一種新型機車風源凈化控制器設計

陳 平

（戚墅堰機車車輛廠工業公司，江蘇 常州213011）

運行在鐵路干線上的列車對空氣系統(俗稱風源[1])要求很高，由于機車風泵產生的壓縮空氣通常含有機械雜質、油份和冷凝水等污染物,所以當壓縮空氣流經管道進人各閥時,有害物質會銹蝕管壁和閥體,加速運動部件的磨損,甚至墊閥口、堵塞氣路、卡死柱塞等。這不僅縮短了制動機的維修周期,增加了維修費用,還可能導致制動機失靈,以致造成重大的行車事故，所以充分保證機車的風源質量至關重要。機車上的壓縮空氣儲存在總風缸中，總風缸內的壓縮空氣由機車上空氣壓縮機提供[1]。在空氣壓縮機與總風缸之間串接有風源凈化裝置，本裝置就是這種凈化裝置的控制部分，以完成風源的干燥、凈化。控制器的作用就是按特定程序，使兩個干燥塔輪流工作（吸附和再生[2]），從而使流經的空氣得以干燥和凈化，然后再供給機車上的用風系統，所以風源凈化控制器（簡稱控制器）是整個風源凈化裝置的核心，其部件必須按控制器所設定的程序才能保證其正常工作。

中國專利文獻號CN 86200250U公開了一種機車風源凈化系統的電氣控制裝置，其不足之處主要有：(1)該裝置完全采用模擬電路，記憶性功能差，精度不夠，采用步進繼電器工作可靠性不高。而目前機車上常見的風源凈化控制器都采用CMOS 24級分頻器CD4521電路[3]，振蕩頻率由外接電位器進行整定，定時精度取決于外接可變電阻和電容的精度，由于電阻和電容易受溫度影響，從而引起時間常數發生變化，導致精度和可靠性降低；(2)現有的控制器還普遍存在信號回路與機車電器回路沒有隔離、所用分立元器件較多、故障率高等不足。基于上述原因，本文介紹了一種新型風源凈化控制器，可以有效地克服上述不足之處，保障風源的高質量干燥、凈化。

1 工作原理

當總風缸空氣壓力低于某一設定值(750 kPa)時，壓力開關YK閉合，發出“通電”信號，空氣壓縮機開始工作。當總風缸空氣壓力達到另一設定值(900 kPa)時，壓力開關發出“斷電”信號。壓力開關就是以這兩種信號控制空氣壓縮機的起動與停止，并將信號傳遞給本控制器，控制兩個干燥塔（A塔、B塔）“吸附”或“再生”輪流工作。“吸附”是指對壓縮空氣進行除濕干燥凈化，“再生”是指對干燥塔的吸附劑進行再生，重新恢復活性。當空氣壓縮機停機時，控制器使風源凈化裝置暫停工作。

當機車空氣壓縮機啟動時，控制器得到“空氣壓縮機啟動”信號,開始按設定的程序工作,工作時序如圖1所示。圖中T0～T8表示各個時刻，DF1、DF2代表各個時刻所對應電控閥的工作電壓。

圖1 工作時序圖

初始工作T0時刻，電控閥DF1得電、電控閥DF2失電，通過風源凈化裝置(簡稱裝置)的“電氣-機械轉換”[2]，使得B塔處于空氣干燥(吸附)狀態，A塔處于再生狀態。當到達設定時間T1（72 s）時，控制器停止對電控閥DF1供電，此時電控閥DF1、DF2均處于失電狀態，B塔繼續干燥（吸附），A塔卻停止了再生。當累計時間達到設定值T2(90 s)時，電控閥DF2得電，DF1繼續失電，A塔隨即進入干燥（吸附）狀態，而B塔卻進入再生狀態。當累計時間達到設定值T3（162 s）時，電控閥DF2失電,DF1繼續失電，A塔繼續處于空氣干燥（吸附）狀態，而B塔卻停止再生狀態。當累計時間達到設定值T4（180 s）時，電控閥DF1得電，DF2繼續失電,B塔轉入空氣干燥（吸附）狀態，A塔繼續轉入再生狀態，風源凈化控制器完成了一個工作周期,如此循環不已。

控制器在同一工作周期內，對兩電控閥的“通電”和“斷電”是相互制約的，但時間并不相等，而是保持一個差值δT，使兩電控閥DFl、DF2有一個“失電”重疊時間。在失電重疊時間內，由裝置的機械聯鎖實現“柔性轉換”[2]。所謂“柔性轉換”是指B塔或A塔從再生狀態過渡到干燥（吸附）狀態能夠柔性平穩過渡，以免壓力急劇變化時對吸附劑顆粒造成沖擊[2]。

當控制器接通電源而無壓力開關YK控制信號輸入時，控制器亦無動作指令輸出，而處于“待命”狀態。只有當控制線VK有“通電”信號輸入時，控制器才開始計時工作，并按一定時間周期T，分別對兩電控閥進行“通電”和“斷電”動作。

