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(1.寶雞中車時(shí)代工程機(jī)械有限公司 陜西 寶雞 721000；2.株洲時(shí)代電子技術(shù)有限公司 湖南 株洲 412000)

0 引言

DJW型接觸網(wǎng)作業(yè)車由寶雞中車時(shí)代工程機(jī)械有限公司研發(fā)及生產(chǎn)，選用卡特彼勒公司CAT C11型整體式動(dòng)力單元，額定功率為336 kW,最高運(yùn)行速度為80 km/h，是用于地鐵接觸網(wǎng)線路檢修保養(yǎng)的專用設(shè)備,保障列車運(yùn)行安全[1]。

由于地鐵施工的特殊性，國(guó)內(nèi)各家地鐵用戶對(duì)車輛功能提出了特殊化需求，要求電氣控制電路具備個(gè)性化設(shè)計(jì)。地鐵現(xiàn)有車型均采用微機(jī)控制系統(tǒng)電路[2-3]，使用了大量中間繼電器，電氣控制原理及布線復(fù)雜，個(gè)性化設(shè)計(jì)極為不便。本車選用模塊化分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)替代原微機(jī)系統(tǒng)，并對(duì)控制軟件進(jìn)行優(yōu)化，減少了中間繼電器數(shù)量，簡(jiǎn)化控制柜電路布線，方便后期車輛檢修及保養(yǎng)[4]，同時(shí)針對(duì)用戶特殊化需求，只需更改控制程序，無(wú)須大量更改硬件電路。

1 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)組成

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1所示，主要包含DC/DC穩(wěn)壓電源、DI采集模塊、AI采集模塊、DO輸出模塊及多路CAN總線模塊，各模塊之間采用CAN 2.0分布式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，傳輸速率達(dá)1 Mbps[5]，通信選用雙絞屏蔽電纜，且雙端金屬屏蔽層連接車體接地，避免電磁干擾的影響。DC/DC穩(wěn)壓電源模塊輸出為DC24 V，為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)提供直流電源，降低發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程大電流產(chǎn)生的系統(tǒng)總電壓驟降的影響；DI采集模塊分別布置在兩端司機(jī)臺(tái)內(nèi)，接收司控器、壓力開關(guān)及限位開關(guān)等數(shù)字量信息；AI采集模塊用于監(jiān)視燃油油位、油門手柄位置及空氣壓力等模擬量信息；DO輸出模塊根據(jù)監(jiān)控到的車輛數(shù)據(jù)信息，驅(qū)動(dòng)車輛對(duì)應(yīng)電磁閥及指示燈等執(zhí)行元件工作；多路CAN總線模塊包含兩路網(wǎng)絡(luò)通道，一路與其他各模塊及發(fā)動(dòng)機(jī)ECM通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和交互，并在軟件中分析、計(jì)算，進(jìn)行車輛控制與保護(hù)，另一路輸出至車輛顯示器，對(duì)車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)、報(bào)警狀態(tài)及故障信息進(jìn)行監(jiān)控及顯示。

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)能監(jiān)控各種輸入量、輸出量及故障狀態(tài)，當(dāng)作業(yè)車發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)在執(zhí)行保護(hù)的同時(shí)，還可將故障代碼顯示在顯示屏上，根據(jù)不同的故障等級(jí)進(jìn)行提示，以便迅速查找故障點(diǎn)，做出快速處理。對(duì)于重要的故障信息采用聲光報(bào)警的形式，并在司機(jī)臺(tái)臺(tái)面上設(shè)置報(bào)警切除開關(guān)，切除后信息記錄在故障信息中，便于后期故障分析。

