逻辑控制单元(LCU)在机车上的应用

第四节 逻辑控制单元(LCU)在机车上的应用

一、什么是LCU

LCU是英文logical control 的缩写,中文叫逻辑控制单元。LUG相当于可*程控制器PLC,是进年来用在新型电力,内燃机车上的一种可*程逻辑控制器件。它在电力机车上的作用.主要就是取代传统机车上原有的时间继电器、中间继电器等低压电器和大皿的迂回线路,实现机车控制系统无触点控制,从而提高机车电气控制线路的可靠性。其内部核心是单片机,主要由主机板、电源板、输入板、输出板等所组成。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,其本身就是一个微机控制系统,带有自己的CPU(中央处理器)、输入输出接口以及与输入输出接口相配套的输入输出转换电路。这种器件具有直接输入直流100v信号、输出大电流驱动负载的能力,因而具有控制方式灵活、编程方便、布线直观、检修条理清晰等特点,另外,它采用无触点输出控制方式,解决了原有系统在强振动环境下的不可靠问题。

LCU与一般工业用的可编程控制器PLc有一些区别。例如:

(l)机车电子装置必须符合TB/T1394《机车动车电子装置》的要求。而一般的PLC很难满足这一标准要求。简单地说,一般的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。而电力机车逻辑控制单元Lcu符合TB/TI394《机车动车电子装置》的要求,其结构组成符合高速列车硬件规范。

(2)根据IEc标准,一般PLc的工作电压为Dc24v或AC220v,直流输出点的负载能力较低。而电力机车控制电压为Dc110v,且负载电流比较大

二、LCU的优势

传统的机车控制电路由主令电器、各种功能的继电器、接触器、转换开关、保护电器以及电源等主要部件组成,其中继电器就有中间继电器、时间继电器、电压继电器、电流继电器、油流继电器、压力继电器等。继电器控制电路的原理和结构都比较简单,应用成熟,但继电器控制方式的可靠性比较差,控制功能少,不能随意变更控制功能,且布线工作量很大,接线十分复杂,当需要变更控制功能时,需重新布线,控制系统的通用性与灵活性差。更为严重的是,当机车速度达到120km/h以上时,由于机车震动加剧,继电器触点的振动也随之增大,容易造成控制电路误动作而引发李故。

另外,由于电器柜体积比较大,车体内走线员既多且繁,整个控制系统重量大,不利于高速电力机车对降低轴重的要求。通过对采用了LCU取代电力机车继电器控制电路的分析后可知,LCU与传统的继电器控制方式相比,有如下优势:

(1)Lcu盯涵百采用大规模集成电路技术、外部琏线少,可靠性高,抗干扰性能好,逻辑功能强、功耗低、速度快、精度高。

(2)可以利用软件编程来完成控制任务,故对变更电力机车的控制或对不同的机车,可以方便地通过修改程序来满足控制要求,即容易实现“柔性控制”。这样不仅给机车控制系统的设计带来方便,而且可大大简化机车组装布线、检验及维修工作。

(3)Lcu的硬件结构为通用型模块设计,可根据不同对象进行组合和扩展,以满足不同控制要求,具有很大的灵活性和可扩展性,不仅可在电力机车上应用,也可以在电传动内燃机车及其它继电器控制电路中应用。所以LCU具有较大的应用价值。

三、LCU在国产机车控制电路中的应用

国产电力机车均采用传统的屏柜形式安装控制电器,除了个别分散的继电器外,中间继电器与时间继电器均集中在低压电器柜,所以在用LCU实现继电器的功能时,在结构上容易实现与原控制的兼容。

SS9、SS7D、SS7E型电力机车及DF8B型内燃机车是我国新型的国产机车,在控制电路中采用逻辑控制单元(Lcu)取代机车上传统的继电器有触点控制电路,可以克服继电器控制电路的不足,适应机车微机控制技术不断发展的需要。

韶山系列电力机车的几种主型机车的继电器电路参数如表6

另外,电力机车继电器电路的负载情况是比较复杂的,除上表所列的三相接触器和主断路器外,实际机车上作为继电器触头的负载还有电空接触器及电空阀等,不仅负载电流比较大,线圈带载开关所产生的感应电压峰值可达1kv以上,因此,对LCU的可靠性及抗干扰性擦出了很高要求。

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L3kv,对机车微机控制系统和电子线路形成极大的危害。因此,要求LCU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。

由于各型机车的LCU结构、组成、功能相近,下面以55:和559型电力机车为例介绍LCU在机车控制电路中的具体应用。

1. SS8型电力机车的Lcu系统

SS8型电力机车的无触点控制电路是从韶山系列电机机车传统的有触电电路发展而来的,该机车上继电器数星、类型都比较多,一些特殊的继电器是作为检测与保护环节运用的,安装位置也比较分散。例如,压力继电器(544KP,547KP)、油流继电器(l6KF)、风速继电器(13KF、14KF、7KF、9KF、11KF、5KF、6KF)、过流继电器(loKc、llKC、12KC、5KC)等,是不适于或不准备用Lcu取代的。所以,Lcu所取代的对象是机车上两个电器柜内的中间继电器与时间继电器。Lcu也分成两个相互独立的单元,I#柜对应LCUI II#柜对应LCU2。两柜之间预留标准串行通信接口进行信息与数据交换。LCU1取代I#电器柜内时间继电器及中间继电器14个(时间继电器4个,中间继电器10个),总共有30对触头参与控制,LCUZ取代n”电器柜内时间继电器6个、中间继电器10个,取代继电器总数为16个,II#电器柜内参与控制的触头总数为50对。Lcul、Lcu2总共取代继电器30个,继电器触头80对。对Lcu而言,30个继电器就意味着要从外部引入30路输入信号到LCU的输入端,而每一路信号中又包含了若干影响该路逻辑状态的信号,例如,预备中间继电器25kA线圈的得电、失电,与主断路器、中间继电器、时间继电器、接触器及隔离开关等众多电器的工作状态有关,而零位中间继电器线圈则仅受司控器控制。

