王云飛 李玲 王翔

無觸點裝置的開發(fā)與應(yīng)用

王云飛 李玲 王翔

動車組的邏輯控制電路由大量的接觸器、時間繼電器、中間繼電器組成，給設(shè)計生產(chǎn)和檢修帶來極大的不便。為改進邏輯控制電路，采用無觸點繼電器取代機械繼電器，使邏輯控制微機化、智能化、數(shù)字化。

動車組；繼電器；控制器

1 概述

動車組邏輯控制電路由大量的接觸器、時間繼電器、中間繼電器組成，這些繼電器一部分焊在線路板上，另外一部分直接安裝在繼電器盤上。采用硬線邏輯，缺點很明顯：

（1）內(nèi)部邏輯依靠硬連線進行連接，布線復(fù)雜，內(nèi)部插件板和外部插接式繼電器之間采用連接器進行連接，連接不良隱患多；

（2）邏輯硬件化，通用性差，配件種類復(fù)雜，檢修更換要求高；

（3）時間繼電器定時精度差，長期應(yīng)用會造成定時不準(zhǔn)確；

（4）機械觸點容易拉弧，繼電器壽命較短；

（5）繼電器動作無顯示，造成檢修和故障排查困難；

（6）無歷史數(shù)據(jù)記錄，無法分析繼電器在某一時刻的狀態(tài)；

（7）不能智能性的判斷邏輯的正確性，容易產(chǎn)生錯誤擴大化。

因此，采用無觸點繼電器取代機械繼電器，實現(xiàn)邏輯控制的智能化和數(shù)字化。

2 無觸點裝置

2.1 結(jié)構(gòu)形式

主機包含電源模塊、CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊，形式簡單；所有的車型（所有車型的各車廂）采用同一種微機進行控制，內(nèi)部控制程序完全相同，采用顯示器或PTU設(shè)置自適用所有車型。

2.2 功能

（1）進行邏輯控制（控制周期1 ms）；

（2）實現(xiàn)智能判斷、智能保護；

（3）在線幫助、在線顯示（輸入、輸出、邏輯、故障）；

（4）聯(lián)網(wǎng)、實時數(shù)據(jù)傳輸（以太網(wǎng)、485）；

（5）實現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄、存儲、下載（以太網(wǎng)）；

（6）歷史狀態(tài)記錄回放，追溯故障狀態(tài)；

（7）自診斷，冗余電源自動切換，雙輸入校驗、輸出狀態(tài)反饋檢驗，過流、過壓保護。

3 無觸點裝置系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1.1 電源

純繼電器控制不存在電源問題。引入微機后，必然存在電源的問題，并且是至關(guān)重要的。微機控制采用電源盡量簡單，僅使用24 V，無其他制式，兩路DC/DC電源并聯(lián)供電，微機進行電源監(jiān)視；當(dāng)一路故障時自動進行切換、報警，以便及時更換；電源前端加電容電感網(wǎng)絡(luò)有效抑制浪涌、干擾等。

3.1.2 CPU

CPU采用NI9601控制器，主頻266 M，內(nèi)存128 M，110路I/O，頻率可達40 M。分別采用軟件、硬件狗進行監(jiān)視，復(fù)位時間5 ms以內(nèi)。由于是純硬件邏輯，復(fù)位后重新運算基本不影響控制邏輯（時間繼電器會影響）；無需外加存儲器，不間斷存儲記錄時間約為20 d，可以實現(xiàn)不同的信號不同的記錄周期，最小2 ms（聯(lián)網(wǎng)后可以做整車的采集比較）；插件板采用總線方式進行連接。

3.1.3 輸入模塊（32路/板）

輸入模塊采用光耦隔離，雙路并聯(lián)輸入，互相校驗，一旦出現(xiàn)差別，進行報警顯示，及時更換故障模塊；輸入采用一系列的濾波、抗干擾、過壓、反向等保護，增大輸入回路功率，提高抗干擾能力。

