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        SDA2型內(nèi)燃機(jī)車TCMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2013-05-14 05:45:12曹海華
        卷宗 2013年2期
        關(guān)鍵詞:功能系統(tǒng)

        曹海華

        摘 要:本文探討了如何依據(jù)SDA2型機(jī)車TCMS控制需求,按照EN50128的設(shè)計(jì)理念,構(gòu)建機(jī)車總體控制拓?fù)?,?shí)現(xiàn)機(jī)車的牽引牽引力給定、輔助變流器及電機(jī)的控制、邏輯控制、通訊控制、機(jī)車的保護(hù)以及時(shí)間同步和網(wǎng)絡(luò)備份功能。

        關(guān)鍵詞:內(nèi)燃機(jī)車;TCMS系統(tǒng);EN50128;IEC 61131-3;軟件設(shè)計(jì)

        引言

        SDA2型內(nèi)燃機(jī)車是基于中國南車集團(tuán)戚墅堰機(jī)車有限公司與澳大利亞Pacific National公司簽訂的交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車的采購合同而設(shè)計(jì)的高效、節(jié)能窄軌機(jī)車。該機(jī)車采用國外先進(jìn)內(nèi)燃機(jī)車的總線控制策略,基于CAN(Control Area Network)總線,由VCU(Vehicle Control Unit)、BCU(Brake Control Unit)、TCU(Traction Control Unit)、ECU(Engine Control Unit)等主要設(shè)備協(xié)同實(shí)現(xiàn)機(jī)車牽引、電阻制動(dòng)、電控制動(dòng)以及低恒速等功能

        1. TCMS軟件全生命周期模型

        根據(jù)EN50128的需求,為了保證SDA2型交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車軟件開發(fā)的可靠性以及安全性,軟件全生命周期模型選定為V模型,如圖1.軟件生命周期模型所示。通過逐級(jí)的驗(yàn)證,保證軟件設(shè)計(jì)的可靠性,同時(shí),通過軟件維護(hù)管理計(jì)劃提高軟件的可維護(hù)性。

        2. TCMS系統(tǒng)控制拓?fù)?/p>

        SDA2型內(nèi)燃機(jī)車TCMS系統(tǒng)由TCU、BCU、ECU、VCU等設(shè)備組成,各子設(shè)備協(xié)同完成機(jī)車的牽引功能、制動(dòng)功能以及低恒速功能。具體拓?fù)鋱D見2.SDA2型機(jī)車TCMS系統(tǒng)控制拓?fù)洹?/p>

        VCU是TCMS系統(tǒng)的主控制設(shè)備,負(fù)責(zé)管理控制其余子設(shè)備的工作,執(zhí)行機(jī)車狀態(tài)判斷、通訊控制、功率控制、機(jī)車保護(hù)、邏輯判斷等功能。

        TCU實(shí)時(shí)監(jiān)控牽引系統(tǒng)信息并發(fā)送給VCU,同時(shí)根據(jù)VCU的命令在變流系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)機(jī)車的牽引力、電阻制動(dòng)力的發(fā)揮。

        RIOM實(shí)時(shí)采樣機(jī)車中的數(shù)字、模擬信號(hào),同時(shí)根據(jù)VCU的命令,實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)繼電器、接觸器等終端設(shè)備。

        ECU實(shí)時(shí)監(jiān)控柴油機(jī)系統(tǒng)信息并發(fā)送給VCU,同時(shí)根據(jù)VCU的命令,實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的調(diào)速以及輸出功率的發(fā)揮。

        BCU 根據(jù)司機(jī)的制動(dòng)指令,執(zhí)行制動(dòng)命令,同時(shí)將制動(dòng)信息發(fā)送給VCU。

        HMI是TCMS系統(tǒng)中的人機(jī)界面,檢測司機(jī)的操作指令,同時(shí)將監(jiān)控信息顯示給司機(jī)

        BC實(shí)時(shí)監(jiān)測充電機(jī)以及蓄電池的信息并發(fā)送給VCU,同時(shí)實(shí)現(xiàn)對蓄電池的快速充電以及均衡充電的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

        ER是機(jī)車中的黑匣子,每秒采樣司機(jī)的操作信息以及機(jī)車的監(jiān)控信息,存儲(chǔ)在防撞防火存儲(chǔ)器中。

        FM實(shí)時(shí)監(jiān)控燃油箱液位以及燃油量,并將信息轉(zhuǎn)發(fā)到VCU。

        AAP根據(jù)VCU命令,執(zhí)行各類的語音報(bào)警命令。

        3. TCMS系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

        SDA2型機(jī)車TCMS系統(tǒng)軟件主要載體為VCU,VCU根據(jù)各子系統(tǒng)的監(jiān)控參數(shù)以及命令,實(shí)現(xiàn)以下任務(wù):

        (1)牽引功率以及牽引力給定

        (2)輔助變流器及電機(jī)的控制

        (3)邏輯控制

        (4)通訊控制

        (5)機(jī)車的保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)