a.结构

LCU控制系统的组成框图如图6一7所示。从图6一7可以看出,LcU控制系统由输入单元、中央处理单元、输出单元、电源系统四个部分组成。

由于司机控制器、按键开关组等来的指令信号及从主断路器、隔离开关、两位置转换开关和接触器等的辅助连锁来的信号作为LCU系统的输入信号,均为DC110v信号,因此,在进入Lcu进行逻辑控制运算前,首先要经过电阻网络的降压、稳压限幅、电容滤波、光电隔离等环节进行处理,将每路DC110v机车信号转换为5V电平信号,进入Lcu参加逻辑运算。每路转换在输入控制板中完成,同时具有硬件抗干扰设计,让10ms以内的尖峰电压串入输入电路后不被误认为是正常的输入信号。

中央处理单元主要完成逻辑运算、延时控制及软件抗干扰功能等。该单元主要根据机车的实际工况确定的输入信号状态来决定各输出的状态。 输出单元通过输出电路,用光电隔离的方式实现高、低电压的隔离扣驱功功率放人,从而直接驱动各类机车负载。

b.输人和输出

Lcu系统的输入信号的类型也比较复杂,大致可分为三大类

(l)保留信号,即不能或不准备用逻辑控制单元取代的输入信号,主要有:

·司机控制器、按键开关组等指令电器的信号。

·主断路器的铺助触头、隔离开关、两位置转换开关及接触器铺助触头来的信号。

·特殊继电器的信号,如过电流继电器、风速继电器、接地继电器等、这些继电器在逻辑控制电路中主要完成一些检测与保护等功能。

以上信号在用Lcu取代继电器时仍需保留,为保证接触可靠,110v直流控制电源也不能改变,所以称之为保留信号。

(2)被取代继电器的自锁与互锁信号。当某个继电器被LCU取代后,原继电器触头产生的信号都是由Lcu来输出的,这种信号可分为两种情况: ·在LCU内可由软件完成自锁或互锁的信号,这类信号可以不再输出到LCU以外。

·自、互锁信号出现在多种保留信号或接触器辅助触头之间,不更改机车布线就无法或不便于由LCu内部处理的信号,或者说虽然继电器已被取代,但线圈的自锁触头或与另一被取代继电器之间的互锁信号仍需输出到Lcu以外才能实现。许多继电器的自锁触头都存在这种现象。

(3)电力机车微机控制系统来的信号,这些信号可以直接输入LCU。

另外,机车的110v信号是不能直接输入到LCu主机板里面去的,必须经过输入电路进行降压、隔离,即经过电阻网络降压、用稳压管限幅、电容滤波,再经光祸隔离后输入LCU主机。

实现LCU控制时,对应所取代的每个继电器线圈,都必须引入一路输入信号进入LCU内部。与继电器线圈的得电与失电相同,这一路信号的逻辑电平会受到多个信号的影响。对于继电器的触头,只有一部分是在电路中实际运用的,对参与控制的每对继电器触头(除了那些能在LCU内部实现逻辑自锁或互锁的外),都必须从LCU内对应一路输出。

LCU内部的工作电压为几V水平,负载能力较小,为了使其具有足够的驱动能力,LCU输出单元电路采用MOSFET作功率开关元件,负载能力大,开关速度高,采用高频调制信号通过脉冲变压器祸合去控制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LCU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。表6一4示出了电力机车LCU的输入输出电路的性能参数。

表6一4LCU的输入输出电路的主要性能参数

2. SS9型电力机车的LCu系统

a.结构

根据系统所需完成的功能及电力机车特殊的工作环境,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。SS9型机车的Lcu系统的结构见图6一8。LCU的硬件结构主要包括机箱、电源板、主机板、输入板、输出板等。每套Lcu采用双路冗余设计,即包含功能相同的A、B两组,并能进行手动转换,当其中一路出现故障时,可人为切换至另一路工作,从而提高了整个机车控制系统的可靠性。采用标准的6u机箱硬件结构,可与外围设备进行总线通信。

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、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4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6一9所示。

(l)主机板主要完成输入点状态的采集、逻辑运算、输出点状态的确定以及与司机台彩色显示器进行数据交换等。

主机板采用了双机冗余设计:一台单片机处于在线工作状态时,另一台处于热等待。当在线工作状态的单片机发生故障时,主机板上的冗余管理系统自动将处于热等待状态的单片机取代发生故障的单片机来管理整个系统,并报警;若故障单片机恢复正常,另一台单片机又恢复热等待状态。在正常工作时,两台单片机通过串行通信保持具有同样的输入点、输出点,各个定时器的状态信息也一样,以避免单片机切换时发生输出点状态不确定 的现象。

