无触点装置的开发与应用

王云飞 李玲 王翔

无触点装置的开发与应用

王云飞 李玲 王翔

动车组的逻辑控制电路由大量的接触器、时间继电器、中间继电器组成，给设计生产和检修带来极大的不便。为改进逻辑控制电路，采用无触点继电器取代机械继电器，使逻辑控制微机化、智能化、数字化。

动车组；继电器；控制器

1 概述

动车组逻辑控制电路由大量的接触器、时间继电器、中间继电器组成，这些继电器一部分焊在线路板上，另外一部分直接安装在继电器盘上。采用硬线逻辑，缺点很明显：

（1）内部逻辑依靠硬连线进行连接，布线复杂，内部插件板和外部插接式继电器之间采用连接器进行连接，连接不良隐患多；

（2）逻辑硬件化，通用性差，配件种类复杂，检修更换要求高；

（3）时间继电器定时精度差，长期应用会造成定时不准确；

（4）机械触点容易拉弧，继电器寿命较短；

（5）继电器动作无显示，造成检修和故障排查困难；

（6）无历史数据记录，无法分析继电器在某一时刻的状态；

（7）不能智能性的判断逻辑的正确性，容易产生错误扩大化。

因此，采用无触点继电器取代机械继电器，实现逻辑控制的智能化和数字化。

2 无触点装置

2.1 结构形式

主机包含电源模块、CPU模块、输入模块、输出模块，形式简单；所有的车型（所有车型的各车厢）采用同一种微机进行控制，内部控制程序完全相同，采用显示器或PTU设置自适用所有车型。

2.2 功能

（1）进行逻辑控制（控制周期1 ms）；

（2）实现智能判断、智能保护；

（3）在线帮助、在线显示（输入、输出、逻辑、故障）；

（4）联网、实时数据传输（以太网、485）；

（5）实现数据记录、存储、下载（以太网）；

（6）历史状态记录回放，追溯故障状态；

（7）自诊断，冗余电源自动切换，双输入校验、输出状态反馈检验，过流、过压保护。

3 无触点装置系统设计

3.1 系统硬件设计

3.1.1 电源

纯继电器控制不存在电源问题。引入微机后，必然存在电源的问题，并且是至关重要的。微机控制采用电源尽量简单，仅使用24 V，无其他制式，两路DC/DC电源并联供电，微机进行电源监视；当一路故障时自动进行切换、报警，以便及时更换；电源前端加电容电感网络有效抑制浪涌、干扰等。

3.1.2 CPU

CPU采用NI9601控制器，主频266 M，内存128 M，110路I/O，频率可达40 M。分别采用软件、硬件狗进行监视，复位时间5 ms以内。由于是纯硬件逻辑，复位后重新运算基本不影响控制逻辑（时间继电器会影响）；无需外加存储器，不间断存储记录时间约为20 d，可以实现不同的信号不同的记录周期，最小2 ms（联网后可以做整车的采集比较）；插件板采用总线方式进行连接。

3.1.3 输入模块（32路/板）

输入模块采用光耦隔离，双路并联输入，互相校验，一旦出现差别，进行报警显示，及时更换故障模块；输入采用一系列的滤波、抗干扰、过压、反向等保护，增大输入回路功率，提高抗干扰能力。

3.1.4 输出模块

输出模块中包括双顺向二极管、反向二极管、压敏电阻等，如果出现故障或短路过流，及时保护并报警。

为了防止有双向电流通过的情况，22路输出中有2路采用机械继电器，采用正方固态并联的方式。

3.2 系统软件设计

系统的电源、CPU、输入、输出插件板采用背板总线方式进行连接，采用32根I/O线作为数据总线，每个板子上设置两个4×8=32位的SPDT开关，进行输入输出到总线的切换。

使用32根I/O做总线，输入板用3个I/O做地址，输出板用2个I/O做地址，同时用4个I/O检测电源状态，控制器轮番扫描各模块，进行读取或输出数据，扫描周期控制在1 ms之内。

系统软件使用LabVIEW编程实现。LabVIEW是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序，而LabVIEW则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序。

LabVIEW提供很多外观与传统仪器（如示波器、万用表）类似的控件，可用来方便地创建用户界面。用户界面在LabVIEW中被称为前面板。前面板创建完毕后，便可使用图形化的函数添加源代码来控制前面板上的对象。在程序框图上添加图形化代码，即G代码或程序框图代码。因此又被称作程序框图代码。

软件设计分为FPGA编程和CPU编程。由于FPGA的运行速度快，在FPGA上主要实现对输入和输出模块的读写；在CPU上主要实现逻辑控制、显示屏通信、数据存储等功能（见图1）。

3.2.1 FPGA程序

FPGA软件程序主要实现初始化、DI板扫描和DO板程序的功能（见图2）。

（1）初始化。定义I/O端口的输入输出，数据总线上的数据方向和片选信号的数据方向。

图1 程序框架

图2 FPGA程序流程

（2）DI板扫描。选通DI输入片选信号，扫描DI输入；选通备份DI输入片选信号，扫描备份DI输入；选通DI指示灯信号，输出DI信号，点亮指示灯；选通备份DI指示灯信号，输出备份DI信号，点亮备份DI指示灯。

