专利名称：固定重联机车牵引控制系统的制作方法
技术领域：
本发明属于一种铁路机车传动控制系统，特别是一种用于SS3B固定重联电力机车的主牵引控制和整车数字化自动监控的传动控制系统。
背景技术：
铁路列车在运行时有时需用两台机车同时实现牵引，在两台机车联接处的设置司机室，由司机来分别控制两台机车各个单元的正常运行，这种控制方式对司机来讲是比较繁琐的。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用最新的列车通信标准进行机车控制系统中的数据通信，完成主牵引控制、电气逻辑控制、电空制动控制、安全监控和通信协调控制等功能，以克服上述的不足。
为了实现上述目的，本发明由两台机车连接构成，其中每台机车具有相同的控制系统，分别由中央控制单元(CCU)、传动控制单元(DCU)、逻辑控制单元(LCU)、显示单元(IDU)、运行安全监控单元(TAX2)和电空制动逻辑控制单元(DKL)组成，其特点是每台机车控制系统中的每个单元内部采用控制局域网(CAN)总线进行模板间的数据通信，各单元之间采用多功能车辆总线(MVB)进行数据通信，两台机车之间采用绞线式车辆总线WTB实现机车之间的重联数据通信；上述每台机车内控制系统内部采用MVB通信接口将各功能单元互联，在每个单元中均设有MVB通信模板，模板上设计有标准的连接器，选用冗余通道双绞屏蔽电缆以总线方式连接各单元；上述中央控制器为双机冷备份冗余结构，在同一机箱中安装两台CCU单元，每一台CCU单元由中心控制器、TCN网关、重联信号I/O模板和电源模板构成；上述逻辑控制单元由两个结构相同的逻辑控制单元LCU1和LCU2构成，分别安装在两个低压电气柜内，每个逻辑控制单元均设计为双机冗余冷备份，通过转换换电源进行备份切换，每个逻辑控制单元由电源模板、主控CPU模板、数字量输入模板、数字量输出模板和MVB通信模板组成，模板之间采用CAN进行数据交换，MVB通信模板协同主控CPU模板控制内部数据通信，以及控制两个LCU1、LCU2与CCU之间的数据交换。
上述传动控制单元由主控CPU模板、脉冲控制模板、脉冲驱动模板、模拟输入输出模板、开关量输入输出模板、MVB通信模板和电源模板组成，牵引控制单元采用故障切除和取代的双机备份方式，传动控制单元通过CAN总线实现单元内部模板通信和数据交换，传动控制单元通过MVB通信模板连接到车辆总线MVB上，与其他单元交换数据。
上述显示单元采用PC104总线连接内部模块，外部接口包括为MVB通信接口、RS485接口、RS2 32接口、CAN通信接口、USB接口和IC卡读写接口，显示单元中的CPU模块、显示(驱动)模块和显示屏均为外购标准模块；上述MVB通信模板是系统网络MVB数据通信与TAX2监控装置中RS485数据通信的转换模板，通过RS485接收TAX2系统的数据，然后将这些数据发送到MVB网络上。
本发明是易于扩充的，数字控制单元加入MVB通信模板，更新系统通信软件后，即能接入系统之中。例如，可在系统中增加辅助逆变供电单元，通过MVB接口实现数据传输。
图1为本发明原理框2为本发明每节机车控制系统内部网络连接框图。
图3为本发明中央控制单元结构原理框图。
图4为本发明逻辑控制单元结构原理框图。
图5为本发明逻辑控制单元中的MVB通信模板结构原理框图。
图6为本发明牵引控制单元结构原理框图。