主机板采用RS一485标准,与电力机车的彩色显示器进行半双工的串行通信,将Lcu采集到的电力机车故障信息传送到彩色显示器上显示出来,以便司机进行故障处理。

(2)输入板用于输入数字信号。559型机车上有两种LCU输入板,每组总的输入点数分别为126点、120点,各点都有指示灯指示该点的工作状态。

输入电路有两种形式,如图6一10、图6一11所示。

由于从司机控制器、按键开关组等来的信号以及从主断路器、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均为直流110V,因此,这些输入信号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给主机板,把大信号变换为单片机可以接受的TTL电平信号。用这种电路处理可靠性很高,抗干扰能力强,能适应电力机车的恶劣工作环境。

图6一11所示的电路用来完成输入信号的隔离及电平转换。当外部信号1.输入时,信号经R3、LED支路点亮LED指示灯;同时经过R.、R:组成的分压电路输出巩作为Ul(光电祸合器)的输入信号,驱动光祸动作,完成电平转换。Dwl、cl用于对干扰信号的抑制。完成转换的TTL电平信号经Plol输出送入逻辑控制芯片,同时读入单片机进行逻辑运算处理。

(3)输出板。由于系统内工作电压为TTL等级,且其负载能力较低,为了与LCU外部的110v直流工作电压一致,并具有足够的负载驱动能力,必须有专门的输出模块。

图6一12所示为采用MOSFET作为功率放大元件来取代传统的中间继电器的输出电路;并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,从而解决了多个串取触头间输出共地的问题。这种输出板每组总的输出通道为27路,其中4路为干触点,1路为常开常闭触点,其他22路均为正电源110V输出。输出板A、B两组,每组有3块输出板,总的输出点数为81点,每点的输出负载电流最大为SA,每块输出板为20点,各点都有指示灯指示该点的工作状态。

主机板采用了双机冗余设计:一台单片机处于在线工作状态时,另一台处于热等待。当在线工作状态的单片机发生故障时,主机板上的冗余管理系统自动将处于热等待状态的单片机取代发生故障的单片机来管理整个系统,并报警;若故障单片机恢复正常,另一台单片机又恢复热等待状态。在正常工作时,两台单片机通过串行通信保持具有同样的输入点、输出点,各个定时器的状态信息也一样,以避免单片机切换时发生输出点状态不确定 的现象。

主机板采用RS一485标准,与电力机车的彩色显示器进行半双工的串行通信,将Lcu采集到的电力机车故障信息传送到彩色显示器上显示出来,以便司机进行故障处理。

(2)输入板用于输入数字信号。559型机车上有两种LCU输入板,每组总的输入点数分别为126点、120点,各点都有指示灯指示该点的工作状态。

输入电路有两种形式,如图6一10、图6一11所示。

由于从司机控制器、按键开关组等来的信号以及从主断路器、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均为直流110V,因此,这些输入信号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给主机板,把大信号变换为单片机可以接受的TTL电平信号。用这种电路处理可靠性很高,抗干扰能力强,能适应电力机车的恶劣工作环境。

图6一11所示的电路用来完成输入信号的隔离及电平转换。当外部信号1.输入时,信号经R3、LED支路点亮LED指示灯;同时经过R.、R:组成的分压电路输出巩作为Ul(光电祸合器)的输入信号,驱动光祸动作,完成电平转换。Dwl、cl用于对干扰信号的抑制。完成转换的TTL电平信号经Plol输出送入逻辑控制芯片,同时读入单片机进行逻辑运算处理。

(3)输出板。由于系统内工作电压为TTL等级,且其负载能力较低,为了与LCU外部的110v直流工作电压一致,并具有足够的负载驱动能力,必须有专门的输出模块。

图6一12所示为采用MOSFET作为功率放大元件来取代传统的中间继电器的输出电路;并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,从而解决了多个串取触头间输出共地的问题。这种输出板每组总的输出通道为27路,其中4路为干触点,1路为常开常闭触点,其他22路均为正电源110V输出。输出板A、B两组,每组有3块输出板,总的输出点数为81点,每点的输出负载电流最大为SA,每块输出板为20点,各点都有指示灯指示该点的工作状态。

图6一13所示为另一种输出电路,同样完成信号驱动转换功能。输出信号一路送由R。1和D。1构成的输出指示信号,另一路经稳压管后送光电隔离祸合器,完成低电平到110v高电平的转换。经过输出板输出的信号,通过56芯机车专用连接器,形成各类负载的驱动信号。

(4)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77一135v,输出电压为+5v/ZA、士24v/2A。A、B两组采用独立的稳压电源,自带过流、过压、过热保护功能。原理见图6一14。

b.功能

ss9型机车的LCU系统完成了电力机车控制电路的大部分功能及列车供电系统的控制,取代了所有的中间继电器和时间继电器。具体功能如下:

(l)整备控制。LCU完成了除升受电弓外机车动车前的各项预备操作,例如,分合主断路器,起动劈相机或辅助逆变器、空气压缩机、通风机灯,完成机车向前或向后、牵引或制动转换的操作。

(2)调速控制。LCU完成了调速控制中的线路接触器、牵引接触器、励磁接触器和预备环节的控制,使机车预备完毕。

(3)信号控制。LCU完成部分信号的显示,如主副台的预备、零位、欠压、原边过流、次边过流、励磁过流、辅过流、劈相机1、劈相机2及过电分相等显示。

(4)保护控制。LCU利用微机控制柜提供的过流、欠压、过压信号完成机车的过流、欠压和过压保护;利用接地继电器完成各种接地保护;利用风速继电器完成风速保护;利用速度监控装置LKJ·93或LKJ-2000、紧急制动按钮和DK一1型制动机完成紧急制动。Lcu还具有故障保护的恢复控制功能。

