简统化微机柜设计及特点

戴仁德，刘晓柔

（1.湖南中大设计院有限公司，湖南 长沙 410018；2.长沙学院审计处，湖南 长沙 410022）

随着各个时期电子元器件的发展，以及新技术、新工艺的出现，韶山系列交直传动电力机车控制技术经历了纯模拟电路控制、数模电路混合控制、引进微机系统控制，以及后来的电子元器件表贴新工艺改进四个阶段［1］。我国交直传动电力机车控制领域存在多种模式的控制装置，这给产品的生产及运用维护带来了诸多不便。而在铁路跨越式发展新思路下，铁道装备技术面临“四化”（即“标准化、系列化、模块化、信息化”）的新要求，将交直传动电力机车控制装置简统化为一种通用产品已成为必然趋势。

TPY 型简统化微机柜是研究人员对几代交直机车控制系统（包括引进的控制系统）进行归纳总结并取长补短后，采用当前高性能器件、新的控制技术自主研发的交直机车控制装置，完全满足当前对铁道装备技术提出的“四化”要求，也能满足用户多样化需求。

1 简统化微机柜设计思路

TPY 简统化微机控制柜作为原电子柜与微机柜的技术升级产品，其安装尺寸和原控制柜保持一致，对外接口兼容，保证了整柜的互换性。插件箱模块做到硬件通用，并采用A、B 两组完全相同的模块进行冷备份，其配置的资源可以满足所有交直型电力机车控制的需要。

TPY 系列简统化微机控制柜由机车控制板、数字IO 板、脉冲分配板、转换控制板、记录诊断板、背板等部分组成。其中机车控制板为核心控制模块，采用了DSP+ARM 双CPU 架构，由DSP 管理系统总线及机车控制功能，ARM 处理器管理机车状态信息的记录、诊断、数据通信与转储等，板内逻辑及外围信号的采集与预处理由FPGA 控制管理并行完成。而将相对较独立且仅为部分交直传动电力机车所选用的功率因数补偿控制系统归为可选功能模块。

TPY 简统化微机控制系统如图1 所示，其系统软件的设计采用分层与模块化的设计理念，由平台的底层软件完成信号的采集与预处理、系统总线与时序管理等，在此基础上按具体车型的控制需求开发相应的控制功能模块，最终构成应用软件系统。

图1 简统化微机控制系统

1.1 机车控制板

机车控制板选用通用型6U 标准插件，通过AMS 总线与系统连接，是TES06 微机控制系统平台的基本硬件之一。机车控制插件作为一个交直机车控制系统的核心功能模块，基于基本的软硬件平台，通过访问本板及系统中外围资源，可方便实现交直机车控制系统、LCU 控制系统以及与外部系统通信等功能，主要包括以下部分：

（1）44 路模拟量输入：其中有1 路用于AD 芯片自检，1 路用来配合DA 芯片的自检，输入幅值为-10～+10V，采用200μs 的采样周期，即对应工频信号每个周期100 个采样点。

（2）12 路模拟量输出：输出幅值-10～+10V，周期为1ms。

（3）4 路RS485 通信口：以FPGA 实现4 路RS485 串行接口。

（4）1 路CAN 口：ARM 本身提供CAN 总线接口，通过光电隔离后送CAN 接口芯片。

（5）1 路以太网口：符合IEEE802.3/802.U-100Base-Tx/10Base-T 规范，可作为外部网络接口或用于调试、故障数据下载等。

（6）1 路USB 高速从口：符合USB2.0 规格，并支持USB OTG（On-The-Go）外设功能，具有OTG 外设的对话请求协议（Session Request Protocol，SRP）功能，还可以直接连接到OTG双重角色设备上，这种高速的USB 接口可实现与PC 连接，具备高达480Mbit/s 的传输速率，使在线数据实现波形监测。

（7）1 路USB 全速OTG 口：OTG 控制器完全兼容USB2.0 及OTG Supplement 1.0 协议，主机和设备控制器兼容USB2.0 协议，并支持12Mbit/s 的全速传输和1.5Mbit/s 的低速传输，通过U 盘可以从ARM 控制器转储重要的运行数据，同时也可以从U 盘读取数据修改系统运行参数或加载DSP 的运行程序。

（8）6 路速度信号输入：峰值为0～10V 的方波，频率范围为0～4.244kHz，即0～300km/h，输出值单位为0.01km/h。（9）IEEE796 多总线接口（电气）以及较全面的信号指示功能。

