铁路机车逻辑控制装置.pdf

本发明涉及一种铁路机车逻辑控制装置，由主控板、输入板、输出板及电源板构成，其特点是：主控板、输入板、输出板之间采用CAN(控制局域网)总线进行双向通讯，输出板与被控机车电器之间采用MOS管进行驱动。本发明采用了嵌入式单片机系统及CAN(控制局域网)总线技术，整个组合逻辑固化软件采用PLC式的逻辑梯形图结构，易读、易懂。采用逻辑控制单元后，可简化机车控制电路的设计、生产和调试。电器控制线路的简化会提高控制系统的可靠性，同时微机和电子控制系统的抗振动性能明显优于传统的继电器有触点控制系统。

1、  一种铁路机车逻辑控制装置，由主控板、输入板、输出板及电源板构成，其特征在于：主控板、输入板、输出板之间采用CAN总线进行双向通讯。

2、  如权利要求1所述的铁路机车逻辑控制装置，其特征在于：主控板由控制CPU1、通讯CPU2及公共RAM构成，其中公共RAM分别与控制CPU1和通讯CPU2连接，通讯CPU2通过CAN总线与输入板和输出板连接。

3、  如权利要求1所述的铁路机车逻辑控制装置，其特征在于：输入板由CPU3、检测电路和通讯电路构成，其中检测电路输入端接收机车各个电器的使用状况信号，其输出端与CPU3的数据线相连接，CPU3通过通讯电路与主控板中通讯CPU2相连接。

4、  如权利要求1所述的铁路机车逻辑控制装置，其特征在于：输出板由CPU4、驱动电路和通讯电路构成，其中驱动电路输入端与CPU4的控制线相连接，其输出端用于连接机车各个电器执行机构，CPU4通过通讯电路与主控板中通讯CPU2相连接。

5、  如权利要求1所述的铁路机车逻辑控制装置，其特征在于：输入板和输出板至少有两套，每个输入板或输出板之间电路是相互隔离的。

6、  如权利要求1所述的铁路机车逻辑控制装置，其特征在于：由主控板、输入板和输出板组成的控制部分有A、B两组，一组作为另一组的备份，A、B两组之间通过一个转换板相连接。

7、  如权利要求4所述的铁路机车逻辑控制装置，其特征在于：输出板驱动电路主要由反相器、光耦器件和MOS管构成，其中反相器的输入端与输出板中CPU4的控制线输出端连接，其输出端与光耦器件的输入端相连接，光耦器件的输出通过MOS管的外围电路控制MOS管(T1)的导通，MOS管的输出用于控制被控机车电器执行机构的通断。

