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SS4BLCU逻辑控制单元

长沙瑞纬

2007年6月

株洲南车时代电气有限公司营销中心技术服务部

SS4BLCU逻辑控制单元

SS4B型电力机车控制电路采用了逻辑控制单元（LogicalControlUnit—简称LCU），实现无触点控制以提高机车电气控制线路的可靠性。

LCU利用现代电力电子技术和微计算机技术构成无触点控制电路取代机车上原有的时间继电器、中间继电器等低压电器和大量的迂回线路，具有控制方式灵活、编程方便、布线直观、检修条理清晰等特点，同时采用无触点输出控制方式解决了原有系统在强振环境下的不可靠问题。

LCU逻辑控制装置采用双路冗余设计，并配置手动万能转换开关，当装置一路出现故障时，可人为切换至另一路工作。

从而提高了机车整个控制系统的可靠性。

LCU逻辑控制装置内部逻辑梯形图见附图所示。

一、概述

SS4BLCU逻辑控制单元相当于可编程控制器（PLC）。

它在电力机车上的作用主要就是取代传统的继电器有触点控制电路。

1．SS4BLCU逻辑控制单元与一般工业PLC比较

逻辑控制单元与PLC的作用相同，但一般工业用PLC直接用于电力机车主要存在以下几个问题：

（1）机车电子装置必须符合TB/T1394《机车动车电子装置》的要求。

而一般的PLC很难满足这一标准的要求。

简单地说，一般PLC无法适应机车的工作环境。

也无法满足机车控制系统的技术要求。

（2）根据IEC标准，一般PLC工作电压为DC24V或AC220V，直流输出点的负载能力较低。

而电力机车控制电压为DC110V，且负载电流比较大。

SS4BLCU电力机车逻辑控制单元符合TB/T1394《机车动车电子装置》的要求。

结构组成符合高速列车硬件规范。

其内部核心是单片机。

主要由主机板、电源、输入板、输出板等所组成。

2．SS4BLCU的输入电路

输入信号主要有三类：

（1）电力机车微机控制系统来的信号。

这些信号可以直接输入SS4BLCU；

（2）从司机控制器、按键开关组等来的110V指令信号；

（3）从主断路器、隔离开关、两位置转换开关和接触器等的辅助触点或者其它用SS4BLCU无法取代的特殊继电器来的110V信号。

后面两种110V的信号是不能直接输入到SS4BLCU里面去的，必须经过输入电路进行降压、隔离。

电力机车逻辑控制单元的输入电路，是对110V信号电压电路而言的。

电力机车逻辑控制单元的输入单元电路将外部进来的110V信号电压经电阻网络降压、用稳压管限幅，电容滤波，再经光耦隔离后输入SS4BLCU主机。

这种电路有着应用成熟的优点，其可靠性很高，抗干扰能力强，能适应电力机车的工作环境。

3．电力机车逻辑控制单元的负载特点

国产电力机车上的辅助电机都是采用三相交流异步电动机，而这些三相交流异步电动机是通过三相交流接触器进行控制的。

由于三相交流接触器型号的不同，其控制电流变化很大。

电空阀与电空接触器的线圈控制电流虽然只有0.12A，但由于线圈有13000匝，所以在线圈开断时感应出的干扰电压可高达1.3KV，对机车微机控制系统和电子线路形成极大的危害。

因此，逻辑控制单元的负载，要求SS4BLCU不仅能够适应机车恶劣的工作环境，并且应该具有抗干扰性能好等特点。

4．电力机车逻辑控制单元的输出电路

SS4BLCU内部工作电压为几伏水平，负载能力较小，为了使其具有足够的驱动能力，SS4BLCU输出单元电路采用MOSFET作功率开关元件，负载能力大，开关速度高。

用高频调制信号通过脉冲变压器耦合去控制MOSFET的通断。

并且当110V直流电源电压大范围变化时，逻辑功能保持正常。

电力机车逻辑控制单元的输入输出电路是SS4BLCU与电力机车控制系统的接口电路，其性能直接影响机车的行车安全。

二、SS4BLCU主要技术参数

输入电压…………………………77V~137.5V（额定110V）

瞬间最大负载电流……………………………………8A

持续电流………………………………………………1.2A、3A

驱动方式………………………………………隔离放大驱动

输入点数……………………………………………最大126路

输出点数……………………………………………最大81路

三、SS4BLCU逻辑控制单元的硬件系统

根据系统所需完成的功能及电力机车特殊的工作环境，SS4BLCU在硬件结构上采用模块化设计，可根据不同型号的机车的需要扩展输入输出点，利用软件进行不同的逻辑组合来满足要求，软件编写时采用软件容错和冗余设计。

