CN107264572A - 一种具备热冗余能力的无触点逻辑控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具备热冗余能力的无触点逻辑控制系统，所述系统包括：两组逻辑控制单元A和B，控制系统启动后，控制系统根据时钟信息进行日期单双号的判断；若日期为单号，则A组自动进入工作组模式，B组进行热备份组模式；若日期为双号则B组工作组模式，A组热备份组模式，解决了现有的冷备冗余方法存在会使工作组寿命缩短的技术问题，实现了控制系统设计合理，两组逻辑控制单元交替使用，延长工作组使用寿命的技术效果。
Description
技术领域
本发明涉及铁路车辆控制系统领域，具体地，涉及一种具备热冗余能力的无触点逻辑控制系统。
背景技术
一直以来，国内外铁路车辆控制系统主要采用中间继电器和时间继电器实现逻辑控制，其大量的触点结构由于寿命较短、故障不易检测、维修检修费时、系统可靠性较低等因素给车辆运营单位造成了很大的困扰。
现有提高系统可靠性的办法主要是冷备冗余，当工作组系统故障时，启动备用组，但风险在于：连续工作的电应力积累会使工作组寿命缩短；工作组故障后，备用组启动需要时间，势必出现状态不定期；同时缺乏有效机制对空闲中的备用组进行故障检测。
综上所述，本申请发明人在实现本申请发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：
在现有技术中，现有的冷备冗余方法存在会使工作组寿命缩短，备用组启动需要时间，缺乏有效机制对空闲中的备用组进行故障检测的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种具备热冗余能力的无触点逻辑控制系统，解决了现有的冷备冗余方法存在会使工作组寿命缩短的技术问题，实现了控制系统设计合理，两组逻辑控制单元交替使用，延长工作组使用寿命的技术效果。
为解决上述技术问题，本申请提供了一种具备热冗余能力的无触点逻辑控制系统，所述系统包括：
两组逻辑控制单元A和B，控制系统启动后，控制系统根据时钟信息进行日期单双号的判断；若日期为单号，则A组自动进入工作组模式，B组进行热备份组模式；若日期为双号则B组工作组模式，A组热备份组模式。
进一步的，逻辑控制单元包括：供电处理模块、数据存储模块、外部通信模块、逻辑控制模块、逻辑采集模块、逻辑输出模块；供电处理模块用于车辆上控制电源转换为控制系统工作电源；数据存储模块用于对控制系统中的状态数据、控制数据、故障数据进行存储；外部通信模块用于控制系统与车辆上其它设备间进行信息交互、数据通信；逻辑控制模块用于对机车控制逻辑数据进行处理和控制；逻辑采集模块用于对输入到控制系统的开关逻辑信号进行采集；逻辑输出模块用于对输出逻辑信号进行驱动控制和监测。
进一步的，控制系统对外接口包括：供电输入接口、二次编程接口、开关量输入接口、开关量输出接口、转储及调试接口、MVB通信接口。
进一步的，供电处理模块与车辆控制电源连接，数据存储模块、外部通信模块、逻辑控制模块、逻辑采集模块、逻辑输出模块均与供电处理模块连接，数据存储模块与外部通信模块连接，外部通信模块、逻辑采集模块、逻辑输出模块均与逻辑控制模块连接。
进一步的，在启动和运行过程中，控制系统每隔预设时间对输入通道进行自检诊断，同时持续对输出信号进行自检诊断，当发现异常，控制系统向热备份组发出切换模式指令，当异常组收到备份组已进入工作组模式的反馈信息后，关闭自身的异常模块功能，并及时向列车MVB网络上报故障信息。
一种具备改进型“1OO2D”热冗余能力的无触点逻辑控制系统由两个可独立工作的逻辑控制工作组组成，每组主要包含供电处理模块、数据存储模块、外部通信模块、逻辑控制模块、逻辑采集模块、逻辑输出模块，其逻辑连接关系示意图见LCU装置系统连接关系图，采用插件式板卡和背板的形式组成标准3U机箱。
