基于ARM9的軌道油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)

蔡勝年, 李 鑫, 龐寶麟, 徐承韜

(沈陽(yáng)化工大學(xué) 信息工程學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110142)

基于ARM9的軌道油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)

蔡勝年, 李 鑫, 龐寶麟, 徐承韜

(沈陽(yáng)化工大學(xué) 信息工程學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110142)

以三星公司生產(chǎn)的S3C2410作為控制系統(tǒng)核心，設(shè)計(jì)有軌機(jī)車(chē)輪緣油氣潤(rùn)滑控制系統(tǒng)，介紹控制系統(tǒng)的主要功能和系統(tǒng)結(jié)構(gòu).根據(jù)有軌機(jī)車(chē)輪緣油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)的控制要求，完成系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì).通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證控制系統(tǒng)的實(shí)用性.對(duì)影響油氣潤(rùn)滑效果及潤(rùn)滑油消耗量等重要參數(shù)進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)完善油氣潤(rùn)滑控制系統(tǒng)的性能和進(jìn)一步提高系統(tǒng)的實(shí)用性具有重要參考價(jià)值.

S3C2410芯片； 機(jī)車(chē)輪緣； 油氣潤(rùn)滑

機(jī)車(chē)輪緣與軌道之間如果處于干摩擦狀態(tài)，每年消耗的車(chē)輪與軌道是天文數(shù)字,并且給檢修人員增加了巨大的工作量，同時(shí)還增加了檢修費(fèi)用和影響機(jī)車(chē)正常運(yùn)行.為此很多公司致力于輪緣潤(rùn)滑系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)并取得了卓越成果，其中德國(guó)REBS的油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)尤為突出.

油氣潤(rùn)滑方式與其它潤(rùn)滑方式比較有諸多優(yōu)點(diǎn)[1]:

(1) 潤(rùn)滑效能高,能大幅度提高傳動(dòng)件的壽命；(2) 潤(rùn)滑油消耗量低；(3) 適用于惡劣工況；(4) 大幅度降低潤(rùn)滑設(shè)備的運(yùn)行費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用；(5) 對(duì)油品黏度的適應(yīng)性好,油量計(jì)量準(zhǔn)確；(6) 對(duì)環(huán)境污染小.

德國(guó)REBS輪緣油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)經(jīng)過(guò)在多個(gè)國(guó)家的應(yīng)用實(shí)踐證明:油氣潤(rùn)滑方法能大幅度降低機(jī)車(chē)的運(yùn)行費(fèi)用，大幅度減少車(chē)輪輪緣磨損，使其使用壽命能延長(zhǎng)2到3倍.國(guó)內(nèi)油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)的應(yīng)用遠(yuǎn)落后于國(guó)外，而且由于進(jìn)口設(shè)備投資較大，也限制其在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用.目前國(guó)內(nèi)有些企業(yè)在致力于國(guó)產(chǎn)油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)的研發(fā)，但主要零部件依賴(lài)進(jìn)口，成本較高.因此，開(kāi)發(fā)研制基于國(guó)產(chǎn)材料及部件的油氣混合系統(tǒng)，對(duì)推廣使用油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)有著重要意義.本系統(tǒng)采用ARM嵌入式系統(tǒng)的S3C2410控制芯片，結(jié)合外部中斷、定時(shí)器和LCD技術(shù)，設(shè)計(jì)并制作了用于軌道油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，通過(guò)硬件與軟件之間的配合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)液位、壓力、電壓、電流檢測(cè)和油氣混合的精確控制.

