武秀蓮,霍建華
(長春長客阿爾斯通軌道車輛有限公司,吉林 長春 130062)
在地鐵系統(tǒng)設(shè)備中,采用的傳統(tǒng)觸點繼電器存在維護難度大、故障率高等問題。具備壽命長、高冗余等優(yōu)勢的LCU系統(tǒng)在越來越多的新開通地鐵線路中得以廣泛應(yīng)用[1]。
地鐵列車無觸點邏輯控制單元LCU采用光耦和場效應(yīng)管結(jié)合設(shè)計,并通過硬件與軟件結(jié)合完成各種邏輯和延時控制功能,實現(xiàn)開關(guān)的無觸點控制。LCU極大地提高了邏輯控制系統(tǒng)的使用壽命和可靠性,平均無故障時間不少于2萬h[2],并且具有網(wǎng)絡(luò)化、智能化、免維護、節(jié)能環(huán)保等特點,簡化了檢修流程,節(jié)約了車輛設(shè)計成本[3]。
但是,既有的LCU應(yīng)用項目中,LCU系統(tǒng)作為一個整體設(shè)備,主機中支持的輸入輸出數(shù)量是固定的,但不同的車輛對輸出輸入信號的需求數(shù)量存在較大差異,此時主機只能按照滿足最多數(shù)量來進行設(shè)備配置。這就必然造成部分輸入輸出模塊閑置的情況出現(xiàn),同時占據(jù)了額外的設(shè)備空間。隨著車輛智能化程度的提升,車載設(shè)備的數(shù)量也在不斷增加,地鐵車輛上設(shè)備空間的合理運用也成為一個不容忽視的考慮因素。為解決該問題,本文將LCU系統(tǒng)的輸入輸出模塊與其他部分分離,提出了一種分體式LCU系統(tǒng)。
LCU系統(tǒng)分體式設(shè)計分為LCU主機和LCU輸入輸出模塊兩部分,在接口設(shè)計上,LCU主機帶6組輸入輸出模塊接口,可最多連接6個LCU輸入輸出模塊,中間通過軟電纜進行連接。LCU主機與LCU輸入輸出模塊之間采用CAN通信方式連接,LCU輸入輸出模塊所用的DC 110 V/DC 5 V電源由LCU主機提供,無需單獨的供電電源模塊。圖1為分體式LCU系統(tǒng)總體方案。
圖2 LCU主機功能框圖
圖1 分體式LCU系統(tǒng)總體方案示意圖
LCU系統(tǒng)功能采用LCU硬件加上位機可編程邏輯控制器的方式實現(xiàn),LCU系統(tǒng)分體式硬件包括LCU主機和LCU輸入輸出模塊。在硬件設(shè)計上,充分考慮到控車的安全因素,關(guān)鍵電路板卡如電源板、主控板和輸入輸出板卡均采用二乘二取二的冗余方案設(shè)計。電源設(shè)計上采用2路獨立電源為系統(tǒng)供電,DC 110 V輸入分別由列車上2路空開端輸入,電源板分A/B組冗余供電,A組電源板給分布式的A組板卡供電,B組電源板給分布式的B組板卡供電。主控板分主控板A和主控板B,每組均可單獨工作,在每組內(nèi)部又對邏輯運算結(jié)果進行比對,結(jié)果一致時則輸出,不一致時重新進行運算比對。輸入輸出板卡分A/B 2組輸入和輸出,輸入同時接入輸入板卡A和輸入板卡B,兩板卡在對輸入處理完成后,在輸出端再進行比對,結(jié)果一致則輸出,結(jié)果不一致則重新對輸入進行分析處理,保證輸出的可靠性。
LCU上位機可編程邏輯控制器采用自主研發(fā)的上位機軟件,使用簡單的托拉拽操作方式對傳統(tǒng)繼電器、接觸器的線圈、觸點轉(zhuǎn)化為LCU可識別的程序。
LCU主機包含LCU主控系統(tǒng)、MVB通信模塊、電源管理模塊、存儲模塊及6組輸入輸出模塊接口。圖2為LCU主機功能框圖。
LCU主控系統(tǒng)芯片采用低功耗的FPGA+ARM芯片設(shè)計,這種設(shè)計集成了FPGA的硬件可編程性和ARM的軟件可編程性優(yōu)點,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的分析和硬件的加速,在系統(tǒng)設(shè)計和軟件設(shè)計上可多擴展。主控系統(tǒng)搭載Linux系統(tǒng),實現(xiàn)主機的存儲管理、進程管理和邏輯功能處理,可通過內(nèi)部CAN總線與輸入輸出模塊進行數(shù)據(jù)交互,實現(xiàn)對輸入輸出模塊的管理,包括地址管理與輸入輸出模塊的輸出管理[4]。
電源管理模塊采用地鐵自帶DC 110 V電源供電,電源管理模塊負責(zé)將DC 110 V輸入電源經(jīng)降壓、濾波、浪涌抑制、過欠壓保護、輸出過載保護、短路保護后輸出穩(wěn)定的DC 5 V電源給主控系統(tǒng)供電,并通過開關(guān)量控制接口給輸入輸出模塊供電。在主機上有DC 110 V與DC 5 V電源狀態(tài)指示燈,方便后期對主機的維護。
