CN102231061A - 一种用于tad型系列干燥器的信息化控制单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于TAD型系列干燥器的信息化控制单元，包括主控制单元和显示键盘单元，主控制单元的输入端与开关量输入单元相连，主控制单元的输出端与开关量输出单元相连，主控制单元与模拟量输入单元、电源管理单元连接，主控制单元与MVB通讯单元及显示键盘单元双向连接。本发明能够实时监控和诊断TAD干燥器工作状态，并能记录及实时显示，通过机车网络，能够将TAD干燥器工作状态及故障发送到司机室监控屏以提醒司机采取处理措施。本发明的在制板和外观结构上充分考虑了电磁兼容性，满足国家相关的电磁兼容性标准。本发明所用芯片级别都达到了工业级或工业级以上，所以在环境温度为-25℃至85℃时能正常稳定工作，适用范围广，抗干扰能力强。

Description

一种用于TAD型系列干燥器的信息化控制单元

技术领域

本发明涉及铁路机车中制动控制系统，特指一种用于机车用TAD型系列干燥器的信息化控制单元。

背景技术

铁道部装备越来越现代化，用户对重要部件的信息化要求也越来越高。干燥器是机车风源系统的重要部件，它负责将压缩机过来的压缩空气处理成机车其它用风设备所需要的干燥洁净的空气。当干燥器出现故障时，将影响机车管路系统的压缩空气质量，会引起机车用风设备的金属部件腐蚀、橡胶老化以及冬天管路冻结等现象，如果能及时诊断干燥器故障原因，并通知司机和检修人员，这对机车安全可靠运用具有非常重要的意义。

国产TAD型系列干燥器控制单元不具备故障自我诊断、报警提示及网络通讯功能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对TAD干燥器原理及其故障统计与分析结果及现有技术存在的问题，提供一种结构简单紧凑、价格性价比高、具有干燥器自诊断和网络通讯功能的信息化控制单元。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：用于TAD型系列干燥器的信息化控制单元包括主控制单元(1)和显示键盘单元(6)，主控制单元(1)的输入端与开关量输入单元(2)相连，主控制单元(1)的输出端与开关量输出单元(3)相连，主控制单元(1)与模拟量输入单元(4)、电源管理单元(7)连接，主控制单元(1)与MVB通讯单元(5)及显示键盘单元(6)双向连接，开关量输入单元(2)由电阻网络降压单元、稳压管限幅单元、电容滤波单元、光电隔离单元及施密特触发器依次连接构成，开关量输出单元(3)由光电隔离耦合器、滤波电路单元及过流保护电路单元依次连接构成，模拟量控制单元(4)包括电流型传感器、RCV420、滤波单元、电压型传感器、OP37、光耦单元和A/D转换器组成，电流型传感器通过RCV420和滤波单元与A/D转换器连接，电压型传感器通过OP37和滤波单元与A/D转换器连接，两个光耦单元并联接入A/D转换器，MVB通讯单元(5)包括ARM微处理器、RAM单元、FLASH存储单元、SDRAM接口单元、通信存储器、MVB通信控制器、MVB物理层接口电路、UART接口电路，ARM微处理器是通讯设备管理器，UART接口电路、MVB通信控制器与通信存储器通过数据线地址与ARM微处理器相连，RAM单元、FLASH存储单元、SDRAM接口单元分别通过总线与MVB通信控制器与通信存储器相连，MVB物理层接口电路与MVB通信控制器连接。

所述的电源管理单元(7)包括多个DC/DC变换器，相同型号的DC/DC变换器两两并联。

主控单元采用AT91SAM7S256ARM芯片。

以下对本发明作详细说明。

本发明的解决方案为：

1、将从传感器来的4-20mA电流，经过电流电压转换器转换为0-5V电压。由于机车上电磁环境复杂，会对模拟输入信号产生干扰，因此模拟信号进行A/D转换器之前还必须进行滤波403消除干扰。滤波器可以是无源的也可以是有源的，在本系统中采用二阶RC滤波。滤波后就进行A/D转换，对机车制动控制要求比较精确，所以保证采样分辨率至少要有10位，装置共有6路模拟量输入通道。

