GCY470型調(diào)車機(jī)車微機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

（中車大連機(jī)車研究所有限公司電力電子事業(yè)部，大連 116021）

0 引言

GCY470型調(diào)車機(jī)車是為天津地鐵5號(hào)線車輛段設(shè)計(jì)的液力傳動(dòng)內(nèi)燃調(diào)車機(jī)車，主要用于車輛段及其他基地內(nèi)地鐵列車調(diào)車作業(yè)的牽引，區(qū)間車站、隧道事故列車的救援牽引，設(shè)備、物資的運(yùn)輸車輛及其他無(wú)動(dòng)力軌道車輛的牽引作業(yè)等。機(jī)車車體為內(nèi)走廊式底架承載雙司機(jī)室結(jié)構(gòu)；機(jī)車動(dòng)力裝用美國(guó)卡特彼勒公司C18型柴油機(jī)[1]，裝車功率為470kW；傳動(dòng)采用液力傳動(dòng)形式，裝用配套卡特彼勒公司TR43M44+TC43型液力-機(jī)械分體式傳動(dòng)箱；柴油機(jī)自帶啟動(dòng)電機(jī)和發(fā)電機(jī)（DC24V）；制動(dòng)系統(tǒng)裝用JZ-7G型空氣制動(dòng)機(jī)。

1 微機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的構(gòu)成和功能

1.1 系統(tǒng)總體功能需求

機(jī)車柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)為電子控制方式，換擋控制具有自動(dòng)換擋和手動(dòng)換擋兩套控制模式，調(diào)速系統(tǒng)為司控器控制方式和手動(dòng)故障油門控制方式，還可以實(shí)現(xiàn)雙機(jī)重聯(lián)控制。該車的控制是在傳統(tǒng)的繼電器和接觸器觸點(diǎn)控制的基礎(chǔ)上，通過(guò)微機(jī)控制，完成換向保護(hù)、自動(dòng)換擋、超速保護(hù)、故障診斷顯示及數(shù)據(jù)記錄等功能。該車顯示部分采用液晶屏顯示，整車動(dòng)力單元的狀態(tài)通過(guò)CAN總線傳給微機(jī)，整合整車的其他參數(shù)經(jīng)控制器處理后，通過(guò)以太網(wǎng)傳遞給液晶屏顯示[2]。液晶屏可以顯示重聯(lián)時(shí)本車和它車的狀態(tài)、整車故障狀態(tài)等信息，比傳統(tǒng)的儀表顯示準(zhǔn)確、直觀、集中。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成和功能介紹

機(jī)車的微機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)主要由行車控制單元VCU、司機(jī)顯示單元DDU（雙端操縱臺(tái)各1個(gè)）、柴油機(jī)控制單元ECU（柴油機(jī)自帶）等組成。系統(tǒng)采用CAN網(wǎng)+以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)車內(nèi)系統(tǒng)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)信息交互和管理控制，采用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)重聯(lián)機(jī)車之間的數(shù)據(jù)信息交互和管理控制。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 微機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

（1） VCU（行車控制單元）。

系統(tǒng)主控單元，主要功能包括：機(jī)車運(yùn)行與設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、CAN/ETN網(wǎng)絡(luò)管理、柴油機(jī)啟停/調(diào)速管理、司控器管理、機(jī)車定速控制、撒砂控制、機(jī)車重聯(lián)控制[3]、故障診斷與報(bào)警管理、事件/故障記錄和文件轉(zhuǎn)儲(chǔ)管理等。

（2） DDU（司機(jī)顯示單元）。

與機(jī)車操作者的交互單元，主要功能為機(jī)車和各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)顯示與指令操作，DDU1、DDU2分別安裝于兩個(gè)司機(jī)操縱臺(tái)上。

（3）ECU（柴油機(jī)控制單元，柴油機(jī)自帶）。

主要功能包括：柴油機(jī)調(diào)速控制、柴油機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷與保護(hù)、CAN通信接口（SAE J1939協(xié)議）等。

2 微機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的硬件組成及軟件實(shí)現(xiàn)

2.1 控制系統(tǒng)的硬件組成

行車控制單元采用集成式模塊化設(shè)計(jì)，前面板出線，主要由機(jī)箱、軌道、插件板和面板組成。機(jī)箱結(jié)構(gòu)為4U84HP的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱。行車控制單元的插件模塊由電源模塊、以太網(wǎng)交換機(jī)模塊、主處理模塊、輸入輸出模塊組成，原理框圖如圖2所示。電源模塊負(fù)責(zé)為機(jī)箱內(nèi)各模塊供電；以太網(wǎng)交換機(jī)模塊主要處理和司機(jī)顯示單元以及他車重聯(lián)時(shí)的通信；主處理模塊負(fù)責(zé)處理行車邏輯及與柴油機(jī)的通信；輸入輸出單元主要負(fù)責(zé)采集機(jī)車現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，以及將通過(guò)主處理模塊判斷后的指令發(fā)送給機(jī)車各個(gè)執(zhí)行器件。

司機(jī)顯示單元為10.4英寸，分辨率1024×768的觸摸顯示屏，采用后出線形式，方便設(shè)計(jì)操縱臺(tái)空間及安裝調(diào)試。顯示屏采用以太網(wǎng)通信方式，防護(hù)等級(jí)為前面板IP67，后蓋IP32。

圖2 行車控制單元原理

2.2 控制系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

行車控制單元采用基于ARM架構(gòu)的嵌入式Linux操作系統(tǒng)[4]，開發(fā)方便快捷。系統(tǒng)采用分功能多進(jìn)程模塊化的思想搭建控制軟件的架構(gòu)，將控制內(nèi)容分為：CAN通信、IO通信、司機(jī)顯示單元通信、重聯(lián)控制和行車邏輯控制等部分。

