CN104192153A - 轨道列车控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轨道列车控制器，包括背板、业务板和电源板；所述背板上设有通过PCB布线设计的线路和通过该线路进行连接的插槽；所述业务板成对设置，同一对业务板具有相同的功能以用于热备冗余；所述电源板设有两路相同的独立电源电路以用于当任意一路电源故障时切换到另一路；业务板和电源板插接在所述插槽中，电源板上的两路独立电源电路分别用于为同一对业务板中的两个业务板供电。本发明的有益效果在于：轨道列车控制器中能实现完全相同的功能的业务板都成对设置，用于协同工作，当一对业务板中的任意一个出现故障，可及时将控制权切换到另一个，这样就而不会影响整体***的运行，避免单点故障造成不可预知的后果。

Description

轨道列车控制器

技术领域

本发明涉及列车控制***领域，尤其涉及轨道列车控制器。

背景技术

列车控制***经历了从地面人工信号到ATC(Automatic Train Control,列车自动控制***，包括列车自动防护ATP，列车自动运行ATO，列车自动监控ATS)的发展过程，国内通过引进先进技术，消化吸收，打造中国品牌，而融合3C技术(3C分别是Communication、Computer和Control，3C技术即通信技术、计算机技术和控制技术)的数字ATC将是发展的主流。目前机车特别是轨道列车的控制部件主要由机械触点型继电器组成，ATC发出控制指令后，通过若干继电器组成的逻辑电路来实现被控对象的控制功能，***布线复杂，有机械疲劳、触点不良、成本昂贵并且故障诊断和检修困难等诸多问题。目前世界上的列车特别是轨道列车尚未有成熟的替代案例，而国内这一领域的发展仅处于科研阶段。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有列车控制***布线复杂、继电器容易产生机械疲劳、触点不良，以及设备成本昂贵、故障诊断和检修困难，提供一种轨道列车控制器，使用可靠、布线和维护方便且成本低。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种轨道列车控制器，包括背板、业务板和电源板；所述背板上设有通过PCB布线设计的线路和通过该线路进行连接的插槽；所述业务板成对设置，同一对业务板具有相同的功能以用于热备冗余；所述电源板设有两路相同的独立电源电路以用于当任意一路电源故障时切换到另一路；业务板和电源板插接在所述插槽中，电源板上的两路独立电源电路分别用于为同一对业务板中的两个业务板供电。

本发明的有益效果在于：轨道列车控制器中能实现完全相同的功能的业务板都成对设置，用于协同工作，当一对业务板中的任意一个出现故障，可及时将控制权切换到另一个，这样就不会影响整体***的运行，避免单点故障造成不可预知的后果。

附图说明

图1为本发明实施例的轨道列车控制器的示意图。

图2为本发明实施例的轨道列车控制器的一个实施方式的***框图。

图3为本发明实施例的轨道列车控制器的一个实施方式的背板总线示意图。

图4为本发明实施例的轨道列车控制器的一个实施方式的输入板原理框图。

图5为本发明实施例的轨道列车控制器的一个实施方式的输出板原理框图。

图6为本发明实施例的轨道列车控制器的一个实施方式的电源板原理框图。

图7为本发明实施例的轨道列车控制器的一个实施方式的控制板原理框图。

图8为本发明实施例的轨道列车控制器的一个实施方式的整车网络接线示意图。

标号说明：10、背板；11、线路；12、插槽；20、业务板；30、电源板。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

本发明最关键的构思在于：通过分布式架构，即同一功能业务板的成对设置来实现轨道列车控制器具有热备冗余技术、便于维护且安全可靠的目的。

请参阅图1，一种轨道列车控制器，包括背板10、业务板20和电源板30。

背板10上设有通过PCB(Printed Circuit Board，印制电路板，采用电子印刷术制作,是电子元器件的支撑体和电气连接的载体)布线设计的线路11和通过该线路11进行连接的插槽12。业务板20成对设置，同一对业务板20具有相同的功能以用于热备冗余。电源板30设有两路相同的独立电源电路以用于当任意一路电源故障时切换到另一路。业务板20和电源板30插接在插槽12中，电源板30上的两路独立电源电路分别用于为同一对业务板中的两个业务板20供电。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：轨道列车控制器中能实现完全相同的功能的业务板都成对设置，用于协同工作，当一对业务板中的任意一个出现故障，可及时将控制权切换到另一个，这样就而不会影响整体***的运行，避免单点故障造成不可预知的后果；此外，本发明的背板和业务板之间由插件方式组装，且背板上均由PCB布线完成无任何电气线缆布线，安装和拆卸非常快捷，便于携带，集成度高，可大大降低维护时间何维护成本，不用担心接错线缆。