SS4BLCU的硬件结构主要包括机箱、电源、主机板、输入板、输出板等。

每台车有2套LCU1、2套LCU2，即A节有一套LCU1、一套LCU2；B节有一套LCU1，一套LCU2，靠近两端司机室定为LCU1，靠近重联出定为LCU2，每套LCU包含功能相同的A、B两组，并能进行手动转换。

采用标准的6U机箱硬件结构，可与外围设备进行RS485通讯。

根据实际运用要求，SS4BLCU增加了与TPX10A微机屏的通讯功能，目前仅限于SS4B0119#~0130#12台车，通讯方式为RS485通讯，LCU1与LCU2之间利用原来机箱后面的通讯口通讯，再由LCU2机箱内的通讯板将两个LCU的数据收集并通过RS485与微机屏通讯。

通过微机屏格式二页面内的LCU数据页面查询到LCU的数据。

机箱背板安装外接插头和安装冷却风扇、风道。

接插件为铁路专用航空56针插座,共六个,其中输入三个、输出三个，LCU1、LCU2内部通讯插座各一个。

每路输入输出都有状态指示灯。

长度为84R的标准6U机箱共有21个板位，其箱内插件布置如图11-2所示。

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

转

换

控

制

A输入板1

B

输入板

1

A输入板2

B

输入板2

A

主机板

通讯板

B

主机板

A

输出板1

B

输出板1

A

输出板2

B

输出板2

A

电

源

板

1

B

电

源

板

1

图11-2SS4BLCU插件箱布置图

注：

LCU1无通讯板插件

1．电源板

电源采用机车电子控制装置专用电源，其输入电压为77伏~135伏，输出电压为+5伏/2安、±24伏/2安。

A、B两组各自采用独立的稳压电源，自带过流、过压、过热等保护功能。

2．主机板

主机板主要完成输入点状态的采集、逻辑运算、输出点状态确定，以及与串行通讯板的数据交换等。

主机板采用了双机冗余设计，一台单片微机处于在线工作状态，而另一台处于热等待。

当处于在线工作状态的单片微机发生故障时，由主机板上的冗余管理系统自动将处于热等待单片微机取代发生故障单片微机来管理整个系统并报警。

若故障单片微机恢复正常则它又处于热等待状态。

在正常工作时两台单片微机通过串行通讯保持具有同样的输入点、输出点及各个定时器的状态信息一样，以使双微机切换时不发生输出点状态不确定的现象。

单片微机采用了工业级的ATMEL89C55WDPI单片机，每台单片机有个看门狗监视单片机是否处于正常工作状态。

整块主机板只有一片芯片与系统其他部分保持联系，从而避免其它干扰串入影响单片机正常工作。

主机板前面板有9个发光二极管分别代表：

A1：

黄灯（亮）----------+5V电源正常

A2：

绿灯（亮）----------CPU1为主机

B2：

绿灯（亮）----------CPU2为主机

（A2和B2都不亮或都亮请进行A、B组转换）

A3：

红灯（闪烁）--------CPU1故障

B3：

红灯（闪烁）--------CPU2故障

（A3和B3都闪烁请进行A、B组转换）

A4：

黄灯（闪烁）--------CPU2正在运行程序

B4：

黄灯（闪烁）--------CPU1正在运行程序

（A4和B4都不闪烁请进行A、B组转换）

A5：

绿灯（亮）----------数据RS485接收正常

B5：

绿灯（亮）----------数据RS485接收正常

3．输入板

输入板用于输入数字信号。

由于从司机控制器、按键开关组等来的信号及从主断路器、隔离开关、两位置转换开关和接触器等的辅助触点来的信号其输入信号为直流110V，因此必须经过电阻网络降压、稳压管限幅、电容滤波、光电隔离后再经过施密特触发器输入给主机板。

