HXD2機車的微機控制單元MPU冗余功能改進分析

摘要：HXD2機車在鐵路系統中數量較多，其運行的安全性和穩定性，直接影響鐵路系統的運行狀態，影響鐵路系統的整體性能。但HXD2機車在運轉過程中容易受多種因素的影響，可能會出現空轉或其他運行故障問題。本文簡要介紹了HXD2機車的MPU冗余、中央控制程序的應用現狀，分析了HXD2機車運行不暢的原因，探索了HXD2機車的檢修方法，結合HXD2機車實際故障表現進行功能優化，以此提升HXD2機車的運檢能力。

關鍵詞：HXD2機車；微機控制單元；冗余功能

HXD2機車在我國鐵路系統中運行頻次較高，其內部的微機控制單元在高速運轉時，會受到某些突發性因素的影響而產生運行故障，需要相關工作人員從整體出發，積極采用先進的科學技術，對HXD2機車內部中央控制單元進行優化和升級，通過安裝相關組件，保障HXD2機車能夠在干燥、高溫的環境下，長時間的無故障運行，通過設置相應的聯動裝置，保障MPU1和MPU2的有序銜接，充分發揮微機控制單元MPU冗余功能的優勢，防止出現數據丟失或錯漏現象；同時，設置獨立的通風冷卻系統，保障中央控制單元通風降溫需要，避免機箱內部產生高溫影響到HXD2機車的穩定性，確保HXD2機車的安全平穩運行。

一、技術現狀

（一）HXD2機車MPU冗余功能

HXD2機車內部的控制單元，通常會采用先進的MPU冗余設計，在HXD2機車內部有兩個MPU機箱。通常情況下，HXD2機車內部的MPU1作為HXD2機車運行的主控單元，能夠利用信息技術對機箱內的各個單元的運行狀態進行網絡監控，了解各個機器設備的網絡通信狀態，能夠起到集中管理和集中優化的作用。MPU2主要是在MPU1機箱出現故障的情況下，利用先進的信息技術，連接MPU1機箱的主控單元，發揮MPU1機箱的主控功能，切換數據，保障MPU1相關數據信息的安全性和穩定性，避免數據出現丟失或錯漏，引發其他設備的運行故障。因此，冗余功能主要是指通過先進的信息技術以及先進的內部零部件，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，充分發揮MPU1與MPU2的冗余功能，避免機車在運行過程中，出現數據丟失，引發重大事故，確保鐵路系統的安全性和穩定性。

（二）中央控制程序

機車內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、自動控制單元和多個重點的指揮系統等構成，中央處理單元是HXD2機車運行的核心，發揮著整體協調和運行功能，負責對HXD2機車整體的運行狀態進行管理，監控HXD2機車的網絡通信狀態，并根據實際的運行狀況，對相關數據參數進行調整。中央處理單元通常會安裝在HXD2機車內部的微機柜中，而微機柜通常會分為上下中三層，下層主要是相關數據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機車運行的相關數據信息進行收集和整理，而上層主要分布中央控制系統的中央控制單元機箱以及網關模塊，負責對整體HXD2機車運行狀態進行分析，對網絡使用情況進行監測，是HXD2機車運行的中樞。許多HXD2機車并沒有在微機柜內部安裝通風系統，采用自然或對流風進行通風冷卻，沒有給中央控制系統，獨立安裝散熱排風扇或者是冷卻風扇，也沒有在設計過程中，設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護和清掃工作時，如果沒有定期對微機柜內部的設備進行清掃，沒有及時檢查、清理上層中機箱周圍的灰塵，會導致微機柜內部分單元模塊出現軟故障或直接損壞，影響了中央控制系統的穩定運行，導致中央控制系統出現了故障，影響了HXD2機車的冗余功能。