其中，所有业务板均可插拔，业务板插接到背板上的插槽后，不同业务板之间通过PCB布线设计的线路走线连接。

进一步地，所述业务板包括输入信号接口板、输入板、输出板、控制板和输出信号接口板。

由上述描述可知，输入板用于检测车辆上的电气开关信号；控制板用于负责整机的业务逻辑；输出板用于逻辑控制信号的输出；输入信号接口板和输出信号接口板作为背板与外部输入信号的转接板，通过PCB布线实现，端口使用接插连机器相连以防止反接。此外，还可以根据实际使用需求选配网络通信板。

进一步地，所述业务板上的CAN(Controller Area Network，控制器局域网络的简称，是国际上应用最广泛的现场总线之一)通讯接口与所述背板上的CAN总线连接以用于数据交互，所述CAN通讯接口设有两个，所述CAN总线设有两条，不同业务板之间的第一CAN通讯接口连接背板上的第一CAN总线，不同业务板之间的第二CAN通讯接口连接背板上的第二CAN总线，第一CAN总线和第二CAN总线热备冗余。

由上述描述可知，第一CAN总线和第二CAN总线热备冗余，任意一组通讯总线出现故障时不影响***性能。

进一步地，热备冗余的一对所述业务板之间设有用于数据交互的通讯链路，所述通讯链路用于进行数据同步备份并探测另一个业务板的插拔事件。

由上述描述可知，通过一对业务板间的通讯链路感知另一个业务板的硬件连线的电平状态而探测另一个业务板的插拔事件，确保在需要进行控制权切换时达到有效的切换效果，使每一对业务板之间更好的协同工作，达到最佳的热备冗余效果。

进一步地，所述插槽设有一个唯一的槽位号，该槽位号在所述业务板***后可被业务板读取以用于使业务板获取自身所处的位置信息。

由上述描述可知，在背板上每个业务板的插槽位置均设有一个唯一的槽位号，即编码信息，当业务板***上电后，即可读取该编码，从而获取自身所处的位置，插错业务板板可识别和提示，另在背板连接器的信号定义上具有信号类型的兼容性，避免插错板造成烧板现象。

进一步地，至少一个所述轨道列车控制器安装于不同的列车车厢中，轨道列车控制器之间通过两根独立的总线相互连接。

由上述描述可知，可从每个轨道列车控制器的总线的接口上进行级联扩展，并根据列车微机网络控制***的通讯方式在端车控制器上与列车微机网络控制***进行通讯，这时端车网络板卡作为数据的中转与控制中心能够实现整车逻辑控制器***与列车微机网络控制***的交互。

请参照图2至图8，本发明的实施例为：一种轨道列车控制器应用在地铁列车上，使用无触点电子线路软逻辑控制方案替代有机械触点的继电器逻辑电路控制方案，另具有热备冗余等功能。

本实施例在地铁列车设备柜内，根据设备柜的空间要求，采用机架式螺丝紧固安装，采用铝合金材质，重量不超过10kg，工作环境温度为-25℃～70℃，防护等级IP20，采用表面阳极氧化工艺和自然冷却的散热方式。

本实施例的轨道列车控制器采用标准3U机箱的结构模式，其功能插件板分为5类，分别为：输入板、输出板、控制板、电源板和网络通信板(选配)。

输入信号接口板与输出信号接口板分别连接机箱的输入信号和输出信号线、三对输入板用于检测车辆上的电气开关信号、一对控制板负责整机的业务逻辑、两对输出板输负责逻辑控制信号的输出、一块电源板内置两套相同且相互独立隔离电源。所有业务板可插拔，在机箱背部设计PCB背板，背板上设有插槽用于接插各业务板，业务板之间、业务板与接线口之间通过PCB走线连接。业务板间数据信息通过背板上的“U型”CAN总线做为媒介进行交互。

