HXD2機車的微機控制單元MPU冗余功能改進分析

摘要：HXD2機車在鐵路系統(tǒng)中數(shù)量較多，其運行的安全性和穩(wěn)定性，直接影響鐵路系統(tǒng)的運行狀態(tài)，影響鐵路系統(tǒng)的整體性能。但HXD2機車在運轉(zhuǎn)過程中容易受多種因素的影響，可能會出現(xiàn)空轉(zhuǎn)或其他運行故障問題。本文簡要介紹了HXD2機車的MPU冗余、中央控制程序的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了HXD2機車運行不暢的原因，探索了HXD2機車的檢修方法，結(jié)合HXD2機車實際故障表現(xiàn)進行功能優(yōu)化，以此提升HXD2機車的運檢能力。

關(guān)鍵詞：HXD2機車；微機控制單元；冗余功能

HXD2機車在我國鐵路系統(tǒng)中運行頻次較高，其內(nèi)部的微機控制單元在高速運轉(zhuǎn)時，會受到某些突發(fā)性因素的影響而產(chǎn)生運行故障，需要相關(guān)工作人員從整體出發(fā)，積極采用先進的科學技術(shù)，對HXD2機車內(nèi)部中央控制單元進行優(yōu)化和升級，通過安裝相關(guān)組件，保障HXD2機車能夠在干燥、高溫的環(huán)境下，長時間的無故障運行，通過設(shè)置相應(yīng)的聯(lián)動裝置，保障MPU1和MPU2的有序銜接，充分發(fā)揮微機控制單元MPU冗余功能的優(yōu)勢，防止出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失或錯漏現(xiàn)象；同時，設(shè)置獨立的通風冷卻系統(tǒng)，保障中央控制單元通風降溫需要，避免機箱內(nèi)部產(chǎn)生高溫影響到HXD2機車的穩(wěn)定性，確保HXD2機車的安全平穩(wěn)運行。

一、技術(shù)現(xiàn)狀

（一）HXD2機車MPU冗余功能

HXD2機車內(nèi)部的控制單元，通常會采用先進的MPU冗余設(shè)計，在HXD2機車內(nèi)部有兩個MPU機箱。通常情況下，HXD2機車內(nèi)部的MPU1作為HXD2機車運行的主控單元，能夠利用信息技術(shù)對機箱內(nèi)的各個單元的運行狀態(tài)進行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，了解各個機器設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)，能夠起到集中管理和集中優(yōu)化的作用。MPU2主要是在MPU1機箱出現(xiàn)故障的情況下，利用先進的信息技術(shù)，連接MPU1機箱的主控單元，發(fā)揮MPU1機箱的主控功能，切換數(shù)據(jù)，保障MPU1相關(guān)數(shù)據(jù)信息的安全性和穩(wěn)定性，避免數(shù)據(jù)出現(xiàn)丟失或錯漏，引發(fā)其他設(shè)備的運行故障。因此，冗余功能主要是指通過先進的信息技術(shù)以及先進的內(nèi)部零部件，利用主控單元與從控單元的連接和配合，對主控單元與從控單元進行及時的切換，充分發(fā)揮MPU1與MPU2的冗余功能，避免機車在運行過程中，出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，引發(fā)重大事故，確保鐵路系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

（二）中央控制程序

機車內(nèi)部主控部分包括多個功能板塊，由中央控制單元、遠程輸入輸出模塊、牽引控制單元、輔助控制系統(tǒng)、自動控制單元和多個重點的指揮系統(tǒng)等構(gòu)成，中央處理單元是HXD2機車運行的核心，發(fā)揮著整體協(xié)調(diào)和運行功能，負責對HXD2機車整體的運行狀態(tài)進行管理，監(jiān)控HXD2機車的網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)，并根據(jù)實際的運行狀況，對相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)進行調(diào)整。中央處理單元通常會安裝在HXD2機車內(nèi)部的微機柜中，而微機柜通常會分為上下中三層，下層主要是相關(guān)數(shù)據(jù)電線的記錄器以及斷路器，中層為主要信息處理的輸入輸出模塊，對HXD2機車運行的相關(guān)數(shù)據(jù)信息進行收集和整理，而上層主要分布中央控制系統(tǒng)的中央控制單元機箱以及網(wǎng)關(guān)模塊，負責對整體HXD2機車運行狀態(tài)進行分析，對網(wǎng)絡(luò)使用情況進行監(jiān)測，是HXD2機車運行的中樞。許多HXD2機車并沒有在微機柜內(nèi)部安裝通風系統(tǒng)，采用自然或?qū)α黠L進行通風冷卻，沒有給中央控制系統(tǒng)，獨立安裝散熱排風扇或者是冷卻風扇，也沒有在設(shè)計過程中，設(shè)置明顯的出風口進行通風散熱。此外，部分工作人員在日常養(yǎng)護和清掃工作時，如果沒有定期對微機柜內(nèi)部的設(shè)備進行清掃，沒有及時檢查、清理上層中機箱周圍的灰塵，會導致微機柜內(nèi)部分單元模塊出現(xiàn)軟故障或直接損壞，影響了中央控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，導致中央控制系統(tǒng)出現(xiàn)了故障，影響了HXD2機車的冗余功能。