1 油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用了與德國(guó)REBS不同的、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的流路結(jié)構(gòu)，省去了價(jià)格昂貴的供油泵，系統(tǒng)中的關(guān)鍵零部件、混合器及分配器均基于國(guó)產(chǎn)材料自主設(shè)計(jì).油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，系統(tǒng)主要包括油氣混合部分和控制器部分.系統(tǒng)的主要控制目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)：(1) 機(jī)車(chē)平均行駛1 000 km 耗油量500 mL；(2) 在系統(tǒng)中,控油電磁閥和噴嘴之間的管路中，油氣混合比例控制在潤(rùn)滑油10 %壓縮空氣90 %的范圍內(nèi)；(3) 油膜層的厚度小于0.001 mm,其寬度為10～15 mm.因此,要實(shí)現(xiàn)上述控制目標(biāo),就要合理地控制潤(rùn)滑油與空氣之間的壓力及流量的比例關(guān)系，實(shí)現(xiàn)油氣的最佳配合，在最低油耗的條件下保證提供合適的油膜.

圖1 油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)總體框圖

1.1 油氣混合部分

圖1中空壓機(jī)產(chǎn)生帶有一定壓力的壓縮空氣，經(jīng)油、氣壓力調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)油、氣壓力的最佳配合關(guān)系，再通過(guò)控制2個(gè)開(kāi)關(guān)電磁閥的導(dǎo)通、關(guān)斷時(shí)間實(shí)現(xiàn)油、氣潤(rùn)滑的最佳比例控制效果，這樣的比例控制可以使壓縮空氣在噴射過(guò)程中能夠?qū)?rùn)滑劑產(chǎn)生作用并使之形成精細(xì)油膜層[2].油與氣在混合器中進(jìn)行混合后，經(jīng)分配器進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)分配，使兩個(gè)噴嘴得到相同的油量與氣量并噴射到潤(rùn)滑點(diǎn)，獲得相同的潤(rùn)滑效果.

1.2 控制器部分

由于系統(tǒng)對(duì)油、氣的控制均采用開(kāi)環(huán)控制的方式，因此，要實(shí)現(xiàn)對(duì)油、氣的最佳比例控制就要分別控制潤(rùn)滑油的流量和壓縮空氣的流量.系統(tǒng)采用的控制方法主要有：(1) 時(shí)間控制；(2) 距離控制；(3) 彎道控制.除了對(duì)油、氣比例控制之外，系統(tǒng)中還設(shè)有預(yù)噴控制和監(jiān)視保護(hù)控制等控制功能.

(1) 時(shí)間控制：時(shí)間控制可以設(shè)定驅(qū)動(dòng)電磁閥工作的PWM電壓的工作周期，通過(guò)設(shè)定不同的占空比，滿(mǎn)足不同的潤(rùn)滑需求.

(2) 距離控制：距離控制是當(dāng)接收到距離傳感器在達(dá)到設(shè)定距離時(shí)發(fā)出的動(dòng)作信號(hào)后，噴射一定的潤(rùn)滑油，滿(mǎn)足潤(rùn)滑需求.

(3) 彎道控制：彎道控制是系統(tǒng)在運(yùn)行中進(jìn)入彎道后，接收到彎道傳感器發(fā)出的信號(hào)后，噴射出滿(mǎn)足彎道運(yùn)行的潤(rùn)滑油.

(4) 預(yù)噴控制：系統(tǒng)在通電后，進(jìn)入工作模式之前進(jìn)行預(yù)噴射，使油路中充滿(mǎn)潤(rùn)滑油，為正式噴射做好準(zhǔn)備.

(5) 監(jiān)視保護(hù)控制：如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障，無(wú)法完成正常的潤(rùn)滑功能，設(shè)備得不到良好的潤(rùn)滑，嚴(yán)重時(shí)甚至可能造成設(shè)備的毀壞，因此,為油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)了監(jiān)視保護(hù)功能.分別對(duì)空壓機(jī)、油路壓力和氣路壓力進(jìn)行監(jiān)控，壓力監(jiān)控點(diǎn)如圖1所示，出現(xiàn)故障時(shí)停機(jī)并報(bào)警.其次，油箱安有一個(gè)檢測(cè)油位下限的傳感器，當(dāng)液位過(guò)低時(shí)，傳感器發(fā)出信號(hào)，系統(tǒng)停止運(yùn)行并報(bào)警，提醒工作人員即時(shí)補(bǔ)油.同時(shí)，系統(tǒng)對(duì)電源電壓和空壓機(jī)電流進(jìn)行檢測(cè)，超出正常范圍時(shí)停機(jī)并報(bào)警.油、氣混合試驗(yàn)系統(tǒng)中還設(shè)有潤(rùn)滑油流量傳感器和空氣流量傳感器，以測(cè)取油、氣混合系統(tǒng)的最佳控制參數(shù)和潤(rùn)滑油的消耗量.

