰堡主兰垡堡苎 笙三兰墨竺竺：望壁查壅 2 2 3模块控制功能划分 在熟悉了继电器控制系统的功能以及系统的整体方案后，下一 步就是模块控制功能的划分，即将继电器控制系统的各个功能分散 在节点之中。在划分模块时，我们依据逻辑功能相关性的原则进行 划分，即将某些共同完成某一功能的继电器划分在同一组中，这样 在进行逻辑设计时就尤为方便。但是，在实际进行划分时，发现一 个问题，就是某些继电器的信号在很多控制功能中都用到了，无论 怎样都不能把与它功能相关的继电器划分在一个模块中。这时，可 用两种方法来解决： ( 1 ) 、因为各个控制模块是挂在l o n w o r k s 总线上的，因此可 利用l o n w o r k s 总线节点间的通信功能，只要在一个模块中采集该 信号，就可通过控制网络将它传送到其它需要该信号的模块中。这 种方法的优点是充分利用了网络功能，减少其它模块中的输入回路 数：但是，这种方法在网络无法正常工作时就不能准确地将信号传 送到其它模块，因而这不是一种很可靠的方法。 ( 2 ) 、第二种方法是在每个需要该信号的模块中采集该信号。这 样模块的工作就不依靠网络通信，即使在控制网络无法正常工作时， 模块也能独立地完成它的控制功能。 经过考虑，决定采用第二种方法，这样虽然增加了某些模块中 的输入回路数，但却提高了系统运行的可靠性，因此这是可取的。 在进行模块划分时，主要按逻辑功能进行划分，又要充分考虑 模块的通用性，即各模块的外围电路基本一致( 甚至完全相同) ，对 各模块功能的修改只集中在对p l d 源程序的修改。这样就简化了整 个系统的设计工作，又便于系统的维护。 由前面的叙述可知，8 k 型电力机车的一台机车由完全相同的两 节构成，每节机车有两台完全相同的转向架，每台转向架有两台电 基于e d a 技术的机车逻辑控制系统的研究1 4 i ! 塑奎望奎兰堡主兰堡堡壅 笙三兰墨竺塑望竺查塞 机串联而成。在划分模块时，我们就按照一、二号转向架以及其它 主要控制功能( 升弓与重联控制、牵引制动转换控制) 来进行划分， 各自的功能由不同的节点来进行控制。 在确定了以上原则后，通过对8 k 机车继电器控制系统功能的 仔细分析，确定将整个系统的控制功能分散在四个控制模块中。系 统中的四个模块各自主要完成的功能如下： ( 1 ) 、模块1 主要完成一号转向架的控制，我们称之为“一号转 向架控制模块”； ( 2 ) 、模块2 主要完成二号转向架的控制，我们称之为“二号转 向架控制模块”； ( 3 ) 、模块3 主要完成升弓、重联等控制功能，我们称之为“升 弓重联控制模块”； ( 4 ) 、模块4 主要完成牵引制动等控制功能，我们称之为“牵引 ，制动转换控制模块”。 当然，各个模块除其主要功能外，还有一些附加控制功能，这 些功能相对比较独立，控制功能比较简单，所涉及的输入输出回路 数相对较少。因而，在平衡各模块的输入输出回路数时可以比较自 由地选择。则整个系统大致的结构如图2 3 所示。 控制网络 模块1模块2 模块3模块4 图2 3机车逻辑控制系统框图 基于e d a 技术的机车逻辑控制系统的研究 j ! 查銮堡盔堂堕主兰竺丝兰苎三皇型型塾生! ! 互墨 在确定了系统的整体方案后，下一步的工作就是深入到系统设 计中的各个环节中，也就是怎样去实现系统的控制功能。当然，系 统功能的实现是离不开硬件及其相关软件的支持的。因此，在后面 的章节中，我们将详细讲述系统的软件及硬件的设计。 基于e d a 技术的机车逻辑控制系统的研究 北方交通大学硕士学位论文 第三章系统功能的软件设计 第三章系统功能的软件设计 3 1系统控制流程 可编程逻辑器件的固化程序采用v h d l 语言编制，在软件设计过 程中采取了模块化的设计方法，即将系统功能分为不同的功能子模块， 先进行底层设计，然后进行顶层设计。虽然每片p l d 所完成的具体控 制功能各不相同，但在软件的流程上它们是一致的。