CN110979393A - 一种应用于地铁列车的可编程逻辑控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于地铁列车的可编程逻辑控制系统，包括：可编程逻辑控制单元，所述可编程逻辑控制单元上运行有嵌入式实时操作模块、图形化编程模块和存储记录模块，所述主控芯片的外围连接有通信接口电路；所述可编程逻辑控制单元至少包括电源板卡、带有记录功能及多种通信接口的网关板卡、两个冗余的主控板卡、具有四路独立CAN通信的大旁路板卡、多组冗余的数字量输入输出板卡、用于对外接线的接口板卡和背板，所述主控板卡用于控制数字量信号的输入和输出以及控制故障板卡的冗余切换，所述网关板卡与外界设备进行数据通讯，所述数字量输入输出板卡用于数据信号的采集和驱动。

Description

一种应用于地铁列车的可编程逻辑控制系统

技术领域

本发明涉及轨道交通车辆低压控制电路领域，尤其涉及一种应用于地铁列车的可编程逻辑控制系统。

背景技术

地铁列车低压控制回路是整个列车电气系统中一个复杂且重要的子系统，其中最重要且数量最多的电器件是继电器。地铁列车的信号传递、逻辑控制多由继电器完成，单列车使用继电器可达200个左右，并且继电器控制的信号大多关联到列车关键信号和逻辑。由于地铁列车的屏柜空间有限，继电器一般密贴安装，不利于散热，且使用时间一长，容易沉积灰尘；部分继电器动作频繁，最高可达每日200次，或者线圈得电时间长，最长得电保持时间为16小时，以上因素导致继电器使用约3年便开始故障率升高。在使用过程中检查手段有限，直接影响列车发生运行故障，给运营和维护造成很大困难。

LCU是利用现代电力电子技术和微计算机技术构成的无触点控制电路，可取代列车上原有的时间继电器、中间继电器等低压电器和大量的迂回线路。现有技术中，输入输出单元普遍采用非冗余结构、无操作系统、实时切换及响应速度较慢，无法满足在单个LCU板卡故障情况下及时切换冗余板卡，以保障驱动的接触器不发生误动作。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种应用于地铁列车的可编程逻辑控制系统，具体包括：

可编程逻辑控制单元，所述可编程逻辑控制单元上运行有嵌入式实时操作模块、图形化编程模块和存储记录模块，所述主控芯片的外围连接有通信接口电路；

所述可编程逻辑控制单元至少包括电源板卡、带有记录功能及多种通信接口的网关板卡、两个冗余的主控板卡、具有四路独立CAN通信的大旁路板卡、多个冗余的数字量输入输出板卡、用于对外接线的接口板卡和背板，所述主控板卡用于控制数字量信号的输入和输出以及控制故障板卡的冗余切换，所述网关板卡与外界设备进行数据通讯，所述数字量输入输出板卡用于数据信号的采集和驱动。

进一步的，所述可编程逻辑控制单元采用型号为STM32F407的主控板，该主控板与背板进行两路冗余的CAN数据通信。

进一步的，所述可编程逻辑控制单元上移植FreeRTOS嵌入式实时操作系统，运行Controlbuild图形化编程软件，在Controlbuild软件上进行图形化控制逻辑的设计。

进一步的，所述网关板卡支持MVB通信协议、RS485通信协议、以太网通信协议、CAN通信协议。

进一步的，所述数字量输入输出板卡的输出通道具有过流保护模块，当单个通道过流时所述过流保护模块自动切断该通道，发送短路信号至主控板卡进行处理，所述主控板卡进行冗余切换。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种应用于地铁列车的可编程逻辑控制系统，该控制系统具有控制方式灵活、冗余控制、编程方便、布线直观、检修条理清晰的优点，同时采用无触点输出控制方式解决列车原有系统在强振动环境下的不可靠问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本系统的功能模块图；

图2为LCU分布在地铁列车上的拓扑图，利用多种通信接口组成不同功能的网络；

图3为LCU机箱背板通信示意图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

如图1所示的一种应用于地铁列车的可编程逻辑控制系统，包括可编程逻辑控制单元，其中可编程逻辑控制单元上运行有嵌入式实时操作模块、图形化编程模块和存储记录模块，所述主控芯片的外围连接有通信接口电路。其中可编程逻辑控制单元采用型号为STM32F407的ARM内核芯片，嵌入式实时操作模块运行FreeRTOS嵌入式实时操作系统，图形化编程模块运行Controlbuild图形化编程软件，在Controlbuild软件上进行图形化控制逻辑的设计。

