基于工控技术的LCU仿真测试系统设计

基于工控技术的LCU仿真测试系统设计

王栋博1  ,姜云海2  ,孙海涛2  ,于浩2  ,王仕财2  ,李政2

1河南思维轨道交通技术研究院有限公司  河南郑州 450001

2 青岛地铁运营有限公司 山东 青岛  266000

摘要：逻辑控制单元（Logic Control Unit，以下简称“LCU”）是专为轨道车辆的逻辑控制而设计的一套车载计算机系统，通过无触点电路替代列车传统的中间继电器、时间继电器，实现列车逻辑控制、故障诊断及综合保护等功能。LCU仿真测试系统是为方便LCU主机的调试、测试和验证而设计的一套设备，可对LCU进行整机硬件、软件和PLC程序进行测试，对替换逻辑仿真。

关键词：LCU；仿真测试；工控技术

中图分类号：.

Design and implementation of LVDS interface LCD driven by FPGA

WANG Dong Bo

（Henan Thinker Traffic Technology Research Institute Zhengzhou,450001, China）

Abstract: Logic Control Unit (hereinafter referred to as "LCU") is a set of on-board computer system specially designed for the logic control of rail vehicles. It replaces the traditional intermediate relay and time relay of the train through contactless circuit to realize the functions of train logic control, fault diagnosis and comprehensive protection. LCU simulation test system is a set of equipment designed to facilitate the debugging, testing and verification of LCU host. It can test the hardware, software and PLC program of LCU and replace the logic simulation.

Keywords: LCU;Simulation test;Industrial control technology

1.引言

逻辑控制单元（Logic Control Unit，以下简称“LCU”）是专为轨道车辆的逻辑控制而设计的一套车载计算机系统，采用计算机及网络技术，通过光耦和场效应管等无触点电路替代列车传统的中间继电器、时间继电器、双稳态继电器等有触点控制电路，实现列车逻辑控制、故障诊断及综合保护等功能。

为方便LCU主机的调试、测试和验证，开发LCU仿真测试系统。本系统可对LCU整机功能进行调试，以验证整机硬件、软件和PLC程序正确性。

本文根据笔者在项目开发过程中的经历和心得，对设计实现给出了具体描述，抛砖引玉，有不当之处，还请包含。

2.LCU简介

LCU采用二乘二取二的安全架构，符合SIL4安全等级要求。其主要由3部分组成，硬件、底层软件和应用软件。硬件采用标准3U或6U插箱式设计，主要由电源、主控插件、IO插件组成、接线插件、母板、通信板组成。

电源插件将输入的110V电源转化为其他插件所需的24V工作电源；

通信插件对内与主控插件通信获取设备状态和日志等信息，对外提供MVB，CAN，ETH，无线通信接口，可连接TCMS系统的MVB，级联LCU的CAN，其ETH提供系统维护接口。

主控插件执行PLC功能，采集IO插件送来的信息，执行PLC逻辑，运算结果通过IO插件送出。

IO插件采集外部开关量信号，通过通信送入主控，接收主控的控制信息，通过MOS管导通关断控制外部设计。

接线插件，LCU采用前出线方式，接线插件可以为外部到母板提供线路转接。

3.仿真测试需求和对策

      为了能更好的测试LCU，LCU仿真设备应具有以下功能：

具备110V开关量采集功能；

具备110V开关量输出功能；

仿真测试逻辑运算、控制、延时功能；

仿真界面显示、输入、操作功能；

手动测试和自动测试选择；

对MVB通信和CAN通信、以太网通信功能的测试；

对LCU供电DC110V电压在标准范围内变化可调。

LCU仿真设备应具有以下性能：

额定工作电压AC220，使用市电供电。

功耗≤400W。

提供DC110V电源，带载能力≥250W，变化范围至少DC77~DC137.5可调。

单路开关量带载能力≥10mA。

开关量输入通道电平低电平：0~30V；高电平：77V~137.5V。

开关量输出通道低电平：≤10V；高电平范围：77V~137.5V

4.系统设计

采用工控机为核心，统计所需板卡槽位类型，选择合适的母板类型，满足扩展功能板卡要求。外扩转换单元，LCU测试中所需IO接口，通过电平转换后，送入LCU，为LCU提供DC110V电平的开关量输入，转换单元也可将LCU送出的开关量将电平转换为TTL电平，送入工控机板块采集。其他通信功能也通过板卡实现。