每个模块中的p l d 所实现功能的软件流程图主要由系统工作框图、输入模块、输出模块、 功能模块、延时模块以及故障信息传输模块组成。 在各个模块中，每个p l d 的工作流程( 或称为顶层设计的流程) 如图3 1 所示，它主要完成系统初始化以及各功能子模块调用的功能。 国3 1 p l d 的工作流程图 在输入模块的设计中，我们为每一个输入信号设置一个输入状态 寄存器，用于存储各输入信号状态：并设置一个输入缓冲区。熬个输 入模块的功能就是读取输入信号状态，并将其置入输入缓冲区，其工 基于e d a 技术的机车逻辑控制系统的研究= 苻： 韭塑銮望盔兰堕主堂些堡壅 苎三皇墅壅望堡堕竺堡! 翌 作流程如图3 2 所示。 图3 2输入模块流程图 图3 3输出模块流程图 同样，在输出模块的设计中， 为每一路输出也设置一个状态寄存 器，并设置一个输出缓冲区。输出 子模块的主要功能就是从输出缓冲 区中读取输出状态并将其输出，其 流程如图3 3 所示。 功能模块主要是用来完成逻 辑功能的实现。首先从输入缓冲区 中读出各输入状态，如果有延时关 系，还得从延时模块中读取相应的 参数；然后判断逻辑关系的成立与 否；如逻辑关系成立则将相应的输 出状态寄存器重“l ”，否则置“0 ”。 其工作流程如图3 4 所示。 延时模块是用来实现相应时 间继电器功能的，其工作流程如图 图3 4功能模块流程图 基于e d a 技术的机车逻辑控制系统的研究- 1 8 - i ! 塑銮望查兰婴主兰堡堡苎 笙三童至竺垄壁堕鏊笪堡笪 3 5 所示。当有延时信号到来时，启动延时模块，首先初始化各寄存 器并设置延时值，然后开始计时。如果延时信号在延时时间到后还存 在，则设置延时缓冲区参数；否则结束延时过程。 故障信息传输模块是当有故障发生时，由它实现p l d 向n e u r o n 芯片传递故障信息之用。其工作流程如图3 6 所示。当有故障发生时， 首先取得对应的故障编码( 故障编码是预先设定好的，对每个故障 设置一个编码值) ，然后将该编码值置入故障信息缓冲区；再从故障信 息缓冲区中读出各故障编码并传给n e u r o n 芯片，直到缓冲区为空。 图3 5 延时模块流程图图3 6 故障信息传输模块流程图 基于e d a 技术的机车逻辑控制系统的研究 ! ! 查奎望奎兰堡主堂垡笙皇 塑三兰墨堑些堕盟燮羔 3 2控制模块的设计】【1 2 】【1 3 】 在所设计的系统中，整个8 k 机车继电器控制系统的功能是由4 个模块共同来完成的，在这一节中我们将详细介绍各模块的所完成的 控制功能，并对其中一些典型控制功能的实现加以具体的描述。 3 2 1一号转向架控制模块 如前所述，一号转向架控制模块主要完成一号转向架的控制功能， 这些功能有：一号转向架的a f p 故障保护、a f p 过流保护、变压器次 边过流保护、直流侧故障保护、1 2 号电机超速保护、l ，2 号电机故障 保护、辅助电源切除、1 2 号电机切除、辅助电源故障保护、1 2 号逆 变器故障保护、1 2 号中央柜风机过载保护、l 2 号牵引风机过载保护、 主回路接地故障保护、一号转向架电机的励磁控制。 除此之外，第一模块的其它控制功能有：故障恢复、辅助回路接 地故障保护、一次减压延时控制，以及一些故障信号的显示功能等。 在继电器控制系统中，大多数的电路是一些中间继电器触点( 常 开或常闭) 的串联或并联的形式，因而在用语言来实现时就比较容易， 如图3 7 所示的电路( 我们以梯形图的形式表示) ： 0 3 图3 7简单继电器电路图 在图3 7 中，“1 13 ”代表实际电路中的导线号，q 1 、q 2 、q 3 分 别代表各继电器所对应的触点，其中q 1 所对应的为常闭触点，q 2 、 q 3 为常开触点，q 4 代表继电器的线圈，“b ”表示机车控制电源一一 鉴于e d a 技术的机车逻辑控制系统的研究 ! ! 查奎望查兰堡主兰垡堡苎 苎三主墨! 塑堕塑鏊笪：望生 蓄电池d c l l o v 的负线( 下同) 。 