基于TTC60控制器的內(nèi)燃機(jī)車電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王雙旺，孫志洪

(中鐵工程裝備集團(tuán)公司設(shè)計(jì)研究總院，鄭州 4 50016)

0 引言

隧道牽引機(jī)車主要有電力變頻機(jī)車和內(nèi)燃機(jī)車。電力變頻機(jī)車的動(dòng)力源為蓄電池，通過將直流電源變換為三相交流電，然后通過變頻器控制電動(dòng)機(jī)工作;而電傳動(dòng)型內(nèi)燃機(jī)車的動(dòng)力源為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，通過柴油機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，然后通過對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能驅(qū)動(dòng)機(jī)車運(yùn)行，是電力傳動(dòng)的工作方式。作為變頻機(jī)車的技術(shù)核心，變頻技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)較為成熟，許多國內(nèi)外企業(yè)都在生產(chǎn)，但由于蓄電池需要頻繁充電，限制了電力變頻機(jī)車在長大隧道運(yùn)輸?shù)膽?yīng)用［1-6］。本文介紹的內(nèi)燃機(jī)車是液壓傳動(dòng)型，具有以下特點(diǎn):便于布置，占用空間小，適用于該機(jī)車的轉(zhuǎn)向架式結(jié)構(gòu);可以無極調(diào)速，控制特性好;動(dòng)作快速性好，控制、調(diào)節(jié)比較簡(jiǎn)單;液壓系統(tǒng)能進(jìn)行制動(dòng);液壓傳動(dòng)在工程機(jī)械上廣泛應(yīng)用，技術(shù)成熟，控制上能夠借鑒工程機(jī)械等。

在當(dāng)前的機(jī)車控制系統(tǒng)中，大多采用通用的PlC系統(tǒng)(如西門子S7系列PLC)、三菱PLC或微機(jī)等作為控制核心，通訊多采用RS485技術(shù)。CANBUS技術(shù)是最早由博世公司提出的現(xiàn)場(chǎng)通訊技術(shù)規(guī)范，廣泛應(yīng)用于汽車的電氣控制系統(tǒng)中，當(dāng)前也逐漸在工程機(jī)械、煤礦機(jī)械等非公路機(jī)械中得到廣泛應(yīng)用，但鮮有在機(jī)車控制系統(tǒng)中的應(yīng)用介紹［7-10］。隨著環(huán)保節(jié)能技術(shù)及柴油機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，市場(chǎng)上大功率的柴油機(jī)基本都是電控的，而發(fā)動(dòng)機(jī)控制器的通訊則廣泛采用基于CAN2．0的J1939協(xié)議。TTC60是在工程機(jī)械上廣泛應(yīng)用的專業(yè)控制器，它支持CAN2．0通訊，將它引用到新型液壓傳動(dòng)型內(nèi)燃機(jī)車的電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中來，能充分發(fā)揮其在液壓系統(tǒng)控制上的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)它能與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行通信，這樣在發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓系統(tǒng)的匹配上，可以采取更有效辦法來達(dá)到節(jié)能高效的目的。

1 60 t內(nèi)燃機(jī)車簡(jiǎn)介

為了解決大直徑隧道運(yùn)輸量大，以及運(yùn)輸距離長的問題，設(shè)計(jì)采用內(nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力源，采用60 t的黏重，具有較大的牽引力;采用液壓驅(qū)動(dòng)以及轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)，可以有較小的轉(zhuǎn)彎半徑與軸載，對(duì)軌道的要求大大降低，能夠較好地適應(yīng)隧道內(nèi)軌道條件較差的工作環(huán)境。制動(dòng)方式以閘瓦制動(dòng)方式為主，液壓制動(dòng)和排氣制動(dòng)為輔。為了降低對(duì)隧道大氣環(huán)境的影響，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣凈化裝置。同時(shí)借鑒工程機(jī)械的控制方案，設(shè)計(jì)友好的操作界面，給司機(jī)輕松安全的駕駛體驗(yàn)。整個(gè)機(jī)車主要由車架車體、駕駛室、動(dòng)力單元、電氣控制系統(tǒng)、制動(dòng)裝置、走行機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)及其他輔助裝置組成。機(jī)車整機(jī)外形如圖1所示。

