采用PLC對內(nèi)燃牽引機(jī)車進(jìn)行監(jiān)測與控制

摘要：常規(guī)內(nèi)燃機(jī)車批量大、標(biāo)準(zhǔn)化程度高，將VCU作為整車控制單元，開發(fā)周期、成本都可以得到控制，但其對批量小、非標(biāo)程度高的內(nèi)燃牽引機(jī)車并不適用。PLC可在內(nèi)燃牽引機(jī)車細(xì)分使用領(lǐng)域取代VCU，作為整車控制單元，在滿足車輛需求和保證駕駛安全的前提下，可極大降低開發(fā)難度、縮短設(shè)計(jì)周期和降低硬件成本。

關(guān)鍵詞：牽引機(jī)車;PLC;通訊;緩速器

0" "引言

不同于電池牽引機(jī)車，NRJC-530型機(jī)車將內(nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力源，同時(shí)需要搭載換擋箱、變矩器和緩速器等汽車部件。PLC是一種可編程邏輯控制器，具有信號處理、輸入輸出、數(shù)據(jù)通訊，在基礎(chǔ)功能上與VCU相同。在內(nèi)燃牽引機(jī)車細(xì)分使用領(lǐng)域，采用PLC取代VCU，將其作為整車控制單元，在滿足車輛需求和保證駕駛安全的前提下，可極大降低開發(fā)難度、縮短設(shè)計(jì)周期和降低硬件成本。

1" "內(nèi)燃牽引機(jī)車控制系統(tǒng)原理

內(nèi)燃牽引機(jī)車控制系統(tǒng)主要由PLC總控單元、通訊轉(zhuǎn)換單元、發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元和緩速器控制單元組成。PLC接收駕駛指令，協(xié)調(diào)機(jī)車各單元、子模塊工作，同時(shí)將機(jī)車參數(shù)以HMI、聲光報(bào)警的形式反饋給駕駛員。通訊轉(zhuǎn)換單元作為PLC與發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元的翻譯器，相互傳遞命令、信號。發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元接收PLC指令，自主調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)、后處理的工作狀態(tài)。緩速器控制單元接收PLC指令后調(diào)整緩速器輸出扭矩，降低車速。

1.1" "PLC總控單元

變送器將液壓油溫度、液壓油壓力、油箱液位和變矩器口壓力，轉(zhuǎn)換為4～20mA模擬信號，輸入PLC模擬擴(kuò)展模塊。PLC將采集的模擬信號顯示到HMI，當(dāng)狀態(tài)值超出設(shè)定范圍時(shí)發(fā)出報(bào)警，提示駕駛員停車檢修。

霍爾傳感器將齒輪轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為矩形脈沖信號，發(fā)送到PLC的高速脈沖計(jì)數(shù)模塊。PLC采集駕駛命令，根據(jù)采集到的正常工況，通過數(shù)字輸出端口向發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、緩速器和制動(dòng)等系統(tǒng)發(fā)出正確控制指令。

1.2" "通訊轉(zhuǎn)換單元

為了將內(nèi)燃機(jī)與機(jī)車各系統(tǒng)有機(jī)地整合在一起，同時(shí)又能穩(wěn)定、便捷的采集各參數(shù)，需要實(shí)現(xiàn)PLC與ECU的通訊。內(nèi)燃機(jī)依據(jù)SAE J1939 通用協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，定期將自身參數(shù)以報(bào)文形式發(fā)送到CAN總線上，總線上各單元都可收取該報(bào)文。這為內(nèi)燃機(jī)參數(shù)監(jiān)視提供了技術(shù)基礎(chǔ)。汽車行業(yè)采用的是CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)，而PLC采用的串口通訊，為實(shí)現(xiàn)兩種不同協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)通訊，內(nèi)燃牽引機(jī)車使用串口CAN智能協(xié)議轉(zhuǎn)換器進(jìn)行不同協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

首先，將串口/CAN智能協(xié)議轉(zhuǎn)換器接入機(jī)車CAN總線，連接PLC與通訊轉(zhuǎn)換單元的通訊端口。其次，設(shè)置轉(zhuǎn)換單元的通訊格式、地址，將需要的報(bào)文信息配置到映射表。最后，PLC通過內(nèi)燃機(jī)參數(shù)讀取程序采集轉(zhuǎn)換器中數(shù)據(jù)，并送入HMI顯示。通訊轉(zhuǎn)換原理如圖1所示。

1.3" 發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元

ECU接收啟動(dòng)、運(yùn)轉(zhuǎn)和電子手油門等控制信號，自主調(diào)節(jié)節(jié)氣門和噴油量，進(jìn)而控制輸出扭矩，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)油壓力與溫度、冷卻液溫度與液位、尿素溫度與液位、電池電壓、燃油溫度與消耗率、駕駛員指令百分比扭矩、發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際百分比扭矩等工況信息發(fā)送到CAN總線上，經(jīng)過通訊轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換后反饋給駕駛員。當(dāng)ECU檢測到發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生故障或狀態(tài)超出報(bào)警值時(shí)，其以故障碼形式上傳到PLC，PLC輸出聲光報(bào)警提示駕駛員，駕駛員可在HMI查詢故障信息。