8、  如权利要求1所述的铁路机车逻辑控制装置，其特征在于：主控板中通讯CPU2还通过CAN总线与外围设备进行通讯。

铁路机车逻辑控制装置
本发明属于一种铁路机车控制装置，具体地讲是一种铁路机车逻辑控制装置。
                       背景技术
长期以来机车电气控制线路一直采用传统的继电器有触点控制线路。机车逻辑关系的实现是通过开关，接触器的辅助触点，中间继电器、时间继电器、压力继电器等的触点经串并联等方式来完成的。这种电路在振动大尘土比较多的工作环境下，可靠性比较差。特别是在机车速度提高到120KM/h以上时，由于机车振动加剧，继电器有触点控制系统误动作明显增加。线路接点多，线路故障率高，查找和处理线路故障困难的弊端越来越突出。
如果用可编程逻辑控制器(PLC)取代传统的继电器有触点控制电路，但由于机车的继电器有触点控制电路具有许多特殊性：控制电压为直流110V，继电器的负载电流最大可达近5A，工作环境恶劣等等，根据IEC标准，一般PLC工作电压为DC24V或AC220V，直流输出点的负载能力较低，国内外机车微机控制系统大都采用驱动直流24V的微型机械式继电器，再用微型机械式继电器驱动110V中间继电器的多级驱动方式，没有从根本上解决线路繁琐等问题，所以一般工业用PLC无法直接在机车上应用。
                       发明内容
本发明的目的是提供一种取代机车上原有的时间继电器、中间继电器等低压电器及各个继电器之间的复杂的连锁迂回电路，并预留与机车微机网络的通讯接口的用于电力机车整车逻辑控制的铁路机车逻辑控制装置，以克服上述的不足。
为了实现上述目的，本发明由主控板、输入板、输出板及电源板构成，其特点是：主控板、输入板、输出板之间采用CAN(控制局域网)总线进行双向通讯；
上述主控板由控制CPU1(中央控制单元)、通讯CPU2及公共RAM(存储器)构成，其中公共RAM分别与控制CPU1和通讯CPU2连接，通讯CPU2通过CAN总线与输入板和输出板连接；
上述输入板由CPU3、检测电路和通讯电路构成，其中检测电路输入端接收机车各个电器的使用状况信号，其输出端与CPU3的数据线相连接，CPU3通过通讯电路与主控板中通讯CPU2相连接；
上述输出板由CPU4、驱动电路和通讯电路构成，其中驱动电路输入端与CPU4的控制线相连接，其输出端用于连接机车各个电器执行机构，CPU4通过通讯电路与主控板中通讯CPU2相连接；
上述输入板和输出板至少有两套，每个输入板或输出板之间电路是相互隔离的；
上述由主控板、输入板和输出板组成的控制部分有A、B两组，一组作为另一组的备份，A、B两组之间通过一个转换开关切换；
上述主控板中通讯CPU2还通过CAN总线与外围设备(如显示装置、操作台等)进行通讯。
本发明的逻辑控制装置是专为国产电力、内燃机车设计开发的、新一代智能型逻辑控制装置。机车逻辑控制装置采用了嵌入式单片机系统及CAN(控制局域网)总线技术，整个组合逻辑固化软件采用PLC式的逻辑梯形图结构，易读、易懂。采用逻辑控制单元(Logical Control Unit-简称LCU)后，可简化机车控制电路的设计、生产和调试。电器控制线路的简化会提高控制系统的可靠性，同时微机和电子控制系统的抗振动性能明显优于传统的继电器有触点控制系统。
铁路机车采用逻辑控制单元(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传统的继电器有触点控制电路，用微机发出的指令直接驱动接触器等负载，避免目前的多级驱动方式。这样，可大大简化机车的有触点控制电路，减少外部连线，提高系统的可靠性；也可以大大简化机车控制系统的设计，提高控制系统设计制造的灵活性，缩短机车电器系统设计、调试的时间，实现控制系统的通用性。同时LCU还可以通过现场总线与车载微机控制系统通讯，实现资源共享，可以较为容易的实现复杂的开关量与模拟量混合逻辑控制关系，无须另外增加硬件电路，充分的发挥了LCU及微机的优势，也可以在机车微机显示屏上进行故障显示和中文菜单提示，方便司机操作，利于故障查除，从而使机车控制真正进入一个比较高的水平。
                       附图说明
图1为本发明结构框图。
图2为本发明主控板原理框图。
图3为本发明输入板原理框图。
图4为本发明输出板原理框图。
图5为本发明电源板原理框图。