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主電路圖如圖2所示.系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)如圖3所示.控制系統(tǒng)硬件電路分為4個(gè)模塊，分別為核心控制模塊，驅(qū)動(dòng)模塊，檢測(cè)模塊，顯示模塊.圖2中空壓機(jī)由交流接觸器控制其開(kāi)通與關(guān)斷，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，由控制器通過(guò)中間繼電器可以控制空壓機(jī)關(guān)斷.圖3中傳感器、按鍵及相關(guān)接口為輸入設(shè)備，電磁閥、蜂鳴器及LCD為輸出設(shè)備，存儲(chǔ)系統(tǒng)包括NAND FLASH和RAM.

圖2 控制系統(tǒng)主電路圖

圖3 控制系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)

2.1 核心控制模塊

由于8位的A/D轉(zhuǎn)換器不能滿(mǎn)足精度要求，系統(tǒng)采用的是10位的A/D轉(zhuǎn)換器，并且系統(tǒng)監(jiān)視保護(hù)功能中用的外部中斷功能比較多，因此，核心控制器采用三星公司的S3C2410.S3C2410是一款基于ARM920T內(nèi)核的16/32位RISC處理器，采用五級(jí)流水線結(jié)構(gòu)，主頻可達(dá) 203 MHz[3].為了降低系統(tǒng)總體成本和減少外圍器件，芯片中還集成了下列部件：LCD控制器、NAND FLASH控制器、通用I/O口、8通道10位ADC等[4].

SDRAM是“同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器”，采用兩片SAMSUNG公司生產(chǎn)的K4S561632，每片容量32 M.NAND FLASH根據(jù)容量和性?xún)r(jià)比選擇了SAMSUNG公司生產(chǎn)的K9F1208[5].

2.2 驅(qū)動(dòng)模塊

系統(tǒng)控制對(duì)象主要是驅(qū)動(dòng)一個(gè)油用開(kāi)關(guān)電磁閥和一個(gè)氣用開(kāi)關(guān)電磁閥.2個(gè)電磁閥工作電壓都為24 V DC.系統(tǒng)對(duì)電磁閥驅(qū)動(dòng)電壓進(jìn)行PWM控制.高電平時(shí)電磁閥得電開(kāi)通，低電平時(shí)電磁閥失電關(guān)斷.結(jié)合定時(shí)器對(duì)電磁閥開(kāi)通與關(guān)斷時(shí)間即占空比和開(kāi)通與關(guān)斷的先后順序進(jìn)行精準(zhǔn)控制，完成油、氣混合的比例控制，以噴出符合要求的油膜，達(dá)到理想的潤(rùn)滑效果.

2.3 檢測(cè)模塊

檢測(cè)部分是對(duì)系統(tǒng)工作狀況的檢測(cè)，包括故障檢測(cè)、工作模式檢測(cè)和流量檢測(cè).壓力傳感器檢測(cè)空壓機(jī)、油路和氣路壓力，超出正常工作壓力范圍時(shí)發(fā)出開(kāi)關(guān)信號(hào)；液位傳感器檢測(cè)其液位高度，液位低于下限值，發(fā)出開(kāi)關(guān)信號(hào).控制系統(tǒng)通過(guò)彎道、距離傳感器和按鍵選擇其工作模式，彎道、距離傳感器信號(hào)為開(kāi)關(guān)信號(hào)，以上信號(hào)全部連接到外部中斷接口.