进一步的，STM32F407芯片实现了主控板卡全部的控制功能，通过在STM32F407芯片移植了FreeRTOS嵌入式实时操作系统，可运行Controlbuild图形化编程软件，在Controlbuild软件上进行图形化控制逻辑的设计，实现了STM32F407芯片与背板双路CAN通信模块TJA1050T的通信，利用背板CAN通讯实现了主控板对其他板卡的控制，或者发生故障板卡的冗余切换。

进一步的，STM32F407芯片实现了网关板卡全部的控制功能，通过在STM32F407芯片移植了FreeRTOS嵌入式实时操作系统，可运行文件系统并存储于基于GLS85VM1016B的NAND FLASH核心存储芯片，通过C语言编程，将网关通信的MVB通信数据、RS485通信数据、以太网通信数据、CAN通信数据进行数据记录并生成文件，该文件利用地面诊断软件进行LCU的状态及故障分析；通过上位机生成配置文件下载到网关板卡的文件系统中，配置网关前面板MVB通信的地址、以太网通信的IP地址。因此实现了STM32F407芯片与前面板冗余MVB通信模块MAX3292D的通信功能、对前面板RS485通信模块MAX485的通信功能、对前面板以太网通信模块DP83848的通信功能，可实现本LCU与列车网络控制系统或其他子设备进行通信。

进一步的，通过冗余的电源板卡为两组互为冗余的主控板、数字量输入输出板卡，和网关板卡供电，通过网关板卡完成对外数据通信及数据记录功能；通过主控板卡完成数字量输入输出板卡的输入输出控制、以及故障板卡的冗余切换。通过数字量输入输出板卡和接口板卡完成数字量的采集与驱动；通过背板两路冗余的CAN通信，网关板卡、主控板卡、数字量输入输出板卡完成数据通信和控制功能。

实施例：

假设列车采用4节编组形式，2动2拖编组方式。其中M为无司机室的动车，Tcp为有司机室的拖车。头车安装2个级联的3U LCU机箱，中间车安装1个独立的LCU机箱，整车共6个3U LCU机箱。各个LCU之间功能相互独立，实现各自逻辑控制功能。每个LCU可通过列车网络总线MVB接口与列车网络控制系统通讯，上报LCU状态数据和故障信息，LCU之间可通过CAN进行通讯。LCU根据项目的不同、列车编组的形式不同进行调整，适应所有编组形式的列车。

作为优选的方式：如图2所示，LCU机箱配置一组冗余电源板(A/B)，分别给机箱内A组或B组功能板供电，电源板的A、B组外部电源输入母线相互完全独立，在远端设置独立的控制开关(如空开的现象)。电源板具有输出欠压检测、短路保护功能。

作为优选的方式：如图2和图3示意各功能板卡供电、通信的实现形式。LCU各板卡之间采用冗余的双通道CAN总线设计，通过背板连接实现。每组LCU系统具备CAN总线冗余控制机制，确保当某一路通信总线发生故障时，可以正常启动和工作。当某一路CAN总线不能收发数据时，不进行LCU组切换，维持单CAN运行。所有板卡的CAN驱动输出端均设有抗干扰电路，以保障EMC性能。

作为优选的方式：1个LCU机箱包括2个冗余的电源板卡、1个带有记录功能及多种通信接口的网关板卡、2个冗余的主控板卡、1个具有四路独立CAN通信的大旁路板卡，若干个冗余的数字量输入输出板卡、用于对外接线的3个接口板卡和1个背板。

网关板卡支持MVB通信协议、RS485通信协议、以太网通信协议、CAN通信协议，作为优选的方式：MVB通信模块MAX3292D的通信功能、对前面板RS485通信模块MAX485的通信功能、对前面板以太网通信模块DP83848的通信功能，可实现本LCU与列车网络控制系统或其他子设备进行通信；通过背板双路CAN通信模块TJA1050T与主控板卡进行数据交互，通过前面板的拨码开关定义本LCU单元处于地铁列车的第几节车厢，从而自动分配网关板卡与主控板卡的IP地址及MVB通信地址。