1.2 数字IO 板

数字IO 插件通过多总线与机车控制插件交换信息，多总线接口即用于完成这一功能。该部分功能逻辑由可编程逻辑器件CPLD 完成。主要实现功能如下：

（1）机车控制插件通过总线发送对应地址信号，读取数字IO 插件的接口状态信号，数字IO 插件接口逻辑器件CPLD 完成地址译码，选中该插件及对应通道组合，在读取等控制信号的配合下取得外部数字量信号。

（2）机车控制插件通过总线发送对应地址信号，将数字信号写入到数字IO 插件的外部输出通道，数字IO 插件接口逻辑器件CPLD 完成地址译码，选中对应输出通道组合，完成写入及信号调制等功能。

1.3 转换控制板

转换控制插件是通用型6U 标准插件，主要实现功能如下：

（1）提供14 路信号的转换功能。

（2）具备10 路反馈信号的采样功能，提供给控制系统调整及A/D 变换后进行控制运算。

（3）具有9 路反馈采样信号的调整与取最值功能。

（4）具有电源信号的转换与分配、短路智能保护等功能。

1.4 脉冲分配板

脉冲分配插件主要包括AD 采样电路、脉冲驱动转换电路、与AMS 总线的接口电路、电源子系统、调制解调电路。

脉冲分配插件是通用型6U 标准插件，主要是作为AMS 总线与系统的接口。主要实现功能包括：2 路50Hz、8V 峰值的正弦波网压；AMS-Bus 中的总线读、总线写、多路地址选择、总线复位、12 位双向数据总线；10 路并列独立脉冲输出；1 路解调输入、1 路调制输出。

2 简统化微机柜设计技术要点

简统化微机柜在提高系统的可靠性方面进行了一些改进与创新设计。

2.1 系统采用完全相同的A、B 两组进行冷备份冗余，提高可靠性

在设计规划时，文章将一些可选功能模块或扩展功能模块与主传动系统的控制模块分开，使A、B两组控制模块完全集成在一个插件箱中，系统布置更加紧凑、合理，柜体布线及插件箱布线相比原控制柜减少许多，可靠性提高。

2.2 插件箱布线的工艺改进

插件箱插件间连线采用PCB 母板，取消原绕接布线，解决由于机车提速震动加剧和布线密度增加造成的绕接线破损以及散热不良导致的故障问题［2］，同时改人工绕接布线提升了机器的生产效率和减少了出错率。

2.3 机车控制核心模块优化设计提高可靠性

机车控制插件采用ARM、DSP、FPGA 等最先进技术组成取代原80186 微机构成的MICAS 系统，解决系统陈旧和系统死机问题，提高可靠性。此外采用FPGA 专门负责数据的采集，ARM 处理器负责处理记录、诊断、通信与转储等工作，使系统真正具备实现信息化的数字基础。

2.4 脉冲形成与分配模块的创新设计

（1）优化程序设计。完善了上层通信部分程序；修改了同步信号正负半波检测程序，加入了滤波环节；脉冲输出加入了滤波环节；加入了网压过零保护区域与同步信号正负半波不同步的区域保护。

（2）优化了硬件设计。24V 输入点加入滤波电容，加强脉冲放大部分抗干扰能力，避免升降弓对脉冲放大部分的影响；修改脉冲放大的部分弱电压信号走线，并加强了该部分信号的驱动；修改了脉冲分配部分网压信号滤波部分电容器件的参数，减少滤波参数的分散性。

这样的设计简化了电路，提高了抗干扰性，解决原有系统可能存在的由于误脉冲输出导致的机车窜车等故障［3］。

2.5 对调制解调功能模块进行了优化设计

研究用硬件编程的方式实现对调制解调功能模块的优化设计，简化了电路，并保证了功放管开关转换过程中可能出现的功放管同时导通，造成的110V 电源的短路故障。

2.6 防空转、防滑控制系统的优化设计

由于主控系统采用了DSP、FPGA 等高性能的核心处理器和可编程逻辑器件，替代原80186微机构成的系统［4］，提高了数据处理速度，保证了防空转、防滑控制系统的实时性。结合原有防空转、防滑控制系统在运用中出现的一些问题，文章从软件上进行了优化设计，更好地发挥防空转、防滑控制系统的作用，提升了机车在复杂线路条件下的黏着利用。

2.7 新型功率因数补偿控制系统的优化设计

新型功率因数补偿控制插件选用了高性能的ARM 微控制器作为核心处理器，对机车原边电压、电流进行采样，通过专用电能计量芯片实现无功含量计算，实现对机车无功补偿的高速实时、可靠安全控制，并从软件上进行了优化设计，解决原有的一些问题，同时实现功补装置的信息化。此外，脉冲放大电路借用了主传动控制系统的脉冲放大创新电路，可靠性及抗干扰性提高。

