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

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(guó)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(gòu)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(guó)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(cè)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(cè)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(duì)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(yǔ)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(wú)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(lái)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(lái)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(yǔ)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(cè)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(duì)故障分類，對(duì)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(cè)ER的時(shí)間信息，通過廣播方式發(fā)各子系統(tǒng)對(duì)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(cè)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(yǔ)

軟件設(shè)計(jì)語(yǔ)言采用IEC61131-3中的5種語(yǔ)言以及C語(yǔ)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)

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