CN108255123B - 基于三取二软硬件表决的列车lcu控制设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于三取二软硬件表决的列车LCU控制设备，所述设备包括：电源模块、通信模块、主控模块、IO模块，输入开关量信号经过IO模块中三路独立的输入通道处理，由IO模块中三路独立的执行CPU采集后，通过三取二表决得到输入表决值；输入表决值由主控模块中三路独立的控制CPU进行逻辑运算后，通过三取二表决得到控制表决值；控制表决值经IO模块中三路独立的执行CPU执行，通过三路输出驱动电路进行控制转换为输出。

Description

基于三取二软硬件表决的列车LCU控制设备

技术领域

本发明涉及逻辑控制设备领域，具体地，涉及一种基于三取二软硬件表决的列车LCU控制设备。

背景技术

针对复杂环境作用下受老化、电磁、振动、温度变化及各类型负载变化影响导致列车继电器控制电路的故障频发、检测困难、维护保养困难等共性难题，研究可靠性高、服役时间长的控制设备替换列车继电器控制电路。

列车运行环境复杂，LCU易受老化、电磁、振动、温度变化及各类型负载变化影响，针对本发明单位已有的双冗余LCU产品，研发可靠性更高的LCU产品。目前应用于复杂环境下的LCU采用双冗余方法，该方法有以下不足：

1)双冗余LCU电路两个通道硬件一致，通常情况下，两通道同时进行逻辑控制工作，某一通道故障后另一通道仍进行工作，单通道工作使得系统的安全性降低；

2)两通道采集、处理、输出互不干扰，形成独立的通道，尤其是一通道采集(或者其他模块)部分故障，使得此通道所有模块均受到影响，对系统资源形成浪费。

为了解决双冗余LCU在复杂环境下的可靠性问题，增加一通道形成三通道硬件冗余，三通道同时采集、处理，并对输出进行硬件三取二表决，但是该方法存在以下不足：

1)单纯使用硬件三冗余、硬件三取二表决电路，不能控制输入和处理过程中的逻辑问题；

2)三个通道除输出电路之外，并未形成良好的互补关系，可靠性和硬件资源的投入比比较低，性价比不高。

发明内容

本发明提供了基于三取二软硬件表决的列车LCU控制设备，解决了现有的不足，实现了列车控制逻辑电路的可靠性提升。

为实现上述发明目的，本申请提供了一种基于三取二软硬件表决的列车LCU控制方法与设备，通过软件、硬件两个途径，对LCU的输入、控制、输出分别进行三取二表决；

本发明另外的目的是采用无触点的信号采集技术和驱动技术，以及各功能电路全方位的故障自诊断技术，实现对LCU设备内部、外部的信号、状态监测。

本发明的三取二逻辑控制设备采用分布式结构，每节车厢安装一台LCU，分别对本节车厢内的设备进行逻辑控制，通过双冗余CAN总线实现各节车厢LCU的级联。

位于列车两端的三取二LCU通过MVB总线与TCMS系统进行通讯；每台LCU设备通过以太网和车载信息服务网络云平台通讯；每台LCU设备具备存储功能，记录自身的运行、状态数据。

针对逻辑控制设备，本发明提出一种结合了三取二软件表决和三取二硬件表决的列车LCU控制设备：

模块化分明，本发明涉及的逻辑控制设备按功能分成电源板、通信板(MVB通信板、CAN通信板、以太网通信板)、主控板、IO板等，通信板、主控板和IO板分别由独立的CPU进行控制；

为了保证通信板的可靠性，本发明中的通信板由三路冗余电源板供电；

DC110V输入开关量信号经过三张IO板同一输入通道处理，由三路独立的执行CPU(IO板)采集后，通过软件三取二表决算法得到输入表决值；

输入表决值由三路独立的控制CPU(主控板)进行逻辑梯形图运算后，通过软件三取二表决算法得到控制表决值；

控制表决值经三路独立的执行CPU(IO板)执行，通过三张IO板上的同一输出驱动电路进行控制转换，通过母板绕线实现硬件的三取二表决，实现逻辑控制转换为实际输出驱动；