(5)其他控制。LCU还完成撤砂控制及列车供电接触器等控制。

(6)故障显示功能。LCU通过Rs一485标准串行通信将机车的一些故障状态在司机台上的彩色显示器上显示出来,以便司机对故障的判断和及时处理,其显示的故障信息包括牵引制动转换鼓是否到位、反问转换鼓是否到位、6个线路接触器状态是否正确、劈相机起动是否正常、牵引风机和制动风机风速是否正常、牵引接触器和励磁接触器闭合是否正常,以及主断分合是否正常等。

四、LCU在电力机车试验及检修中的作用

逻辑控制单元在电力机车出厂调试、例行试验及检修中能提供大量的信息,帮助技术人员提高工作效率。例如,在SS9型机车调试过程中,发现励磁接触器91KM和92KM工作不正常,技术人员可根据图6一15所示的逻辑控制梯形图来检查是否满足励磁接触器闭合的条件。

先查看LCU的第一块输入板A6灯(表示为1A6)是否亮。1A6在司机手柄处于制动状态(406得电)时应该发亮,若不亮,则表示406没有得电;若1A6亮,下一步就查2A9是否亮,若不亮,则为电空联合制动系统不允许电制动;IA6、2A9都亮,就需查看3B2(表示牵引制动转换鼓已转换到制动位)是否亮。同理检查IB5(表示牵引接触器吸合状态)、3A14(励磁过流)是否灭,若IB5亮,则表示牵引接触器没有打开,机车主电路还没有构成制动回路,因此不允许电制动;若3A14亮,则表示微机控制柜检测到励磁回路过流,应停止电制动。若IA6、2A9、3132亮,而且IBS、3^14又灭,那就表示励磁接触器glKM和92KM应该吸合,因此应进一步查看2B4是否亮。若2B4亮,则表示LCU有输出,应检查励磁接触器91KM和92KM是否正常;若不亮,则表示LCU本身有故障,应进行A、B组转换。

五、LCU的故障诊断及检修

当司机合上蓄电池开关后,LCU即得到了电源。

当LCU上电正常时,在司机显示面板上预备灯应该亮,若不亮则表示LCU不正常,须进行A、B组切换。如果运行途中LCU出现异常,司机可以通过A、B转换来切换,在切换前请先将司机钥匙关掉,然后进行A、B组切换。一般不要求司机在途中对LCU进行检修。

当机车110v控制电源输入LCU内部的开关电源时,LCU散热风扇开始运转。A、B两组系统自动完成初始化。A、B两组的工作可以通过LCU面板上的转换开关来进行选择。当转换开关的红色箭头指向A或B,则对应的那组LCU正在工作。

1.LCU的故障检测

(l)确认是否逻辑控制单元故障。随着电子技术的不断发展,元器件的质量以及逻辑控制单元的生产工艺已经有很大改善,LCU的可靠性也越来越高。因此,在怀疑Lcu故障以前,有必要首先确认:

·主电路是否已经构成,如线路接触器是否可靠闭合等。

·与Lcu有关的状态控制信号是否送到LCU,正确与否,如牵引、制动、零位、准备、操作端等。

·LCU对外连接插座是否接触良好等等。

(2)确认A、B组是否都有故障。LcU有A、B两组完全相同的系统,它们可以完全独立工作。要检查是否A、B组都有故障,就要检查A、B两组的公共部分,即:在条件都满足的情况下,转换A、B两组,看故障是否一样,如果故障现象一样,则基本排除LCU本身的故障,如果现象不一样,则可能是其中一组LCU发生故障。

(3)确认是否LCU的电源插件故障。如果基本确定是LCU本身故障,则可以开始检侧LCU插件故障。首先看电源板是否正常工作,如果电源板指示灯为红色,则首先看是否是LCU工作电压太低,电源板处在欠压保护,如果工作电压正常,则看是否后部短路、电源板进行了过流保护,否则可能是电源板已经发生了故障。

(4)确认是否Lcu的cPu板故障。如果电源板指示灯为绿色,而且从测试孔量得输出电压正常,则再检测cPu板,主要检测cPU板指示灯是否显示正常·如果A板红灯闪烁,则第一块CPU故障;如果B板红灯闪烁,则第二块CPU故障,此时应更换CPU板。

(5)确认是否Lcu的输入板故障。首先确认输入信号是否送进LCU,可以通过测量56芯矩形插座上相对应的针是否得电,如果有电,而LCU输入板上相应的通道指示灯不亮,则可能是该输入板的这个输入通道故障。

(6)确认是否LCU的输出板故障。根据逻辑关系判断,某一输出点条件满足,应该有输出,而LCU输出板相应的通道指示灯不亮,并且相应的输出线不得电,则可能是该输出板的这个输出通道故障。如果某一输出线上不管条件是否满足一直有电,则该通道已经短路。

2.LCU的检修

一般来说LCU运行一段时间之后应对其进行全面检测,LCU的检测可以采用专用的LCU便携式测试仪或者LCU地面测试系统,对LCU的每个输入输出通道进行测试,对LCU的逻辑关系进行测试判断,以及串行通信、机箱布线等,针对整台LCU进行全面的测试。在日常的维护中,也可以通过LCU地面测试系统提供的单板侧试功能对单块插件进行测试。