图7为本发明显示单元结构原理框图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述，但下述实施例不应理解为对本发明的限制本发明由两台原SS3电力机车经改造设计而构成，即取消两台机车联接处的司机室并增加连接通道，构成SS3B固定重联机车。针对改造后的SS3B固定重联机车的两节结构，本发明为两节分机车设计两套控制系统，采用列车通信网络进行重联控制。每节机车具有相同的控制系统，由中央控制单元(CCU)、传动控制单元(DCU)、逻辑控制单元(LCU)、显示单元(IDU)、运行安全监控单元(TAX2)和电空制动逻辑控制单元(DKL)组成。机车内部各控制单元完成各自的功能并采用车辆总线(MVB)进行数据通信。控制系统的网络拓扑结构如图1所示。数据通信采用三层网络结构，即在控制单元内部采用CAN总线进行模板间的数据通信，控制单元之间采用MVB实现数据通信，采用WTB实现机车之间的重联数据通信。
本发明的中央控制器(CCU)完成网络通信管理、重联信息处理、交换和控制、对功能模块的检测和故障诊断、对重联机车控制的主从识别等功能；传动控制单元(DCU)完成主牵引整流器的控制、牵引特性控制、制动特性、控制命令、状态信息的网络通信交换、电路保护等功能；逻辑控制单元(LCU)完成主回路电气逻辑控制、机车辅助设备电气逻辑控制、空气制动回路电空阀逻辑控制、控制命令、状态信息的网络通信交换、保护控制等功能；电空制动控制单元(DKL)完成接受电空控制器信号、实现过充、缓解、制动、保压等综合制动作用逻辑控制、与监控装置和其它装置的信息交换等功能；显示单元(IDU)完成机车运行参数显示、机车控制参数设置、网络状态诊断和显示提示、系统状态显示和故障处理提示、控制系统调试信息显示、故障记录、数据转储、MVB网络通信等功能；监控单元(TAX2)MVB通信模板完成MVB外部通信接口、RS485内部通信接口、软件实现规定协议的监控数据通信转换等功能。
本发明每节机车系统内部互连如图2，本系统采用MVB通信接口将各功能单元互联。在每个单元中均设有MVB通信模板，模板上设计有标准的连接器，选用冗余通道双绞屏蔽电缆以总线方式连接各单元。网络数据的传输符合IEC 61375标准的规定。本发明采用WTB通信接口和双绞屏蔽电缆连接两节机车，实现网络重联通信。WTB电缆为双线冗余结构以总线方式连接四个网关接口。控制单元中的模板间采用控制局域网络CAN互联通信。对于MVB通信模板，与单元内部的通信具有CAN通信接口和双端口RAM并行数据交换接口，提供功能单元数据通信软件设计时的灵活选择。
本发明中央控制单元(CCU)为双机冗余结构，在同一机箱中安装两台CCU单元；一台CCU单元由TCN网关、重联信号I/O模板和电源模板组成，如图3所示。为达到重联可靠性，CCU采用双机冷备份冗余设计。中央控制单元(CCU)包括电源电源供电标称电压和额定电流分别为+5V，5A和+12V，5A；TCN网关包括电源模块、处理器模块、MVB模块和WTB模块。采用引进网关模板和底板结构，将其安装于新设计的机箱中。处理器模板含有32位CPU和实时操作系统，应用编程工具ISaGRAF软件对网关编程，进行网络通信控制和信息处理；司控与重联信号I/O模板包括数字量输入模板、数字量输出模板、模拟量输入/输出模板和通信控制模板。输入/输出模板处理司机控制器和重联信号，通信控制模板将处理信息通过MVB接入TCN网关。通信模板采用16位微处理器，I/O模板采用8位处理器，I/O数量配置应满足资阳内燃机车厂《SS3B型固定重联机车电气原理图》的控制电路所给出的信号数量的要求，数字信号模块设计为输入32路和输出32路，模拟信号模块设计为输入8路和输出8路，各通道均设有光电隔离。
本发明逻辑控制单元(LCU)有两个结构相同的逻辑控制单元LCU1和LCU2，分别安装在两个低压电气柜内。每个逻辑控制单元均设计为双机冗余冷备份，通过转换换电源进行备份切换。逻辑控制单元(LCU)由电源模板、主控CPU模板、数字量输入模板、数字量输出模板和MVB通信模板组成。模板之间采用CAN进行数据交换。MVB通信模板协同主控CPU模板控制内部数据通信，以及控制两LCU1、LCU2与CCU之间的数据交换。逻辑控制单元(LCU)的结构如图4所示。