MVB通信模塊負責(zé)將LCU主機接入地鐵列車控制和管理系統(tǒng)(TCMS)網(wǎng)絡(luò),可接入地鐵PHM系統(tǒng),作為地鐵大數(shù)據(jù)的一部分。LCU主機自帶實時時鐘,在接入TCMS系統(tǒng)后,可與網(wǎng)絡(luò)時間實時同步,保證了數(shù)據(jù)的實時性。LCU主機通過以太網(wǎng)實現(xiàn)與上位機的通信,繼電器邏輯功能通過上位機的圖形化編程軟件轉(zhuǎn)為主控芯片可識別的C程序,并通過以太網(wǎng)通信遠端下載到主控系統(tǒng)中[5]。
存儲模塊具有1 GB的內(nèi)部存儲,采用快速高性能的芯片存儲方案,用來存儲開關(guān)量的狀態(tài)信息、故障信息、日志記錄。
LCU主機與LCU輸入輸出模塊之間的通信采用CAN總線方式,LCU主機為各輸入輸出模塊分配地址,LCU輸入輸出模塊內(nèi)部也對各輸入量進行了地址管理,在LCU主機內(nèi)可確定任意一組原繼電器的輸入并控制輸出任意一組原繼電器的輸出,通過地址管理實現(xiàn)主機對全部輸入輸出模塊的輸入輸出的控制。
LCU輸入輸出模塊實現(xiàn)原繼電器DC 110 V的輸入,并完成原繼電器DC 110 V的輸出,在設(shè)計上通過采用光電隔離,實現(xiàn)模擬信號與數(shù)字信號轉(zhuǎn)換,使系統(tǒng)在電磁兼容方面具有高抗干擾性,同時不會對外部電路元器件等造成干擾。硬件上LCU輸入輸出模塊的輸入主要包括DC 110 V輸入電路、電源比較器、并轉(zhuǎn)串模塊、光電隔離器;LCU輸入輸出模塊的輸出主要包括光電隔離器、MOS驅(qū)動開關(guān)、MOS開關(guān);LCU輸入輸出模塊的主控器(MCU)采用16位單片機,可同時完成溫度檢測、電源管理、時鐘同步、地址管理及與LCU主機之間的CAN通信。圖3為LCU輸入輸出模塊功能框圖。
圖3 LCU輸入輸出模塊功能框圖
輸入電路主要功能是將輸入DC 110 V進行分壓、濾波、過流保護。此外,輸入電路還設(shè)有輸入狀態(tài)指示燈,在有輸入時亮,故障時閃爍,方便后期維護。電源比較器的主要功能是根據(jù)設(shè)定參考電壓把分壓后的輸入信號轉(zhuǎn)為數(shù)字量,作為并轉(zhuǎn)串模塊的輸入。并轉(zhuǎn)串模塊的功能是把多路輸入轉(zhuǎn)為一路輸出,減少多路輸入輸出口對MCU輸入輸出口數(shù)量的依賴。光電隔離器進行輸入輸出間的互相隔離,可以大大提高信噪比。輸出電路負責(zé)把MCU處理完的驅(qū)動信號進行輸出,經(jīng)過光電隔離后,作為MOS驅(qū)動的輸入,然后作為MOS開關(guān)的驅(qū)動來控制DC 110 V的輸出。
(1) 占用空間小。地鐵上的電氣柜空間有限,傳統(tǒng)LCU主機往往采用3U或者6U機箱設(shè)計。新設(shè)計、生產(chǎn)的地鐵會留有安裝空間,但是對于已運行的地鐵,由于電氣柜內(nèi)的安裝空間有限,若采用3U或者6U機箱的傳統(tǒng)LCU替換繼電器,則無法實現(xiàn)。
(2) 安裝方便。采用分體式安裝,通過軟電纜連接,LCU主機與輸入輸出模塊可分開安裝。
(3) 兼容性好。替換繼電器或者替換原有LCU時,不用新增連接線和更改原有電路,只需在原繼電器輸入接入LCU輸入,在原繼電器輸出接LCU輸出即可完成替換。
(4) 避免資源浪費。傳統(tǒng)LCU采用3U機箱設(shè)計,往往單節(jié)車廂替換繼電器數(shù)量有限,容易造成部分3U機箱內(nèi)輸入輸出板卡的資源浪費。
(5) 維護方便。采用分體式設(shè)計,后期維護時可方便先確定問題點,再進行更換和維修,LCU主機和LCU輸入輸出模塊方便更換,避免了整體更換的麻煩。
本文闡述了現(xiàn)有LCU系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀,分析了現(xiàn)有LCU系統(tǒng)的優(yōu)勢與不足,對LCU系統(tǒng)在主機與輸入輸出模塊的設(shè)計上進行了改進優(yōu)化,提出了一種分體式LCU系統(tǒng)設(shè)計方案:
(1) 主控系統(tǒng)與輸入輸出模塊相分離。主機設(shè)計分為LCU主機和LCU輸入輸出模塊兩部分。
(2) 按需配置,動態(tài)編組。在接口設(shè)計上,LCU主機可根據(jù)需要連接輸入輸出模塊,可最多連接6個LCU輸入輸出模塊,中間通過軟電纜進行連接。
(3) 與現(xiàn)有LCU系統(tǒng)兼容,可無縫替代現(xiàn)有LCU系統(tǒng),具有普適性與經(jīng)濟性。
分體式LCU系統(tǒng)是在現(xiàn)有LCU系統(tǒng)優(yōu)勢的基礎(chǔ)上,對主控模塊和輸入輸出模塊進行分離,并支持動態(tài)編組,優(yōu)化后的系統(tǒng)設(shè)備可以應(yīng)對不同車輛的接入需求,節(jié)省隨車設(shè)備空間,綜合提高LCU系統(tǒng)的實際應(yīng)用價值,可為LCU系統(tǒng)在列車上的普及和應(yīng)用提供參考價值。