SS9型電力機(jī)車邏輯控制單元使用說(shuō)明書

1、SS9電力機(jī)車邏輯控制單元(LCU)使 用 說(shuō) 明 書長(zhǎng)沙杰瑞電氣有限公司二零零一年九月1、電力機(jī)車邏輯控制單元概述 1.1 電力機(jī)車邏輯控制單元概述 電力機(jī)車邏輯控制單元（Logical Control UnitLCU）相當(dāng)于通常的可編程控制器（PLC）。它在電力機(jī)車上的作用主要就是取代傳統(tǒng)的繼電器有觸點(diǎn)控制電路。電力機(jī)車的繼電器有觸點(diǎn)控制系統(tǒng)具有許多特殊性：控制電壓為直流110V，繼電器的負(fù)載電流最大可達(dá)近5A，工作環(huán)境條件惡劣，一般的PLC無(wú)法直接在電力機(jī)車上應(yīng)用。國(guó)外電力機(jī)車的微計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)已經(jīng)很普遍，但即使最新型微機(jī)控制的電力機(jī)車，仍然保留了一定數(shù)量的繼電器控制電路。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，電

2、力機(jī)車的微機(jī)控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的繼電器布線邏輯控制電路不可避免地要發(fā)生信息的交換。眾所周知，微機(jī)控制系統(tǒng)的工作電壓僅幾伏，且負(fù)載能力很?。欢娏C(jī)車的控制電源則是110V直流電壓，控制對(duì)象的負(fù)載電流可達(dá)數(shù)安培。兩者之間還涉及許多其他因素。所以，國(guó)內(nèi)外電力機(jī)車微機(jī)控制系統(tǒng)大都采用了微機(jī)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)直流24V的微型機(jī)械式繼電器，再用微型機(jī)械式繼電器驅(qū)動(dòng)110伏中間繼電器的多級(jí)驅(qū)動(dòng)方式。如從日本引進(jìn)的6K型電力機(jī)車、國(guó)外如ABB公司的機(jī)車微機(jī)控制系統(tǒng)（MICAS-S、MICAS-2S）和國(guó)產(chǎn)韶山系列機(jī)車中的微機(jī)控制機(jī)車即是采用的這種方式。采用電力機(jī)車邏輯控制單元就是用現(xiàn)代電力電子和微電子技術(shù)構(gòu)成的邏輯控

3、制單元取代傳統(tǒng)的繼電器布線邏輯控制電路，用微機(jī)發(fā)出的指令直接控制接觸器等外部負(fù)載，避免目前的多級(jí)驅(qū)動(dòng)。這樣，可以大大簡(jiǎn)化電力機(jī)車的有觸點(diǎn)控制電路，減少外部連線，提高系統(tǒng)的可靠性；也可以大大簡(jiǎn)化電力機(jī)車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提高控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造的靈活性，縮短電力機(jī)車電器系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)試的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的通用性。 1.2 電力機(jī)車邏輯控制單元與PLC比較 邏輯控制單元與PLC的作用相同，但一般工業(yè)用PLC直接用于電力機(jī)車主要存在以下幾個(gè)問(wèn)題： 機(jī)車電子裝置必須符合TB/T 1394 機(jī)車動(dòng)車電子裝置的要求。而市場(chǎng)上一般的PLC很難滿足這一標(biāo)準(zhǔn)的要求。簡(jiǎn)單地說(shuō)，一般PLC無(wú)法適應(yīng)機(jī)車的工作環(huán)境。也無(wú)法滿足

4、機(jī)車控制系統(tǒng)的技術(shù)要求。 根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，一般PLC工作電壓為DC 24V或AC 220V，直流輸出點(diǎn)的負(fù)載能力較低。而電力機(jī)車控制電壓為DC 110V。并且負(fù)載電流比較大，市場(chǎng)上沒(méi)有這種產(chǎn)品。 電力機(jī)車邏輯控制單元，符合TB/T 1394 機(jī)車動(dòng)車電子裝置的要求。結(jié)構(gòu)組成符合高速列車硬件規(guī)范。其內(nèi)部核心是單片機(jī)。主要由主機(jī)板、電源、輸入板、輸出板等所組成。 1.3 電力機(jī)車邏輯控制單元的輸入電路 電力機(jī)車邏輯控制單元的輸入信號(hào)主要有三類： 電力機(jī)車微機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)的信號(hào)。這些信號(hào)可以直接輸入LCU； 從司機(jī)控制器、按鍵開(kāi)關(guān)組等來(lái)的110V指令信號(hào)； 從主斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、兩位置轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和接觸器