本发明MVB通信模板的功能是实现LCU与CCU的数据交换以及两LCU间的数据通信；该MVB通信模板由16位处理器、CAN控制器接口、双端口储存器和基于PC104总线的MVB通信接口板构成，如图5所示。
本发明传动控制单元(DCU)由主控CPU模板、脉冲控制模板、脉冲驱动模板、模拟输入输出模板、开关量输入输出模板、MVB通信模板和电源模板组成，其组成如图6所示。传动控制单元(DCU)采用故障切除和取代的双机备份方式，正常运行情况下，两台传动控制单元DCU1和DCU2独立对两个转向架牵引电动机进行控制；当其中之一发生故障，则将故障者切除，并由其中正常的传动控制单元同时对两个转向架牵引电动机的进行控制。通过CAN总线实现单元内部模板通信和数据交换；传动单元(DCU)通过MVB通信模板连接到车辆总线MVB上，与其他单元交换数据。主CPU模板完成机车的牵引、制动性能控制；I/O模板对模拟信号和开关信号进行处理；脉冲控制模板根据主CPU模板的控制信号调整晶闸管控制脉冲的触发角；脉冲驱动模板对脉冲控制模板产生的脉冲信号进行功率放大，向整流器各个晶闸管发送脉冲序列。脉冲驱动模板具有转换控制功能，以实现在其中一个牵引控制组件出现故障时，进行DCU1和DCU2之间的信号转换。
本发明电空逻辑控制单元(DKL)根据资阳内燃机车厂和株州电力机车厂的设计资料，自行设计电空制动逻辑控制器。参考电力机车逻辑单元进行硬件设计；根据机车设计单位提供的气动逻辑原理图进行逻辑控制软件设计。
本发明TAX2监控装置中的MVB通信模板系统网络MVB数据通信与TAX2监控装置中RS485数据通信的转换模板；通过RS485接收TAX2系统的数据，然后将这些数据发送到MVB网络上。硬件设计采用与逻辑控制单元(LCU)中的MVB通信模板相同的方法，但印制板的尺寸和底板插件应与TAX2产品一致；软件设计必须根据2003年4月铁道部通过的《SS3B固定重联电力机车网络控制系统基本通信协议与数据流程》V1.0的规定实现协议转换。MVB通信模板中与TAX2通信的RS485接口必须通过光电隔离方式交换数据。
本发明显示单元(IDU)是机车控制系统中重要的人机接口设备，必须具有可靠的操作特性和稳定的图形化显示性能。对于机车的运行操作、状态监控和维护，该单元完成如下功能机车控制参数设置、机车运行参数显示、系统调试参数显示、系统故障诊断及处理显示提示、故障记录和数据转储、以及MVB网络通信。显示单元IDU采用PC104总线连接内部模块，外部接口包括为MVB通信接口、RS485接口、RS232接口、CAN通信接口、USB接口和IC卡读写接口，显示单元IDU的组成框图如图7所示。IDU中的CPU模块、显示(驱动)模块和显示屏均为外购标准模块；MVB接口采用duagon公司的产品，进行硬件和软件集成设计；串行通信模块、存储读写接口(或模块)和电源模块自行设计。
本发明中央控制单元CCU采用双机冗余设计，当正在运行的CCU发生故障时，显示单元显示该CCU处于故障状态，提示操作人员进行CCU的切换。该故障切换将被记录，并保持切换状态显示，直至故障CCU修复后人工复位为止。当本车CCU出现故障时，LCU和DCU均能检测出该通信故障，并对机车进行实时保护。
本发明WTB模板和各单元的MVB模板均为通道冗余设计，当模板的任一通道出现故障时，能自动实时切换，并将通道故障信息在显示单元上提示，故障提示信息直至修复后消除。
本发明逻辑控制单元LCU采用双机冗余结构，CCU和IDU均能对运行中的LCU出现的故障进行检测；并由IDU进行故障显示，提示操作人员进行LCU切换。切换前，操作手柄回零位，清除控制控制命令。