2、当干燥器正常工作时，可实时显示干燥器双塔的工作状态，包括检测到的压力数据、转换周期、温度、湿度数据等。

3、开关量输入单元包括电阻网络降压单元、稳压管限幅单元、电容滤波单元、光电隔离单元以及施密特触发器，输入信号经依次相连的电阻网络降压单元、稳压管限幅单元、电容滤波单元、光电隔离单元、施密特触发器后送至主控制单元的输入端，装置共有8路开关量输入通道。

4、所述开关量输出单元包括光电隔离耦合器、滤波电路单元以及过流保护电路单元，主控制单元输出端送出的控制信号经依次相连的光电隔离耦合器、滤波电路单元、过流保护电路单元后送至干燥器内部电控阀，装置共有4路开关量输出通道。

5、硬件由循环定时器及信息化模块构成，信息化模块以高速处理器为核心。

本发明能够实时监控和诊断TAD干燥器工作状态，并能记录及实时显示；能够通过机车网络，将TAD干燥器工作状态及故障发送到司机室监控屏以提醒司机采取处理措施。本发明的在制板和外观结构上充分考虑了电磁兼容性，满足国家相关的电磁兼容性标准。本发明所用的芯片级别都达到了工业级或工业级以上，所以在环境温度为-25℃至85℃时能正常稳定工作，适用范围广，抗干扰能力强。

附图说明

图1是本发明的框架结构示意图；

图2是本发明中开关量输入单元的框架结构示意图；

图3是本发明中开关量输出单元的框架结构示意图；

图4是本发明中模拟量输入单元的框架结构示意图；

图5是本发明中电源管理单元的框架结构示意图；

图6是具体实施例中开关量输入单元的电路原理示意图；

图7是具体实施例中开关量输出单元的电路原理示意图；

图8是具体实施例中模拟量输入单元的电路原理示意图；

图9是具体实施例中MVB通讯单元的框架结构示意图。

其中：

1：主控制单元；2：开关量输入单元；201：电阻网络降压单元；

202：稳压管限幅单元；203：电容滤波单元；204：光电隔离单元；

205：施密特触发器；3：开关量输出单元；301：光电隔离耦合器；

302：滤波电路单元；303：过流保护电路单元；4：模拟量输入单元；

401：电流型传感器；402：电流电压变换RCV420；403：滤波；

404：电压型传感器；405：OP37；406：滤波；407：光藕；

408：A/D转换芯片ADS8344；5：电源管理单元；

701：110V/24V变换芯片；702：24V/15V变换芯片；

703：15V/5V变换芯片。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明包括主控制单元(1)、开关量输入单元(2)、开关量输出单元(3)、模拟量输入单元(4)、MVB通讯单元(5)、显示键盘单元(6)以及为上述各组件供电的电源管理单元(7)，用来输入开关量控制信号的开关量输入单元(2)与主控制单元(1)的输入端相连，用于输出开关量控制信号的开关量输出单元(3)与主控制单元(1)的输出端相连，主控制单元(1)通过MVB通讯单元(4)与机车制动系统内部设备节点间、制动系统或其他机车设备间的进行通信连接，主控制单元(1)通过模拟量输入端元(4)采集传感器送来的电流信号，主控制单元(1)输入输出端与显示键盘单元相连。

