內(nèi)燃機(jī)車電氣控制系統(tǒng)的研究及改進(jìn)設(shè)計(jì)

郭 瑾

（山西潞安礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司鐵路運(yùn)營(yíng)公司， 山西 長(zhǎng)治 046031）

引言

在隧道工程中，常用的牽引車有內(nèi)燃機(jī)車和電力變頻車兩種。內(nèi)燃機(jī)車是應(yīng)用柴油機(jī)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能的轉(zhuǎn)換，再通過控制電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)車的運(yùn)行。電力變頻車是通過蓄電池的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)機(jī)車的運(yùn)轉(zhuǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，需要頻繁充電的電力變頻車逐漸被內(nèi)燃機(jī)車所替代。本文主要對(duì)內(nèi)燃機(jī)車的電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，促進(jìn)內(nèi)燃機(jī)車的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

1 內(nèi)燃機(jī)車電氣控制系統(tǒng)的分析

內(nèi)燃機(jī)車是為了解決大直徑隧道存在的運(yùn)輸距離遠(yuǎn)和運(yùn)輸量大的問題制造的機(jī)車。內(nèi)燃機(jī)車是將內(nèi)燃機(jī)作為主要的動(dòng)力源，具備液壓驅(qū)動(dòng)與轉(zhuǎn)向架等結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)彎半徑以及軸載方面的參數(shù)值較小，適用于多種軌道。一般來說，內(nèi)燃機(jī)車的制動(dòng)方式是將閘瓦制動(dòng)作為主要制動(dòng)方式，輔以液壓制動(dòng)以及排氣制動(dòng)。目前內(nèi)燃機(jī)車常用的電氣控制系統(tǒng)為微機(jī)系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)等。但是在實(shí)際的應(yīng)用中，這兩種系統(tǒng)均存在機(jī)車能源損耗大等問題。

本文將CANBUS技術(shù)作為基礎(chǔ)，TTC60控制器作為核心，提出一種內(nèi)燃機(jī)車電氣控制系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)方法，能夠有效彌補(bǔ)微機(jī)系統(tǒng)及PLC控制系統(tǒng)的不足，提高電氣控制系統(tǒng)的有效性。在科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展及環(huán)保意識(shí)增強(qiáng)的背景下，柴油機(jī)逐漸發(fā)展成電控模式，其余控制器之間的通信由CAN2.0的J1939協(xié)議來實(shí)現(xiàn)，TTC60是工程機(jī)械領(lǐng)域常用的專業(yè)控制器，能夠?yàn)镃A2N2.0通訊提供支持。因此，將TTC60控制器用于內(nèi)燃機(jī)車的電氣控制系統(tǒng)中，具有一定的優(yōu)勢(shì)。

以微機(jī)電氣控制系統(tǒng)及PLC電氣控制系統(tǒng)為例，分析內(nèi)燃機(jī)車控制系統(tǒng)的不足，并根據(jù)以下不足進(jìn)行電氣控制系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)：

1）微機(jī)電氣控制系統(tǒng)不具備恒功率控制功能，該系統(tǒng)不能確保內(nèi)燃機(jī)車的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在規(guī)定的曲線范圍內(nèi)，很容易出現(xiàn)功率誤差，導(dǎo)致柴油機(jī)功率加大，從而增加內(nèi)燃機(jī)車的油耗，不僅浪費(fèi)了較多的能源，還會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失。

2）微機(jī)電氣控制系統(tǒng)不具備故障檢測(cè)與記錄功能，當(dāng)內(nèi)燃機(jī)車出現(xiàn)異常狀況時(shí)，微機(jī)電氣控制系統(tǒng)并不會(huì)進(jìn)行故障的檢測(cè)，不利于故障的發(fā)現(xiàn)與排除。因此，在進(jìn)行電氣控制系統(tǒng)的改進(jìn)時(shí)，需要添加故障檢測(cè)與記錄功能，為運(yùn)維人員的工作提供幫助。

3）PLC控制系統(tǒng)的不足。PLC控制系統(tǒng)具有非常復(fù)雜的控制電路，會(huì)應(yīng)用較多的繼電器和接觸器等器件，很容易發(fā)生電氣故障，而且電氣故障的維修成本較高，且難以有效排除，導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)車的控制效果不理想，影響內(nèi)燃機(jī)車的正常應(yīng)用[1]。