本发明传动控制单元DCU采用两个控制单元DCU1和DCU2分别对转向架牵引电动机独立控制，CCU和IDU能检测运行中的DCU故障。当某DCU出现故障时，提示操作人员对故障DCU进行复位和切换处理。由正常的DCU继续对机车牵引控制，并对原故障单元控制的电机信号进行显示监测。
本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。
权利要求
1.一种固定重联机车牵引控制系统，由两台机车连接构成，其中每台机车具有相同的控制系统，分别由中央控制单元(CCU)、传动控制单元(LCU)、逻辑控制单元(LCU)、显示单元(IDU)、运行安全监控单元(TAX2)和电空制动逻辑控制单元(DKL)组成，其特征在于每台机车控制系统中的每个单元内部采用控制局域网(CAN)总线进行模板间的数据通信，各单元之间采用车辆总线(MVB)进行数据通信，两台机车之间采用WTB实现机车之间的重联数据通信。
2.如权利要求1所述的固定重联机车牵引控制系统，其特征在于每台机车内控制系统内部采用MVB通信接口将各功能单元互联，在每个单元中均设有MVB通信模板，模板上设置有标准的连接器，选用冗余通道双绞屏蔽电缆以总线方式连接各单元。
3.如权利要求1所述的固定重联机车牵引控制系统，其特征在于中央控制器为双机冷备份冗余结构，在同一机箱中安装两台CCU单元，每一台CCU单元由中心控制器、TCN网关、重联信号I/O模板和电源模板构成。
4.如权利要求1所述的固定重联机车牵引控制系统，其特征在于逻辑控制单元由两个结构相同的逻辑控制单元LCU1和LCU2构成，分别安装在两个低压电气柜内，每个逻辑控制单元均设计为双机冗余冷备份，通过转换换电源进行备份切换，每个逻辑控制单元由电源模板、主控CPU模板、数字量输入模板、数字量输出模板和MVB通信模板组成，模板之间采用CAN进行数据交换，MVB通信模板协同主控CPU模板控制内部数据通信，以及控制两个LCU1、LCU2与CCU之间的数据交换。
5.如权利要求1所述的固定重联机车牵引控制系统，其特征在于传动控制单元由主控CPU模板、脉冲控制模板、脉冲驱动模板、模拟输入输出模板、开关量输入输出模板、MVB通信模板和电源模板组成，传动控制单元采用故障切除和取代的双机备份方式，牵引控制单元通过CAN总线实现单元内部模板通信和数据交换，传动控制单元通过MVB通信模板连接到车辆总线MVB上，与其他单元交换数据。
6.如权利要求1所述的固定重联机车牵引控制系统，其特征在于显示单元采用PC104总线连接内部模块，外部接口包括为MVB通信接口、RS485接口、RS232接口、CAN通信接口、USB接口和IC卡读写接口，显示单元中的CPU模块、显示模块和显示屏均为外购标准模块。
7.如权利要求2所述的固定重联机车牵引控制系统，其特征在于MVB通信模板是系统网络MVB数据通信与TAX2监控装置中RS485数据通信的转换模板，通过RS485接收TAX2系统的数据，然后将这些数据发送到MVB网络上。
全文摘要
本发明涉及一种固定重联机车牵引控制系统，由两台机车连接构成，其中每台机车具有相同的控制系统，分别由中央控制单元(CCU)、传动控制单元(DCU)、逻辑控制单元(LCU)、显示单元(IDU)、运行安全监控单元(TAX2)和电空制动逻辑控制单元(DKL)组成，其特点是每台机车控制系统中的每个单元内部采用控制局域网(CAN)总线进行模板间的数据通信，各单元之间采用车辆总线(MVB)进行数据通信，两台机车之间采用WTB实现机车之间的重联数据通信。本发明是易于扩充的，数字控制单元加入MVB通信模板，更新系统通信软件后，即能接入系统之中。
文档编号G05B15/00GK1632702SQ200410061469
公开日2005年6月29日 申请日期2004年12月31日 优先权日2004年12月31日
发明者赵涛, 宋恺, 肖峻岭 申请人:武汉正远铁路电气有限公司