列车上的电气开关信号通过导线转接到机箱，连接机箱端的导线需通过压接的方式插接到与机箱匹配的连接器上，再与机箱连接，在电气上适配的输入与输出典型信号电平为110V与24V。每块业务板面板上均设有4个指示灯，用于主/备、故障、工作、通讯指示。其中每两块相邻的相同业务板作为互备冗余的一组配置，当其中一块业务板出现故障时自动切换到另一块业务板工作，获取控制权，主/备指示灯用于指示当前拥有控制权的业务板，另一业务板处于备用就绪或故障关闭状态。输入板面板上的指示灯用于指示输入信号的状态，灯亮表示有输入，灯灭表示无输入。在控制板面板上设计有两个DB9接口(D型9针数据接口连接器，用于连接电子设备)，分别用于整机维护接口和车厢之间的网络通讯接口。在输出板面板上设计有状态输出的逻辑指示灯与实际输出状态指示灯，用于直观判断输出是否有效。在电源板面板上设计有两个DB9接口，一个接口用于配置机箱在整车(网络)***中的编码，另一个接口用于进行机箱的多次级联，可进行资源的灵活配置和功能扩展，指示灯用于指示电源供电状态。

图2所示为***框图，所有业务板和电源板都接插在背板上，图示中相邻的完全相同的板A和板B分别作为热备冗余的一对业务板，业务板包括输入板、输出板、控制板、信号输入接口板和信号输出接口板。外部输入信号线通过信号输入接口板的输入信号接口和背板上的PCB走线分配到各输入板，输出板的输出信号通过背板连接到信号输出接口板的输出信号接口上，与外部的输出控制线相连接。整机供电电源从输出信号接口板引入背板，各业务板从背板电源母线上取电。所有的业务板均以插件方式插接在背板上，在背板上通过PCB布线设计各业务板之间的关系以及业务板与外界信号之间的关系是***方案的基本载体。所有输入信号线在背板上被分成3组，分别连接到3组输入板插槽的针位上，每一组输入板A和B检测的信号相同，A板和B板互备冗余，与之类似，输出板分为两组，输出信号线通过背板连接到输出接口，具有一组控制板，电源板内置两套相同电源。

在背板上每个业务板的插槽位置均设有一个唯一的编码信息，称为槽位号，当业务板***上电后，即可读取该编码，从而获取自身所处的位置。在每个插槽位置亦设计有可从外部配置的机箱编码，业务板***后可读取所在机箱的编码信息。

每块业务板均设计有处理器和CAN通讯接口，所有的业务板通过背板上的CAN总线进行数据交互，控制板作为数据处理与收发中心，负责***的核心业务。每块业务板在背板上开放两个CAN通讯接口，分别为CAN3和CAN4，所有业务板的CAN3接口挂接在同一总线上，所有业务板的CAN4接口挂接在同一总线上。CAN3和CAN4热备冗余，任意一组通讯总线出现故障时不影响***性能。CAN3和CAN4总线在机箱内呈“U型”回环，一端从电源板的DB9接口进入，在背板上挂接上所有外设接口后，再次回到电源板的DB9接口作为另一端。这种设计方式可方便进行多级机箱的扩展或进行其它功能产品的多级扩展。

图3所示为背板总线示意图，图中虚线表示CAN总线在机箱中的折返线，实线入口连接上游设备，若无上游设备则连接终端电阻，虚线入口连接下游设备，若无下游设备则连接终端电阻。

为使每一组业务板中的A板和B板更好的协同工作，达到最佳的热备冗余效果，在背板上的A板与B板插槽之间设计了相互独有的数据交互通讯链路，可以随时进行数据的同步备份，通过硬件连线的电平状态探测对方的插拔事件，确保在需要进行控制权切换时达到有效的切换效果。

另外，在背板连接器的信号定义上考虑信号类型的兼容性，避免插错业务板造成烧板现象。由于每种类型的业务板具有编码，其可占用的槽位可进行配置，当插错业务板时，也可通过已配置的编码机制进行识别、保护与提醒。

信号输入接口板和信号输出接口板作为背板与外部输入信号的转接板，通过PCB布线实现，端口使用接插连接器相连，防反接。

图4所示为输入板原理框图，输入板根据实际需求设定输入信号检测电路的通道数量，主要用于检测外部开关输入信号。输入信号检测电路采用电气隔离设计，将具有一定浮动范围的外界高低电平输入信号转换为CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)电平，经电平转换与处理后，由处理器读取信号电平。同时，输入信号的状态在指示面板上进行显示，当输入信号为高电平时，对应的LED(Light Emitting Diode，发光二极管)状态指示灯点亮，无输入信号时LED熄灭。