圖1 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)拓?fù)?/p>

2 電氣系統(tǒng)基本控制要求

DJW型接觸網(wǎng)作業(yè)車電氣系統(tǒng)主要包含蓄電池、發(fā)動(dòng)機(jī)ECM、變速箱控制單元、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、作業(yè)平臺(tái)電控系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等?？刂葡到y(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下三項(xiàng)功能：(1)行車控制，即發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、停機(jī)和調(diào)速，車速和方向控制，手動(dòng)/自動(dòng)換擋切換，以及電喇叭等輔助設(shè)備；(2)作業(yè)平臺(tái)升降、旋轉(zhuǎn)、調(diào)平及保護(hù)控制；(3)數(shù)據(jù)監(jiān)控、電氣互鎖、監(jiān)控報(bào)警及安全保護(hù)等。

2.1 行車控制

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，鑰匙開關(guān)發(fā)送DI模塊起動(dòng)電平信號(hào)，DO輸出模塊控制起動(dòng)繼電器閉合起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，多路CAN總線模塊與發(fā)動(dòng)機(jī)ECM采用J1939協(xié)議通信，讀取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)油壓力、機(jī)油溫度、燃油溫度等參數(shù)，并顯示在顯示器主界面。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大于700 r/min時(shí)(可變?cè)O(shè)定值)，系統(tǒng)切斷起動(dòng)繼電器，防止電機(jī)持續(xù)工作，影響壽命。發(fā)動(dòng)機(jī)油門手柄內(nèi)設(shè)置0～20 kΩ可變電位器，AI模塊通過(guò)采集手柄不同的電阻值，再計(jì)算出對(duì)應(yīng)的PWM脈寬調(diào)制波，并發(fā)送至發(fā)動(dòng)機(jī)ECM，調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)電子噴油泵流量，控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?00 r/min至2 240 r/min范圍調(diào)速。變速箱換向與換擋，采用軟件方式互鎖：(1)換向開關(guān)必須先選擇“前進(jìn)”或“后退”，然后換擋開關(guān)操作有效，若換向開關(guān)置“中位”，則換擋操作無(wú)效；(2)當(dāng)車速降至“0”時(shí)，換向開關(guān)操作有效，否則換向操作無(wú)效，從而消除換向時(shí)產(chǎn)生的變速箱機(jī)械沖擊。

接觸網(wǎng)作業(yè)車設(shè)有I端、II端雙司機(jī)臺(tái)，每個(gè)司機(jī)臺(tái)均設(shè)置“本端主控”權(quán)限開關(guān)，同時(shí)只能激活一端司機(jī)臺(tái)，當(dāng)激活其中一端司機(jī)臺(tái)時(shí)，另一端失效，防止操作人員誤操作。如需更換司機(jī)臺(tái)時(shí)，只需關(guān)閉當(dāng)前司機(jī)臺(tái) “本端主控”開關(guān)，再打開另一端司機(jī)臺(tái)“本端主控”開關(guān)，即可完成司機(jī)臺(tái)控制權(quán)轉(zhuǎn)換，無(wú)須發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)。

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)置應(yīng)急控制行車模式，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，可將故障開關(guān)切換至應(yīng)急位，CAN網(wǎng)絡(luò)通訊被旁路，司控器與動(dòng)力單元轉(zhuǎn)換為硬線連接，行車控制開關(guān)可直接控制車輛換向及換擋，進(jìn)行應(yīng)急行車，避免因網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)故障引起的停車隱患。

2.2 作業(yè)平臺(tái)控制

作業(yè)平臺(tái)液壓驅(qū)動(dòng)回路采用電比例多路閥控制，升降柱上分別設(shè)有高度、中位、旋轉(zhuǎn)及鎖定行程開關(guān)，實(shí)時(shí)檢測(cè)平臺(tái)位置。升降柱底座的機(jī)械銷鎖定時(shí)，鎖定行程開關(guān)閉合，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)切斷液壓回路總電磁閥，平臺(tái)所有控制開關(guān)無(wú)效，防止平臺(tái)誤操作。當(dāng)作業(yè)平臺(tái)上升至最高或旋轉(zhuǎn)至中心線±120°時(shí)，對(duì)應(yīng)的行程開關(guān)常開觸點(diǎn)閉合，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)輸出低電平信號(hào)控制多路閥斷電，平臺(tái)停止運(yùn)動(dòng)，另一路控制操作臺(tái)上指示燈亮起，同時(shí)電鈴報(bào)警。為防止平臺(tái)旋轉(zhuǎn)時(shí)與支撐座干涉，平臺(tái)升起高度超過(guò)200 mm旋轉(zhuǎn)限位開關(guān)才能打開，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)才允許平臺(tái)旋轉(zhuǎn)操作有效。當(dāng)平臺(tái)復(fù)位到中位時(shí)，中位行程開關(guān)閉合，將平臺(tái)鎖定在中心位置，司機(jī)臺(tái)顯示屏上顯示平臺(tái)已歸位，此時(shí)車輛才可行車。