与传统LCU采用机械触点式时间继电器和空间继电器不同，一种具备改进型“1OO2D”热冗余能力的无触点逻辑控制系统，数字IO板采用了高可靠性的半导体开关器件MOSFET管和高性能的集成处理器ARM芯片。数字IO板经光电隔离采集110V数字逻辑，并通过双冗余CAN通信传输给主控板ARM处理器完成逻辑运算，再通过双冗余CAN通信传回数字IO板，经光电隔离后执行110V逻辑输出。
每次系统启动后，系统会根据板载RTC时钟信息进行日期单双号的判断，根据程序预设，单号则A组自动进入工作组模式，B组进行热备份组模式；双号则B组工作组模式，A组热备份组模式，让A、B处于交替工作和备份状态。
在启动和运行过程中，LCU系统每隔数秒就会对输入通道进行自检诊断，同时持续对输出信号进行自检诊断，一旦发现异常，系统立即向热备份组发出切换模式指令，当异常组收到备份组已进入工作组模式的反馈信息后，立即会关闭自身的异常模块功能，并及时向列车MVB网络上报故障信息，此种故障组切换机制保证了让热备份组无缝投入运行，整个切换过程在毫秒级，不会对设备输出状态造成任何影响。
不仅如此，一种具备改进型“1OO2D”热冗余能力的无触点逻辑控制单元(LCU)还实现了系统工作组之间、同类型板卡之间的“1OO2D”工作机制，当工作组的逻辑采集模块发生失效时，控制系统根据此失效状态，向热备份组发出切换模式指令，备份组自动进入工作模式，原工作组进入备份组模式。当此后备份组的逻辑输出模块发生失效时，控制系统根据此故障模式，将目前工作组的逻辑采集模块、逻辑控制模块和目前备份组的逻辑输出模块进行联合工作，完成对机车的逻辑控制功能，从而实现系统完整可靠工作。
本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
高性能处理器和半导体开关的应用，大大提高了系统可靠性；工作组与备份组驱动单元的单双号切换，让系统避免高负荷连续运行，均衡了系统板卡的电应力从而提高系统使用寿命；在线故障自检和反馈机制让系统工作状态时刻处于自身监测下，能及时发现异常并精确定位，从而提高了系统可靠性和大大降低了维修难度；热备组时刻处于待机状态，并可随时根据系统控制机制响应切换到工作状态，实现工作组无缝切换，避免状态不定期或短暂失效；改进型的“1OO2D”工作机制，当A组子模块发生失效且B组另外类型子模块发生失效时，可让A组正常模块与B组正常模块联合工作，进一步大大提高系统的可靠性和可用度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；
图1是本申请中具备热冗余能力的无触点逻辑控制系统连接示意图；
图2是本申请中具备热冗余能力的无触点逻辑控制系统结构组成示意图；
图3是本申请中主控权初始化流程示意图；
图4是本申请中LCU系统提供大于1OO2D冗余控制功能示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种具备热冗余能力的无触点逻辑控制系统，解决了现有的冷备冗余方法存在会使工作组寿命缩短的技术问题，实现了控制系统设计合理，两组逻辑控制单元交替使用，延长工作组使用寿命的技术效果。
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
请参考图1，本申请提供了一种具备热冗余能力的无触点逻辑控制系统，所述系统包括：
两组逻辑控制单元A和B，控制系统启动后，控制系统根据时钟信息进行日期单双号的判断；若日期为单号，则A组自动进入工作组模式，B组进行热备份组模式；若日期为双号则B组工作组模式，A组热备份组模式。
其中，逻辑控制单元包括：供电处理模块、数据存储模块、外部通信模块、逻辑控制模块、逻辑采集模块、逻辑输出模块；供电处理模块用于车辆上控制电源转换为控制系统工作电源；数据存储模块用于对控制系统中的状态数据、控制数据、故障数据进行存储；外部通信模块用于控制系统与车辆上其它设备间进行信息交互、数据通信；逻辑控制模块用于对机车控制逻辑数据进行处理和控制；逻辑采集模块用于对输入到控制系统的开关逻辑信号进行采集；逻辑输出模块用于对输出逻辑信号进行驱动控制和监测。