第四节 逻辑控制单元(LCU)在机车上的应用

一、什么是LCU

LCU是英文logical control 的缩写,中文叫逻辑控制单元。LUG相当于可*程控制器PLC,是进年来用在新型电力,内燃机车上的一种可*程逻辑控制器件。它在电力机车上的作用.主要就是取代传统机车上原有的时间继电器、中间继电器等低压电器和大皿的迂回线路,实现机车控制系统无触点控制,从而提高机车电气控制线路的可靠性。其内部核心是单片机,主要由主机板、电源板、输入板、输出板等所组成。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,其本身就是一个微机控制系统,带有自己的CPU(中央处理器)、输入输出接口以及与输入输出接口相配套的输入输出转换电路。这种器件具有直接输入直流100v信号、输出大电流驱动负载的能力,因而具有控制方式灵活、编程方便、布线直观、检修条理清晰等特点,另外,它采用无触点输出控制方式,解决了原有系统在强振动环境下的不可靠问题。

LCU与一般工业用的可编程控制器PLc有一些区别。例如:

(l)机车电子装置必须符合TB/T1394《机车动车电子装置》的要求。而一般的PLC很难满足这一标准要求。简单地说,一般的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。而电力机车逻辑控制单元Lcu符合TB/TI394《机车动车电子装置》的要求,其结构组成符合高速列车硬件规范。

(2)根据IEc标准,一般PLc的工作电压为Dc24v或AC220v,直流输出点的负载能力较低。而电力机车控制电压为Dc110v,且负载电流比较大

二、LCU的优势

传统的机车控制电路由主令电器、各种功能的继电器、接触器、转换开关、保护电器以及电源等主要部件组成,其中继电器就有中间继电器、时间继电器、电压继电器、电流继电器、油流继电器、压力继电器等。继电器控制电路的原理和结构都比较简单,应用成熟,但继电器控制方式的可靠性比较差,控制功能少,不能随意变更控制功能,且布线工作量很大,接线十分复杂,当需要变更控制功能时,需重新布线,控制系统的通用性与灵活性差。更为严重的是,当机车速度达到120km/h以上时,由于机车震动加剧,继电器触点的振动也随之增大,容易造成控制电路误动作而引发李故。

另外,由于电器柜体积比较大,车体内走线员既多且繁,整个控制系统重量大,不利于高速电力机车对降低轴重的要求。通过对采用了LCU取代电力机车继电器控制电路的分析后可知,LCU与传统的继电器控制方式相比,有如下优势:

(1)Lcu盯涵百采用大规模集成电路技术、外部琏线少,可靠性高,抗干扰性能好,逻辑功能强、功耗低、速度快、精度高。

(2)可以利用软件编程来完成控制任务,故对变更电力机车的控制或对不同的机车,可以方便地通过修改程序来满足控制要求,即容易实现“柔性控制”。这样不仅给机车控制系统的设计带来方便,而且可大大简化机车组装布线、检验及维修工作。

(3)Lcu的硬件结构为通用型模块设计,可根据不同对象进行组合和扩展,以满足不同控制要求,具有很大的灵活性和可扩展性,不仅可在电力机车上应用,也可以在电传动内燃机车及其它继电器控制电路中应用。所以LCU具有较大的应用价值。

三、LCU在国产机车控制电路中的应用

国产电力机车均采用传统的屏柜形式安装控制电器,除了个别分散的继电器外,中间继电器与时间继电器均集中在低压电器柜,所以在用LCU实现继电器的功能时,在结构上容易实现与原控制的兼容。

SS9、SS7D、SS7E型电力机车及DF8B型内燃机车是我国新型的国产机车,在控制电路中采用逻辑控制单元(Lcu)取代机车上传统的继电器有触点控制电路,可以克服继电器控制电路的不足,适应机车微机控制技术不断发展的需要。

韶山系列电力机车的几种主型机车的继电器电路参数如表6

另外,电力机车继电器电路的负载情况是比较复杂的,除上表所列的三相接触器和主断路器外,实际机车上作为继电器触头的负载还有电空接触器及电空阀等,不仅负载电流比较大,线圈带载开关所产生的感应电压峰值可达1kv以上,因此,对LCU的可靠性及抗干扰性擦出了很高要求。

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L3kv,对机车微机控制系统和电子线路形成极大的危害。因此,要求LCU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。

由于各型机车的LCU结构、组成、功能相近,下面以55:和559型电力机车为例介绍LCU在机车控制电路中的具体应用。

1. SS8型电力机车的Lcu系统

SS8型电力机车的无触点控制电路是从韶山系列电机机车传统的有触电电路发展而来的,该机车上继电器数星、类型都比较多,一些特殊的继电器是作为检测与保护环节运用的,安装位置也比较分散。例如,压力继电器(544KP,547KP)、油流继电器(l6KF)、风速继电器(13KF、14KF、7KF、9KF、11KF、5KF、6KF)、过流继电器(loKc、llKC、12KC、5KC)等,是不适于或不准备用Lcu取代的。所以,Lcu所取代的对象是机车上两个电器柜内的中间继电器与时间继电器。Lcu也分成两个相互独立的单元,I#柜对应LCUI II#柜对应LCU2。两柜之间预留标准串行通信接口进行信息与数据交换。LCU1取代I#电器柜内时间继电器及中间继电器14个(时间继电器4个,中间继电器10个),总共有30对触头参与控制,LCUZ取代n”电器柜内时间继电器6个、中间继电器10个,取代继电器总数为16个,II#电器柜内参与控制的触头总数为50对。Lcul、Lcu2总共取代继电器30个,继电器触头80对。对Lcu而言,30个继电器就意味着要从外部引入30路输入信号到LCU的输入端,而每一路信号中又包含了若干影响该路逻辑状态的信号,例如,预备中间继电器25kA线圈的得电、失电,与主断路器、中间继电器、时间继电器、接触器及隔离开关等众多电器的工作状态有关,而零位中间继电器线圈则仅受司控器控制。