        (6)時(shí)間同步和網(wǎng)絡(luò)備份

        機(jī)車各任務(wù)之間無優(yōu)先級(jí),順序執(zhí)行。

        4. TCMS軟件功能

        4.1 牽引功率以及牽引力給定

        牽引功率以及牽引力給定是機(jī)車TCMS系統(tǒng)中的核心任務(wù),VCU根據(jù)機(jī)車工況開關(guān)、司機(jī)控制器信號(hào)、速度信號(hào)、柴油機(jī)負(fù)載信號(hào)等進(jìn)行控制。具體的控制見圖3. TCMS功率給定牽引力給定計(jì)算方式。VCU根據(jù)檔位信息確定柴油機(jī)轉(zhuǎn)速;同時(shí)VCU通過柴油機(jī)負(fù)載信號(hào)與最佳油耗曲線的標(biāo)稱值5V進(jìn)行比較,利用電壓值的偏差以及根據(jù)柴油機(jī)允許的最大功率、最大起動(dòng)牽引力限制進(jìn)行牽引力控制;最后由牽引電機(jī)、柴油機(jī)形成閉環(huán),從而實(shí)現(xiàn)機(jī)車的最佳燃油消耗。

        4.2輔助變流器及電機(jī)控制

        SDA2型機(jī)車裝有兩臺(tái)輔助變流器,分別工作在變壓變頻以及定壓定頻工況下。輔助變流器控制及電機(jī)控制任務(wù)根據(jù)牽引電機(jī)溫度、柴油機(jī)系統(tǒng)冷卻液溫度來控制輔助變流器的頻率,以及通風(fēng)機(jī)電機(jī)的投入與切除;同時(shí)根據(jù)制動(dòng)系統(tǒng)的用風(fēng)需求以及電阻制動(dòng)的冷卻需求,控制電機(jī)的投入與切除。

        4.3邏輯控制

        邏輯控制任務(wù)主要是通過數(shù)字量的以及模擬量與閾值差值的判斷來驅(qū)動(dòng)電器的吸合、斷開和重聯(lián)線;同時(shí)根據(jù)必須的邏輯互鎖,保護(hù)機(jī)車運(yùn)行的安全性。

        4.4通訊控制

        SDA2型機(jī)車采用了CAN車輛總線,同時(shí)輔以Ethernet以及RS485、RS422網(wǎng)絡(luò)。VCU通過網(wǎng)絡(luò)管理命令配置各CAN總線設(shè)備;通過Ethernet發(fā)送監(jiān)控命令并接受設(shè)置命令信息;運(yùn)用RS485實(shí)現(xiàn)制動(dòng)系統(tǒng)、燃油監(jiān)控系統(tǒng)、語音報(bào)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互以及命令交互;RS422網(wǎng)絡(luò)則應(yīng)用以傳輸機(jī)車控制命令以及監(jiān)控參數(shù)給事件記錄系統(tǒng)。

        4.5機(jī)車的保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)

        VCU監(jiān)測系統(tǒng)繼電器狀態(tài)、開關(guān)狀態(tài)、溫度、壓力、速度、壓差、電壓、電流等信息,進(jìn)行故障判斷、保護(hù)、顯示、記錄、警報(bào)功能;機(jī)車各子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的保護(hù),并產(chǎn)生故障代碼,通過通訊發(fā)送給VCU,VCU對故障分類,對故障執(zhí)行顯示、記錄、警報(bào)功能。

        4.6時(shí)間同步和網(wǎng)絡(luò)備份

        SDA2型機(jī)車的多控制器系統(tǒng)需要共享同一個(gè)時(shí)間,從而實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作,VCU監(jiān)測ER的時(shí)間信息,通過廣播方式發(fā)各子系統(tǒng)對時(shí)。

        為提高TCMS系統(tǒng)的可靠新,機(jī)車實(shí)現(xiàn)了VCU熱備份,先上電的VCU為主處理器,從VCU同時(shí)偵測網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù),運(yùn)算結(jié)果不輸出。VCU根據(jù)總線優(yōu)先級(jí),控制子設(shè)備,若VCU停止工作,從VCU接替主VCU工作。

        5. 結(jié)語

        軟件設(shè)計(jì)語言采用IEC61131-3中的5種語言以及C語言進(jìn)行編制。采用雙VCU的TCMS系統(tǒng)能高效以及高可靠性實(shí)現(xiàn)機(jī)車的牽引力給定、邏輯判斷、通訊控制等功能。

        參考文獻(xiàn)

        [1] 戚墅堰機(jī)車車輛廠. 東風(fēng)11型內(nèi)燃機(jī)車電傳動(dòng)系統(tǒng) 1996, 8-9

        [2] 馬文俊. DF8B型內(nèi)燃機(jī)車微機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)車電傳動(dòng),2000,(1): 15-16

        [3] 楊德萍,孟玉發(fā). SDA1 型交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng), 2012,(1) 21-23

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