LCU设备内，IO板、通信板、主控板使用双冗余CAN总线进行数据交互；

同一信号在三张IO板之间使用局部双冗余CAN总线进行数据交互；

根据列车系统设计需求，单个IO模块扩展到12路输入，6路输出(含1路大电流通道)；

按分部车厢位置，逻辑控制设备设置机箱地址编码；逻辑控制设备内部各板卡设置板卡地址编码；

从采集输入开关量开始，处理的各个中间结果环节可以通过硬件或软件的信息通道在3个CPU模块之间交换，进行三取二判断，以发现中间过程可能出现的故障。

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：

1)通信板采用三张电源板冗余供电，提高了设备通信的可靠性；

2)主控板、IO板采用硬件三冗余和软件、硬件三取二表决，提高了设备控制的可靠性。

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为三取二LCU系统拓扑结构；

图2为输入通道自检规则；

图3为输入通道三取二计算；

图4为硬件三取二输出拓扑图；

图5为CAN通信结构图；

图6为电源分布结构图；

图7为地址编码结构图。

具体实施方式

本发明提供了基于三取二软硬件表决的列车LCU控制设备，解决了现有的不足，实现了列车控制逻辑电路的可靠性提升。。

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-图7，采用无触点的信号采集技术和驱动技术，以及各功能电路全方位的故障自检技术，实现对可编程逻辑控制单元系统内部、外部的信号状态监测。

模块化分明，本发明涉及的逻辑控制设备按功能分成电源板、通信板(MVB通信板、CAN通信板、以太网通信板)、主控板、输入/输出(IO)板以及母板等，通信板、主控板和IO板分别由独立的CPU进行控制；

针对各辆列车上的逻辑控制设备，本发明提出一种基于三取二软硬件结合逻辑控制方法，其特征在于：

如图1所示，逻辑输入通过冗余输入模块的3路采集通道进行采集、转换、故障诊断，将结果通过CAN总线传输给三取二主控板，三个独立的输入通道(IO板)采集同一信号，进行软件滤波；同组的3张IO板根据输入通道自检状态和采集数据，对110V开关量输入值进行软件三取二计算，并将计算出的110V开关量输入值发送给主控板、CAN通信板、MVB通信板和以太网通信板；

如图2所示为输入通道自检流程图，自检规则为：每个输入通道自检周期，IO板对板内所有DC110V输入通道进行1次自检。自检时，DC110V开关量输入通道上叠加DC110V电压，采集值为高电平则正常，否则为故障。

如图3所示，输入采集表决值按通道的自检状态进行表决计算：当3张IO板的同一输入通道自检都正常时，该通道的输入采集表决值等于相同的2张或3张IO板的采集值；当只有2张IO板的同一输入通道自检正常时，该通道的输入采集表决值等于2路采集值相同时的值，并将IO板输入通道故障信息报告给CAN通信板、MVB通信板和以太网通信板；当只有1张IO板的同一输入通道自检正常时，该通道的输入采集表决值等于自检正常IO板的采集值，并将IO板输入通道故障信息报告给CAN通信板、MVB通信板和以太网通信板。

如图1所示，三个独立的控制CPU(主控板)进行数据分析和逻辑三取二表决，形成一致的结果后再分别送入三个执行CPU(IO板)；

每个控制周期，IO板根据主控板的输出命令控制110V开关量输出通道，并对110V开关量输出通道的输出状态进行采集，诊断110V开关量输出通道的工作状态和开关量输出通道输出值。每组的3张IO板进行并行、同步输出控制。

如图1所示，三个执行CPU(IO板)再次进行数据分析和三取二的逻辑表决，最终形成统一的结果后送入输出驱动电路，电压并通过母板绕线实现硬件的三取二表决，执行逻辑输出，具体的三取二表决电路为如图4所示：

每一路输出逻辑信号由CPU执行输出，并经过电路转换为一对相同的MOS管栅极信号，A路MOS管编组为A1、A2，B路MOS管编组为B1、B2，C路MOS管编组为C1、C2，A1、B1、C1漏极接DC110V电压，A1的源极接B2的漏极，B1的源极接C2的漏极，C1的源极接A2的漏极，A2、B2、C2源极接负载，其逻辑表达式为Y＝A1B2+B1C2+C1A2，当一路输出发生故障时(例如CPU执行输出1，B路输出故障)，B1＝B2＝0,则A1B2＝0，B1C2＝0，C1A2＝1，则Y输出为1，保证了逻辑输出的正确性，保障了设备的可靠性。