这种电路可靠性很高，抗干扰能力强，能适应电力机车上的恶劣工作环境，具体电路和插件原理框图如图11-5、图11-5所示。

图11-5光电隔离的数字输入电路

图11-6输入插件原理框图

每套SS4BLCU输入板设计为每组有2块输入板，每组总的输入点数为84点。

每块输入板为42点，各点都有指示灯指示该点的工作状态。

4．输出板

SS4BLCU的输出模块设计：

系统内工作电压为TTL等级，且其负载能力较低，为了与外部的110V直流工作电压一致，并具有足够的驱动能力必须有专门的输出模块。

经过可行性分析研究决定采用MOSFET作为功率放大元件来取代传统的中间继电器，利用高频调制的控制信号通过脉冲变压器藕合控制MOSFET的通断，从而解决了多个串联触头间输出共地问题。

每块输出板输出通道为27路，其中有四路为干触点，1路常开常闭触点，其他22路输出通道都为正电源110V输出。

SS4B电力机车每套LCU输出板设计为A、B两组，每组SS4BLCU有2块输出板，总的输出通道数为54路，每路的输出负载电流最大允许为8安，各通道都有指示灯指示该通道的工作状态。

5通讯板

通讯板主要是负责收集本车LCU1、LCU2的数据，并与另一端通讯板通讯，并将数据发送到微机屏显示，该板安装在LCU2机箱内，LCU1机箱无此插件。

每节车有一块通讯板，每块通讯板有独立的两组组成，上半部分为LCU2A组时工作，当LCU2切换到B组工作时由该插件的下半部分运行，功能完全相同。

因SS4B有A，B节区分，故A节LCU2机箱内的通讯板不能直接与B节车LCU2机箱内的通讯板互换。

该插件指示灯定义如下：

1A灯亮，表示A组电源正常；

1B，2A，2B灯有规律闪表示A组与微机屏通讯正常；

3A，3B灯有规律闪表示A组CPU运行正常。

26A灯亮，表示B组电源正常；

26B，27A，27B灯有规律闪表示B组与微机屏通讯正常；

28A，28B灯有规律闪表示B组CPU运行正常。

●当LCU发生故障或LCU通讯失败时，微机屏有相应提示，默认主页面如下：

SS4B0119~0130车微机屏为V3.3.3版，SS4B0131~0142车微机屏为V3.3.4版。

●按3键进入格式二：

●按1键进入LCU数据显示页面

注：

该页面主要包括故障隔离开关的位置和LCU内部及外围电路有故障时的显示，A节车B节车均有该功能显示。

绿色圆点表示相应隔离开关在运行位，红色圆点表示相应隔离开关在隔离位。

能较直观反映各隔离开关状态。

故障信息用红色字符显示在下方。

LCU数据页面：

名称

A节

B节

名称

A节

B节

功补隔离开关572QS

制动风机2隔离开关582QS

4位电机故障隔离开关49QS

制动风机1隔离开关581QS

3位电机故障隔离开关39QS

牵引风机2隔离开关576QS

2位电机故障隔离开关29QS

牵引风机1隔离开关575QS

1位电机故障隔离开关19QS

劈相机隔离开关2位242QS

牵引风速1隔离开关573QS

劈相机隔离开关1位242QS

一端入库转换开关20QP

备用

二端入库转换开关50QP

备用

劈相机隔离2开关583QS

备用

制动风速1隔离开关589QS

备用

自起劈相机隔离开关591QS

备用

牵引风速2隔离开关574QS

变压器风机隔离开关599QS

主断隔离开关586QS

油泵隔离开关584QS

欠压隔离开关236QS

制动风速2隔离开关590QS

备用

压缩机隔离开关579QS

四、SS4BLCU逻辑控制单元的使用说明与常见故障检测

1．使用说明

当司机合上蓄电池开关后，逻辑控制单元（SS4BLCU）即得到了电源。

当SS4BLCU上电正常时，在司机显示面板上预备灯应该亮，若不亮则表示SS4BLCU不正常，须进行AB组切换。

如果运行途中SS4BLCU出现异常，司机可以通过LCU机箱内转换控制面板的A、B转换开关来切换，在切换前请先将司机钥匙关掉后，再进行A、B组切换。

SS4BLCU不要求司机在途中进行检修。

当机车110V控制电源输入SS4BLCU内部的开关电源。

SS4BLCU散热风扇开始运转。

A、B两组系统自动完成初始化。

A、B两组的工作可以通过SS4BLCU面板上的转换开关来进行选择。

当转换开关的白色箭头指向A或B，则对应的那组SS4BLCU正在工作。

2．故障检测

（1）确认是否逻辑控制单元故障