2.3 監(jiān)控及保護(hù)

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)記錄及顯示功能，可采集蓄電池容量、系統(tǒng)電壓、系統(tǒng)電流、發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、油溫、機(jī)油壓力、變扭器油溫、變扭器油壓，以及車輛車速、里程、作業(yè)平臺(tái)、燃油剩余量等重要信息，并在顯示器界面分級(jí)顯示，當(dāng)數(shù)據(jù)在正常范圍時(shí)，采用綠色字體顯示，超過(guò)正常值時(shí)分別采用黃色及紅色字體提醒。根據(jù)不同數(shù)據(jù)功能分為主頁(yè)面、發(fā)動(dòng)機(jī)頁(yè)面、變速箱頁(yè)面、作業(yè)平臺(tái)頁(yè)面、輔助信息頁(yè)面及設(shè)置頁(yè)面，各頁(yè)面可手動(dòng)切換，便于司機(jī)操作。

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)置完善的安全保護(hù)措施，具體功能包含：(1)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)對(duì)應(yīng)紅色故障報(bào)警燈顯示，提示發(fā)動(dòng)機(jī)故障，同時(shí)起動(dòng)繼電器被自鎖，故障未消除時(shí)不能起動(dòng)；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最高時(shí)，繼續(xù)增大油門手柄無(wú)效，防止發(fā)動(dòng)機(jī)飛車。(2)作業(yè)車速度超過(guò)限速值時(shí)，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)輸出發(fā)動(dòng)機(jī)怠速信號(hào)，變速箱卸載，同時(shí)實(shí)施常用制動(dòng)，在車速恢復(fù)正常值后，限速保護(hù)取消；若速度持續(xù)上升，則會(huì)輸出緊急制動(dòng)信號(hào)至車輛停車，待排除車輛故障后，方可再次行車。(3)總風(fēng)缸、制動(dòng)缸設(shè)有壓力傳感器，當(dāng)檢測(cè)總風(fēng)缸壓力低于600 kPa或者制動(dòng)缸壓力大于280 kPa時(shí)，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)輸出信號(hào)使變速箱卸載，切除動(dòng)力傳遞，防止安全隱患。(4)變速箱油溫高于110 ℃時(shí)，DO模塊輸出高電平信號(hào)給散熱電磁閥，液力油散熱器對(duì)變速箱散熱，當(dāng)油溫低于75 ℃時(shí)，停止散熱。(5)車輛行車控制與平臺(tái)位置互鎖，當(dāng)作業(yè)平臺(tái)未復(fù)位時(shí)，禁止作業(yè)車行車，防止平臺(tái)侵出限界造成破壞；車輛在行車狀態(tài)時(shí)，平臺(tái)升降及旋轉(zhuǎn)操作無(wú)效，保障行車安全。

3 特殊功能實(shí)現(xiàn)

針對(duì)地鐵用戶提出的特殊化需求，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用冗余設(shè)計(jì)，不用更改硬件線路，只需對(duì)軟件進(jìn)行升級(jí)優(yōu)化，即可實(shí)現(xiàn)電氣控制需求。