5、等的輔助觸點(diǎn)或者其它用LCU無(wú)法取代的特殊繼電器來(lái)的110V信號(hào)。 很顯然，后面兩種110V的信號(hào)是不能直接輸入到LCU里面去的，必須經(jīng)過(guò)輸入電路進(jìn)行降壓、隔離。所謂電力機(jī)車邏輯控制單元的輸入電路，是對(duì)110V信號(hào)電壓電路而言的。 電力機(jī)車邏輯控制單元的輸入單元電路將外部進(jìn)來(lái)的110V信號(hào)電壓經(jīng)電阻網(wǎng)絡(luò)降壓、用穩(wěn)壓管限幅，電容濾波，再經(jīng)光耦隔離后輸入LCU主機(jī)。這種電路有著應(yīng)用成熟的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)表明其可靠性很高，抗干擾能力強(qiáng)，能適應(yīng)電力機(jī)車的工作環(huán)境。 1.4 電力機(jī)車邏輯控制單元的負(fù)載特點(diǎn) 國(guó)產(chǎn)電力機(jī)車上的輔助電機(jī)都是采用三相交流異步電動(dòng)機(jī)，而這些三相交流異步電動(dòng)機(jī)是通過(guò)三相交流接觸器進(jìn)行控制

6、的。由于三相交流接觸器型號(hào)的不同，其控制電流變化很大。電空閥與電空接觸器的線圈控制電流雖然只有0.12A，但由于線圈有13000匝，所以在線圈開(kāi)斷時(shí)感應(yīng)出的干擾電壓可高達(dá)1.3KV，對(duì)機(jī)車微機(jī)控制系統(tǒng)和電子線路形成極大的危害。所以，邏輯控制單元的負(fù)載，要求LCU不僅能夠適應(yīng)機(jī)車惡劣的工作環(huán)境，并且應(yīng)該具有抗干擾性能好等特點(diǎn)。1. 5電力機(jī)車邏輯控制單元的輸出電路 LCU內(nèi)部工作電壓為幾伏水平，負(fù)載能力較小，為了使其具有足夠的驅(qū)動(dòng)能力，LCU輸出單元電路采用MOSFET作功率開(kāi)關(guān)元件，負(fù)載能力大，開(kāi)關(guān)速度高。用高頻調(diào)制信號(hào)通過(guò)脈沖變壓器耦合去控制MOSFET的通斷。并且當(dāng)110V直流電源電壓大范

7、圍變化時(shí)，邏輯功能保持正常。 電力機(jī)車邏輯控制單元的輸入輸出電路是LCU與電力機(jī)車控制系統(tǒng)的接口電路，其性能直接影響機(jī)車的行車安全。實(shí)驗(yàn)表明，上述的輸入輸出電路能滿足機(jī)車控制的要求。2、邏輯控制單元的硬件系統(tǒng) 2.1 硬件設(shè)計(jì) 根據(jù)系統(tǒng)所需完成的功能及電力機(jī)車特殊的工作環(huán)境，LCU 在硬件結(jié)構(gòu)上采用模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)不同型號(hào)的機(jī)車的需要擴(kuò)展輸入輸出點(diǎn)，利用軟件進(jìn)行不同的邏輯組合來(lái)滿足要求，軟件編寫時(shí)采用軟件容錯(cuò)和冗余設(shè)計(jì)。 每套LCU包含功能相同的A、B兩組，并能進(jìn)行手動(dòng)轉(zhuǎn)換。2.2 系統(tǒng)框圖、機(jī)箱及接插件 LCU 的硬件結(jié)構(gòu)主要包括機(jī)箱、電源、主機(jī)板、輸入板、輸出板等。由于標(biāo)準(zhǔn)6U機(jī)箱本身并

8、不具備防塵功能，所以在機(jī)箱外面，還有外部機(jī)箱，用于防塵、安裝外接插頭和安裝冷卻風(fēng)扇、風(fēng)道。接插件為鐵路專用56針插座,共四個(gè),其中輸入兩個(gè)、輸出兩個(gè)。長(zhǎng)度為84R的標(biāo)準(zhǔn)6U機(jī)箱共有21個(gè)板位。標(biāo)準(zhǔn)6U機(jī)箱內(nèi)的插件布置如下圖所示。下面簡(jiǎn)要介紹各個(gè)插件。 LCU-插件箱布置圖84R/6U機(jī)箱:123456789101112131415161718192021A輸出板1B輸出板1A輸出板2B輸出板2A輸出板3B輸出板3A主機(jī)板B主機(jī)板A輸入板1B輸入板1A輸入板2B輸入板2A輸入板3B輸入板3空電源板1電源板21 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61