（3）DO板程序。选通输出继电器信号，输出DO信号；选通输出灯的片选信号，输出DO信号，点亮DO指示灯。

FPGA上程序循环扫描3个DI板状态和输出5个DO板状态，循环周期为600μs。

3.2.2 主控制程序

主控制器上程序主要分为：

（1）与FPGA上的数据交互，主要功能为将DI的信号从FPGA上读取并进行滤波等处理后用作逻辑控制的输入，将逻辑控制的输出数据送到FPGA上的端口，输出数据。

（2）逻辑控制程序：将列车逻辑控制用软件程序来实现。

（3）与触摸屏通信程序，功能是将逻辑控制原理中的继电器状态、无触点装置上的输入输出点的状态送给显示屏。

图3 显示屏与控制器之间的接线

图4 主画面截屏

图5 输入输出画面截屏

3.3 显示屏

3.3.1 无触点装置与显示屏通信

无触点装置与显示屏通信程序功能是将逻辑控制原理中的继电器状态、无触点装置上的输入输出点的状态送给显示屏，通信速率为38 400 b/s，通信周期为500 ms。显示屏与控制器之间的接线见图3。

采用液晶显示触摸屏通过标准的RS232通信串口，与控制器通信速率达到38 400 b/s，接收控制箱的输入、输出状态及各项中间状态值，并以控制箱面板实况或控制箱原理图纸再现两种方式将状态值实时显示出来，司乘人员或动车组维护检修人员可以直观的进行观察。当故障出现时，也可以迅速查看到故障点，从而进行相应处理。

3.3.2 显示屏操作与显示说明

（1）主画面。主画面上部右侧显示当前时间。画面上主要有3个画面切换按键，分别用手指触摸按键所在区域，可进入相应的画面——“输入输出画面”、“原理图画面”和“通信连接画面”（见图4）。

（2）输入输出画面。此画面显示控制箱面板外形图。在外形图上触摸输入输出模块即可进入相应的数字量模块画面，或者按下方的画面切换按键进入相应画面（见图5）。

（3）原理图画面。画面上排列着若干触摸按键，按键上均写有电气各系统名称和其所在原理图的页数，点击可进入相应原理图画面。另外，触摸下方的控制箱面板图或“返回”按键可进入输入输出画面或返回到主画面（见图6）。

图6 控制电路部分画面截屏

3.4 便携式测试单元（PTU）系统

3.4.1 PTU软件

PTU作为无触点控制系统的一个重要组成部分，能够对无触点设备进行调试、数据观测、数据记录、数据回放等功能，是无触点设备监控的一个便携工具。PTU软件是基于LabVIEW软件所开发的一套集监控、调试、分析于一体的应用型软件。

3.4.2 系统组成

PTU主要包括计算机1台、PTU软件1套。

3.4.3 主要特点

PTU作为无触点控制系统的一套调试软件，主要有以下几个特点。

（1）功能强大：PTU软件可以时时监测到无触点装置的所有输入输出点，以及内部的各个逻辑点；可以根据不同的需要，对某一时间段的数据进行记录或回放；可以下载控制器中存储的文件；可以强行控制某一输入或输出点的状态来满足列车调试的用途。

（2）使用方便：PTU软件界面简洁，便于操作，使用时只需携带1台装有PTU软件的计算机和1条接口为RJ45的网线即可，使用时只需通过网线将计算机和控制器相连接即可，无需额外的设置。

（3）安全性高：管理员和试验员都可以通过设定的用户名和密码使用PTU软件，但软件本身可以根据用户身份的不同来决定某些功能是否对该用户进行开放，从而保证了设备自身的安全性。

（4）抗干扰能力强：PTU软件与控制器之间通过以太网TCP/IP通信协议进行数据交换，外部的干扰不会对数据的传输造成影响。

（5）系统的使用场所：PTU作为无触点控制系统的一个组成部分，可以使用在实验室内对无触点系统控制软件的测试，也可以使用在列车上参与列车调试。PTU可以使用在各种无触点设备存在的场所。

4 结束语

采用无触点装置替代接触器和继电器来实现列车的逻辑控制，可以节省安装空间，提高列车逻辑控制的可靠性，节省列车检修维护成本和时间。通过模块化设计，缩短设计开发周期。

[1] 陈锡辉，张银鸿．LabVIEW 8．2程序设计从入门到精通[M]．北京：清华大学出版社，2007．

[2] 饶运涛．现场总线CAN原理与应用技术[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2003．

王云飞：南车青岛四方机车车辆股份有限公司技术中心， 工程师，山东 青岛，266111

李 玲：南车青岛四方机车车辆股份有限公司技术中心， 工程师，山东 青岛，266111

王 翔：南车青岛四方机车车辆股份有限公司技术中心， 工程师，山东 青岛，266111

责任编辑杨倩

U266.2

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1672-061X（2014）04-0046-04