LCU逻辑控制装置资料.pdf
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1、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
2、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TYLCU 0073、0077、0078、01020111 北京段SS9LCU 00740076 北京段TYLCU 00790081 北京西SS9LCU 00920101 广州段SS9LCU 0120012
3、4 北京段TYLCU 01250129、01360140 武南段TYLCU 01300135、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
4、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
5、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
6、 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
7、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。 、 SS9LCU 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 、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,SS9
8、LCU 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
9、、 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。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 A 输 出 板 1 B 输 出 板 1 A 输 出 板 2 B 输 出 板 2 A 输 出 板 3 B 输 出 板 3 A 主 机 板 B 主 机 板 A 输 入 板 1 B 输 入 板 1 A 输 入 板 2 B 输 入 板 2 A 输 入 板 3 B 输 入 板 3 空
10、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。 2DBZ18 2DBZ32 DC DC DC DC +5V +15V -15V +24V -24V 0V RED OFF ON ON OFF 1 1DBZ30 SENSE+5V 1DBZ20 1DBZ22 1DBZ24 1DBZ14 1DBZ16 1DBZ32 1DBZ18 1DBZ28 2DBZ6 2DBZ4 2DBZ2 1DB6 1
11、DBZ8 1B10 1DB12 1DBZ4 SENSE-5V 0V2 2B20 2D20 2Z20 2Z24 2B24 2D24 2DBZ26 2B28 1B2 1Z2 GREEN 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
12、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ATMEL89C55WDPI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 WATCHDOG DS1232 8031 8031 WATCHDOG DOS1232 逻辑 控制 GAL20V 8 锁存器 74HC573 缓冲器 74HC245 扩展I/O 74HC244 扩展I/O 74HC244 缓冲器 74HC245 锁存器 7
13、4HC573 存 储 器 28C17 存 储 器 62256 存 储 器 28C17 存 储 器 62256 8155 接口 MAX1480 译码器 74HC 154 译码器 74HC 154 HP1.7 HINT1 HINT0 PA PB PC AD TMROUT D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 1D4 1B4 1Z4 1D6 1B6 1Z6 1B8 1D8 A0 A2 A1 1ZB 1D10 1B10 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 IN8 IN9 1Z10 1D12 1B12 1Z12 1D14 1B14 1Z14 1D16 1B16 1Z
14、16 OUT0 OUT1 OUT2 OUT3 OUT4 OUT5 OUT6 OUT7 OUT8 OUT9 PC5 CLK B A ISO GND1B28 1D28 1Z26 1B26 1D30 1D26 1Z22 1B22 1D22 1Z20 1B20 1D20 1Z18 1B18 1D18 P1串口 P2 口 P0 口 T1 RESET 4B 5B 7B 4A 5A 7A RESETT1 P2 口 P0 口 串口P1 3A 2A 2B 3B ERR2 RUN2 RUN1 ERR1 电源 环保 1DBZ24 1D2 1DBZ32 1A +5V P1.4 0V 1B LP1.7 LINT1 LI
15、NT0 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
16、 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。 R1 R2 C1 V1 输入正 110V地 图五光电隔离的数字输入电路 1B4 1D6 1D8 1D10 1B10 1Z10 1DBZ24 2DBZ30 D D D D D D 锁 存 器 锁 存 器 锁 存 器 锁
17、 存 器 锁 存 器 锁 存 器 译 码 器 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 1D4 1Z4 1B6 1Z6 1B8 A0 A1 A2 1Z8 +5V 1B2 1Z2 0V 1DBZ32 2DBZ32 EARTH 2D2 2B2 2Z2 2D4 2B4 2Z4 2D6 2B6 2Z6 2D8 2B8 2Z8 2D10 2B10 1A 1B 2A 2B 3A 3B 4A 4B 5A 5B 6A 6B 7A 7B 2Z10 2D12 2B12 2Z12 2D14 2B14 2Z14 2D16 2B16 2Z16 2D18 2B18 2Z18 2D20 8A 8B 9A 9B 10A
18、 10B 11A 11B 12A 12B 13A 13B 14A 14B 2B20 2Z20 2D22 2B22 2Z22 2D24 2B24 2Z24 2D26 2B26 2Z26 2D28 2B28 2Z28 15A 15B 16A 16B 26A 26B 27A 27B 28A 28B 29A 29B 30A 30B 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 SS9LC
19、U 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。 +24V 1A 1 1B 1 1 74HC573 110V CLK 14A 2Z22 2Z2 2B4 2Z20 2D2 2B2 LE1 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S
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