根據設計原理，中央控制系統是從整體出發，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備構成，共同負責HXD2機車的運行指揮和監控。MPU1主要負責對HXD2機車內部的數據信息，進行及時的記錄和總結，隨時記錄HXD2機車設備運行的參數變化，保障HXD2機車的穩定運行，一旦出現問題，會將信息及時發送到中央控制單元，并反饋給工作人員，然后進行針對性的處理，防止HXD2機車運行出現故障。在通電啟動后，HXD2機車內部的冗余系統會自動開啟中央控制單元中的冗余設備，自動識別機器設備，并自動啟動HXD2機車的主控單元，保證MPU1設備穩定運轉，此時HXD2機車運行從控單元處于熱備狀態，只有主控單元在規定的時間沒有有效運行，或者是主控單元出現故障情況下，從控單元才會進行運轉，從熱備狀態轉為主控狀態，接管主控單元的工作任務，對HXD2機車的整體運行狀態進行管理和控制，或者是當主控單元出現故障問題時，由從控單元接入到主控單元內部，獲取主控單元的相關數據信息，繼續對HXD2機車的運行狀態進行監控和管理，從而保障HXD2機車能夠穩定運行。此外，隨著我國信息技術不斷進步，升級后的中央控制單元能夠與其他機器設備通過網絡連接進行信息交換，通過有效運用先進的網絡技術，對各種數據信息進行有效的收集和處理，對HXD2機車運行狀態，進行全過程的跟蹤和監控，能夠有效保障相關數據信息的科學性和可靠性，保障列車運行的安全性。

二、HXD2機車出現運行故障的原因

（一）MPU2機箱故障

HXD2機車在運行過程中出現故障問題，通常是由HXD2機車的中央控制單元MPU2機箱出現故障所引起的。如果中央控制單元MPU2機箱始終在持續高溫的狀態下運行，會導致MPU2機箱內部的各種零部件的性能下降，影響MPU2機箱穩定運轉，當MPU1出現問題時，MPU2難以在第一時間內，將相關數據信息及時地儲存和處理，從而影響了HXD2機車的穩定運行。據相關數據統計，機車出現運行故障問題的時間通常發生在白天，在空氣條件較為干燥且高溫時發生的概率更大。中央控制單元的冗余系統是多任務實時性的操作系統，機箱需要在機車內部高速運轉，且必須始終維持在平穩的運行的狀態。正常機箱的工作環境溫度大多為70攝氏度左右，由于HXD2機車的微機柜內部沒有設置專用通風散熱系統，HXD2機車內部通風不暢，導致微機柜內部對流風減少，散熱不足，如果在持續高溫天氣中，就會提高機車內部環境溫度，機箱內部的溫度持續升高，使機箱始終處于高溫的環境下，造成中央控制單元的表面溫度接近機器設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，穩定性變差，引發中央控制單元的運行故障，產生嚴重的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發送一組LCM信號，經過PICC對LCM監控器的解碼后，再為過程循環監控器模塊上的PCM繼續供電，將該PSU電源對應的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，都會使對應通道的PICC通道被隔離，然而在一種特殊的故障狀態下，故障PSU模塊退出加載后會直接導致與之對應的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。從過程循環監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與MPU的子架故障非常類似，當列車出庫后頻繁發生死機故障，且將MPU子架更換后故障現象依然未得到消除，就意味著故障位置可能發生在MPU的VID引腳上。如果此時對列車中央控制單元進行靜調測試，就會發現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MPU內藏濾波器S-VHS開關控制功能的VID引腳，在正常運行狀態下需要與一個1μf的電容器接地連接，以確保MPU處于S-VHS狀態下可以通過標準電平的設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電容器標準電平設定失效，將會直接導致VID引腳出現高電位輸出的故障現象，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）增設排風口