a.结构

LCU控制系统的组成框图如图6一7所示。从图6一7可以看出,LcU控制系统由输入单元、中央处理单元、输出单元、电源系统四个部分组成。

由于司机控制器、按键开关组等来的指令信号及从主断路器、隔离开关、两位置转换开关和接触器等的辅助连锁来的信号作为LCU系统的输入信号,均为DC110v信号,因此,在进入Lcu进行逻辑控制运算前,首先要经过电阻网络的降压、稳压限幅、电容滤波、光电隔离等环节进行处理,将每路DC110v机车信号转换为5V电平信号,进入Lcu参加逻辑运算。每路转换在输入控制板中完成,同时具有硬件抗干扰设计,让10ms以内的尖峰电压串入输入电路后不被误认为是正常的输入信号。

中央处理单元主要完成逻辑运算、延时控制及软件抗干扰功能等。该单元主要根据机车的实际工况确定的输入信号状态来决定各输出的状态。 输出单元通过输出电路,用光电隔离的方式实现高、低电压的隔离扣驱功功率放人,从而直接驱动各类机车负载。

b.输人和输出

Lcu系统的输入信号的类型也比较复杂,大致可分为三大类

(l)保留信号,即不能或不准备用逻辑控制单元取代的输入信号,主要有:

·司机控制器、按键开关组等指令电器的信号。

·主断路器的铺助触头、隔离开关、两位置转换开关及接触器铺助触头来的信号。

·特殊继电器的信号,如过电流继电器、风速继电器、接地继电器等、这些继电器在逻辑控制电路中主要完成一些检测与保护等功能。

以上信号在用Lcu取代继电器时仍需保留,为保证接触可靠,110v直流控制电源也不能改变,所以称之为保留信号。

(2)被取代继电器的自锁与互锁信号。当某个继电器被LCU取代后,原继电器触头产生的信号都是由Lcu来输出的,这种信号可分为两种情况: ·在LCU内可由软件完成自锁或互锁的信号,这类信号可以不再输出到LCU以外。

·自、互锁信号出现在多种保留信号或接触器辅助触头之间,不更改机车布线就无法或不便于由LCu内部处理的信号,或者说虽然继电器已被取代,但线圈的自锁触头或与另一被取代继电器之间的互锁信号仍需输出到Lcu以外才能实现。许多继电器的自锁触头都存在这种现象。

(3)电力机车微机控制系统来的信号,这些信号可以直接输入LCU。

另外,机车的110v信号是不能直接输入到LCu主机板里面去的,必须经过输入电路进行降压、隔离,即经过电阻网络降压、用稳压管限幅、电容滤波,再经光祸隔离后输入LCU主机。

实现LCU控制时,对应所取代的每个继电器线圈,都必须引入一路输入信号进入LCU内部。与继电器线圈的得电与失电相同,这一路信号的逻辑电平会受到多个信号的影响。对于继电器的触头,只有一部分是在电路中实际运用的,对参与控制的每对继电器触头(除了那些能在LCU内部实现逻辑自锁或互锁的外),都必须从LCU内对应一路输出。

LCU内部的工作电压为几V水平,负载能力较小,为了使其具有足够的驱动能力,LCU输出单元电路采用MOSFET作功率开关元件,负载能力大,开关速度高,采用高频调制信号通过脉冲变压器祸合去控制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LCU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。表6一4示出了电力机车LCU的输入输出电路的性能参数。

表6一4LCU的输入输出电路的主要性能参数

2. SS9型电力机车的LCu系统

a.结构

根据系统所需完成的功能及电力机车特殊的工作环境,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。SS9型机车的Lcu系统的结构见图6一8。LCU的硬件结构主要包括机箱、电源板、主机板、输入板、输出板等。每套Lcu采用双路冗余设计,即包含功能相同的A、B两组,并能进行手动转换,当其中一路出现故障时,可人为切换至另一路工作,从而提高了整个机车控制系统的可靠性。采用标准的6u机箱硬件结构,可与外围设备进行总线通信。

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、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4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6一9所示。

(l)主机板主要完成输入点状态的采集、逻辑运算、输出点状态的确定以及与司机台彩色显示器进行数据交换等。

主机板采用了双机冗余设计:一台单片机处于在线工作状态时,另一台处于热等待。当在线工作状态的单片机发生故障时,主机板上的冗余管理系统自动将处于热等待状态的单片机取代发生故障的单片机来管理整个系统,并报警;若故障单片机恢复正常,另一台单片机又恢复热等待状态。在正常工作时,两台单片机通过串行通信保持具有同样的输入点、输出点,各个定时器的状态信息也一样,以避免单片机切换时发生输出点状态不确定 的现象。