9、65 69 73 77 2.3 主機(jī)板 主機(jī)板主要完成輸入點(diǎn)狀態(tài)的采集、邏輯運(yùn)算、輸出點(diǎn)狀態(tài)確定，以及與串行通訊板的數(shù)據(jù)交換等。 主機(jī)板采用了雙機(jī)冗余設(shè)計(jì)，一臺(tái)單片微機(jī)處于在線工作狀態(tài)，而另一臺(tái)處于熱等待。當(dāng)處于在線工作狀態(tài)的單片微機(jī)發(fā)生故障時(shí)，由主機(jī)板上的冗余管理系統(tǒng)自動(dòng)將處于熱等待單片微機(jī)取代發(fā)生故障單片微機(jī)來(lái)管理整個(gè)系統(tǒng)并報(bào)警。若故障單片微機(jī)恢復(fù)正常則它又處于熱等待狀態(tài)。在正常工作時(shí)兩臺(tái)單片微機(jī)通過(guò)串行通訊保持具有同樣的輸入點(diǎn)、輸出點(diǎn)及各個(gè)定時(shí)器的狀態(tài)信息一樣，以使雙微機(jī)切換時(shí)不發(fā)生輸出點(diǎn)狀態(tài)不確定的現(xiàn)象。 單片微機(jī)采用了工業(yè)級(jí)的ATMEL 89C55PI單片機(jī)，每臺(tái)單片機(jī)有個(gè)看門狗監(jiān)視

10、單片機(jī)是否處于正常工作狀態(tài)。整塊主機(jī)板只有一片芯片與系統(tǒng)其他部分保持聯(lián)系，從而避免其他干擾串入影響單片機(jī)正常工作。 2.4. 輸入板 輸入板用于輸入數(shù)字信號(hào)。由于從司機(jī)控制器、按鍵開(kāi)關(guān)組等來(lái)的信號(hào)及從主斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、兩位置轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和接觸器等的輔助觸點(diǎn)來(lái)的信號(hào)其輸入信號(hào)為直流110V ,因此必須經(jīng)過(guò)電阻網(wǎng)絡(luò)降壓、穩(wěn)壓管限幅、電容濾波、光電隔離后再經(jīng)過(guò)施密特觸發(fā)器輸入給主機(jī)板。這種電路可靠性很高，抗干擾能力強(qiáng)，能適應(yīng)電力機(jī)車上的惡劣工作環(huán)境。每套LCU輸入板設(shè)計(jì)為每組總的輸入點(diǎn)數(shù)為126點(diǎn)。每塊輸入板為42點(diǎn)，各點(diǎn)都有指示燈指示該點(diǎn)的工作狀態(tài)。 2.5 輸出板 LCU的輸出模塊設(shè)計(jì)： 系統(tǒng)內(nèi)工

11、作電壓為TTL等級(jí)，且其負(fù)載能力較低，為了與LCU外部的110V直流工作電壓一致，并具有足夠的驅(qū)動(dòng)能力必須有專門的輸出模塊。經(jīng)過(guò)可行性分析研究決定采用 MOSFET 作為功率放大元件來(lái)取代傳統(tǒng)的中間繼電器，利用高頻調(diào)制的控制信號(hào)通過(guò)脈沖變壓器藕合控制 MOSFET 的通斷，從而解決了多個(gè)串聯(lián)觸頭間輸出共地問(wèn)題。每套LCU輸出板設(shè)計(jì)為每組總的輸出點(diǎn)數(shù)為81 點(diǎn)。每點(diǎn)的輸出電流最大為8安。每塊輸出板為27點(diǎn)，各點(diǎn)都有指示燈指示該點(diǎn)的工作狀態(tài)。 2.6 電源 電源采用機(jī)車電子控制裝置專用電源。電源符合有關(guān)的鐵路標(biāo)準(zhǔn)，其輸入電壓為77伏135伏，輸出電壓為+5伏/2安、24伏/2安。A、B兩組各自采用