2 基于內(nèi)燃機(jī)車電氣控制系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)

內(nèi)燃機(jī)車電氣控制系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)包括硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。系統(tǒng)的控制器為TTC60，人機(jī)交互通過6.4寸的彩色LED實(shí)現(xiàn)，內(nèi)燃機(jī)車采用負(fù)極搭鐵方式通過24 V直流進(jìn)行供電，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)主要通過蓄電池進(jìn)行供電，啟動(dòng)之后，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)整車供電以及蓄電池充電。

1）硬件系統(tǒng)的組成。在本文改進(jìn)設(shè)計(jì)的電氣控制系統(tǒng)中，硬件系統(tǒng)包括TTC60控制器、LED顯示屏以及發(fā)動(dòng)機(jī)控制器EMR組成。系統(tǒng)的前向通道由信號(hào)傳感器、調(diào)速手柄和操作臺(tái)按鈕組成；執(zhí)行系統(tǒng)包括電磁閥、信號(hào)燈以及氣動(dòng)制動(dòng)閥等。與此同時(shí)，系統(tǒng)還包括蓄電池和發(fā)電機(jī)等多種輔助設(shè)備。具體的電氣控制系統(tǒng)如下頁圖1所示。

2）TTC60控制器分析。和常用的PLC控制器相比，TTC60控制器主要有如下優(yōu)點(diǎn)：一是控制器具備更高的抗震動(dòng)性與抗沖擊性，更為堅(jiān)固可靠，其防護(hù)等級(jí)可達(dá)IP67，能夠在惡劣的環(huán)境下運(yùn)行；二是TTC60控制器的接口更多，包括開光輸入輸出接口、0～5 V與0～30 V電壓輸入與脈沖輸入接口、0～20 mA電流輸入接口與脈沖輸入接口、0～100 Ω電阻輸入接口等；三是用戶可以根據(jù)內(nèi)燃機(jī)車的控制要求進(jìn)行輸入接口與輸出接口的設(shè)置，還能夠進(jìn)行過電壓以及短路保護(hù)；四是TTC60控制器共有兩個(gè)CAN總線，具備較強(qiáng)的抗干擾能力，支持IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的六種語言。

3）CAN總線設(shè)計(jì)。通過上述分析可知，TTC60控制器共有兩個(gè)CAN總線，分別是CAN0及CAN1。在進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，CAN0能夠用作TTC60控制器和上位機(jī)通信的接口，通信介質(zhì)是屏蔽雙絞線，應(yīng)用CAN2.0B通訊協(xié)議；CAN1能夠作為發(fā)動(dòng)機(jī)控制器EMR的通信接口。在本文改進(jìn)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，通信的波特率都是250kb/s，CAN總線最長(zhǎng)可進(jìn)行200m的通信[2]。

圖1 內(nèi)燃機(jī)車電氣控制系統(tǒng)示意圖

2.2 軟件系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)展現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)車的運(yùn)行參數(shù)，并對(duì)內(nèi)燃機(jī)車的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控，一旦出現(xiàn)異常狀況，系統(tǒng)能夠立即報(bào)警。軟件系統(tǒng)主要分為TTC60控制器的程序設(shè)計(jì)以及人機(jī)界面程序設(shè)計(jì)，控制程序是電氣控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，會(huì)對(duì)控制效果造成直接的影響。具體的軟件系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)如下：

2.2.1 控制程序的設(shè)計(jì)

本文應(yīng)用的TTC60控制器的程序分為六個(gè)部分：發(fā)動(dòng)機(jī)速度控制程序；機(jī)車牽引工況控制程序；液壓系統(tǒng)控制程序；智能控制程序；CAN通訊控制程序與功率匹配控制程序。通過結(jié)構(gòu)式方法進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，程序語言將結(jié)構(gòu)化與梯形圖作為核心。具體的控制程序設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 TTC60控制器程序設(shè)計(jì)流程圖