主机板采用RS一485标准,与电力机车的彩色显示器进行半双工的串行通信,将Lcu采集到的电力机车故障信息传送到彩色显示器上显示出来,以便司机进行故障处理。

(2)输入板用于输入数字信号。559型机车上有两种LCU输入板,每组总的输入点数分别为126点、120点,各点都有指示灯指示该点的工作状态。

输入电路有两种形式,如图6一10、图6一11所示。

由于从司机控制器、按键开关组等来的信号以及从主断路器、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均为直流110V,因此,这些输入信号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给主机板,把大信号变换为单片机可以接受的TTL电平信号。用这种电路处理可靠性很高,抗干扰能力强,能适应电力机车的恶劣工作环境。

图6一11所示的电路用来完成输入信号的隔离及电平转换。当外部信号1.输入时,信号经R3、LED支路点亮LED指示灯;同时经过R.、R:组成的分压电路输出巩作为Ul(光电祸合器)的输入信号,驱动光祸动作,完成电平转换。Dwl、cl用于对干扰信号的抑制。完成转换的TTL电平信号经Plol输出送入逻辑控制芯片,同时读入单片机进行逻辑运算处理。

(3)输出板。由于系统内工作电压为TTL等级,且其负载能力较低,为了与LCU外部的110v直流工作电压一致,并具有足够的负载驱动能力,必须有专门的输出模块。

图6一12所示为采用MOSFET作为功率放大元件来取代传统的中间继电器的输出电路;并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,从而解决了多个串取触头间输出共地的问题。这种输出板每组总的输出通道为27路,其中4路为干触点,1路为常开常闭触点,其他22路均为正电源110V输出。输出板A、B两组,每组有3块输出板,总的输出点数为81点,每点的输出负载电流最大为SA,每块输出板为20点,各点都有指示灯指示该点的工作状态。

主机板采用了双机冗余设计:一台单片机处于在线工作状态时,另一台处于热等待。当在线工作状态的单片机发生故障时,主机板上的冗余管理系统自动将处于热等待状态的单片机取代发生故障的单片机来管理整个系统,并报警;若故障单片机恢复正常,另一台单片机又恢复热等待状态。在正常工作时,两台单片机通过串行通信保持具有同样的输入点、输出点,各个定时器的状态信息也一样,以避免单片机切换时发生输出点状态不确定 的现象。

主机板采用RS一485标准,与电力机车的彩色显示器进行半双工的串行通信,将Lcu采集到的电力机车故障信息传送到彩色显示器上显示出来,以便司机进行故障处理。

(2)输入板用于输入数字信号。559型机车上有两种LCU输入板,每组总的输入点数分别为126点、120点,各点都有指示灯指示该点的工作状态。

输入电路有两种形式,如图6一10、图6一11所示。

由于从司机控制器、按键开关组等来的信号以及从主断路器、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均为直流110V,因此,这些输入信号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给主机板,把大信号变换为单片机可以接受的TTL电平信号。用这种电路处理可靠性很高,抗干扰能力强,能适应电力机车的恶劣工作环境。

图6一11所示的电路用来完成输入信号的隔离及电平转换。当外部信号1.输入时,信号经R3、LED支路点亮LED指示灯;同时经过R.、R:组成的分压电路输出巩作为Ul(光电祸合器)的输入信号,驱动光祸动作,完成电平转换。Dwl、cl用于对干扰信号的抑制。完成转换的TTL电平信号经Plol输出送入逻辑控制芯片,同时读入单片机进行逻辑运算处理。

(3)输出板。由于系统内工作电压为TTL等级,且其负载能力较低,为了与LCU外部的110v直流工作电压一致,并具有足够的负载驱动能力,必须有专门的输出模块。

图6一12所示为采用MOSFET作为功率放大元件来取代传统的中间继电器的输出电路;并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,从而解决了多个串取触头间输出共地的问题。这种输出板每组总的输出通道为27路,其中4路为干触点,1路为常开常闭触点,其他22路均为正电源110V输出。输出板A、B两组,每组有3块输出板,总的输出点数为81点,每点的输出负载电流最大为SA,每块输出板为20点,各点都有指示灯指示该点的工作状态。

图6一13所示为另一种输出电路,同样完成信号驱动转换功能。输出信号一路送由R。1和D。1构成的输出指示信号,另一路经稳压管后送光电隔离祸合器,完成低电平到110v高电平的转换。经过输出板输出的信号,通过56芯机车专用连接器,形成各类负载的驱动信号。

(4)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77一135v,输出电压为+5v/ZA、士24v/2A。A、B两组采用独立的稳压电源,自带过流、过压、过热保护功能。原理见图6一14。

b.功能

ss9型机车的LCU系统完成了电力机车控制电路的大部分功能及列车供电系统的控制,取代了所有的中间继电器和时间继电器。具体功能如下:

(l)整备控制。LCU完成了除升受电弓外机车动车前的各项预备操作,例如,分合主断路器,起动劈相机或辅助逆变器、空气压缩机、通风机灯,完成机车向前或向后、牵引或制动转换的操作。

(2)调速控制。LCU完成了调速控制中的线路接触器、牵引接触器、励磁接触器和预备环节的控制,使机车预备完毕。

(3)信号控制。LCU完成部分信号的显示,如主副台的预备、零位、欠压、原边过流、次边过流、励磁过流、辅过流、劈相机1、劈相机2及过电分相等显示。

(4)保护控制。LCU利用微机控制柜提供的过流、欠压、过压信号完成机车的过流、欠压和过压保护;利用接地继电器完成各种接地保护;利用风速继电器完成风速保护;利用速度监控装置LKJ·93或LKJ-2000、紧急制动按钮和DK一1型制动机完成紧急制动。Lcu还具有故障保护的恢复控制功能。

