HXD2機車的微機控制單元MPU冗余功能的改進

段 宇

（中車大同電力機車有限公司，山西 大同 037038）

0 引 言

2018年配屬西安鐵路局的HXD2機車出現(xiàn)的微機控制單元MPU切換故障，具體現(xiàn)象是機車運行中報“MPU1 故障”，機車回段后試車，查看MPU1指示燈電源燈頻繁微弱閃爍，其余指示燈不亮，MPU2指示燈正常，現(xiàn)場更換A節(jié)MPU機箱后試車正常。

MPU為冗余設計，正常情況下MPU1工作，當MPU1故障時，MPU2工作。但針對上述現(xiàn)象是由于MPU2電源燒損，從而通過MPU2內部的繼電器板控制另一個MPU1失電，但MPU2也未能工作，從而不能實現(xiàn)冗余。MPU是機車運行的關鍵重要部件，相當于電力機車的大腦，MPU系統(tǒng)冗余功能失效導致MPU無法正常工作會給行車安全帶來極大的安全隱患。本論文針對這一問題，從MPU冗余的邏輯下手，改進MPU冗余功能[1-2]。

1 HXD2機車MPU冗余功能的簡介

微機控制單元MPU采用冗余設計，內部包含兩個MPU機箱，正常情況下，MPU1作為主控單元，負責管理和監(jiān)測網(wǎng)絡通信和各設備狀態(tài)，MPU2熱備冗余；在MPU1故障的情況下，MPU2自動接管主控單元功能。切換過程中除MPU1本身故障外任何數(shù)據(jù)無損失，不會引起其他設備故障。MPU通過內部電器元件實現(xiàn)主控與從控主機得失替換，最終實現(xiàn)MPU1與MPU2的冗余功能。

2 HXD2機車MPU冗余功能失效故障的原因分析及功能改進

2.1 MPU冗余功能失效故障的原因分析

HXD26138機車于2018年8月23日機車運行中B節(jié)報“MPU1 故障”，機車回段后，試車排查故障，發(fā)現(xiàn)微機屏提示“MPU2 故障”（死現(xiàn)象），查看MPU2指示燈僅亮左下角1個電源燈，MPU1正常，MPU2數(shù)據(jù)無法下載，初步分析為MPU2電源板故障，運行中故障MPU2錯誤將MPU1切除，但由于自身電源板故障，將MPU1切除后，MPU2無法投入正常工作，更換MPU機箱后試車正常，判斷為HXD2機車MPU冗余功能失效。

后續(xù)對故障的MPU返廠檢測，上電測試，故障復現(xiàn)，電源燈閃爍，其他指示燈閃爍后熄滅，發(fā)現(xiàn)電源板燒損。

MPU內部控制電路如圖1所示。

圖1 MPU內部控制電路

MPU的冗余控制原理是，通過內部數(shù)字量輸出通道（A、C腳）控制繼電器Q-PW閉合和斷開，再借助Q-PW繼電器觸點實現(xiàn)管控MPU的電源復位功能。這個功能可以實現(xiàn)當某個MPU發(fā)生故障以至影響網(wǎng)絡通信時，另一個MPU可以對其進行電源復位，不影響整車運行。圖2為MPU1和MPU2的控制接口圖。

圖2 MPU1和MPU2的控制接口圖

一般情況下，MPU2的AC腳之間處于高阻抗斷開狀態(tài)，繼電器保持失電，此時繼電器常閉觸點閉合，MPU1得電，但當MPU2電源燒損時，導致MPU2內部電路板供電異常，導致DO控制電路芯片的工作基準電壓不正常，造成MPU2的AC腳之間處于低阻抗導通狀態(tài)，從而繼電器得電，繼電器常閉觸點斷開，最終造成MPU1的110 V電源斷開，MPU2錯誤將MPU1切除，但又由于自身電源板故障，MPU2也無法投入正常工作。通過MPU返廠檢測分析再次驗證了前期故障處理的判斷。

2.2 MPU冗余功能改進的探討

硬件冗余是通過熱備系統(tǒng)或冷備系統(tǒng)硬件實現(xiàn)冗余控制所需要的數(shù)據(jù)同步和主從切換，在機車運行的過程中微機主控制器MPU1工作，從控制器MPU2處于聯(lián)機運用狀態(tài)，但不參與控制和輸出，一旦MPU1故障，MPU2便會立即接替主控制器投入工作，迅速接管控制與輸出，重新執(zhí)行主控制器故障時的那段任務，不會造成數(shù)據(jù)丟失。