如图5所示，设备内IO板、通信板、主控板使用全局双冗余CAN总线进行数据交换，三张IO板构成IO组，IO组内另增挂载于局部组内双冗余CAN总线上。

如图6所示，CAN通信板、MVB通信板、以太网通信板由三张电源板输出的5V电源冗余供电；电源板A与主控板A、IO板A组成一路，由电源板A为主控板A、IO板A提供DC110V和5V电源，整个LCU设备构成三路供电。

如图7所示，LCU统一采用机箱地址编码来识别机箱位置，LCU内部板卡统一采用板卡地址编码。

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.基于三取二软硬件表决的列车LCU控制设备，其特征在于，所述设备包括：电源板、通信板、主控板、IO板，电源板将列车DC110V转换为设备工作电源；通信板用于实现LCU设备间通信和LCU与其他列车设备的通信；主控板用于实现逻辑梯形图的运算；IO板用于实现输入开关量信号的采集和控制命令的输出转换；一路输入开关量信号分别送入三张IO板的同一输入通道进行采集，三张IO板将采集值相互共享后，分别进行三取二表决得到输入表决值；输入表决值分别送入三张主控板进行逻辑梯形图运算，三张主控板将运算的控制值相互共享后，通过三取二表决得到控制表决值；控制表决值分别送入三张IO板的同一输出电路，将控制值转换为实际输出值，输出电路采用硬件三取二表决电路；

三取二表决电路包括ABC路MOS管组，每一路输出逻辑信号由CPU执行输出，并经过电路转换为一对相同的MOS管栅极信号，A路MOS管编组为A1、A2，B路MOS管编组为B1、B2，C路MOS管编组为C1、C2，A1、B1、C1漏极接DC110V电压，A1的源极接B2的漏极，B1的源极接C2的漏极，C1的源极接A2的漏极，A2、B2、C2源极接负载，其逻辑表达式为Y＝A1B2+B1C2+C1A2。

2.根据权利要求1所述的基于三取二软硬件表决的列车LCU控制设备，其特征在于，电源板通过硬线和通信板、主控板、IO板连接；通信板、主控板、IO板通过CAN总线连接；通信板包括：MVB通信板、CAN通信板、以太网通信板。

3.根据权利要求1所述的基于三取二软硬件表决的列车LCU控制设备，其特征在于，IO板、通信板、主控板使用双冗余CAN总线进行数据交互；同一信号在三张IO板之间使用局部双冗余CAN总线进行数据交互。

4.根据权利要求1所述的基于三取二软硬件表决的列车LCU控制设备，其特征在于，一路输入开关量信号通过三张IO板的同一输入通道进行采集、故障诊断，采集、故障诊断后的数据通过局部双冗余CAN总线在三张IO板中共享，IO板根据输入通道自检状态和采集数据，对输入采集值进行三取二计算，并将计算出的输入采集表决值发送给主控板、CAN通信板、MVB通信板和以太网通信板。

5.根据权利要求1所述的基于三取二软硬件表决的列车LCU控制设备，其特征在于，输入通道自检为：每个输入通道自检周期，IO板对板内所有DC110V输入通道进行1次自检；自检时，DC110V开关量输入通道上叠加DC110V电压，采集值为高电平则正常，否则为故障。

6.根据权利要求1所述的基于三取二软硬件表决的列车LCU控制设备，其特征在于，输入采集表决值按通道的自检状态进行表决计算：当3张IO板的同一输入通道自检都正常时，该通道的输入采集表决值等于相同的2张或3张IO板的采集值；当只有2张IO板的同一输入通道自检正常时，该通道的输入采集表决值等于2路采集值相同时的值，并将IO板输入通道故障信息报告给CAN通信板、MVB通信板和以太网通信板；当只有1张IO板的同一输入通道自检正常时，该通道的输入采集表决值等于自检正常IO板的采集值，并将IO板输入通道故障信息报告给CAN通信板、MVB通信板和以太网通信板。

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