根據(jù)設(shè)計原理，中央控制系統(tǒng)是從整體出發(fā)，對整體HXD2機車運行起著指揮和控制作用，由兩組完全一樣的冗余設(shè)備構(gòu)成，共同負責HXD2機車的運行指揮和監(jiān)控。MPU1主要負責對HXD2機車內(nèi)部的數(shù)據(jù)信息，進行及時的記錄和總結(jié)，隨時記錄HXD2機車設(shè)備運行的參數(shù)變化，保障HXD2機車的穩(wěn)定運行，一旦出現(xiàn)問題，會將信息及時發(fā)送到中央控制單元，并反饋給工作人員，然后進行針對性的處理，防止HXD2機車運行出現(xiàn)故障。在通電啟動后，HXD2機車內(nèi)部的冗余系統(tǒng)會自動開啟中央控制單元中的冗余設(shè)備，自動識別機器設(shè)備，并自動啟動HXD2機車的主控單元，保證MPU1設(shè)備穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，此時HXD2機車運行從控單元處于熱備狀態(tài)，只有主控單元在規(guī)定的時間沒有有效運行，或者是主控單元出現(xiàn)故障情況下，從控單元才會進行運轉(zhuǎn)，從熱備狀態(tài)轉(zhuǎn)為主控狀態(tài)，接管主控單元的工作任務(wù)，對HXD2機車的整體運行狀態(tài)進行管理和控制，或者是當主控單元出現(xiàn)故障問題時，由從控單元接入到主控單元內(nèi)部，獲取主控單元的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，繼續(xù)對HXD2機車的運行狀態(tài)進行監(jiān)控和管理，從而保障HXD2機車能夠穩(wěn)定運行。此外，隨著我國信息技術(shù)不斷進步，升級后的中央控制單元能夠與其他機器設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)連接進行信息交換，通過有效運用先進的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對各種數(shù)據(jù)信息進行有效的收集和處理，對HXD2機車運行狀態(tài)，進行全過程的跟蹤和監(jiān)控，能夠有效保障相關(guān)數(shù)據(jù)信息的科學性和可靠性，保障列車運行的安全性。

二、HXD2機車出現(xiàn)運行故障的原因

（一）MPU2機箱故障

HXD2機車在運行過程中出現(xiàn)故障問題，通常是由HXD2機車的中央控制單元MPU2機箱出現(xiàn)故障所引起的。如果中央控制單元MPU2機箱始終在持續(xù)高溫的狀態(tài)下運行，會導致MPU2機箱內(nèi)部的各種零部件的性能下降，影響MPU2機箱穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，當MPU1出現(xiàn)問題時，MPU2難以在第一時間內(nèi)，將相關(guān)數(shù)據(jù)信息及時地儲存和處理，從而影響了HXD2機車的穩(wěn)定運行。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，機車出現(xiàn)運行故障問題的時間通常發(fā)生在白天，在空氣條件較為干燥且高溫時發(fā)生的概率更大。中央控制單元的冗余系統(tǒng)是多任務(wù)實時性的操作系統(tǒng)，機箱需要在機車內(nèi)部高速運轉(zhuǎn)，且必須始終維持在平穩(wěn)的運行的狀態(tài)。正常機箱的工作環(huán)境溫度大多為70攝氏度左右，由于HXD2機車的微機柜內(nèi)部沒有設(shè)置專用通風散熱系統(tǒng)，HXD2機車內(nèi)部通風不暢，導致微機柜內(nèi)部對流風減少，散熱不足，如果在持續(xù)高溫天氣中，就會提高機車內(nèi)部環(huán)境溫度，機箱內(nèi)部的溫度持續(xù)升高，使機箱始終處于高溫的環(huán)境下，造成中央控制單元的表面溫度接近機器設(shè)備運行允許的高溫上限，引起部分零部件和元器件性能下降，穩(wěn)定性變差，引發(fā)中央控制單元的運行故障，產(chǎn)生嚴重的HXD2機車運行故障。