在进行功能描述的过程中，我们设定线圈( 或导线) 得电表示“1 ”， 失电表示0 。则要判断继电器q 4 的线圈得电与否，必须同时判断 导线1 13 、继电器q 1 、继电器q 2 、继电器q 3 的状态，则用v h d l 语言表示如下： q 4 = 1 1 1 3a n d ( ( ( n o tq 1 ) a n dq 2 ) o rq 3 ) 上式中，“1 1 1 3 ”表示导线3 的输入信号。在以上的讨论中，都 是以继电器q 4 在继电器柜内部，也即是我们所要取代的部分。若q 4 不是继电器柜内部的，而是外部的接触器，那么只需判断q 1 、0 2 、 q 3 的状态，接通或断开导线1 13 与1 15 ，而不必去判断导线1 l3 的状 态。用v h d l 表示如下( 设对应的输出为o u t l ) ： o u t l = ( ( n o tq 1 ) a n dq 2 ) o rq 3 在8 k 机车的继电器控制系统 中。除了中间继电器外，还有一些 时间继电器，而时间继电器又分为 两类：“缓吸”型和“缓放”型。“缓 吸”型时间继电器即是线圈得电延 时：线圈得电开始计时，延时时间 到后其触点动作，线圈失电其触点 立即恢复原来状态：“缓放”型 时间继电器即是线圈失电延时：线 圈得电其触点立即动作，线圈失电 后开始延时，延时时间到后其触点 2 0 9 j 翔 厶厶 州 lm 史土 o 5 s ! 二f _ j 图3 8 一次减压延时控制电路图 基于e d a 技术的机车逻辑控制秉缝的研究 ! ! 查奎望查兰堡主兰垡堡奎 蔓三兰 墨竺堕堕些竺生壁! 恢复原来状态。下面我们以一次减压延时控制来说明时间继电器在系 统中的实现。 在次减压延时控制的电路中，用到了两个时间继电器( q t l ( p ) c g 与q t 2 ( a p ) c g ) ，在此我们暂以q t l 和q t 2 来表示，图3 8 为 其电路图。其中q t l 为“缓放”型时间继电器( 箭头向下) ，延时0 5 秒；q t 2 为“缓吸”型时间继电器( 箭头向上) ，延时2 秒。 要用v h d l 正确描述该控制功能，必须仔细分析各种条件下两 个继电器的动作情况：当导线2 0 9 未得电时，继电器q t l 、q t 2 的线 圈均不得电。当导线2 0 9 得电时，由于q t 2 的常闭触点闭合，则继电 器q t l 的线圈得电，其触点动作( 常开的闭合，常闭的断开) ；q t 2 延时2 s 后其触点动作( 常开的闭合，常闭的断开) ；由于q t 2 常闭联 锁断开，使q t l 的线圈失电，延时0 5 s 后q t l 的触点恢复到失电状 态( 常开断开，常闭闭合) 。若导线2 0 9 得电的时间不到2 s ，q t 2 的 触点直不动作，则q t i 的线圈得电的时间等于导线2 0 9 得电的时间。 在熟悉控制过程后，可用v h d l 语言表示如下： p o r t ( 1 2 0 9 ，c l k ：i ns t d l o g i c ； q t l ，q t 2 ：o u ts t d l o g i c ) ； s i g n a lq t 2 t e m p ：s t d l o g i c ： p1 ：p r o c e s s ( 1 2 0 9 ，c l k ) v a r i a b l es u m 2： i n t e g e r ； b e g i n i f l 2 0 9 = 0 t h e n q t 2 = o ： q t 2 t e m p - - - - 0 ； s u m 2 ：= o ： 基于e d a 技术的机车逻辑控制系统的研究 j ! 立銮望盔堂堡主堂堡堡塞 蔓三童墨堑生丝塑竺堡壁盐 e l s i f1 2 0 9 = 。