圖1 機(jī)車整機(jī)外形圖Fig．1 Photo of diesel locomotive

2 機(jī)車的電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)車的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要根據(jù)機(jī)車在各個(gè)工況下對(duì)液壓系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)的控制要求，采用合理的電氣硬件以及控制策略，實(shí)現(xiàn)機(jī)車的行車、調(diào)向、調(diào)速、剎車和制動(dòng)等控制，并且設(shè)計(jì)一個(gè)友好的操作界面和環(huán)境。電氣設(shè)計(jì)主要包括以下部分:1)硬件設(shè)計(jì)，包括選型設(shè)計(jì)與電氣原理圖設(shè)計(jì)。電氣原理圖設(shè)計(jì)包括發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)部分、供電部分和控制部分設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)中控制器選用TTC60，人機(jī)交互選用6．4寸的彩色LED，支持CAN通訊。整車供電采用24 V直流，負(fù)極搭鐵方式。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)前由蓄電池供電，用于啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)、照明和控制系統(tǒng)供電等;發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)車載24 V發(fā)電機(jī)給整車供電，并向蓄電池充電。2)軟件設(shè)計(jì)及上位機(jī)界面設(shè)計(jì)。軟件是控制功能的實(shí)現(xiàn)，上位機(jī)界面設(shè)計(jì)目標(biāo)是以圖形化、數(shù)字化的方式，生動(dòng)、實(shí)時(shí)地對(duì)整車的速度、溫度、壓力和流量進(jìn)行監(jiān)控與報(bào)警。

2．1 控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)硬件部分主要由以下幾部分構(gòu)成:控制器(TTC60)、人機(jī)交互界面(帶按鍵的LED顯示屏)和發(fā)動(dòng)機(jī)控制器EMR。前向通道包括操作臺(tái)按鈕、調(diào)速手柄以及速度、壓力、油溫和油位等各種信號(hào)傳感器，執(zhí)行部分則為液壓系統(tǒng)的電磁閥、氣動(dòng)制動(dòng)閥和信號(hào)燈等。此外，還有蓄電池、發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)馬達(dá)與發(fā)電機(jī)等輔助設(shè)備?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 機(jī)車控制系統(tǒng)框圖Fig．2 Control system of diesel locomotive

2．2 TTC60控制器的特點(diǎn)

TTC60專用控制器與通用的PLC相比具有以下特點(diǎn):

1)堅(jiān)固可靠，抗振動(dòng)、抗沖擊性能好，防護(hù)等級(jí)達(dá)到ⅠP67，能適應(yīng)戶外的惡劣環(huán)境。

2)控制器集成有豐富的輸入輸出口:開關(guān)量輸入輸出、0～5 V/30 V電壓及0～20 mA電流輸入、脈沖輸入、0～100 kΩ電阻輸入、大電流的 PWM輸出(2A)。

3)管腳復(fù)用，用戶可根據(jù)自己的控制要求配置輸入輸出口，過壓保護(hù)，輸出短路保護(hù)。

4)具備2個(gè)CAN總線，抗干擾性強(qiáng)，支持J1939協(xié)議通訊。

5)編程支持ⅠEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)的6種語言。

2．3 CAN總線通訊設(shè)計(jì)

TTC60控制器有2個(gè)CAN通訊接口:CAN0與CAN1。設(shè)計(jì)中，將CAN0口作為控制器與上位機(jī)通訊的接口，通訊介質(zhì)選擇屏蔽雙絞線，通訊協(xié)議是CAN2．0B?？刂破鲗⒁@示的數(shù)據(jù)發(fā)送到顯示屏，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)車運(yùn)行參數(shù)，而在顯示器上也可以修改相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，然后發(fā)送給控制器。此外，CAN0還可當(dāng)作程序的下載與調(diào)試接口。CAN1口則設(shè)計(jì)為與發(fā)動(dòng)機(jī)控制器EMR通訊接口。它們采用J1939協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，J1939協(xié)議是基于CAN2．0B的應(yīng)用層協(xié)議。在本系統(tǒng)中，采用的通訊波特率均為250 kb/s，在這個(gè)速率下，CAN總線可以達(dá)到最長200 m左右的通訊距離。

發(fā)動(dòng)機(jī)控制器EMR檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)位置的傳感器信號(hào)，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行噴油、啟動(dòng)、調(diào)速和診斷等系列控制。這樣，通過CAN總線，可將EMR采集的數(shù)據(jù)，如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力和發(fā)動(dòng)機(jī)水溫等運(yùn)行參數(shù)和報(bào)警信息發(fā)送到TTC60控制器，而TTC60則可以根據(jù)需求向EMR發(fā)送對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)包括轉(zhuǎn)速、怠速控制在內(nèi)的各種控制信號(hào)。如控制器檢測(cè)到液壓系統(tǒng)主泵壓力長時(shí)間小于設(shè)定的工作壓力值或操作手柄處于中位時(shí)，就可以通過總線向發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)送怠速指令，使發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)怠速運(yùn)行。