12、獨(dú)立的穩(wěn)壓電源。3、使用說(shuō)明 當(dāng)司機(jī)合上蓄電池開(kāi)關(guān)后，邏輯控制單元（LCU）即得到了電源。當(dāng)LCU上電正常時(shí)，在司機(jī)顯示面板上預(yù)備燈應(yīng)該亮，若不亮則表示LCU不正常，須進(jìn)行A、B組切換。如果運(yùn)行途中LCU出現(xiàn)異常，司機(jī)可以通過(guò)A、B轉(zhuǎn)換來(lái)切換，在切換前請(qǐng)先將司機(jī)鑰匙關(guān)掉后，再進(jìn)行A、B組切換。LCU不要求司機(jī)在途中進(jìn)行檢修。當(dāng)機(jī)車110V控制電源輸入LCU內(nèi)部的開(kāi)關(guān)電源。LCU散熱風(fēng)扇開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)。A、B兩組系統(tǒng)自動(dòng)完成初始化。A、B兩組的工作可以通過(guò)LCU面板上的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)來(lái)進(jìn)行選擇。當(dāng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的紅色箭頭指向A或B，則對(duì)應(yīng)的那組LCU正在工作。4、LCU狀態(tài)說(shuō)明4。1輸入、輸出板LCU每組有3塊輸

13、入板和3塊輸入板。分別表示為：輸入板1線 號(hào)名 稱符 號(hào)燈燈線 號(hào)名 稱符 號(hào)404向前手柄A1B1405向后手柄406制動(dòng)手柄A2B2407牽引手柄412手柄離零手柄A3B3804大閘緊制緊制531給鑰匙鑰匙A4B444593KM已合牽引接觸器430主斷已合主斷反饋A5B5523緊急制動(dòng)按鍵528合主斷按鍵A6B6529MG起動(dòng)按鍵551通風(fēng)機(jī)起按鍵A7B7552制動(dòng)風(fēng)機(jī)按鍵553壓縮機(jī)起按鍵A8B8562微機(jī)復(fù)位按鍵1626供電過(guò)流1AEA9B91627供電過(guò)流2AE611LKJ-93監(jiān)控A10B10538MG正常位242QS1位539MG切除位242QS0位A11B11540MG2位24

14、2QS2位495自動(dòng)撒砂AEA12B12527主斷正常586QS-0位456牽5MA正常575QS-0位A13B13458牽7MA正常577QS-0位554壓3MA正常579QS-0位A14B144609制11正常581QS-0位419低級(jí)位A15B155771MG已起動(dòng)201KM4641MG自開(kāi)215QAA16B16576MG正在起動(dòng)213KM537MG起動(dòng)成功283AKA26B264311M閉合成功12KM4322M閉合成功22KMA27B274333M閉合成功32KM4371M切除19QSA28B284382M切除29QS4393M切除39QSA29B2944391KM合成功勵(lì)磁接觸器4

15、521端入庫(kù)20QPA30B30558供電過(guò)流1383KC輸入板2線 號(hào)名 稱符 號(hào)燈燈線 號(hào)名 稱符 號(hào)411零位手柄A1B1424電空制動(dòng)用516KF、466QS839撒砂腳踏A2B2619供電聯(lián)鎖572QS、TC526交流保護(hù)236QS-0位A3B346110制12正常581QS-0位5502MG正常583QS-0位A4B4510牽引風(fēng)速到519-522KF563泵14MA正常584QS-0位A5B5457牽6MA正常576QS-0位459牽8MA正常578QS-0位A6B6518制動(dòng)風(fēng)速到511-514KF555壓4MA正常580QS-0位A7B7557變13MA正常599QS-1位5

16、782MG已起動(dòng)202KMA8B84622MG自動(dòng)開(kāi)關(guān)216QA524網(wǎng)側(cè)過(guò)流101KCA9B9525輔過(guò)流282KC572供電接地1385KEA10B10573供電接地2386KE468網(wǎng)壓故障AEA11B11469次邊過(guò)載AE470勵(lì)磁過(guò)載AEA12B12480電機(jī)過(guò)載AE564自動(dòng)合主斷AE（保留）A13B134344M閉合成功42KM4355M閉合成功52KMA14B144366M閉合成功62KM4404M切除49QSA15B154415M切除59QS4426M切除69QSA16B1644492KM合成功勵(lì)磁接觸器4532端入庫(kù)50QPA26B26446牽引到位107、108QPT44

17、7制動(dòng)到位107、108QPBA27B27448向前到位107F、108R449向后到位107R、108FA28B28454空載試驗(yàn)10QP、60QP559供電過(guò)流2384KCA29B29604啟動(dòng)電阻560QS606備壓縮機(jī)411SK1、2A30B30備3輸入輸入板3線 號(hào)名 稱符 號(hào)燈燈線 號(hào)名 稱符 號(hào)備4輸入A1B1備5輸入備6輸入A2B2備7輸入備7輸入A3B3備9輸入備10輸入A4B4備11輸入備12輸入A5B5備13輸入備14輸入A6B6備15輸入備16輸入A7B7備17輸入備18輸入A8B8備19輸入備20輸入A9B9備21輸入備22輸入A10B10備23輸入備24輸入A11B