在內(nèi)燃機(jī)車的實(shí)際運(yùn)行過程中，有可能會(huì)遇到如下工況：一是內(nèi)燃機(jī)車爬坡時(shí)，需要進(jìn)行行車速度的提升或者加大負(fù)載，這就要求泵輸入更大的功率。在這時(shí)，TTC60控制器能夠?qū)⑾鄳?yīng)的指令發(fā)送給發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)泵輸入功率的提升；二是內(nèi)燃機(jī)車的泵負(fù)載過高或者壓力參數(shù)異常時(shí)，TTC60控制器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的速度，從而發(fā)出相應(yīng)的指令，降低馬達(dá)的速度不能夠減少泵排量，避免發(fā)動(dòng)機(jī)在過高的負(fù)載下出現(xiàn)熄火現(xiàn)象。由此可以看出，本文改進(jìn)設(shè)計(jì)的控制器程序，能夠保障發(fā)動(dòng)機(jī)功率在不損耗的情況下，滿足液壓系統(tǒng)的正常運(yùn)行需求，大大提高了電氣控制系統(tǒng)的環(huán)保性能。

2.2.2 人機(jī)界面的設(shè)計(jì)

人機(jī)界面的設(shè)計(jì)要體現(xiàn)出高效與簡(jiǎn)潔的特點(diǎn)，用于檢測(cè)內(nèi)燃機(jī)車的運(yùn)行狀態(tài)及相關(guān)故障信息，還能夠顯示內(nèi)燃機(jī)車的性能指標(biāo)和相關(guān)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。具體而言，人機(jī)界面的設(shè)計(jì)包括以下幾方面的內(nèi)容：

1）主監(jiān)控頁面的設(shè)計(jì)。在本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，主監(jiān)控頁面的上方用于顯示電瓶的電壓和燃油的液位，中間區(qū)域顯示發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和內(nèi)容機(jī)車的行車速度。當(dāng)內(nèi)燃機(jī)車出現(xiàn)故障時(shí)，界面中間會(huì)出現(xiàn)紅色的標(biāo)記塊，通過不斷閃爍進(jìn)行報(bào)警。

2）IO檢測(cè)界面的設(shè)計(jì)。IO檢測(cè)界面的設(shè)計(jì)主要用于檢測(cè)TTC60控制器所有IO點(diǎn)和模擬量通道的運(yùn)行狀態(tài)及相關(guān)參數(shù)。工作人員可以通過IO檢測(cè)界面及其程序進(jìn)行掌握所有控制點(diǎn)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，并進(jìn)行相應(yīng)的故障處理。

3）狀態(tài)檢測(cè)界面設(shè)計(jì)。狀態(tài)檢測(cè)主要通過電氣控制系統(tǒng)的信號(hào)傳感器進(jìn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集，包括系統(tǒng)的電壓、液壓系統(tǒng)的油溫、燃油的油位、制動(dòng)系統(tǒng)的壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速、主泵的壓力以及內(nèi)燃機(jī)車的牽引力等。用戶可以在電氣控制系統(tǒng)的狀態(tài)檢測(cè)界面進(jìn)行參數(shù)的報(bào)警值設(shè)置，比如，油位的極限和系統(tǒng)壓力的最大值等，保障內(nèi)燃機(jī)車的正常運(yùn)行。

4）故障管理界面設(shè)計(jì)。當(dāng)內(nèi)燃機(jī)車出現(xiàn)異常狀況時(shí)，電氣控制系統(tǒng)會(huì)立即啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，主監(jiān)控頁面的紅色標(biāo)記塊閃爍，報(bào)警蜂鳴器會(huì)不斷發(fā)出聲音，故障報(bào)警信息欄會(huì)顯示出故障報(bào)警的原因。當(dāng)管理人員按下系統(tǒng)的復(fù)位按鈕時(shí)，紅色標(biāo)記塊不再閃爍，報(bào)警蜂鳴器不再發(fā)出聲音，但是信息欄的內(nèi)容會(huì)一直存在，直到內(nèi)燃機(jī)車的故障被排除。另外，本文改進(jìn)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)還會(huì)進(jìn)行故障信息的記錄，為內(nèi)燃機(jī)車的維護(hù)管理提供可靠的參考數(shù)據(jù)[3]。

3 結(jié)語

將TTC60作為控制器的電氣控制系統(tǒng)，具備更低的能耗與更好的控制效果。通過分析可知，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，可將CAN總線機(jī)TTC60控制器引進(jìn)內(nèi)燃機(jī)車中，通過全面地設(shè)計(jì)控制程序與設(shè)計(jì)界面，為電氣控制系統(tǒng)配備完善的硬件設(shè)施，保障電氣控制系統(tǒng)的質(zhì)量，為內(nèi)燃機(jī)車的正常運(yùn)行提供保障，促進(jìn)隧道工程的可持續(xù)發(fā)展。