HXN3B机车设计原理微机网络控制系统

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设计说明20120317
项目名称及编号:文件编号：
交流传动内燃调车机车技术方案研究
2011J010-B
8F9D-2
拟稿 : 校核：审核：批准 : 魏宏刘景来曲天威张思庆
交流传动内燃调车机车
微机网络控制系统设计说明
中国北车集团大连机车车辆有限公司
2012年4月
目录
1 概述 (2)
2 控制系统的组成和主要功能 (2)
2.1 中央处理模块(CPM) (2)
2.2 牵引处理模块(MPU) (4)
2.3数字量输入输出模块（DIO） (4)
2.4模数转换模块（ADA） (5)
2.5模拟信号调制模块（ASC） (6)
2.6 FIRE显示屏 (6)
3 机车网络通讯 (8)
3.1 机车级网络通讯 (8)
3.2 车载微机内部上下位机之间通讯 (9)
4 机车网络控制系统功能 (11)
1概述
机车微机系统EM2000由各个功能模块组成，不仅实现了机车控制的高度自动化，还提供了极为有效的元器件和系统故障检测手段。

同时，自身具有“自检”功能，十分有利于机车状态检测及故障排除。

2 控制系统的组成和主要功能
EM2000由各个模块板组成，主机整合装在一个机箱内。

显示终端设置在机车司机室操纵台上。

EM2000微机系统包括以下模块。

1） CPM模块(中央处理模块)
2）MPU模块（牵引处理模块）
3） DIO模块 (数字量输入输出模块)
4） ADA模块（模数转换模块）
5）ASC301（模拟信号调节模块）
6）FIRE显示屏(多功能集成铁路电子设备)
EM2000微机系统通过DIO、ADA、ASC等外设模块，检测机车各个模拟量和数字量输入。

上位机CPM模块根据机车不同的工况控制外设模块输出数字量和模拟量，控制机车各个子系统功能。

同时给下位机MPU发出给定指令，控制机车牵引主传动性能。

FIRE显示屏为整个微机网络系统提供显示终端，并提供人机交互平台。

2.1 中央处理模块(CPM)
中央处理器模块是整个机车微机控制系统的核心。

模块面板有错误指示灯，可以直观的了解模块当前的状态。

CPM模块主要负责将表征机车主发励磁占空比的频率信号输给励磁斩波器。

同时根据机车工况，产生需要送给下位机牵引处理模块的转矩给定。

完成机车各个工况下，各子系统的自动控制。

此外通过RS232总线或主寄存器模块，处理器可以进行再编程。

运行总数、错误存档、校准信息及单位数据信息都被保存在有备份的RAM存储器中（使用锂电池
做为RAM的电池备份）。

CPM模块通过母板对ADA模块、DIO模块、MPU模块等进行控制或数据交互。

CPM模块配备32位处理器，工作频率大于25MHz，具有浮点运算功能或配备浮点运算协处理器。

配备VME总线接口、RS422串行接口、CAN总线接口。

处理器与VME及CAN总线之间通过双口RAM交换信息。

CPM模块框图如图1。

图1 CPM模块系统框图
2.2 牵引处理模块(MPU)
牵引处理模块与中央处理模块通过VME总线通信。

MPU外部为接口面板，连接所需要控制的牵引逆变器。

其与上位机CPM模块及被控对象牵引逆变器的功能框图如图2。

图2 牵引处理模块的功能框图
牵引处理模块配备高性能TI6000系列DSP，工作频率达120MHz，外部配有512K字节SRAM, DSP总线缓冲器和控制器；VME总线与DSP之间32K字节的双口交换信息；配备8路A/D转换通道和8k x16 bit的双口存储器；故障记录器由1M字节SRAM和控制器组成，SRAM由大电容构成的备份电源提供数据保持功能；
2.3数字量输入输出模块（DIO）
机车配备数字量输入输出模块（DIO）共四个，每个DIO模块共有24个输入通道和26个输出通道，DIO采用光电隔离传输的方式将机车74VDC系统与计算机5VDC系统联系起来。

对于数字量输入，采用了多路复用技术。

可以在一个内部时钟周期100ms 内，对每个通道以每隔10ms的速度采样5组数据。

对于一个物理通道来说，可以最多监测6个输入信号。

也就是说原来需要48个DIO通道的信号量，现在只需要8个通道就能完成。

此外，DIO具备自我检测的功能。

在一个内部时间周期100m内，单独设置两个10ms周期检测通道本身是否可以正常的开启和关闭。

如果这两个时段程序中有一个失效，将记录为故障，并且忽略从这些通道获取的所有输入信号。

2.4模数转换模块（ADA）
ADA模块接收来自各种传感器的模拟信号反馈。

将模拟信号转换成数字形式并进行调制，以便于CPM模块使用。

ADA模块也能将某些数字CPM输出信号转换成模拟形式，以便于外部设备使用。

图3即为ADA模块检测前架电流、接地电流、高温水温度、辅助电压、雷达这些模拟信号的原理图。

图3 ADA相关电路
2.5模拟信号调制模块（ASC）
ASC模拟信号调节器模块将反馈的模拟信号调制到ADA模块可以处理的范围内。

ASC301处理的模拟信号有：
BAR PRS大气压力信号，该信号作为判断机车所处位置海拔的关键信号，对柴油机控制非常重要
MG CTA1，2 前架及后架主发输出交流侧电流信号
TL 24T 电阻制动手柄位置信号，作为机车提供电阻制动力大小的依据。