圖3為CAN總線通訊原理圖。CAN通過差分電壓傳輸信號(hào)，這2根信號(hào)線分別被稱為“CAN-H”和“CAN-L”，靜態(tài)時(shí) CAN-H和 CAN-L電壓均為2．5 V左右，表示邏輯“1”;CAN-H比CAN-L電壓高時(shí)表示邏輯“0”，這時(shí)CAN-H通常為3．5 V，CAN-L為1．5 V左右?？偩€兩端掛2個(gè)120 Ω的電阻，以消除信號(hào)反射。

圖3 CAN總線通訊原理圖Fig．3 Principle of communication of CAN bus

3 機(jī)車電控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括控制器TTC60程序設(shè)計(jì)和顯示器程序設(shè)計(jì)?？刂破鞒绦蚴菣C(jī)車電氣控制系統(tǒng)的核心，也是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。顯示器端的程序主要是滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、人機(jī)交互的要求。TTC60采用應(yīng)用廣泛的Codesys開發(fā)應(yīng)用程序，顯示器端程序則在Linux操作系統(tǒng)下進(jìn)行開發(fā)，屬于嵌入式的UⅠ界面設(shè)計(jì)。

3．1 控制器程序的設(shè)計(jì)

TTC60控制程序主要包括以下部分:1)發(fā)動(dòng)機(jī)速度控制;2)機(jī)車牽引各工況控制;3)液壓系統(tǒng)控制;4)智能控制包括報(bào)警保護(hù)功能、過載保護(hù)和急?？刂?5)CAN通訊程序;6)功率匹配控制。程序開發(fā)采用結(jié)構(gòu)式設(shè)計(jì)方法，程序語言則以梯形圖及結(jié)構(gòu)化文本為主，程序的開發(fā)流程如圖4所示。

圖4 控制器程序開發(fā)流程Fig．4 Developing process of controller program

發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓系統(tǒng)如何匹配是控制器程序設(shè)計(jì)的重要部分。它的目的是，通過有效的算法，控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、液壓泵及馬達(dá)排量，使得發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率恰當(dāng)?shù)貪M足液壓系統(tǒng)的需要。因?yàn)闄C(jī)車在運(yùn)行過程中，會(huì)遇到以下種種復(fù)雜工況:當(dāng)遇到爬坡，負(fù)載增大或要提高行車速度時(shí)，需要泵輸出更大功率時(shí)，控制器可以發(fā)送指令提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速;而當(dāng)負(fù)載減小或者要降速行車時(shí)，發(fā)送指令降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速或怠速運(yùn)行;當(dāng)泵負(fù)載壓力異?；蜻^高時(shí)，控制器通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)速度信號(hào)，在出現(xiàn)掉速現(xiàn)象時(shí)，控制器發(fā)出指令降低泵排量與馬達(dá)速度，使發(fā)動(dòng)機(jī)不至于出現(xiàn)帶不動(dòng)負(fù)載，熄火現(xiàn)象。這樣可以既不浪費(fèi)發(fā)動(dòng)機(jī)功率又能實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)運(yùn)行要求，達(dá)到功率匹配、節(jié)能的目的。就具體控制程序而言，功率匹配的控制程序包括發(fā)動(dòng)機(jī)速度控制子程序和泵排量、馬達(dá)排量控制子程序。

下面簡(jiǎn)要介紹泵控制子程序的執(zhí)行過程。機(jī)車的液壓系統(tǒng)由2個(gè)主泵及4個(gè)行走馬達(dá)組成。泵采用電控比例閥來調(diào)整其排量。在系統(tǒng)中，控制器讀取調(diào)速手柄給的速度控制要求，然后綜合液壓系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)功率匹配的需要，當(dāng)需要調(diào)節(jié)泵的排量時(shí)，控制器輸出PWM信號(hào)到比例閥，調(diào)整比例閥的電流大小，進(jìn)而改變泵的排量和功率。程序流程圖如圖5所示。

圖5 泵控制子程序流程圖Fig．5 Flowchart of pump control subroutine

CAN通訊程序包括2個(gè)子程序。一個(gè)用來處理與顯示屏的通訊，一個(gè)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的通信?？刂破髋c顯示器的通訊采用標(biāo)準(zhǔn)格式，有11個(gè)標(biāo)識(shí)符;而與發(fā)動(dòng)機(jī)的J1939通信則為29位的擴(kuò)展格式。它們都是通過調(diào)用xc_can_read()以及xc_can_write()函數(shù)來完成數(shù)據(jù)讀寫的，每個(gè)數(shù)據(jù)幀傳輸8個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。需要注意的是，在程序下載或者在線調(diào)試時(shí)，要正確設(shè)置CAN通訊的節(jié)點(diǎn)號(hào)、波特率等。當(dāng)無法聯(lián)機(jī)時(shí)，可以用總線監(jiān)視工具PCan view監(jiān)測(cè)總線是否有數(shù)據(jù)。