随着电子技术的不断发展，元器件中的质量以及逻辑控制单元的生产工艺已经有很大改善，SS4BLCU的可靠性也越来越高。

因此，在怀疑SS4BLCU故障以前，有必要首先确认：

①主电路是否已经构成，如线路接触器是否可靠闭合等；

②与SS4BLCU有关的状态控制信号是否送到SS4BLCU，正确与否，如牵引、制动、零位、准备、操作端等；

③LCU对外连接插座是否接触好等等。

（2）确认A/B组是否都有故障

SS4BLCU有A/B两组完全相同的系统，它们可以完全独立工作。

要检查是否A/B组都有故障就要检查A/B两组的公共部分，即：

在条件都满足的情况下，转换A/B两组，看故障是否一样。

如果故障想象一样，则基本排除SS4BLCU本身的故障；如果现象不一样，则可能SS4BLCU其中一组发生故障。

（3）确认是否SS4BLCU的电源插件故障

如果基本确定是SS4BLCU本身故障，则可以开始检测SS4BLCU插件故障。

首先看电源板是否正常工作，如果电源板指示灯为红色，则首先看是否SS4BLCU工作电压太低，电源板欠压保护，如果工作电压正常则看是否后部短路，电源板过流保护了，否则可能电源板已经发生了故障。

（4）确认是否SS4BLCU的CPU板故障

如果电源板指示灯为绿色，而且从测试孔量得输出电压正常，则在检测CPU板，主要检测CPU板指示灯是否显示正常。

如果A3红灯闪烁，则CPU板的第一块CPU故障；如果B3红灯闪烁，则CPU板的第二块CPU故障；此时应更换CPU板。

（5）确认是否SS4BLCU的输入板故障

首先确认输入信号是否送进SS4BLCU，可以通过测量56芯航空插座上相对应的针是否得电，如果有电，而SS4BLCU输入板上相应的通道指示灯不亮，则可能该输入板的这个输入通道故障。

（6）确认是否SS4BLCU的输出板故障

根据逻辑关系判断，某一输出点条件满足，应该有输出，而SS4BLCU输出板相应的通道指示灯不亮，并且相应的输出线不得电，则可能该输出板的这个输出通道故障。

如果某一输出线上不管条件是否满足一直有电，则该通道已经短路。

五、SS4BLCU的检修

一般来说SS4BLCU运行一段时间之后应对其进行全面的检测，SS4BLCU的检测可以采用专用的SS4BLCU便携式测试仪或者SS4BLCU地面测试系统对SS4BLCU的每个输入输出通道进行测试，对SS4BLCU的逻辑关系判断进行测试，以及串行通讯、机箱布线等，针对整台SS4BLCU进行全面的测试。

在日常的维护中也可以通过SS4BLCU地面测试系统提供的单板测试功能对单块插件进行测试。

LCU1输入表：

序号

56针插座

线号

48针插座

6U电路板

地址

名称

备注

C46

L15:

8

466

25:

2d04

IN:

2B02

33

司机钥匙

C60

L17:

2

531

25:

2z12

IN:

2B09

41

司机室钥匙

C73

L17:

15

559

25:

2d22

IN:

2A16

4E

电子柜控制电源

改为：

自动撒砂

C61

L17:

3

537

25:

2d14

IN:

2A10

42

合主端信号

C62

L17:

4

544

25:

2b14

IN:

2B10

43

分主断信号

C28

L13:

8

912

17:

2d20

IN：

1B14

1B

紧急跳主断

按钮

C43

L15:

5

415

25:

2d02

IN:

2A01

30

非零位

手柄

C44

L15:

6

417

25:

2b02

IN:

2B01

31

司控器小零位

手柄

C39

L15:

1

403

17:

2z26

IN：

1A29

26

向前

手柄

C40

L15:

2

404

17:

2d28

IN：

1B29

27

向后

手柄

C41

L15:

3

405

17:

2b28

IN：

1A30

28*

制动

手柄

C42

L15:

4

406

17:

2z28

IN：

1B30

29*

牵引

手柄

C1

L11:

1

431

17:

2d02

IN：

1A01

00

制动转换到位

107/108QPB

C3

L11:

3

429

17:

2z02

IN：

1A02

02

牵引转换到位

107/108QPT

C74

L17:

16

529

25:

2b22

IN:

2B16

4F

C21

L13:

1

501

17:

2z14

IN：

1A11

14

2架空载实验位

60QP

C22

L13:

2

503

17:

2d16

IN：

1B11

15

1架空载实验位

10QP

C91

L21:

7

481

21:

2d06

IN：

1A04

66

1端入库转换

20QP

C92

L21:

8

485

21:

2b06

IN：

1B04

67

2端入库转换

50QP

辅助入库转换开关

C8

L11:

8

446

17:

2b06

IN：

1B04

07

切除牵引电机1

19QS

C9

L11:

9

447

17:

2z06

IN：

1A05

08

切除牵引电机2

29QS

C6

L11:

6

443

17:

2z04

IN：

1B03

05

切除牵引电机3

39QS

C5

L11:

5

441

17:

2b04

IN：

1A03

04

切除牵引电机4

49QS

C23

L13:

3

563

17:

2b16

IN：

1A12

16

劈相机自/手动转换

591QS

压缩机2隔离开关

C45

L15:

7

444

25:

2z02

IN:

2A02

32

牵引风机1切除开关

575QS

C48

L15:

10

498

25:

2z04

IN:

2B03

35

制动风机1切除开关

581QS

C49

L15:

11

516

25:

2d06

IN:

2A04

36

牵引风速1切除开关

573QS

C52

L15:

14

521

25:

2d08

IN:

2B05

39

制动风速1切除开关

589QS

C47

L15:

9

494

25:

2b04

IN:

2A03

34

功补投入开关

572QS

C71

L17:

13

628

25:

2b20

IN:

2A15

4C

零压保护

236QS

C7

L11:

7

445

17:

2d06

IN：

1A04

06

制动缸压力

516KF

C64

L17:

6

564

25:

2d16

IN:

2B11

45

MG中继

567KA

C65

L17:

7

568

25:

2b16

IN:

2A12

46

MG启动中继

283AK

C54

L15:

16

519

25:

2z08

IN:

2B06

3B

2MG自动开关

216QA

压缩机2自动开关

218QA

C50

L15:

12

517

25:

2b06

IN:

2B04

37

牵引风机1自动开关

219QA

C53

L15:

15

523

25:

2b08

IN:

2A06

3A

制动风机1自动开关

223QA

C51

L15:

13

520

25:

2z06

IN:

2A05

38

制动风机2自动开关

224QA

C59

L17:

1

524

25:

2b12

IN:

2A09

40

变压器风机自动开关

227QA

C66

L17:

8

578

25:

2z16

IN:

2B12

47

风机启动

C67

L17:

9

590

25:

2d18

IN:

2A13

48

制动风机启动

C68

L17:

10

597

25:

2b18

IN:

2B13

49

压缩机启动

C24

L13:

4

661

17:

2z16

IN：

1B12

17

线路接触器1

12KM

C25

L13:

5

662

17:

2d18

IN：

1A13

18

线路接触器2

22KM

C26

L13:

6

663

17:

2b18

IN：

1B13

19

线路接触器3

32KM

C27

L13:

7

666

17:

2z18

IN：

1A14

1A

线路接触器4

42KM

C2

L11:

2

422

17:

2b02

IN：

1B01

01

励磁接触器1

91KM

C4

L11:

4

435

17:

2d04

IN：

1B02

03

励磁接触器2

92KM

C63

L17：

5

606

25:

2z14

IN:

2A11

44

劈相机2接触器

202KM

压缩机1接触器

203KM

压缩机2接触器

204KM

C69

L17:

11

607

25:

2z18

IN:

2A14

4A

牵引风机1启动

205KM

C70

L17:

12

613

25:

2d20

IN:

2B14

4B

制动风机1启动

209KM

C72

L17:

14

746

25:

2z20

IN:

2B15

4D

制动风机2启动

210KM

变压器风机

211KM

LCU2输入

序号

56针插座

线号

48针插座

6U电路板

地址

名称

备注

C85

L21:

1

401

21:

2d02

IN：

1A01

60

本车司机钥匙

C86

L21:

2

401B

21:

2b02

IN：

1B01

61

它车司机钥匙

C114

L23:

10

804

21:

2z20

IN：

1B15

7D

紧急制动

按钮