（二）PSU電源模塊故障

PSU是整個微機控制單元運行的供能裝置，冗余MPU與主MPU都會給各自通道的PICC發(fā)送一組LCM信號，經(jīng)過PICC對LCM監(jiān)控器的解碼后，再為過程循環(huán)監(jiān)控器模塊上的PCM繼續(xù)供電，將該PSU電源對應(yīng)的MPU模塊置于活動模式。因此，在通電情況下，PSU模塊因故障退出加載后，都會使對應(yīng)通道的PICC通道被隔離，然而在一種特殊的故障狀態(tài)下，故障PSU模塊退出加載后會直接導致與之對應(yīng)的MPU模塊重啟時無法通過自檢，從而影響冗余PSU電源模塊加載。從過程循環(huán)監(jiān)控器的運行機理來看，這種故障原因主要是LCM信號被屏蔽或中斷，由于通道內(nèi)的PICC未能成功解碼信號，冗余PSU電源模塊與隔離繼電器就會從MPU的控制電路中被一同切除，此時MPU因無法通過自檢而始終處于被動模式，導致HXD2機車在微機控制單元故障時，出現(xiàn)冗余PSU電源模塊啟動失敗的問題。

（三）VID引腳故障

VID引腳是指MPU集成微處理器芯片內(nèi)部電路與外圍線路之間的連接線腳，它是MPU與整個微機控制單元的外部接口，按照不同引腳連接的線路對象以及功能用途不同，共分為外接晶振、主電源、多功能I/O口、振蕩器以及復位、選通等。VID引腳故障所引起的運行問題表現(xiàn)與MPU的子架故障非常類似，當列車出庫后頻繁發(fā)生死機故障，且將MPU子架更換后故障現(xiàn)象依然未得到消除，就意味著故障位置可能發(fā)生在MPU的VID引腳上。如果此時對列車中央控制單元進行靜調(diào)測試，就會發(fā)現(xiàn)MPU的VID引腳序列中至少有一位是存在硬件故障問題的。例如實現(xiàn)MPU內(nèi)藏濾波器S-VHS開關(guān)控制功能的VID引腳，在正常運行狀態(tài)下需要與一個1μf的電容器接地連接，以確保MPU處于S-VHS狀態(tài)下可以通過標準電平的設(shè)定來將引腳電壓控制在2V以下。如果該VID引腳因虛焊斷路而出現(xiàn)電容器標準電平設(shè)定失效，將會直接導致VID引腳出現(xiàn)高電位輸出的故障現(xiàn)象，進而導致MPU模塊死機失去“3取2”的冗余功能。

三、HXD2機車MPU冗余功能的改進措施分析

（一）增設(shè)排風口

在設(shè)計過程中可以在HXD2機車微機柜內(nèi)部設(shè)置通風口和排氣扇，降低溫度，保障中央控制系統(tǒng)及相關(guān)機器設(shè)備能夠穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，防止部分零部件因高溫出現(xiàn)損壞而產(chǎn)生運行故障。冗余功能的實現(xiàn)主要是由主控單位與從控單位的切換而形成的；在HXD2機車運行的過程中，微機控制單元處于穩(wěn)定工作的運行狀態(tài)，MPU1也會處于始終聯(lián)機的運行狀態(tài)，但MPU2并不會直接從事數(shù)據(jù)信息的控制和傳輸工作，處于熱備狀態(tài)，沒有直接投入工作中，只有主控制單元出現(xiàn)故障時，MPU2才會接替主控制器正式投入工作，進行相關(guān)數(shù)據(jù)的傳輸和處理并對其他設(shè)備進行控制，接管并執(zhí)行主控制器正在運行的工作流程。據(jù)上述分析，如果MPU2的電源板因過熱出現(xiàn)故障后，將會破壞機車內(nèi)部的冗余功能，影響到MPU2冗余功能的實現(xiàn)。許多老直流電車在運行過程中會采用冷備冗余法，在MPU1出現(xiàn)運轉(zhuǎn)問題時，通過人工操作的方式，切換到MPU2，讓MPU2能夠繼續(xù)穩(wěn)定運行，發(fā)揮上述功能，充分發(fā)揮冗余功能的重要作用。但如果在原有機器設(shè)備的基礎(chǔ)上，增加電源冷備裝置或通風裝置硬件，能夠有效為控制單元的電源板提供良好的運行環(huán)境條件，充分發(fā)揮中央控制系統(tǒng)的冗余功能，能夠通過備用的冗余設(shè)備，給MPU2的運行做出技術(shù)保障，讓另一組MPU2在必要的時候能夠繼續(xù)穩(wěn)定運行。但通過人工切換的方式操作可能會造成工作失誤，不能夠保障各個工作環(huán)節(jié)有序連接，可能因人工操作的失誤，造成部分數(shù)據(jù)信息丟失，對HXD2機車的安全穩(wěn)定運行造成一定的影響。冗余設(shè)備作為備份系統(tǒng)，與正常運行的其他組件放置在同一機艙中，如果HXD2機車在運行時出現(xiàn)故障問題，需要進行設(shè)備更換時，會加大了更換時間，不能夠保障各個工作環(huán)節(jié)有效運轉(zhuǎn)，耽誤了過多的時間，影響了機器設(shè)備的穩(wěn)定運行。