3.1 受電弓控制

作業(yè)車通常選配不同型號(hào)的受電弓， 其電氣接口均不一致。 TSG22型受電弓設(shè)有降弓位置指示器， 當(dāng)受電弓完全降弓后， 通過(guò)指示燈顯示； CED160E型受電弓設(shè)置升弓壓力開關(guān)， 受電弓完全升起后， 氣囊內(nèi)壓力到達(dá)設(shè)定值， 壓力開關(guān)控制指示燈顯示； SBL92型受電弓配有ADD自動(dòng)降弓裝置， 當(dāng)受電弓碳滑板破損后， 為防止刮傷接觸網(wǎng)， ADD自動(dòng)保護(hù)裝置自動(dòng)切斷氣囊供風(fēng)， 通過(guò)排風(fēng)閥排出氣囊風(fēng)壓， 使受電弓緊急降弓， 同時(shí)顯示器上提示故障報(bào)警。在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)， 提前在DI采集模塊上規(guī)劃升弓到位、 降弓到位、 ADD故障端口， 連接到受電弓反饋控制盒， 根據(jù)不同類型的受電弓反饋信號(hào)設(shè)計(jì)控制軟件， 實(shí)現(xiàn)受電弓升弓控制及報(bào)警指示。

3.2 防溜報(bào)警功能

作業(yè)車在長(zhǎng)大坡道停車或起動(dòng)，或未采取駐車制動(dòng)時(shí)，如果司機(jī)操作不當(dāng)，有可能發(fā)生溜車隱患，對(duì)此用戶提出增加防溜車報(bào)警提示。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案為：通過(guò)車軸端速度傳感器，檢測(cè)車輛行車速度及位移，并與行車控制信號(hào)進(jìn)行比較，進(jìn)行報(bào)警及保護(hù)，控制流程如圖2所示。當(dāng)檢測(cè)車速大于零，且方向開關(guān)在“中位”，再比較位移是否大于0.3 m，若滿足，則顯示器提示“已溜車，請(qǐng)采取駐車制動(dòng)”；若方向開關(guān)不在“中位”即車輛行車狀態(tài)，檢測(cè)車輛位移方向與方向開關(guān)是否一致，若方向不一致并且車輛位移大于0.5 m，則顯示器提示“已溜車”報(bào)警，并且系統(tǒng)控制車輛實(shí)施常用制動(dòng)。

圖2 防溜報(bào)警控制流程

3.3 限速設(shè)置

為了保障行車安全， 不同地鐵線路要求對(duì)作業(yè)車設(shè)置最高限速保護(hù)， 通常情況最大限速為80 km/h， 最小限速為45 km/h， 在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)顯示器預(yù)留參數(shù)設(shè)置端口， 只需輸入權(quán)限密碼， 就可進(jìn)入?yún)?shù)配置界面， 根據(jù)不同線路需求設(shè)置報(bào)警速度及保護(hù)數(shù)值。

3.4 輪徑設(shè)置

作業(yè)車在長(zhǎng)期運(yùn)行后，車輪直徑因磨損會(huì)逐漸減小，而車速是根據(jù)輪徑與轉(zhuǎn)速乘積計(jì)算得到的。當(dāng)磨損后輪徑小于初始輪徑，實(shí)際車速必然小于檢測(cè)速度，速度誤差會(huì)導(dǎo)致速度顯示不準(zhǔn)確，并且換擋點(diǎn)偏離最佳值。為便于后期維護(hù)，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)有輪徑輸入功能，當(dāng)車輪磨損后，可以對(duì)車輛參數(shù)實(shí)時(shí)更新，從而消除速度誤差影響。

4 結(jié)論

本文論述了一種以網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)為控制器，實(shí)現(xiàn)DJW型接觸網(wǎng)作業(yè)車的電氣控制及保護(hù)，簡(jiǎn)化了電氣控制硬件電路，方便后期車輛檢修及保養(yǎng)。同時(shí)針對(duì)地鐵用戶特殊化需求，可通過(guò)軟件優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)，技術(shù)成熟可靠，現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于公司地鐵作業(yè)車，具有重要的使用價(jià)值。