在設計過程中可以在HXD2機車微機柜內部設置通風口和排氣扇，降低溫度，保障中央控制系統及相關機器設備能夠穩定運轉，防止部分零部件因高溫出現損壞而產生運行故障。冗余功能的實現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定工作的運行狀態，MPU1也會處于始終聯機的運行狀態，但MPU2并不會直接從事數據信息的控制和傳輸工作，處于熱備狀態，沒有直接投入工作中，只有主控制單元出現故障時，MPU2才會接替主控制器正式投入工作，進行相關數據的傳輸和處理并對其他設備進行控制，接管并執行主控制器正在運行的工作流程。據上述分析，如果MPU2的電源板因過熱出現故障后，將會破壞機車內部的冗余功能，影響到MPU2冗余功能的實現。許多老直流電車在運行過程中會采用冷備冗余法，在MPU1出現運轉問題時，通過人工操作的方式，切換到MPU2，讓MPU2能夠繼續穩定運行，發揮上述功能，充分發揮冗余功能的重要作用。但如果在原有機器設備的基礎上，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境條件，充分發揮中央控制系統的冗余功能，能夠通過備用的冗余設備，給MPU2的運行做出技術保障，讓另一組MPU2在必要的時候能夠繼續穩定運行。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節有序連接，可能因人工操作的失誤，造成部分數據信息丟失，對HXD2機車的安全穩定運行造成一定的影響。冗余設備作為備份系統，與正常運行的其他組件放置在同一機艙中，如果HXD2機車在運行時出現故障問題，需要進行設備更換時，會加大了更換時間，不能夠保障各個工作環節有效運轉，耽誤了過多的時間，影響了機器設備的穩定運行。

（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化調整，具體方案為如下：首先是對網絡信號傳輸功能的切換，當整個MPU模塊處于正常運行狀態時，在保留原有PICC信號通道的基礎上，新增Master與Slave兩重控制系統單元替代PICC與CI網絡接口進行數據幀信號傳輸。當PICC通道的LSM生命周期監控無法正常運行時，系統可以自動切換繼電器動作，通過Master或Slave向CI網絡接口回傳電源模塊的運行狀況信息。即使Master系統因故障癱瘓不能實現信號輸出功能，也可以由Slave系統切換至外部設備繼續執行冗余PSU電源模塊的活動模式進行控制，使HXD2機車繼續保持MPU模塊可控的良好運行狀態。

（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運行工作的線路結構基礎上，設置兩套MPU控制板的結構，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，隨時接替工作控制板執行列車的控制功能。以往的HXD2機車所采用的主要是“MPU系統總體熱備份”技術方案，該方案體系中微機控制單元的MPU系統主要由兩個互為備用的A、B功能板，以及兩個電源板構成。其中B電源板以及備用功能板在監視模塊通道PICC的控制下，信號輸出始終處于封鎖狀態，只有當主控制板發生故障時才會通過自檢調整為活動狀態，實現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故障癱瘓，可以采用“控制系統熱備份”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，經過PSU電源模塊通電開啟并自檢通過后給出系統控制信號，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視控制模塊相連接，當電源B組通電后，由PICC的生命周期監控器識別LSM信號，使MPU模塊啟動通過自檢后進入被動狀態，此時整個B組控制模塊的輸出信號被完全封鎖，并同時監測A組控制模塊的運行狀態。該熱備份方案相比于原方案來說，有如下幾個方面優點：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在了弱電監控部分，可以減少一組輸入模塊與輸出模塊的冗余元件數量，理論故障概率會更小。結果表明改進后的MPU控制板冗余方案可靠性遠優于“MPU系統總體熱備份”方案，且在系統功耗、安裝成本以及運行環境條件等方面均有不同程度的改善效果。

四、結束語

綜上所述，由于HXD2機車是我國鐵路系統中的重要組成部分，HXD2機車的運行次數較多，運行時間較長，而中央控制單元是HXD2機車運行中的基礎，因此對機車控制系統的優化和升級，增設必要的冷卻系統，是保障HXD2機車中央控制單元冗余功能的有效發揮，保障HXD2機車的穩定運行，減少機車運行故障，提升安全等級的必經之路，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。