（二）改進PSU電源模塊的控制信號切換方式

考慮到PSU電源模塊因LSM信號中斷而無法通過自檢的問題，需要針對MPU模塊的PSU電源的控制信號邏輯進行優(yōu)化調(diào)整，具體方案為如下：首先是對網(wǎng)絡(luò)信號傳輸功能的切換，當整個MPU模塊處于正常運行狀態(tài)時，在保留原有PICC信號通道的基礎(chǔ)上，新增Master與Slave兩重控制系統(tǒng)單元替代PICC與CI網(wǎng)絡(luò)接口進行數(shù)據(jù)幀信號傳輸。當PICC通道的LSM生命周期監(jiān)控無法正常運行時，系統(tǒng)可以自動切換繼電器動作，通過Master或Slave向CI網(wǎng)絡(luò)接口回傳電源模塊的運行狀況信息。即使Master系統(tǒng)因故障癱瘓不能實現(xiàn)信號輸出功能，也可以由Slave系統(tǒng)切換至外部設(shè)備繼續(xù)執(zhí)行冗余PSU電源模塊的活動模式進行控制，使HXD2機車繼續(xù)保持MPU模塊可控的良好運行狀態(tài)。

（三）改進MPU控制板的冗余熱備份方案

所謂MPU控制板的熱備份，就是指在保留原有MPU運行工作的線路結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，設(shè)置兩套MPU控制板的結(jié)構(gòu)，其中一套作為工作控制板，而另一套作為備用控制板。當HXD2機車出現(xiàn)MPU主機運行故障問題時，可以直接使備用MPU控制板進入活動狀態(tài)，隨時接替工作控制板執(zhí)行列車的控制功能。以往的HXD2機車所采用的主要是“MPU系統(tǒng)總體熱備份”技術(shù)方案，該方案體系中微機控制單元的MPU系統(tǒng)主要由兩個互為備用的A、B功能板，以及兩個電源板構(gòu)成。其中B電源板以及備用功能板在監(jiān)視模塊通道PICC的控制下，信號輸出始終處于封鎖狀態(tài)，只有當主控制板發(fā)生故障時才會通過自檢調(diào)整為活動狀態(tài)，實現(xiàn)微機控制單元的主從線路切換。為了避免MPU控制板冗余模塊出現(xiàn)故障癱瘓，可以采用“控制系統(tǒng)熱備份”方案，也就是不再采用整個MPU模塊控制板全部冗余備份的方案，僅保留A、B兩組功能板與電源板。將其中的A組控制模塊作為主控制模塊，經(jīng)過PSU電源模塊通電開啟并自檢通過后給出系統(tǒng)控制信號，對A組的輸出模塊進行直接控制；而B組控制模塊與另外一個監(jiān)視控制模塊相連接，當電源B組通電后，由PICC的生命周期監(jiān)控器識別LSM信號，使MPU模塊啟動通過自檢后進入被動狀態(tài)，此時整個B組控制模塊的輸出信號被完全封鎖，并同時監(jiān)測A組控制模塊的運行狀態(tài)。該熱備份方案相比于原方案來說，有如下幾個方面優(yōu)點：一是A與B兩個控制模塊是以同時運行、并行輸出的形式存在，因此，監(jiān)控模塊與微機控制單元的強電輸出模塊隔離性更好，可以將電磁干擾的不良影響控制在最低程度；二是相比于總體熱備份方案來說，新的方案熱備份冗余部分只設(shè)在了弱電監(jiān)控部分，可以減少一組輸入模塊與輸出模塊的冗余元件數(shù)量，理論故障概率會更小。結(jié)果表明改進后的MPU控制板冗余方案可靠性遠優(yōu)于“MPU系統(tǒng)總體熱備份”方案，且在系統(tǒng)功耗、安裝成本以及運行環(huán)境條件等方面均有不同程度的改善效果。

四、結(jié)束語

綜上所述，由于HXD2機車是我國鐵路系統(tǒng)中的重要組成部分，HXD2機車的運行次數(shù)較多，運行時間較長，而中央控制單元是HXD2機車運行中的基礎(chǔ)，因此對機車控制系統(tǒng)的優(yōu)化和升級，增設(shè)必要的冷卻系統(tǒng)，是保障HXD2機車中央控制單元冗余功能的有效發(fā)揮，保障HXD2機車的穩(wěn)定運行，減少機車運行故障，提升安全等級的必經(jīng)之路，滿足社會群眾的實際需求。

作者單位：禹萬林 徐州開放大學

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禹萬林（1967-），男，漢族，江蘇如皋，碩士，徐州開放大學講師，研究方向：電氣工程。