在输入板中设计了输入电路的自检方案，即在每个输入电路信号入口处，由两输入或逻辑组成，其中一个输入端连接外部信号，称为实际信号输入端，另一个输入端信号可在板内产生与关闭，称为自检信号输入端。当需要进行电路的自检判断时，通过软件设计，打开自检信号进行电路的检测，若探测到故障发生，执行故障处理机制。输入板A和输入板B的实际信号输入端完全相同，实现同一个信号源具有备用检测通道、多路探测和确认方法。

另外设计了两路CAN接口，用于接入背板CAN网络；设计一路通讯接口和硬线连接通道专用于与备用板进行交互和插拔探测；分别设计4位的业务板类型和槽位编码方式，用于软件识别要执行的程序；另外具备基本的维护接口。

图5所示为输出板原理框图，输出板根据实际需求设定输出驱动电路的通道数量，主要用于控制驱动外部负载。输出驱动电路采用电气隔离设计，将处理器发出的CMOS逻辑控制信号转换为高低电平的驱动信号，最终输出的驱动信号通过电气隔离的反馈回路，再转换成CMOS电平，由处理器读取反馈信号，以闭环检测方式判断输出驱动信号是否正常。同时，逻辑控制指令状态与输出驱动信号的反馈状态分别在指示面板上进行显示，当输出逻辑为高电平时，对应的指令状态LED和反馈状态LED灯点亮，反之应熄灭。

输出板A和输出板B的驱动信号输出端完全相同，实现同一个负载的具有备用驱动源、多路探测和确认的方法。各个输出驱动源通过软件打开或关闭，具有过流和短路保护功能，在输出板的驱动源供电处设置MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,金属氧化层半导体场效晶体管)总开关，当负载异常时，能将驱动源与负载可靠断开。

另外设计了两路CAN接口，用于接入背板CAN网络；设计一路通讯接口和硬线连接通道专用于与备用板进行交互和插拔探测；分别设计4位的业务板类型和槽位编码方式，用于软件识别要执行的程序；另外具备基本的维护接口。

图6所示为电源板原理框图，电源板内置两路相同的独立电源电路，输入电压范围为43V～160V，输出恒定为5V，输入与输出隔离。两路5V输出电压共地，通过背板走线分别给A组业务板和B组业务板供电，若任意一路电源出现故障可切换到另一路，工作组相应的在A板组和B板组之间切换。电源板具有输出过压保护、输出过载保护、短路保护及故障自恢复等功能。总线CAN3和CAN4通过背板连接到电源板前面板的DB9接口，能够进行机箱的级联或功能扩展。

图7所示为控制板原理框图，控制板负责***的核心业务，是数据的汇总处理与分发中心，拥有最高的控制权限。

控制板设计了四路CAN接口，其中两路CAN3和CAN4用于接入背板CAN网络，另两路CAN1和CAN2采用隔离设计，CAN1和CAN2连接到前面板的DB9接口，作为车节之间的通讯接口；另设计一路通讯接口和硬线连接通道专用于与备用板进行交互和插拔探测；分别设计4位的业务板类型和槽位编码方式用于软件识别要执行的程序；另外具备基本的维护接口，其中两路串口连接到前面板的DB9接口供用户定制使用，另外所有业务板固化的程序可通过该接口进行升级。

图8所示为整车网络接线示意图，给每个车节分配至少一个控制器，CAN1和CAN2总线分别引到每列车的一个接头处，再通过A和B两个接头将CAN1(CAN2)连接到控制器两个控制板的CAN1(CAN2)的DB9接口，这样把所有主控板的CAN1连接到同一总线上，把所有主控板的CAN2连接到同一总线上。另外可从每个控制器电源板面板上CAN3/CAN4的DB9接口进行级联扩展。根据TCMS(TrainControl and Management System，列车控制和管理***)的微机网络控制***的通讯方式，如MVB(Multifunction Vehicle Bus,多功能车辆总线.是列车通信网TCN的一部分)或以太网，可在端车控制器上配置MVB或以太网板卡，与TCMS进行通讯，这时端车网络板卡作为数据的中转与控制中心，实现整车逻辑控制器***与TCMS的交互。