3．2 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

上位機(jī)人機(jī)界面的設(shè)計(jì)以友好、簡(jiǎn)潔、高效為原則。一方面能準(zhǔn)確形象顯示各監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)及性能指標(biāo);另一方面能監(jiān)測(cè)整車的工作狀態(tài)和故障信息。主要有以下界面:

1)主監(jiān)控頁面。上方為電瓶電壓及燃油液位的顯示，主窗口是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和機(jī)車行車速度的數(shù)字與圖形化顯示。中間有自動(dòng)彈出的故障報(bào)警標(biāo)記塊，當(dāng)控制系統(tǒng)有報(bào)警故障時(shí)，標(biāo)記塊顯示為紅色，并閃爍指示。上位機(jī)主界面如圖6所示。

2)ⅠO檢測(cè)界面。ⅠO監(jiān)視頁面用于方便查看控制器各ⅠO點(diǎn)及模擬量通道的狀態(tài)和參數(shù)值，主要用于監(jiān)視設(shè)備各控制點(diǎn)狀態(tài)和故障處理。ⅠO檢測(cè)界面如圖7所示。

圖6 上位機(jī)主界面圖Fig．6 Main page of LED

圖7 ⅠO檢測(cè)界面Fig．7 Page ofⅠO monitoring

3)狀態(tài)檢測(cè)與參數(shù)設(shè)置界面。參數(shù)頁面顯示系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)參數(shù)，如系統(tǒng)電壓、燃油油位、液壓油溫、制動(dòng)壓力、主泵壓力、牽引力和馬達(dá)轉(zhuǎn)速等，且可以設(shè)置各參數(shù)的極限報(bào)警點(diǎn)，如防暈睡時(shí)間、液壓系統(tǒng)最大壓力和油位極限等。界面效果如圖8所示。

圖8 狀態(tài)監(jiān)視界面Fig．8 Page of condition monitoring

4)故障報(bào)警與記錄。當(dāng)機(jī)車出現(xiàn)任何異常時(shí)，設(shè)備將啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，操作臺(tái)上故障指示燈亮起，且報(bào)警蜂鳴器發(fā)出聲響，報(bào)警信息欄顯示觸發(fā)報(bào)警的原因。此時(shí)按下復(fù)位按鈕，故障指示燈和蜂鳴停止報(bào)警，但顯示屏的報(bào)警內(nèi)容將繼續(xù)保留，直到引起故障的原因消除為止。故障記錄界面可以查詢到所有已觸發(fā)的歷史報(bào)警信息。

4 結(jié)論與討論

本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于將汽車級(jí)的高性能TTC60高速控制器應(yīng)用到內(nèi)燃機(jī)車的電氣控制系統(tǒng)中去，并研究了CAN總線在系統(tǒng)中的應(yīng)用。當(dāng)前的電控發(fā)動(dòng)機(jī)多是基于CAN的J1939通訊，TTC60帶有CAN通訊接口，它通過總線的方式與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，進(jìn)而能夠很好地實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷;同時(shí)控制器通過發(fā)送控制指令，能夠?qū)崟r(shí)地控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出，以達(dá)到與液壓系統(tǒng)功率需求的良好匹配。程序采用結(jié)構(gòu)式設(shè)計(jì)方式，分功能調(diào)用，上位機(jī)界面則以友好簡(jiǎn)潔為原則。目前該內(nèi)燃機(jī)車已完成調(diào)試，該套電氣控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠，狀態(tài)良好，它在控制功能實(shí)現(xiàn)、總線技術(shù)、人機(jī)交互和安全可靠性等方面均體現(xiàn)了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。但是隨著進(jìn)一步的工業(yè)試驗(yàn)，機(jī)車整體性能以及CAN通訊的實(shí)時(shí)可靠性還需要在各種復(fù)雜工況下做進(jìn)一步的檢驗(yàn)和優(yōu)化。

此外，針對(duì)控制器的應(yīng)用，隨著控制點(diǎn)數(shù)的增加及更高的節(jié)能環(huán)保控制要求，下一步將研究基于CAN技術(shù)的多主控制器協(xié)同控制方法，以及進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)車的速度控制及節(jié)能控制部分。

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