主控单元是装置的控制核心，负责开关量的输入采集、开关量的输出控制、模拟量的采集，键盘显示控制，及相关的逻辑运算。采用高速单片机或者嵌入式微处理器。

如图2和图6所示，具体实施例中，开关量输入单元2包括电阻网络降压单元201、稳压管限幅单元202、电容滤波单元203、光电隔离单元204以及施密特触发器205。输入信号经依次相连的电阻网络降压单元201、稳压管限幅单元202、电容滤波单元203、光电隔离单元204、施密特触发器205后送至主控制单元1的输入端。IN1表示输入的110V开关量信号，其负端为110V地，DIN1表示接到CPU板上的数字信号。当IN1有输入时，由于R2和R3的分压，会在R3上产生压降。如果这个电压大于稳压管的稳压值，稳压二极管被击穿，光耦导通。根据光耦TLP624-4的导通特性可知，当Vf电压大于0.9V时，就会有正向的电流产生，使光耦导通。由于机车控制110V电压是有波动的，根据技术要求，当输入在0-70V时认为输入为0，当输入在90-130V时，认为输入为1。在设计中，通过调整稳压管和分压电阻R3的值来改变光耦的导通临界值。在光耦输出端，通过1K电阻连接施密特触发器。经查TLP624的器件手册可知，光祸开启和关断时间分别为100ms和300ms，有比较大的时延。所以用施密特触发器来优化输出波形，使信号的边沿跳变时间大于ns级，并把信号送给CPU，以保证信号的完整性。这种电路可靠性很高，抗干扰能力强，能适应机车上的恶劣工作环境。控制单元共有8路开关量输入。

如图3和图7所示，具体实施例中，开关量输出单元3包括光电隔离耦合器301、滤波电路单元302以及过流保护电路单元303。主控制单元1输出端送出的控制信号经依次相连的光电隔离耦合器301、滤波电路单元302、过流保护电路单元303后送至电控制动机的电控阀。数字量输出为32路，输出通道中，主控制单元1接收背板总线信号，处理输出某一个通道的开关信号，由于主控制单元1输出信号为TTL电平，负载能力较低，为了与其外部的110V直流工作系统相连接，并具有足够的驱动能力，所以采用MOSFET作为功率放大元件，并利用主控制单元1发出高频调制控制信号通过脉冲隔离变压器耦合控制MOSFET通断，输出额定电流为0.9A/110V。输出具有短路保功能，短路保护整定值为6A，MOSFET保护电路可以迅速关断出现问题的MOSFET。图7a所示，DO1接收主控制单元1发出的信号后，经过74HC04非门增强驱动能力后，来控制Q1的通断。由于脉冲变压器采用的是异名端接法，所以当三极管导通时，变压器的原边将磁能储存起来。当三极管关断时，变压器通过副边的整流电路释放能量。图7b所示，经过脉冲变压器后，在正向驱动脉冲最初的极短时间内，由于R2和C2的存在，U2被箝位在较低的电位而使D4截止，Q2由于没有基极电流保持截止状态，电压几乎全部加在MOSFET上，给输入电容迅速充电。随着栅源电压的建立，MOSFET管开通，漏源极间的电压减小，二极管D7正向偏置而导通，U1被箝位，D4及Q2由于反偏而继续可靠的截止。当MOSFET过流时，漏极电压迅速升高，二极管D7反偏截止，U2开始升高。当U2升至高于稳压管D4与三极管Q2的门值电压之和时，Q2导通，栅极电位被下拉至接近OV，从而使MOSFET可靠的关断，主电路电流被切断，过电流得到了遏制。

通过自动检测每个通道的输出电流来实现对输出通道过电流、长时间输出短路以及接地故障的保护功能。每个输出通道都具有过流保护功能，主控制单元1输出板设计总的输出点数为32点，每点的输出电流最大为8A。每块输出板为8点，各输出通道均有对应的状态指示灯指示该通道的工作状态。控制单元共有4路开关量输出。