1 t h e n i fc l k = 1 a n dc l k e v e n tt h e n i fs u m 2 = 2 0t h e n s u m 2 ：= s u m + 1 ： q t 2 = o ： q t 2 t e m p 2 o ： e l s e q t 2 = 1 ； q t 2 t e m p = 1 ； e n d i f ； e n d i f ； e n di c e n dp r o c e s sp l ； p 2 ：p r o c e s s ( 1 2 0 9 ，q t 2 t e m p ，c l k ) v a r i a b l es u m l： i n t e g e r ； b e g i n i f1 2 0 9 = 1 。a n dq t 2 t e m p = 0 t h e n q t l = 1 ： s u m i ：= o ： e l s i f l 2 0 92 1 a n dq t 2 t e m p = 1 。t h e n j fc l k = 。1 a n dc l k e v e n tt h e n i fs u m l = 5t h e n s u m l ：= s u m l + 1 ： q t l = 1 ： e l s e q t l = 0 ： e n di ! ! 查窒望查兰堡圭堂垡堡苎兰笙蛰生重塑丝型型型型：i 堕 e n di f ； e i s e i fc l k = 1 a n dc l k e v e n tt h e n i fs u m l = 5t h e n s u m l ：= s u m + 1 ： q t l 2 l ： e l s e q t l 2 0 ： e n di f ： e n di f ； e n d i f ； e n dp r o c e s sp 2 ； 经过仿真，可以得到如图3 9 所示的波形图，从图中可以观察到 其结果是正确的。这里需要指出的一点是在实际的电路中，计时脉冲 c l k 是由5 5 5 产生的，至于5 5 5 的设计将在下一章中讲到。 图3 ，9一次减压延时控制电路的仿真波形 3 2 2二号转向架控制模块 二号转向架控制模块完成的功能与第一模块基本相同，即主要完 成二号转向架的控制功能：二号转向架的a f p 故障保护、a f p 过流保 基于e d a 技术的机车逻辑控翻系统的研究 - 2 4 - ! ! 立銮望奎兰堡圭兰丝堡苎笙兰兰丕堕塑熙塑鉴壁堡! 护、变压器次边过流保护、直流侧故障保护、3 4 号电机超速保护、 3 4 号电机故障保护、辅助电源切除、3 4 号电机切除、辅助电源故障 保护、3 4 号逆变器故障保护、3 4 号中央柜风机过载保护、3 4 号牵 引风机过载保护、主回路接地故障保护、二号转向架电机的励磁控制。 其它的控制功能有：主短路器断开显示、司机台开关盒钥匙b l 联锁的控制、压缩机控制、欠压保护等。 在机车继电器柜中，有用于牵引电机励磁控制的继电器q c e x l 和 q c e x 2 ，它们分别控制一号或二号转向架，其电路形式完全一样。下 面就以q c e x 2 来讲一讲它们的实现。图3 1 0 为其控制电路图。 图3 i o 励磁控制电路图 在其控制电路中，引入了欠压保护、二号转向架主接地故障保护、 全，半控桥过载保护等环节，又由于引入了自身的常开联锁，所以具有 自锁功能。可用v h d l 语言表示如下： t e m p 1 2 q q 3 0a n dq 2 c o d ja n d ( n o tq q 0 ) a n d ( n o tq q l r m 21 ) a n d ( n o tq q l r m 2 2 ) p l ：p r o c e s s ( 1 2 1 0 p ，t e m p l ，q q t 4 3 ) b e g i n i f1 2 1 0 p = 0 t h e n q c e x 2 = 0 ； e l s i ft e m p l 。0 t h e n q c e x 2 = 0 ； e l s i ft e m p