油、氣流量的檢測(cè)利用了A/D轉(zhuǎn)換模塊，把流量傳感器輸出的電壓模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成流量信號(hào).過(guò)流和過(guò)壓模擬信號(hào)也連接到A/D轉(zhuǎn)換模塊，并設(shè)定正常工作范圍，保證系統(tǒng)在正常電流和電壓下工作.

2.4 顯示模塊

顯示器采用的是型號(hào)為T(mén)Q-7LCD的TFT-LCD，能實(shí)現(xiàn)顯示文字和方塊功能.顯示各部分工作狀況、工作模式、2個(gè)流路的流量.系統(tǒng)顯示界面設(shè)計(jì)為：系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，出問(wèn)題部位相應(yīng)文字后面顯示紅色方塊，正常部位顯示綠色方塊.進(jìn)入工作模式后，相應(yīng)的工作模式后面顯示綠色方塊，其余工作模式后面顯示白色方塊.系統(tǒng)在油路壓力為0.6 MPa、氣路壓力0.65 MPa，并且系統(tǒng)在時(shí)間控制下正常運(yùn)行時(shí)顯示界面如圖4所示.

圖4 時(shí)間控制顯示界面

3 軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序和中斷程序，主程序框圖如圖5所示.主程序首先是完成初始化，以確保硬件功能正常工作，然后點(diǎn)亮TFT屏，進(jìn)入顯示界面.打開(kāi)外部中斷，檢測(cè)電源電壓和空壓機(jī)電流是否正常，電壓、電流正常后等待系統(tǒng)各部分壓力達(dá)到正常范圍.如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)各部分壓力達(dá)不到正常范圍，則停機(jī)、報(bào)警.在系統(tǒng)各部分壓力達(dá)到正常范圍后，檢測(cè)液位是否正常，如果液位過(guò)低則停機(jī)、報(bào)警.如果液位正常則進(jìn)行預(yù)噴射，使油路中充滿(mǎn)潤(rùn)滑油.然后通過(guò)按鍵選擇工作模式.當(dāng)選擇時(shí)間工作模式時(shí)，系統(tǒng)每隔一段時(shí)間噴射一次，如果進(jìn)入彎道，則按彎道控制要求對(duì)潤(rùn)滑油的需求量進(jìn)行噴射.出了彎道后又回到先前的工作狀態(tài).如果按下停車(chē)鍵則系統(tǒng)停止工作.所有工作模式期間仍對(duì)系統(tǒng)中各部分壓力、液位、過(guò)壓和過(guò)流進(jìn)行檢測(cè).同理，距離噴射模式也是如此.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)圖3、圖5所示的控制系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)圖及主程序框圖，實(shí)現(xiàn)了油氣潤(rùn)滑系統(tǒng).并在實(shí)驗(yàn)室對(duì)系統(tǒng)的基本性能進(jìn)行了測(cè)試.

對(duì)油、氣潤(rùn)滑系統(tǒng)進(jìn)行了油、氣流量與油、氣壓力的關(guān)系實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)中保持油、氣2個(gè)電磁閥開(kāi)通與關(guān)斷時(shí)間不變，即控制占空比不變，其中油用電磁閥供油運(yùn)行時(shí)間為2 s，間歇時(shí)間為18 s，而氣用電磁閥比油用電磁閥早開(kāi)通0.01 s、晚關(guān)斷0.01 s，目的是更好地把混合流路的潤(rùn)滑油全部噴射到潤(rùn)滑點(diǎn).把油路壓力固定后，調(diào)節(jié)氣路壓力.油、氣壓力與油、氣消耗量的測(cè)試結(jié)果如表1所示.