作为优选的方式，所述的数字量输入板卡，由于列车在运用中可能会出现的各种状况，输入通道有高压串入的情况也偶有发生。当高压串入通道后，往往造成输入通道元件烧损，从而引发输入通道失效造成故障。为避免由于上述情况造成的故障，除了在输入通道采取加强抗高压措施外，还采用诊断电路对板卡进行自检。自检电路采用周期式自检和触发式自检两种工作模式。冗余的两个数字量输入板卡同时采集同一输入通道，主控板卡根据通道采集结果和自检结果判断输入状态。

所述的数字量输入板卡，每个输入通道采用光电隔离，并具备抗干扰能力，能准确、快速的接收输入电信号指令。输入信号电压0-30V定义为“0”；输入信号电压77-137.5V定义为“1”。各开关量输入均有对应指示灯，有输入时灯亮绿色。

所述的数字量输出板卡，驱动电路基于MOSFET芯片IRFP4332PbF为核心，构成的无触点控制电路，实现电路的开关功能，从根本上避免了传统继电器机械式触点存在的老化、接触不良的问题。每路可驱动负载2A，峰值导通电流达15A。具有功耗低，开关速度快，电路简单、成本低等优点。

所述的数字量输出板卡，输出通道采用2500VAC/1min的电气隔离,且具有短路保护功能。各开关量输出均有对应指示灯，有输出时灯亮绿色。当某路负载出现短路时，LCU自动将该路输出断开并提示，当短路消失后可以重新恢复输出，同时控制模块或插件能对自身的工作状态进行检测，当出现异常时能通过指示灯闪烁和总线上报进行提示。

所述的数字量输入输出板卡，每个输入板卡和输出板卡组成叠板的形式，形成一个仅占用4TE板位的输入输出模块，每个输入输出模块都集成有14路输入通道和10路输出通道。

所述的接口板卡，数字量输入输出通道均通过接口板对外接线，在背板进行分线处理，分别分线到冗余的数字输入板卡进行数字量采集，和数字输出驱动。解决了机箱外部分线复杂的接线方式。

本发明公开的一种应用于地铁列车的可编程逻辑控制系即LCU具备自诊断能力，机箱上具有状态指示灯，可直观的显示LCU运行状态和通道状态，如输入/输出、电源、故障、运行、通信、切换等指示。LCU运行状态和通道状态通过MVB网络实时传输给TCMS系统，并可在TCMS的HMI上显示。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种应用于地铁列车的可编程逻辑控制系统，其特征在于包括：可编程逻辑控制单元，所述可编程逻辑控制单元上运行有嵌入式实时操作模块、图形化编程模块和存储记录模块，所述主控芯片的外围连接有通信接口电路；

所述可编程逻辑控制单元至少包括电源板卡、带有记录功能及多种通信接口的网关板卡、两个冗余的主控板卡、具有四路独立CAN通信的大旁路板卡、多组冗余的数字量输入输出板卡、用于对外接线的接口板卡和背板，所述主控板卡用于控制数字量信号的输入和输出以及控制故障板卡的冗余切换，所述网关板卡与外界设备进行数据通讯，所述数字量输入输出板卡用于数据信号的采集和驱动。

2.根据权利要求1所述的应用于地铁列车的可编程逻辑控制系统，其特征还在于：所述可编程逻辑控制单元采用型号为STM32F407的主控板，该主控板与背板进行两路冗余的CAN数据通信。

3.根据权利要求2所述的应用于地铁列车的可编程逻辑控制系统，其特征还在于：所述可编程逻辑控制单元上移植FreeRTOS嵌入式实时操作系统，运行Controlbuild图形化编程软件，在Controlbuild软件上进行图形化控制逻辑的设计。

4.根据权利要求1所述的应用于地铁列车的可编程逻辑控制系统，其特征还在于：所述网关板卡支持MVB通信协议、RS485通信协议、以太网通信协议、CAN通信协议。

5.根据权利要求1所述的应用于地铁列车的可编程逻辑控制系统，其特征还在于：所述数字量输入输出板卡的输出通道具有过流保护模块，当单个通道过流时所述过流保护模块自动切断该通道，发送短路信号至主控板卡进行处理，所述主控板卡进行冗余切换。

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