其功能框图如下所示：

LCU仿真测试设备功能框图

4.1硬件设计

工控机，扩展CAN、ETH、MVB、IO板卡形式实现各项功能，在其上开发仿真测试软件，整个系统只有一个软件，集中控制，本方案采用具有3个PCIE-X接口和7个PCI接口的某工控主板。

 IO板卡，单个96个IO，通过软件可配置为输入或输出。使用2个IO插件可满足3U LCU IO接口数量（DIO插件：IN:84  OUT:60，VIO插件；IN:72,OUT:36，有84-72=12个信号方向会切换）。通过软件设计兼容VIO和DIO插件，软件设计需提供插件配置选项，测试时明确所配插件类型，保证IO插件各通道方向配置正确。对方向更改的通道加切换电路。

转换电路，LCU共有6个48芯接线板，考虑到通用性和简明，通过6组线接入转换电路进行转换，因此设计6块一样的转换电路板，转换电路如下图所示。

CAN卡，采用PCIE接口CAN卡，扩展CAN通信功能，提供windows下访问驱动，其外扩CAN接口接LCU的CAN，进行数据交换和检测。

以太网卡，为方便调试，提供一块以太网卡扩展工控机的网络接口。

MVB网口，LCU中具有ESD/ESM模式的MVB通信接口，因此在工控机上扩展了PCI接口的杜根公司的MVB网口。

为了能对LCU的供电提供电压浮动测试，采用了大华公司的可编程直流电源，通过网口控制电源电压，提供77~137.5变化范围内的电压变动测试。

4.2软件设计

软件运行于装有win64操作系统的工控机上，其模块和调用关系如图所示：

LCU仿真测试系统软件架构

软件主要功能：

打开和关闭LCU工程文件；

显示工程表达式，调用显示图纸和输入、输出变量面板；

控制手动仿真和自动仿真过程，显示仿真进度；

显示仿真结果和报告；

输出真值表和仿真测试报告。

将仿真和测试结合，在主界面中显示了机车电气图纸，把替代的继电器通过图纸直观展示，在显示界面上通过图标提供按压功能，模拟该节点供电，引起LCU的PLC程序相应动作输出，与其相关的LCU输出能够被仿真测试采集，并在界面显示采集结果。

软件模拟LCU中的PLC程序逻辑，同时在左侧展示了替换的继电器逻辑，方便用户检查逻辑正确与否和电气图原设计比对，并于经过LCU输入、运算、输出结果比对是否一致。

模拟TCMS的MVB通信协议，接收LCU发送的数据，并在程序界面上显示，形成闭环展示。

模拟他车LCU的CAN通信协议，收发被测LCU的CAN数据，进行分析和判断显示，模拟列车上多台LCU级联情况。

设置切换开关按钮，通过软件控制IO开关输出到LCU，测试LCU的I/II系切换功能。

5.验证

设计完成后，经过测试验证，系统可对LCU设备进行功能和性能测试，以及对替换电气图的逻辑测试，支持手动和自动测试。达到了良好的设计效果。

6.结束语

本文对一种利用工控机开发的LCU仿真测试系统进行了简介，对于本系统来说，结构清晰，软件精炼，容易控制，开发简单，功能较强，使用中具有较高的灵活性，能够完整的实现对LCU的功能和性能测试。

参考文献：

【1】何晔．地铁车辆控制系统融合LCU 的发展趋势探讨［Ｊ］．铁道机车车辆．2019，39（S0）：29-39．

作者：王栋博（1978年）  男  本科  从事嵌入式产品研发

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