图6为本发明转换板原理框图。
图7为本发明驱动电路电路原理图。
图8为本发明驱动电路正负端控制接线图。
                     具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述，但该实施例不应理解为对本发明的限制。
本发明的硬件结构(图1)主要包括机箱电源、输入板、输出板、主控板等。
本发明主控板(图2)(图2)采用双CPU结构，一个CPU2专门负责包括与输入输出板通讯及与外围设备通讯(以下简称通讯CPU2)，另一个CPU1专门负责逻辑运算、输出状态确定(以下简称控制CPU1)，两个CPU之间通过一个双口RAM进行交换数据。通讯CPU2将从输入板接收到的输入点状态及外围设备的信息放入双口RAM，控制CPU1从双口RAM中读出相关信息后确定输出状态，同时将确定后的输出状态也放入双口RAM中，通讯CPU2再从双口RAM中将输出状态读出并送输出板输出。
本发明输入板(图3)主要完成输入点状态的检测，将司机操作指令信号、机车电器的开关量信息直流110V转换为数字信号，再通过现场总线与主控板交换信息等功能。输入板由CPU、，输入检测部分、输入状态指示灯及通讯部分组成。从司机控制器、机车电器的辅助触头来的直流110V输入信号经检测部分的电阻网络降压、稳压管限幅、电容滤波、光电隔离后输入给CPU3，同时驱动输入状态指示灯。CPU3将检测到的信息通过通讯电路传送出，供主控板使用。
本发明输出板(图4)主要是执行驱动状态以及通过现场总线与主控板交换信息等功能。输出板由CPU4、输出驱动电路、输出状态指示灯、输出故障指示灯及通讯电路组成。输出板通过通讯电路接收主控板通讯CPU2传来的确定后的输出状态来驱动输出状态指示灯及输出驱动电路。当外部回路出现故障现象造成电流过大则输出驱动电路自动将输出回路断开同时输出故障指示灯亮，以提示该回路有故障。输出驱动电路将CPU4的驱动命令通过隔离放大后驱动MOSFET来接通或断开负载。
输出驱动电路原理见图7，输出驱动电路主要由反相器、光耦器件和MOS管构成，其中反相器的输入端与输出板中CPU4的控制线输出端连接，其输出端与光耦器件的输入端相连接，光耦器件的输出通过MOS管的外围电路控制MOS管的导通，MOS管的输出用于控制机车电器执行机构的通断。CPU4过来的驱动信号经过反相器反相之后驱动光耦，经过光电隔离后让独立的电源驱动LED1_GRN指示灯。输出驱动电路既可以正端控制也可以负端控制(图8)，在正端控制时，INPUT引脚一直接电源正端，只要CPU4有驱动信号，OUTPUT引脚就有输出。在负端控制时，INPUT引脚接负载的输出线，OUTPUT引脚接电源地。为了保护MOS管，漏极设置了保护电路。
本发明逻辑控制单元包含功能相同的A、B两组，并能通过转换板实现自动切换及手动切换。采用标准6U机箱硬件结构，可与外围设备进行CAN总线通讯。接插件为3个AMP62芯针插座，其中输入2个，输出1个。每路输入输出都有状态指示灯，同时输出通道设有短路保护功能及短路保护状态指示灯。
本发明转换板(图6)是实现A、B组地切换功能的硬件电路，它使LCU实现了手动切换(冷备份)和自动切换(热备份)的冗余设计。转换板由两个切换继电器组成，当A或B组工作时，一个切换继电器不得电，其常闭反联锁接通该组的输出驱动电源，而另一个继电器得电断开，其常闭反联锁断开，从而断开另外一组的输出驱动电源。LCU控制转换开关在A组或B组的时候线路直接控制切换继电器，实现的时手动切换功能；在自动位时，两个切换继电器受LCU控制，从而实现自动切换功能。
本发明电源板(图5)向整个装置提供5V的工作电源，自带过流、过压、过热等保护功能，具有高可靠性和完善的保护功能。电源板有两个独立的DC110V/DC5V电源，每个电源都有电源指示灯，当电源有输出的时候其5V指示灯亮。
本发明整个系统的工作依靠主控板来完成，若LCU控制转换开关在自动位时，A组的主控板处于工作状态，自动从A\B组的输入板中选取正确的开关量输入状态来确定输出状态，若输出状态与确定的状态不一致则自动进行输出板的切换以确保输出状态的正确性。若LCU控制转换开关在A组或B组时，选择的时该组的主控板与输出板，其输入部分仍实现的是自动识别正确的开关量输入信号。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。