如图4和图8所示，具体实施例中，模拟量输入单元4主要用来采集传感器送来的电流信号，4～20mA的电流信号，经过整形转换成0～10V的电压信号，再通过限幅、滤波403等处理后送到ADS8344芯片4010进行模数转换。电路采用16位精度的采样芯片，通过隔离将模拟信号转换成数字信号到主控制单元(1)进行运算。单块模拟板包含14路4～20mA电流信号输入通道和2路0～10V电压信号输入通道。从传感器来的4-20mA电流，经过RCV420(402)转换为0-5V电压。0-10V电压信号经过OP37(407)转换为0-5V电压。由于机车上电磁环境复杂，会对模拟输入信号产生干扰，因此模拟信号进行A/D转换器之前还必须进行滤波403消除干扰。滤波器可以是无源的也可以是有源的，在本系统中采用二阶RC滤波。滤波后就进行A/D转换，对机车制动控制要求比较精确，所以保证采样分辨率至少要有10位。为了满足精度要求，采用16位的A/D芯片ADS8344，ADS8344是一个高速、低功耗、16位逐次逼近型ADC，采用2.7V至5V单电源供电，最大采样速率为100KHz，信噪比达84dB，带有串行接口，它包含8个单端模拟输入通道，也可合成为4个差分输入。采用20引脚QSDP封装或20引脚SSOP封装，工作温度范围为-40℃-+85℃。单片机的P1口控制信号经过光耦6N136(408)后，控制ADS8344(4010)进行A/D转换，模拟量从AINO-AIN7输入。控制单元共有6路模拟量输入。

如图5所示，具体实施例中，BCU电源管理单元8采用DC/DC全隔离模块电源，输入电源+110V经过滤波后进入DC/DC模块转换成+24V(701)，转换后的+24V电源经过同样的方式转换成±15V(702)，转换后的+15V电源经过同样的方式转换成+5V(703)。由图可知，每一种DC/DC转换模块均采用两电源供电方式，互为冗余备份，当其中一路电源出现故障使，自动转换到另外一路。两电源工作方式提高了主控制单元1工作的可靠性。键盘显示单元采用专用控制芯片和通用液晶显示屏。

Claims (3)

1.一种用于TAD型系列干燥器的信息化控制单元，包括主控制单元(1)和显示键盘单元(6)，其特征在于，主控制单元(1)的输入端与开关量输入单元(2)相连，主控制单元(1)的输出端与开关量输出单元(3)相连，主控制单元(1)与模拟量输入单元(4)、电源管理单元(7)连接，主控制单元(1)与MVB通讯单元(5)及显示键盘单元(6)双向连接，开关量输入单元(2)由电阻网络降压单元、稳压管限幅单元、电容滤波单元、光电隔离单元及施密特触发器依次连接构成，开关量输出单元(3)由光电隔离耦合器、滤波电路单元及过流保护电路单元依次连接构成，模拟量控制单元(4)包括电流型传感器、RCV420、滤波单元、电压型传感器、OP37、光耦单元和A/D转换器组成，电流型传感器通过RCV420和滤波单元与A/D转换器连接，电压型传感器通过OP37和滤波单元与A/D转换器连接，两个光耦单元并联接入A/D转换器，MVB通讯单元(5)包括ARM微处理器、RAM单元、FLASH存储单元、SDRAM接口单元、通信存储器、MVB通信控制器、MVB物理层接口电路、UART接口电路，ARM微处理器是通讯设备管理器，UART接口电路、MVB通信控制器与通信存储器通过数据线地址与ARM微处理器相连，RAM单元、FLASH存储单元、SDRAM接口单元分别通过总线与MVB通信控制器与通信存储器相连，MVB物理层接口电路与MVB通信控制器连接。

2.根据权利要求1所述的用于TAD型系列干燥器的信息化控制单元，其特征在于，所述的电源管理单元(7)包括多个DC/DC变换器，相同型号的DC/DC变换器两两并联。

3.根据权利要求1所述的用于TAD型系列干燥器的信息化控制单元，其特征在于，主控单元采用AT91SAM7S256ARM芯片。

Images