2.8 新增或完善的部分功能

研究对系统的部分功能进行了新增或完善，具体如下：

（1）完善自检及部分故障诊断、故障导向等功能，更具有实用性。

（2）从根本上解决现有机车电子柜/微机柜运行中出现的一些问题，如窜车、微机柜电流不平衡、一些故障信号误显示、调制解调限流电阻易烧损等［5］。

（3）采用完全相同的A、B 两组冷备份冗余方式进行冗余，交叉重联问题能得到彻底解决。

（4）增加蓄电池电压的馈电检测功能，并在显示屏进行提示。

（5）对原采用模拟型电子柜的机车，增加司机室显示屏，实现对轮径设置、信号显示等功能。

（6）在增加外部信号的情况下，预留了防逆电、轮沿喷油、蓄电池电压过压检测等功能。

（7）预留了网络车所需要的MVB 模块接口。

3 简统化微机柜特点

3.1 简统化、模块化、系列化特点

在简统化微机控制系统的开发设计中，为贯彻好简统化、模块化、系列化的设计思想，文章在设计中充分总结了原电子柜/微机柜的设计长处，在功能模块进一步合并简化与通用的基础上进行了规划。

控制装置仍采用柜体结构形式，包含两个标准的84R 插件箱。在简统化微机控制柜设计开发之前，所有模式的控制柜均没有将主传动系统的控制模块与其他可选或扩展功能模块（如功率因数补偿控制系统、供电控制模块等）严格分开［6］。在设计简统化微机控制柜时，对其功能模块进行了重新整合，将两组主传动系统控制模块集成在一个插件箱中，而功能相对独立的其他可选或扩展功能模块则集成在另一个插件箱中，这样插件箱模块做到了硬件完全通用。插件布局如图2 所示。

图2 简统化微机控制插件布局

在插件模块方面，除通用的开关电源模块以外，数模混合控制型的电子柜共包括50 多种插件模块，微机柜包括14 种模块［7］，SMT 电子柜包括16 种模块。而简统化微机控制则仅设计了机车控制、数字入出、脉冲分配、转换控制4 个主要模块，以及功补控制、记录诊断2 个可选模块。

在设计完成各模块的基础上，依据各车型对控制的具体要求，文章开发了相应车型的应用软件，形成了系列通用微机控制柜（见表1）。

表1 简统化微机控制柜系列

续表

3.2 信息化特点

电力机车的运行条件恶劣，用户需要在机车运行的不同工作状态下进行参数配置（包括调节机车的PI 参数），相当不方便。而以往调节PI 参数都是根据示波器观察调节效果，以此来修改机车控制程序中PI 参数值，这意味着每次改动都需要修改控制程序，大大降低了机车控制装置的可靠性，参数调节周期较长［8］。

机车在线运行时，携带多台示波器或者采用数据采集观察监测机车运行状态信号的方法基本不可行，虽然司机室的显示屏上能够看到一些利用通信传输上来的机车的状态信号和故障条目，但是这些信息只能每隔64ms 传输一次，因此数据信息的实时性较差，不能准确反应和捕捉机车的瞬态隐性故障。

为适应铁路装备信息化的需求，文章在TPY系列简统化微机控制装置的开发中，结合车载信息处理系统的特点，在机车控制模块与记录诊断模块上，对数据通信接口进行了丰富。新系统同时具备RS485、USB 主从、MVB、工业以太网等多种通信接口，拓展信息化的各种功能。

机车控制插件具备实时状态监视与数据记录系统，不论是机车的出厂调试，还是在线运行［9］，都可以方便地通过此系统全面、长时间地监测及记录机车运行的数据信息（包括机车运行的一些关键中间变量），并利用其存储的丰富数据，通过数据回放方式仔细分析机车的瞬态隐性故障，提升调试及监测水平，提高工作效率。机车控制插件通过共用数据采集模块，而将控制功能模块与数据传输功能模块分离，能提高机车运行的安全性、可靠性；并具有在线参数调节功能，能在恶劣的运行环境下实现在线参数调试、监视，大大缩短调试周期，减小工作量。

4 结语

设计TPY 新型简统化微机控制柜是低成本快速响应市场要求的一项有效举措，这必将减少电力机车控制装置设计生产的周期和备件的数量，提高产品质量和可靠性，并且方便现场管理、节约维修成本。在批量推广后，其必将给生产、检修和运行管理带来如备件种类数量减少、机车检修与运行履历信息管理自动化等诸多便利，因此具有良好的社会效益与经济效益。