1.4" "緩速器控制單元

內(nèi)燃牽引機(jī)車采用電渦流緩速器，其基本原理是通過定子和轉(zhuǎn)子之間的磁場作用達(dá)到機(jī)車減速目的。定子共有8組線圈，可實(shí)現(xiàn)4擋緩速效果。將緩速器手柄的檔位信號接入PLC輸入點(diǎn)，經(jīng)過程序運(yùn)算處理后，以數(shù)字信號形式發(fā)送給緩速器控制單元，實(shí)現(xiàn)了對整車電源合理分配，同時(shí)提高了緩速器的使用壽命。

2" "PLC程序設(shè)計(jì)

2.1" "內(nèi)燃機(jī)參數(shù)讀取

將內(nèi)燃機(jī)報(bào)文按照映射表到通訊轉(zhuǎn)換單元中，然后PLC按地址讀取、轉(zhuǎn)換，即可實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)參數(shù)讀取。機(jī)車上電PLC開始運(yùn)行，起始標(biāo)志M1002繼電器第一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)閉合，將PLC的COM2通訊格式設(shè)定為波特率9600bps、數(shù)據(jù)位8、無校驗(yàn)位、停止位1。將M20、M21、M22作為通訊標(biāo)志，間隔100ms循環(huán)閉合，使用MODRD指令對內(nèi)燃機(jī)的多個(gè)參數(shù)組輪詢。

2.2" "防疲勞報(bào)警

內(nèi)燃牽引機(jī)車的路況較為簡單，長時(shí)間駕駛?cè)菀壮霈F(xiàn)疲勞、注意力不集中隱患。駕駛員需在規(guī)定時(shí)限D(zhuǎn)421內(nèi)按防疲勞按鈕X23，否則將在T1觸發(fā)后報(bào)警提醒。如果駕駛員在報(bào)警提醒后仍不操作，將會(huì)在提醒時(shí)限D(zhuǎn)422后觸發(fā)T2，機(jī)車自動(dòng)減速停車。防疲勞報(bào)警梯形圖如圖2所示。

2.3" "緩速器控制

電渦流緩速器工作原理是將機(jī)車動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能。由于機(jī)車速度慢散熱不佳，連續(xù)長時(shí)間的最大擋位工作會(huì)造成緩速器轉(zhuǎn)子過熱，導(dǎo)致緩速器部件損壞。機(jī)車在長下坡時(shí)，必須將緩速器手柄最多放在2/4擋上并結(jié)合主動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)，以便獲得最持久的減速效果。當(dāng)司機(jī)在使用3/4、4/4擋位達(dá)到使用上限時(shí)，機(jī)車將會(huì)報(bào)警并記錄。

當(dāng)出現(xiàn)需緊急停車突發(fā)車況時(shí)，駕駛員可拍下急停按鈕。機(jī)車處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，時(shí)間繼電器T7開始計(jì)時(shí)，超過設(shè)定時(shí)間D423時(shí)，機(jī)車主動(dòng)將緩速器歸零，避免因駕駛員遺忘或誤操作造成緩速器長時(shí)間通電，對緩速器和電池造成損壞。緩速器控制梯形圖如圖3所示。

3" "優(yōu)化方向及優(yōu)勢

受限于工業(yè)控制處理器的速度和串口通訊傳輸速率，當(dāng)內(nèi)燃機(jī)車的需求和控制單元增多，小型PLC的處理能力捉襟見肘時(shí)，可使用工業(yè)電腦提升控制系統(tǒng)運(yùn)算能力?？纱钶d專用的CAN處理器，提高通訊速率。利用組態(tài)軟件編制程序與PLC協(xié)同控制，完全可以達(dá)到甚至超過現(xiàn)有的ECU的控制效果。

4" "結(jié)語

NRJC-530型機(jī)車采用PLC的方案論證、設(shè)計(jì)和調(diào)試用時(shí)兩個(gè)月，經(jīng)過兩年的使用證明，整個(gè)控制系統(tǒng)安全可靠、維修便捷，相較于同類產(chǎn)品在人機(jī)交互、自動(dòng)化方面有著不可比擬的優(yōu)勢。機(jī)車操作方式與電池牽引機(jī)車基本相似，駕駛員僅需簡單培訓(xùn)即可操作。

綜上所述，PLC作為整車控制單元是切實(shí)可行的，在滿足車輛需求和保證駕駛安全的前提下，可極大降低開發(fā)難度、縮短設(shè)計(jì)周期和降低硬件成本。PLC在內(nèi)燃牽引機(jī)車可開發(fā)利用的功能還可以深入挖掘，未來加入工業(yè)計(jì)算機(jī)和CAN處理器的協(xié)同，完全可滿足批量小、非標(biāo)程度高的內(nèi)燃機(jī)控制領(lǐng)域需求。

參考文獻(xiàn)

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