(5)其他控制。LCU还完成撤砂控制及列车供电接触器等控制。

(6)故障显示功能。LCU通过Rs一485标准串行通信将机车的一些故障状态在司机台上的彩色显示器上显示出来,以便司机对故障的判断和及时处理,其显示的故障信息包括牵引制动转换鼓是否到位、反问转换鼓是否到位、6个线路接触器状态是否正确、劈相机起动是否正常、牵引风机和制动风机风速是否正常、牵引接触器和励磁接触器闭合是否正常,以及主断分合是否正常等。

四、LCU在电力机车试验及检修中的作用

逻辑控制单元在电力机车出厂调试、例行试验及检修中能提供大量的信息,帮助技术人员提高工作效率。例如,在SS9型机车调试过程中,发现励磁接触器91KM和92KM工作不正常,技术人员可根据图6一15所示的逻辑控制梯形图来检查是否满足励磁接触器闭合的条件。

先查看LCU的第一块输入板A6灯(表示为1A6)是否亮。1A6在司机手柄处于制动状态(406得电)时应该发亮,若不亮,则表示406没有得电;若1A6亮,下一步就查2A9是否亮,若不亮,则为电空联合制动系统不允许电制动;IA6、2A9都亮,就需查看3B2(表示牵引制动转换鼓已转换到制动位)是否亮。同理检查IB5(表示牵引接触器吸合状态)、3A14(励磁过流)是否灭,若IB5亮,则表示牵引接触器没有打开,机车主电路还没有构成制动回路,因此不允许电制动;若3A14亮,则表示微机控制柜检测到励磁回路过流,应停止电制动。若IA6、2A9、3132亮,而且IBS、3^14又灭,那就表示励磁接触器glKM和92KM应该吸合,因此应进一步查看2B4是否亮。若2B4亮,则表示LCU有输出,应检查励磁接触器91KM和92KM是否正常;若不亮,则表示LCU本身有故障,应进行A、B组转换。

五、LCU的故障诊断及检修

当司机合上蓄电池开关后,LCU即得到了电源。

当LCU上电正常时,在司机显示面板上预备灯应该亮,若不亮则表示LCU不正常,须进行A、B组切换。如果运行途中LCU出现异常,司机可以通过A、B转换来切换,在切换前请先将司机钥匙关掉,然后进行A、B组切换。一般不要求司机在途中对LCU进行检修。

当机车110v控制电源输入LCU内部的开关电源时,LCU散热风扇开始运转。A、B两组系统自动完成初始化。A、B两组的工作可以通过LCU面板上的转换开关来进行选择。当转换开关的红色箭头指向A或B,则对应的那组LCU正在工作。

1.LCU的故障检测

(l)确认是否逻辑控制单元故障。随着电子技术的不断发展,元器件的质量以及逻辑控制单元的生产工艺已经有很大改善,LCU的可靠性也越来越高。因此,在怀疑Lcu故障以前,有必要首先确认:

·主电路是否已经构成,如线路接触器是否可靠闭合等。

·与Lcu有关的状态控制信号是否送到LCU,正确与否,如牵引、制动、零位、准备、操作端等。

·LCU对外连接插座是否接触良好等等。

(2)确认A、B组是否都有故障。LcU有A、B两组完全相同的系统,它们可以完全独立工作。要检查是否A、B组都有故障,就要检查A、B两组的公共部分,即:在条件都满足的情况下,转换A、B两组,看故障是否一样,如果故障现象一样,则基本排除LCU本身的故障,如果现象不一样,则可能是其中一组LCU发生故障。

(3)确认是否LCU的电源插件故障。如果基本确定是LCU本身故障,则可以开始检侧LCU插件故障。首先看电源板是否正常工作,如果电源板指示灯为红色,则首先看是否是LCU工作电压太低,电源板处在欠压保护,如果工作电压正常,则看是否后部短路、电源板进行了过流保护,否则可能是电源板已经发生了故障。

(4)确认是否Lcu的cPu板故障。如果电源板指示灯为绿色,而且从测试孔量得输出电压正常,则再检测cPu板,主要检测cPU板指示灯是否显示正常·如果A板红灯闪烁,则第一块CPU故障;如果B板红灯闪烁,则第二块CPU故障,此时应更换CPU板。

(5)确认是否Lcu的输入板故障。首先确认输入信号是否送进LCU,可以通过测量56芯矩形插座上相对应的针是否得电,如果有电,而LCU输入板上相应的通道指示灯不亮,则可能是该输入板的这个输入通道故障。

(6)确认是否LCU的输出板故障。根据逻辑关系判断,某一输出点条件满足,应该有输出,而LCU输出板相应的通道指示灯不亮,并且相应的输出线不得电,则可能是该输出板的这个输出通道故障。如果某一输出线上不管条件是否满足一直有电,则该通道已经短路。

2.LCU的检修

一般来说LCU运行一段时间之后应对其进行全面检测,LCU的检测可以采用专用的LCU便携式测试仪或者LCU地面测试系统,对LCU的每个输入输出通道进行测试,对LCU的逻辑关系进行测试判断,以及串行通信、机箱布线等,针对整台LCU进行全面的测试。在日常的维护中,也可以通过LCU地面测试系统提供的单板侧试功能对单块插件进行测试。


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