采用可编程逻辑控制系统完全替代传统的中间、时间继电器等触点元件电路，通过软件逻辑，实现直接控制和驱动列车接触器和电空阀等元件，完成车辆各种控制功能，并将诊断数据、状态信息上传至TCMS系统且在HMI上进行显示。
LCU装置对外接口主要有:供电输入接口、二次编程接口、开关量输入接口、开关量输出接口、转储及调试接口、MVB通信接口，LCU系统中主要的功能模块包括如下：
供电处理模块：功能：实现车辆上控制电源DC110V转换为LCU系统工作电源。实现方案：硬件电路实现，采用DC/DC模块+防护电路结构。
数据存储模块：功能：满足LCU系统中对自身状态数据、控制数据、故障数据的存储需求。实现方案：硬件部分：采用ARM处理器+DOM存储盘+外部通信接口电路结构。软件部分：运行Linux操作系统。
外部通信模块：功能：满足LCU系统与车辆上其它设备间的信息交互、数据通信等需求。实现方案：硬件部分：采用单片机控制器(或ARM)+MVB网卡+外部通信接口电路结构。软件部分：运行实时操作系统。
逻辑控制模块：功能：实现LCU系统对机车控制逻辑数据的处理、控制。实现方案：硬件部分：采用单片机控制器(或ARM处理器)+外部通信接口电路结构。软件部分：在控制器上不运行操作系统。在ARM处理器上运行实时操作系统。
逻辑采集模块：功能：实现对输入到LCU系统的开关逻辑信号的采集。实现方案：硬件电路实现。
逻辑输出模块：功能：实现LCU系统对输出逻辑信号的驱动控制、监测。实现方案：硬件电路实现。
LCU装置的热冗余技术决定，系统需要由两套独立的硬件系统构成，其结构组成框图2所示。
实现整机系统中控制部分的双冗余备份，其中电源板组件、主控板组件、输入输出板组件采用双备份方式，采用A、B组冗余工作模式。系统上电后，LCU装置中两组冗余的硬件系统都均上电，其中一组(A组或B组)默认为工作组，另外一组为备用组，当工作组发生故障时，备用组(模块，板卡级)会自动投入工作，且在备用组投入工作后，发生故障的工作组进行自我隔离。其中剩余的通信板组件、接口组件板、母板组件、机箱结构组件等采用单组工作模式，通信板采用双冗余供电方式，当组件其发生故障时，不影响LCU装置的整机控制部分功能。
由于系统采用冗余设计，存在两块主控板，所以主控权便存在竞争的情况。在常规的冗余系统中，若设备A为主设备，在A未发生故障时将一直处于工作状态，这不利于设备应力的分散；在LCU的冗余控制中充分考虑应力分散问题，在无故障状态下A设备单号(日期)执行，B设备双号(日期)执行。主控权初始化流程如图3所示。
如图3所示，在主控板CPU在初始化开始时，会得到一个主控权标志(信号量)，表明本装置是A主还是B主的信息，并进入硬件工作模式(mode＝0为自动、mode＝1为手动A组、mode＝2为手动B组)进行主控权的选择和切换；默认情况为自动模式，且在取得信任后获取该组的主控权，相反如得不到该组的信任情况下就释放主控权，让另一组获取主控权。
本申请中的系统具有如下特点：
集成处理器ARM和功率半导体开关MOSFET代替传统时间继电器和空间继电器，新技术逻辑处理更精确、可靠性更高。工作组在启动和运行中，每组数秒会进行输入自检，并持续进行输出反馈，一旦发现故障，就会对外报故障信息，并通知热备组。列车运行时，工作组和热备份组都会上电，热备份组时刻处于待机状态，并监听系统工作组的状态报文，当接收到切换模式指令命令后，可在毫秒级启动工作组模式，当异常组收到备份组已进入工作组模式的反馈信息后，立即会关闭自身的异常模块功能，此种故障组切换机制保证了让热备份组无缝投入运行，整个切换过程在毫秒级，不会对设备输出状态造成任何影响。系统每次上电后，会根据板载RTC时钟日期选择工作组，让工作组和备用组交替工作，避免工作组长时间运行，同时利于及时发现备用组的故障。系统由完全独立的两套硬件系统构成，在软件的配合控制下能够实现设备自身发生故障时的自动切换功能，且在切换过程中不对列车运行造成影响。数据记录及转储实现LCU运行过程数据、故障诊断数据的记录功能，并能够实现记录数据的转储和通过分析软件进行显示、分析的功能。