本发明的功能、有益效果和与现有技术的区别点在于：

1.具有热备冗余功能，当电气***中的单个点位出现故障时可及时将故障点断开或者屏蔽并启用备用线路，避免因为单点故障造成不可预知的后果。而现有技术的电气***大多没有冗余功能，只有少数特别关键信号具有冗余措施。

2.由插件方式组装，安装和拆卸非常快捷，便于携带，集成度搞，可大大降低维护时间和维护成本，内置软件技术几乎不需花费维护时间。而现有技术多采用分立的接触器构成，电气***复杂，需要定期维护，维护工作量极大，安装和拆卸费时，仅拆卸安装一个接触器需要十几分钟。

3.只需通过连接器与外部信号相连，内部无任何电气线缆布线，均由PCB布线完成，不用担心接错线缆，使用简便，提高效率。而现有技术通常由繁多的线缆布线将各部件或单元连接起来，部件之间的耦合性强，必须确保各个单元接线正确，给安装、检修及故障诊断与处理带来较大难度。

4.可以通过软件渠道方便的进行功能及逻辑的配置或者定制，也可开放开发接口用于二次开发定制。而现有技术不具有该特点。

5.具有标准的智能化统一维护接口，可记录***的运行状态信息，历史状态有迹可循。而现有技术不成熟或不具备该特点。

6.可方便的进行功能扩展或者多级级联。而现有技术不具备该特点。

7.使用半导体电子元件基本不受环境影响，寿命长、响应快且稳定，可频繁启动，便于集成，无电弧、电磁兼容问题，可靠和安全性高。而现有机车多采用机械触点类继电器，易受环境影响，易氧化，易磨损，寿命短且不固定，动作慢且可能有抖动，安装占用面积大，动作时可能产生电弧，电磁兼容、可靠和安全性一般。

8.具有在线安全检测技术，电子线路不仅具备基本的保护措施，而且可通过软件上电自检、定期自诊断、多渠道探测单点信号、闭环检测输出信号、当发生异常时进行自诊断、对异常进行仲裁并执行相关机制等。而现有技术基本不具备该特点。

9.可方便接入整车网络控制***。而现有的技术不具备该特点。

综上所述，本发明提供的轨道列车控制器在地铁列车及电力机车上使用本发明来替代传统的机械触点类继电器电气控制***，安全可靠性更高，将极大简化***的复杂度，真正实现智能化控制，便于维护及检修。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种轨道列车控制器，包括背板、业务板和电源板，其特征在于，

所述背板上设有通过PCB布线设计的线路和通过该线路进行连接的插槽；

所述业务板成对设置，同一对业务板具有相同的功能以用于热备冗余；

所述电源板设有两路相同的独立电源电路以用于当任意一路电源故障时切换到另一路；

业务板和电源板插接在所述插槽中，电源板上的两路独立电源电路分别用于为同一对业务板中的两个业务板供电。

2.根据权利要求1所述的轨道列车控制器，其特征在于，所述业务板包括输入信号接口板、输入板、输出板、控制板和输出信号接口板。

3.根据权利要求2所述的轨道列车控制器，其特征在于，所述业务板还包括网络通信板。

4.根据权利要求1所述的轨道列车控制器，其特征在于，所述业务板上的CAN通讯接口与所述背板上的CAN总线连接以用于数据交互，所述CAN通讯接口设有两个，所述CAN总线设有两条，不同业务板之间的第一CAN通讯接口连接背板上的第一CAN总线，不同业务板之间的第二CAN通讯接口连接背板上的第二CAN总线，第一CAN总线和第二CAN总线热备冗余。

5.根据权利要求1所述的轨道列车控制器，其特征在于，热备冗余的一对所述业务板之间设有用于数据交互的通讯链路，所述通讯链路用于进行数据同步备份并探测另一个业务板的插拔事件。

6.根据权利要求1所述的轨道列车控制器，其特征在于，所述插槽设有一个唯一的槽位号，该槽位号在所述业务板***后可被业务板读取以用于使业务板获取自身所处的位置信息。

7.根据权利要求1所述的轨道列车控制器，其特征在于，至少一个所述轨道列车控制器安装于不同的列车车厢中，轨道列车控制器之间通过两根独立的总线相互连接。