實(shí)驗(yàn)中分別取油路壓力為0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa、0.6 MPa，分別在這些壓力下改變氣路壓力，測(cè)量油路流量與氣路流量.由表1可以看出：當(dāng)油路壓力固定時(shí)，隨著氣路壓力增大，油路流量越小，氣路流量越大.因此，可以選取適當(dāng)?shù)牧髁勘?，確定油路與氣路壓力.

圖5 主程序框圖

油路壓力/MPa氣路壓力/MPa油路流量/(mL·s-1)氣路流量/(L·min-1)0．20．150．6300．20．5350．22330．30．251．5380．30．5460．313400．40．355480．41580．450．5700．412520．50．454620．51720．551820．50．3600．60．550．3650．60．19710．650．1572

假設(shè)機(jī)車(chē)時(shí)速為100 km/h,按照控制目標(biāo)中要求，軌道油耗量為50 mL/h.當(dāng)油路壓力為0.6 MPa，氣路壓力為0.65 MPa時(shí)，潤(rùn)滑油噴出量為54 mL/h.油箱如果為5 L，能連續(xù)噴射92.6 h，達(dá)到了控制要求.

實(shí)驗(yàn)中對(duì)時(shí)間控制功能進(jìn)行了確認(rèn)，在油路壓力為0.6 MPa，氣路壓力為0.6 MPa，并且噴射距離為12 cm時(shí)，噴出的油膜直徑為13 mm，達(dá)到了系統(tǒng)要求.

5 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)的初期實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該控制系統(tǒng)可以滿(mǎn)足軌道油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)的技術(shù)要求，同時(shí)證明了采用以電磁閥為核心器件構(gòu)成的供油系統(tǒng)可以完全替代以?xún)r(jià)格昂貴的供油泵構(gòu)成的供油系統(tǒng).更進(jìn)一步的油膜厚度實(shí)驗(yàn)，以及監(jiān)視保護(hù)功能、故障診斷功能等相關(guān)實(shí)驗(yàn)正在進(jìn)行中，控制系統(tǒng)性能完善后，將完成現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)及耐久性能實(shí)驗(yàn).

[1] 楊和中,劉厚飛.TURBOLUB油氣潤(rùn)滑技術(shù)(五)[J].潤(rùn)滑與密封,2003,28(5):91-95.

[2] 楊和中,劉厚飛.TURBOLUB油氣潤(rùn)滑技術(shù)(八)[J].潤(rùn)滑與密封,2004,29(2):91-93.

[3] 劉永林,程耀瑜,梁瑩，等.基于ARM的圖像采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測(cè)試，2011,35(6):12-15.

[4] 侯殿有,才華.ARM嵌入式C編程標(biāo)準(zhǔn)教程[M].北京:人民郵電出版社,2010:156-160.

[5] 李艷麗,李哲,趙娟.基于S3C2410處理器的火災(zāi)報(bào)警控制器設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2009(23):45-46.

Oil-gas Lubrication System Controller Design for Rail Based on ARM9

CAI Sheng-nian, LI Xin, PANG Bao-lin, XU Cheng-tao

(Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142, China)

In this paper,the S3C2410 chip produced by Samsung company was used as a core of the control system to design the trolley locomotive wheel rim lubrication system of oil and gas,and the main functions and architecture of the system were introduced.Hardware design and software design were given by the control requests of the trolley locomotive wheel rim lubrication system of oil and gas.And the practicability of control system was verified by the experiment.Special experiment was carried out for important parameters influencing oil-gas lubrication effect and lubricating oil consumption.The experimental results had an important reference value for improving the performance of the oil and gas lubrication control system and further increasing the practicality of system.

S3C2410 chip； locomotive wheel rim； lubricating oil and gas

2013-10-29

蔡勝年(1957-)，男，江西樂(lè)平人，教授，博士，主要從事電磁技術(shù)應(yīng)用的研究.

2095-2198(2015)02-0172-06

10.3969/j.issn.2095-2198.2015.02.017

TP271

A