3.1.4 輸出模塊

輸出模塊中包括雙順向二極管、反向二極管、壓敏電阻等，如果出現(xiàn)故障或短路過流，及時保護并報警。

為了防止有雙向電流通過的情況，22路輸出中有2路采用機械繼電器，采用正方固態(tài)并聯(lián)的方式。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的電源、CPU、輸入、輸出插件板采用背板總線方式進行連接，采用32根I/O線作為數(shù)據(jù)總線，每個板子上設(shè)置兩個4×8=32位的SPDT開關(guān)，進行輸入輸出到總線的切換。

使用32根I/O做總線，輸入板用3個I/O做地址，輸出板用2個I/O做地址，同時用4個I/O檢測電源狀態(tài)，控制器輪番掃描各模塊，進行讀取或輸出數(shù)據(jù)，掃描周期控制在1 ms之內(nèi)。

系統(tǒng)軟件使用LabVIEW編程實現(xiàn)。LabVIEW是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言。傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)語句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而LabVIEW則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序。

LabVIEW提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波器、萬用表）類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面。用戶界面在LabVIEW中被稱為前面板。前面板創(chuàng)建完畢后，便可使用圖形化的函數(shù)添加源代碼來控制前面板上的對象。在程序框圖上添加圖形化代碼，即G代碼或程序框圖代碼。因此又被稱作程序框圖代碼。

軟件設(shè)計分為FPGA編程和CPU編程。由于FPGA的運行速度快，在FPGA上主要實現(xiàn)對輸入和輸出模塊的讀寫；在CPU上主要實現(xiàn)邏輯控制、顯示屏通信、數(shù)據(jù)存儲等功能（見圖1）。

3.2.1 FPGA程序

FPGA軟件程序主要實現(xiàn)初始化、DI板掃描和DO板程序的功能（見圖2）。

（1）初始化。定義I/O端口的輸入輸出，數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)方向和片選信號的數(shù)據(jù)方向。

圖1 程序框架

圖2 FPGA程序流程

（2）DI板掃描。選通DI輸入片選信號，掃描DI輸入；選通備份DI輸入片選信號，掃描備份DI輸入；選通DI指示燈信號，輸出DI信號，點亮指示燈；選通備份DI指示燈信號，輸出備份DI信號，點亮備份DI指示燈。

（3）DO板程序。選通輸出繼電器信號，輸出DO信號；選通輸出燈的片選信號，輸出DO信號，點亮DO指示燈。

FPGA上程序循環(huán)掃描3個DI板狀態(tài)和輸出5個DO板狀態(tài)，循環(huán)周期為600μs。

3.2.2 主控制程序

主控制器上程序主要分為：

（1）與FPGA上的數(shù)據(jù)交互，主要功能為將DI的信號從FPGA上讀取并進行濾波等處理后用作邏輯控制的輸入，將邏輯控制的輸出數(shù)據(jù)送到FPGA上的端口，輸出數(shù)據(jù)。

（2）邏輯控制程序：將列車邏輯控制用軟件程序來實現(xiàn)。

（3）與觸摸屏通信程序，功能是將邏輯控制原理中的繼電器狀態(tài)、無觸點裝置上的輸入輸出點的狀態(tài)送給顯示屏。

圖3 顯示屏與控制器之間的接線

圖4 主畫面截屏

圖5 輸入輸出畫面截屏

3.3 顯示屏

3.3.1 無觸點裝置與顯示屏通信

無觸點裝置與顯示屏通信程序功能是將邏輯控制原理中的繼電器狀態(tài)、無觸點裝置上的輸入輸出點的狀態(tài)送給顯示屏，通信速率為38 400 b/s，通信周期為500 ms。顯示屏與控制器之間的接線見圖3。

采用液晶顯示觸摸屏通過標(biāo)準(zhǔn)的RS232通信串口，與控制器通信速率達到38 400 b/s，接收控制箱的輸入、輸出狀態(tài)及各項中間狀態(tài)值，并以控制箱面板實況或控制箱原理圖紙再現(xiàn)兩種方式將狀態(tài)值實時顯示出來，司乘人員或動車組維護檢修人員可以直觀的進行觀察。當(dāng)故障出現(xiàn)時，也可以迅速查看到故障點，從而進行相應(yīng)處理。