请参考图4，改进型“1OO2D”热冗余技术于列车LCU设备上的应用：
在已经切换到工作组B时，如果工作组B的输入(或输出)电路也存在故障，但此时如果工作组A的输入(或输出)电路是正常的，则可以选择采用工作组A+工作组B的组合方式来确保系统的完整，并能正常进行逻辑运算和输出控制。
在没有“1OO2D”冗余技术的情况下，工作组A的第一张数字IO板故障后，系统将切换到B组工作，若此时B组第二张数字IO板故障，则整个系统将瘫痪并造成列车故障。
而在LCU系统中引入“1OO2D”冗余技术后，A组第二张数字IO板与B组第一张数字IO板形成新的混合工作组，可靠性和可用性将大大提高。
也就是说在普通冗余技术下，A、B组同时故障后，就会导致系统故障，假设故障率为λ；在“1OO2D”的情况下，只有当A、B组相同位号的IO板同时故障时，系统才会故障，假设每组IO板数量为N，则故障率为λ/N，可见“1OO2D”下，系统可靠性提高了N倍。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (6)
1.一种具备热冗余能力的无触点逻辑控制系统，其特征在于，所述系统包括：
逻辑控制系统具有A和B两个工作组，控制系统启动后，控制系统根据时钟信息进行日期单双号的判断；若日期为单号，则A组自动进入工作组模式，B组进行热备份组模式；若日期为双号则B组工作组模式，A组热备份组模式。
2.根据权利要求1所述的具备热冗余能力的无触点逻辑控制系统，其特征在于，逻辑控制单元包括：供电处理模块、数据存储模块、外部通信模块、逻辑控制模块、逻辑采集模块、逻辑输出模块；供电处理模块用于车辆上控制电源转换为控制系统工作电源；数据存储模块用于对控制系统中的状态数据、控制数据、故障数据进行存储；外部通信模块用于控制系统与车辆上其它设备间进行信息交互、数据通信；逻辑控制模块用于对机车控制逻辑数据进行处理和控制；逻辑采集模块用于对输入到控制系统的开关逻辑信号进行采集；逻辑输出模块用于对输出逻辑信号进行驱动控制和监测。
3.根据权利要求2所述的具备热冗余能力的无触点逻辑控制系统，其特征在于，控制系统对外接口包括：供电输入接口、二次编程接口、开关量输入接口、开关量输出接口、转储及调试接口、MVB通信接口。
4.根据权利要求2所述的具备热冗余能力的无触点逻辑控制系统，其特征在于，供电处理模块与车辆控制电源连接，数据存储模块、外部通信模块、逻辑控制模块、逻辑采集模块、逻辑输出模块均与供电处理模块连接，数据存储模块与外部通信模块连接，外部通信模块、逻辑采集模块、逻辑输出模块均与逻辑控制模块连接。
5.根据权利要求1所述的具备热冗余能力的无触点逻辑控制系统，其特征在于，在启动和运行过程中，控制系统每隔预设时间对输入通道进行自检诊断，同时持续对输出信号进行自检诊断，当发现异常，控制系统向热备份组发出切换模式指令，当异常组收到备份组已进入工作组模式的反馈信息后，关闭自身的异常模块功能，并及时向列车MVB网络上报故障信息。
6.根据权利要求2所述的具备热冗余能力的无触点逻辑控制系统，其特征在于，当工作组的逻辑采集模块发生失效时，控制系统根据此失效状态，将向热备份组发出切换模式指令，备份组自动进入工作模式，原工作组进入备份组模式；当此后备份组的逻辑输出模块发生失效时，控制系统根据此故障模式，将目前工作组的逻辑采集模块、逻辑控制模块和目前备份组的逻辑输出模块进行联合工作，完成对机车的逻辑控制功能。
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