BATT V蓄电池电压信号
2.6 FIRE显示屏
机车配备高性能基于内嵌式windows XP开发的车载微机人机接口设备，保证了机车信号的传输及响应迅速。

其开发简单、主流，安全可靠。

内嵌式Windows XP支持磁盘写保护的功能，提供了一种保护卷以防止写入的手段，轻易实现本地数据安全和防计算机病毒。

FIRE显示屏采用MSM800系列PC104单板机，小巧、坚固、扩展性强。

它采用GEODE LX800 CPU，主频率500MHZ，BIOS ROM，DDR-SODIMM 200针插口，LPT1并行接口，COM1、 COM2- RS232 串行接口，话筒接口，PS/2键盘接口，软盘接口， AT-IDE 硬盘接口，VGA/LCD 视频接口，PC/104 ISA 总线，PC104+ PCI 总线，PS/2 鼠标接口，4个USB 2.0等广泛的外部设备接口。

此外，还具有8路RS232通讯接口的串口卡， 4路光隔离高速同步
RS422通讯串口卡， CAN通讯板卡，用于机车重联LONWORKS板卡，全球定位系统GPS板卡，及一块具有可编程控制串口接口，看门狗时钟，为PC104单板机提供+5V电源，为LCD背光提供DC转AC电源逆变模块的电源控制板。

其硬件框图如图4：
图4 FIRE显示屏硬件框图
由于内嵌式Windows XP映像中的主应用程序及其相关的测试自动化，模块化，从而使其变得更加容易维护和管理，测试环境可以在开发团队中轻松共享，便于进一步的升级开发。

FIRE显示屏专门配备了测试各个硬件的测试程序。

其测试功能有：通用串口总线端口检查、LCD背光亮度测试、串口通讯检测、按键测试、声音测试、电源板功能参数检查、CAN通讯测试、ID定义测
试、看门狗功能测试，图5为部分测试程序截图。

图 5 测试程序截图
3 机车网络通讯
3.1 机车级网络通讯
机车采用CAN总线结构作为机车主网络，车载微机通过CAN总线与冷却风扇逆变器、空压机逆变器、电喷系统、FIRE显示屏进行通讯交互。

两个操纵台上的FIRE显示屏通过以太网路由器连接，采用以太网通讯方式。

由于FIRE 显示屏优秀的扩展能力，根据具体需要，可以配置串口通讯和LONWORKS通讯与各个子系统或设备交互。

具体机车级网络通讯示意图见图6。

图 6 机车级网络通讯示意图
3.2 车载微机内部上下位机之间通讯
车载微机中上位机中央处理模块CPM与下位机牵引处理模块MPU之间采用VME总线通讯。

其示意框图如图7。

CPM与MPU之间交互的信号与牵引系统密切相关。

其传输信号分为三大类：
1、CPM与MPU内的DSP之间的信号，如：转矩给定、蠕滑转速变化
基准、各牵引电机转速、手柄位、心跳信号、转矩反馈、基波频率、
调制率、调制模式、相电流、dq变换参数等。

2、CPM与MPU内保护序列之间的信号,如：牵引电机转速传感器失
效、看门狗故障重置、CPU故障、牵引电机转向、各种FPGA故
障、过压保护动作、电源欠压动作等。

3、CPM与MPU内故障记录器之间的信号，如：故障存储bank，直接内
存读取DMA。

为了防止上下位机之间失去响应而导致牵引系统紊乱。

在CPM和MPU之间设置四位心跳信号（0x0-0xF）检测。

以识别各个部分处理器均正常工作。

如果心跳信号丢失达两秒以上，MPU将关断全部IGBT并强制中间直流环节放电。

CPM将传给MPU 的各种牵引参数基准降低为0，关断主发励磁。

4 机车网络控制系统功能
机车微机网络控制系统的主要功能是综合机车运行工况和各个设备的运行状态，对机车进行控制。

根据系统设计要求，主要完成以下控制功能：
1、机车主传动控制，包括牵引控制，电阻制动控制，粘着控制，主发励磁控制控制系统将根据工况和机车的实时状态输出主发励磁电流基准给励磁斩波器从而实现主发励磁的控制。

通过CPM输出转矩基准给MPU，再由MPU按预置的程序输出牵引逆变器IGBT的PWM脉冲信号。

最后根据雷达速度和机车各个轴转速传感器反馈的转速来进行机车粘着的控制，并进行修正轮径。

其系统框图如图8
图8 机车主传动控制框图
2、机车辅助系统控制，包括机车各个风机、空压机、百叶窗等辅助系统负载的控制，从而满足柴油机及机车各部件的冷却及制动用风需求。

3、柴油机控制，通过CAN通讯总线与电喷系统进行交互，实现控制并反馈信息。

4、机车负载试验控制。

5、机车运行参数信息的记忆、显示及微机转储功能。

6、机车状态识别，如工况，隧道模式，库用模式等
7、机车保护功能，主要包括柴油机保护，电阻制动保护，牵引电机保护，主发保护等。

8、机车故障状态及故障记忆、提示及自诊断功能。

一旦机车发生故障，故障信息将以文本方式在微机显示屏上进行显示。

每条故障信息具有唯一的故障代码，根据不同的故障类别进行故障评估。

存储的故障信息至少包括：故障代码及名称、发生及消除的日期时间、故障发生当刻及之前机车的各种数据信息，相应的故障处理建议。

9、蓄电池移车控制
10、柴油机自动起停控制
11、机车自测试及维护功能。