單機(jī)行車邏輯控制功能如下。

（1）初始化。系統(tǒng)軟硬件自檢，讀取存儲(chǔ)項(xiàng)。

（2）柴油機(jī)啟停機(jī)。通過(guò)通信及外部信號(hào)，判斷系統(tǒng)是否具備啟停機(jī)條件，安全合理啟停柴油機(jī)。

（3）柴油機(jī)調(diào)速控制。通過(guò)邏輯判斷及司控器信號(hào)，結(jié)合通信合理調(diào)整柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速。

（4）機(jī)車車速及加速度計(jì)算。通過(guò)通信及傳感器信息，結(jié)合機(jī)車信息來(lái)計(jì)算機(jī)車速度及機(jī)車加速度，供顯示、換擋參考、超速報(bào)警以及空轉(zhuǎn)判斷使用。

（5）機(jī)車牽引控制。機(jī)車牽引工況時(shí)，控制系統(tǒng)能檢測(cè)機(jī)車主要的運(yùn)行參數(shù)和工作狀態(tài)。

（6）機(jī)車換擋控制。系統(tǒng)根據(jù)機(jī)車牽引狀態(tài)和機(jī)車速度，自動(dòng)變換傳動(dòng)箱檔位，滿足機(jī)車升降速牽引力要求。

（7）撒砂控制。結(jié)合機(jī)車狀態(tài)、車速狀態(tài)、牽引工況和司機(jī)給定的外部信號(hào)，來(lái)控制機(jī)車撒砂。

（8）固定發(fā)電功能。確定機(jī)車處于停車狀態(tài)，通過(guò)離合器接合柴油機(jī)同軸發(fā)電機(jī)，控制柴油機(jī)達(dá)到固定轉(zhuǎn)速來(lái)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)對(duì)外供電。

（9）機(jī)車保護(hù)功能。系統(tǒng)接收外部信號(hào)，完成機(jī)車、電氣控制系統(tǒng)的保護(hù)功能，根據(jù)預(yù)設(shè)保護(hù)值完成報(bào)警、卸載和故障信息記錄。

機(jī)車重聯(lián)控制采用以太網(wǎng)通信方案。機(jī)車重聯(lián)時(shí)，每臺(tái)機(jī)車主控微機(jī)將作為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（具有相應(yīng)IP地址）組成列車網(wǎng)絡(luò)。機(jī)車為兩端司機(jī)室設(shè)計(jì)，由于重聯(lián)線不能跨車鉤連接，因此每一端車頭處都有兩個(gè)重聯(lián)端口。

當(dāng)兩臺(tái)機(jī)車重聯(lián)時(shí)，機(jī)車可由任一端進(jìn)行重聯(lián)，但每?jī)膳_(tái)車只能有一條重聯(lián)線且重聯(lián)線不能跨過(guò)車鉤，兩臺(tái)VCU能夠自動(dòng)識(shí)別并分配IP地址的網(wǎng)段。

機(jī)車重聯(lián)控制的內(nèi)容主要包括機(jī)車操縱人員命令傳遞與執(zhí)行、機(jī)車的各種參數(shù)、機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)以及機(jī)車故障報(bào)警等信息傳輸。具體如下所述。

（1）柴油機(jī)控制。實(shí)現(xiàn)他車柴油機(jī)起停機(jī)，兩車柴油機(jī)同步調(diào)速。

（2）傳動(dòng)系統(tǒng)控制。實(shí)現(xiàn)兩車同步換向換擋[5]。

（3）輔助系統(tǒng)設(shè)備控制。在本車通過(guò)機(jī)車重聯(lián)控制，可以控制他車撒砂或?qū)ν庾鳂I(yè)供電等輔助系統(tǒng)設(shè)備。

（4）在本車通過(guò)重聯(lián)控制可以監(jiān)控他車的各種參數(shù)，包括柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、水溫、工作時(shí)間、負(fù)載百分比、機(jī)車速度、運(yùn)行里程等。

（5）在本車通過(guò)重聯(lián)控制可以監(jiān)控他車故障報(bào)警信息，包括柴油機(jī)超速，滑油壓力低，冷卻水溫高，排氣溫度高，傳感器故障等故障報(bào)警信息。

司機(jī)顯示單元主要功能如下。

（1）顯示柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)車速度。

（2）顯示柴油機(jī)輔助系統(tǒng)工作狀態(tài)。

（3）顯示傳動(dòng)箱工作狀態(tài)。

（4）顯示回路電壓電流。

（5）及時(shí)報(bào)警并提示發(fā)生的相應(yīng)故障。

（6）顯示日期、時(shí)間、里程。

（7）顯示雙機(jī)重聯(lián)時(shí)本車和他車的主要信息。

（8）可修改車號(hào)、輪徑，校正行駛里程。

3 結(jié)束語(yǔ)

文中研究開發(fā)的微機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在GCY470型地鐵內(nèi)燃調(diào)車機(jī)車上裝車，并通過(guò)環(huán)形線動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，滿足控制要求的同時(shí)得到了用戶的認(rèn)可，也可移植作為其他地鐵調(diào)車微機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。

中車大連機(jī)車研究所有限公司設(shè)計(jì)開發(fā)的微機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)作為GCY470型調(diào)車機(jī)車控制系統(tǒng)的核心，不僅做到了各部件的模塊化，還提供了極為有效的邏輯保護(hù)功能，并且系統(tǒng)還具有全面的故障檢測(cè)手段，有利于機(jī)車狀態(tài)檢測(cè)及故障排除。