但根據(jù)前文中分析的故障問題，若MPU的電源板燒損就會出現(xiàn)冗余功能失效，該冗余功能的可靠性受到MPU機箱內電器元件的性能影響。一些老直流機車的控制單元采用的是冷備冗余，當一組控制單元故障時，手動切換至另一組。若在原有硬件熱備的基礎上，增加硬件電源冷備裝置及當微機控制單元MPU內部電源板燒損熱備冗余失效時，通過備用的冗余冷備電源裝置給其中的一組MPU故障，通過人工上電，可以讓另一組MPU得電繼續(xù)維持機車運用，但這樣做的缺點是通過人工操作，過于依賴人員操作的熟練程度，人工操作所耽誤的實踐會造成部分數(shù)據(jù)丟失，而MPU的數(shù)據(jù)記錄是毫秒級，會對機車數(shù)據(jù)的運用分析造成一定影響。

冷備冗余是通過備份所有正常運行的組件放在一旁或者倉庫里，等運行的組件壞了以后更換新的組件來完成系統(tǒng)的正常運行，這個冗余時間和更換時間息息相關。這種冷備用方式很少去關注響應時間，并且需要運維人員干預操作，人工上電的過程會耽誤多少時間，只能視運維人員的對系統(tǒng)的熟練程度而定并且必須被動接受。熱備冗余，是兩套完全一樣的配置組件，一個正常運行被視為主，另一個待機并不運行備用被視為從，每隔一段時間，主從的內容相互交換一次，當運行組件出現(xiàn)故障，備用組件才會運行承擔工作，同時會完好地保存數(shù)據(jù)。

MPU相當于是機車微機網(wǎng)絡系統(tǒng)的大腦，我們希望提高MPU使用的可靠性，包括全文給MPU增加冷備冗余裝置的目的也是希望提高MPU冗余功能的可靠性，降低因電器元件故障導致冗余失效的風險，但冷備冗余的模式不利于機車運用數(shù)據(jù)的保留，站在這一角度思考，我們也可以通過改變MPU內部電器元件的電路設計，使MPU的DO控制電路內部冗余，從而提升設備的可靠性。

2.3 MPU冗余功能改進方案

根據(jù)上文敘述，改進方案是在原來MPU主控和從控主機通過得失電實現(xiàn)冗余功能原理的基礎上，改進MPU1和MPU2的DO電源控制電路，增加繼電器Q-PW，由2個增加為4個，2個為一組，當MPU內部電源板路電器元件故障繼電器動作時，每組的繼電器互為冗余可以保證MPU繼續(xù)得電，從而實現(xiàn)DO電源控制的電路冗余，最終從電器元件的得失電和內部電路設計方面的雙層冗余，提升了設備的安全可靠性，也避免了增加冷備冗余裝置的缺點和高費用。圖3為改進后的MPU1和MPU2的控制接口圖。

圖3 改進后的MPU1和MPU2的控制接口圖

圖3中，改進的電源控制板電路將MPU1和MPU2的控制電路由原來的1路繼電器控制增加為2路繼電器控制。MPU2通過2路可控輸出（MPU2 D01和D02）分別控制繼電器A2和A4的線圈，外部DC110 V電源正端經(jīng)過防反二極管及濾波電路后，分別經(jīng)過A2繼電器常閉觸點和A4繼電器的常開觸點后接入MPU1的電源輸入端口正端。

因為外部電源經(jīng)過2個繼電器的常閉和常開觸點控制MPU1的電源輸入，當發(fā)生故障時，即使MPU2的D0通道故障，A2繼電器斷開，A4繼電器閉合，被控的MPU1電源仍處于正常導通狀態(tài)，這就可以避免因MPU2故障導致MPU1失去電源輸入的問題，提高MPU冗余功能的可靠性，MPU1電源控制電路同理控制著MPU2。

3 MPU電源控制板的改進方案實施

針對MPU電源板U4芯片燒損，造成MPU1、MPU2冗余功能失效的問題，我們結合優(yōu)化后的電源控制電路改進方案，對MPU的電源控制板進行了實際改進優(yōu)化，改造前后的實物如圖4所示。

同時，在MPU1和MPU2的D0控制引腳端與地之間增加了TVS（型號SMCJ15CA），增強了DO通道的抗干擾性。但在第一批改進的MPU電源控制板上車實驗，通過切斷MPU1和MPU2斷路器實驗冗余功能，試驗中發(fā)生當一組MPU電源斷路器斷開后，另一組MPU有時不啟動的問題。主要原因是MPU控制電源板上的C3電容容量大造成啟動電流偏大，后將C3電容容量由原來的100 μF更換為33 μF，啟動電流降低了1/4，且不影響MPU正常啟動，MPU電源斷路器斷開后可再正常閉合，具體電路如圖5所示。

圖5 電源隔離模塊改進圖

圖4 改造前后的電路板

通過優(yōu)化，目前改進的MPU電源控制板能夠更好地保證機車的正常運用，HXD2機車的微機控制單元MPU的冗余功能可靠性得到大幅的提高，為機車的安全運用提供了可靠的保證。

4 結 論

本文主要針對HXD2機車微機控制單元MPU在運用中出現(xiàn)的問題，從MPU內部電路設計方面著手，進一步使得MPU的冗余功能可靠性得到大幅的提高。