3.3.2 顯示屏操作與顯示說明

（1）主畫面。主畫面上部右側(cè)顯示當(dāng)前時間。畫面上主要有3個畫面切換按鍵，分別用手指觸摸按鍵所在區(qū)域，可進入相應(yīng)的畫面——“輸入輸出畫面”、“原理圖畫面”和“通信連接畫面”（見圖4）。

（2）輸入輸出畫面。此畫面顯示控制箱面板外形圖。在外形圖上觸摸輸入輸出模塊即可進入相應(yīng)的數(shù)字量模塊畫面，或者按下方的畫面切換按鍵進入相應(yīng)畫面（見圖5）。

（3）原理圖畫面。畫面上排列著若干觸摸按鍵，按鍵上均寫有電氣各系統(tǒng)名稱和其所在原理圖的頁數(shù)，點擊可進入相應(yīng)原理圖畫面。另外，觸摸下方的控制箱面板圖或“返回”按鍵可進入輸入輸出畫面或返回到主畫面（見圖6）。

圖6 控制電路部分畫面截屏

3.4 便攜式測試單元（PTU）系統(tǒng)

3.4.1 PTU軟件

PTU作為無觸點控制系統(tǒng)的一個重要組成部分，能夠?qū)o觸點設(shè)備進行調(diào)試、數(shù)據(jù)觀測、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)回放等功能，是無觸點設(shè)備監(jiān)控的一個便攜工具。PTU軟件是基于LabVIEW軟件所開發(fā)的一套集監(jiān)控、調(diào)試、分析于一體的應(yīng)用型軟件。

3.4.2 系統(tǒng)組成

PTU主要包括計算機1臺、PTU軟件1套。

3.4.3 主要特點

PTU作為無觸點控制系統(tǒng)的一套調(diào)試軟件，主要有以下幾個特點。

（1）功能強大：PTU軟件可以時時監(jiān)測到無觸點裝置的所有輸入輸出點，以及內(nèi)部的各個邏輯點；可以根據(jù)不同的需要，對某一時間段的數(shù)據(jù)進行記錄或回放；可以下載控制器中存儲的文件；可以強行控制某一輸入或輸出點的狀態(tài)來滿足列車調(diào)試的用途。

（2）使用方便：PTU軟件界面簡潔，便于操作，使用時只需攜帶1臺裝有PTU軟件的計算機和1條接口為RJ45的網(wǎng)線即可，使用時只需通過網(wǎng)線將計算機和控制器相連接即可，無需額外的設(shè)置。

（3）安全性高：管理員和試驗員都可以通過設(shè)定的用戶名和密碼使用PTU軟件，但軟件本身可以根據(jù)用戶身份的不同來決定某些功能是否對該用戶進行開放，從而保證了設(shè)備自身的安全性。

（4）抗干擾能力強：PTU軟件與控制器之間通過以太網(wǎng)TCP/IP通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)交換，外部的干擾不會對數(shù)據(jù)的傳輸造成影響。

（5）系統(tǒng)的使用場所：PTU作為無觸點控制系統(tǒng)的一個組成部分，可以使用在實驗室內(nèi)對無觸點系統(tǒng)控制軟件的測試，也可以使用在列車上參與列車調(diào)試。PTU可以使用在各種無觸點設(shè)備存在的場所。

4 結(jié)束語

采用無觸點裝置替代接觸器和繼電器來實現(xiàn)列車的邏輯控制，可以節(jié)省安裝空間，提高列車邏輯控制的可靠性，節(jié)省列車檢修維護成本和時間。通過模塊化設(shè)計，縮短設(shè)計開發(fā)周期。

[1] 陳錫輝，張銀鴻．LabVIEW 8．2程序設(shè)計從入門到精通[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2007．

[2] 饒運濤．現(xiàn)場總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù)[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003．

王云飛：南車青島四方機車車輛股份有限公司技術(shù)中心，?工程師，山東?青島，266111

李 玲：南車青島四方機車車輛股份有限公司技術(shù)中心，?工程師，山東?青島，266111

王 翔：南車青島四方機車車輛股份有限公司技術(shù)中心，?工程師，山東?青島，266111

責(zé)任編輯楊倩

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