18、11備25輸入備26輸入A12B12備27輸入備28輸入A13B13備29輸入備30輸入A14B14備31輸入備32輸入A15B15備33輸入備34輸入A16B16備35輸入備36輸入A26B26備37輸入備38輸入A27B27備39輸入備40輸入A28B28備41輸入備42輸入A29B29備43輸入A30B30輸出板1線 號(hào)名 稱符 號(hào)燈燈線 號(hào)名 稱符 號(hào)541合主斷4QFNA1B1417切除1架電機(jī)AE418切除2架電機(jī)AEA2B2489制動(dòng)構(gòu)成AE4921架牽引構(gòu)成AEA3B34932架牽引構(gòu)成AE561主斷合AEA4B4653AE復(fù)位AE810撒砂1撒砂1A5B5702欠壓顯示703

19、預(yù)備顯示A6B6704零位顯示705原邊過(guò)流顯示A7B7706次邊過(guò)流顯示707勵(lì)磁過(guò)流顯示A8B8708牽引電機(jī)顯示711輔過(guò)流顯示A9B97251MG顯示7282MG顯示A10B10714過(guò)分相顯示（保留）752供電輸出顯示A11B115681MG201KM575牽風(fēng)5MA205KMA12B12583牽風(fēng)7MA207KM598壓縮機(jī)3MA203KMA13B13588制風(fēng)9、11MA209KM備23A備23BA14B14空A15B15A16B16A26B26A27B27輸出板2線 號(hào)名 稱符 號(hào)燈燈線 號(hào)名 稱符 號(hào)549分主斷4QFFA1B1567MG起動(dòng)213KM281MG起動(dòng)283AK

20、A2B2486零位568KA487前107F、108RA3B3488后107R、108F490制動(dòng)107、108YVBA4B4491牽引107、108YVT466壓起放空閥1247YVA5B5481線路接觸器12、22KM483線路接觸器32KM（3M）A6B6547主接地恢復(fù)97、98KER428勵(lì)磁接觸器91、92KMA7B7463牽引接觸器93KM820撒砂2撒砂2A8B8804緊急制動(dòng)制動(dòng)機(jī)系統(tǒng)595制風(fēng)10、12MA210KMA9B95702MG202KM587油泵14MA212KMA10B10581牽風(fēng)6MA206KM585牽風(fēng)8MA208KMA11B11597壓縮機(jī)4MA204K

21、M589變壓器13MA211KMA12B12467壓起放空閥2248YV610供電恢復(fù)385、386KERA13B13223輔接地恢復(fù)輔接地恢復(fù)備24A備24BA14B14空A15B15A16B16A26B26A27B27輸出板3線 號(hào)名 稱符 號(hào)燈燈線 號(hào)名 稱符 號(hào)484線路接觸器42KMA1B1485線路接觸器52、62KM621供電1301KMA2B2624供電2302KM605臂相機(jī)啟動(dòng)214KMA3B3備2輸出備3輸出A4B4備4輸出備5輸出A5B5備6輸出備7輸出A6B6備8輸出備9輸出A7B7備10輸出備11輸出A8B8備12輸出備13輸出A9B9備14輸出備15輸出A10B1

22、0備16輸出備17輸出A11B11備18輸出備19輸出A12B12備20輸出備21輸出A13B13備22輸出備25A備25BA14B14空A15B15A16B16A26B26A27B274.2主機(jī)板主機(jī)板：主機(jī)板面板有9個(gè)發(fā)光二極管分別代表： A1： 黃燈（亮）-+5V電源正常 A2： 綠燈（亮）-CPU1為主機(jī) B2： 綠燈（亮）-CPU2為主機(jī) （A2和B2都不亮或都亮請(qǐng)進(jìn)行A、B組轉(zhuǎn)換） A3： 紅燈（閃爍）-CPU1故障 B3： 紅燈（閃爍）-CPU2故障 （A3和B3都閃爍請(qǐng)進(jìn)行A、B組轉(zhuǎn)換） A4： 黃燈（閃爍）-CPU2正在運(yùn)行程序 B4： 黃燈（閃爍）-CPU1正在運(yùn)行程序 （A4和B4都不閃爍請(qǐng)進(jìn)行A、B組轉(zhuǎn)換）5、SS9-LCU插座編號(hào)N201 (端子柜1) LCU N201N201(端子柜1) LCU N20212341234A404523538431A411578434備I9B405528539432B424462435備I10C406529540433C812524436備I11D407551495437D619525440備I12E412552527438E