當一個工作周期還未完成而壓力開關控制信號VK斷電時，控制器也立即中斷工作，停止計時。當壓力開關信號VK再次通電時，計時將在原工作時間上累計，直至完成這一工作周期才進行轉換。當工作周期中斷時，控制器將記存其工作狀態，待下次工作時，仍按原狀態繼續，即原得電的電控閥仍得電，原失電的電控閥繼續失電，直至這一工作周期完成。

2 具體實施方式

控制器包括盒體及安裝在盒體內的控制板。盒體上有電源開關、工作及報警指示燈、輸入/輸出插口及電控閥引出線。機車空氣壓縮機的運行與停止電信號由控制線(VK)輸入，經過控制器的微處理器處理后，輸出指令給電控閥來操縱干燥器動作，使兩干燥塔按一定的程序交替工作。

本控制器電源采用機車上的直流110 V電源。其核心采用AT89C51微處理器[4]，將時間轉換程序固化在芯片中，不需要通過電位器來調定時間，保證了系統的可靠性。

2.1 硬件實施方式

圖2為主回路接線圖，機車上的110 V直流電源V+、V-分別從控制器插頭上的1、2腳輸入，壓力開關YK信號從控制器插頭4腳輸入。控制器的輸出端V1、V2分別接電控閥DF1、DF2。

圖2 主回路接線圖

圖3為控制器原理框圖,風源凈化控制器包括電源電路、信號輸入電路、單片機控制電路、第一輸出控制電路、第二輸出控制電路、第一執行電路、第二執行電路、報警電路共8個回路組成。

圖3 控制器原理框圖

圖4為控制器部分實際電路圖。J1為控制器的輸入端。

內燃機車上的DC 110 V直流電源通過J1的1、2腳輸入，其中1腳為正，2腳為負；4腳為空氣壓縮機信號輸入端VK。從J1的1、2腳輸入的DC 110 V直流電，其正端經二極管D1（1N4007）、電阻R1、電容C1、電容C2組成的濾波回路后輸入到U1（DC 110 V/DC 12 V）電源模塊；D1起與外電源隔離和防極性反接作用。U1輸出DC 12 V直流電源經電容C3、電容C4濾波后輸入到U2（L7805）三端穩壓器的輸入端，U2輸出的DC 5 V電源VCC供整個主板電路使用。

圖4 控制器部分實際電路圖

壓力開關信號輸入電路：當空氣壓縮機啟動時，YK閉合，J1的4腳輸入110 V直流電壓信號。輸出的信號經R3、R4、R5、R29限流后輸入到U5（TLP521）的1、2腳到地，限制電流在4 mA～5 mA范圍內。光電耦合器U5的3、4腳導通，U4F（74LS14）的13腳從高電位轉變為低電位，施密特觸發器的12腳隨即跳變為高電位，輸入到U3（AT89C51）單片機的P1.4高電位，單片機根據此信號判定空氣壓縮機是否已啟動。

單片機根據內部程序，依次從P1.0、P1.1輸出信號（低電平有效）對執行電路進行控制。當P1.0輸出低電平時，通過R7輸入到U4A（74LS14）的1腳，倒相后從2腳輸出高電平，此電平一路通過R9限流輸出到J5的2腳，點亮發光二極管指示燈；另一路經R11流入到U6（TLP521）光電耦合器的1、2腳到地，光耦U6（TLP521）4、3腳導通，從而控制后級的第一執行電路動作，驅動第一電控閥動作。當P1.1的2腳為低電平時，電路原理與上述相同，驅動第二電控閥動作。

2.2 軟件實現方式

單片機根據內部程序，依次從P1.0、P1.1輸出信號（低電平有效）對執行電路進行控制。P1.0、P1.1輸出低電平時，通過輸出和執行電路對電控閥進行控制。

單片機正常運行時，內部程序初始化設定，使P1.5輸出低電平，通過外圍電路驅動后，外接故障報警指標燈不會點亮。當單片機因某種原因工作不正常時，P1.5將輸出高電平，故障發光二極管指示燈點亮，表明有故障。

單片機輸入端口為P1.4，輸出端口為P1.0、P1.1、P1.5。Y1、C7，C8組成單片機的時鐘電路，本機的時鐘頻率為12 MHz。C9、R11組成單片機復位電路，在開機瞬間對單片機復位。采用AT89C51系列單片機的優點是，采取內部定時器T0對時間進行自動計時，免人工調試，避免模擬電路通過反復調試來實現。單片機程序燒寫在EPROM中，修改靈活。

編程軟件采用Keil C51，用定時中斷模式。在主函數中定義定時器T0工作于計時模式1；定時器每50 ms產生一次中斷，共中斷20次，剛好為1 s，每1 s計數1次。以下為程序片斷：

在時序圖T1時刻，time共計數72次,即為72 s后發出相應的指令使P1.0為低電平，P1.1為高電平；然后繼續計數，在time累加18次計數即90次后，到下一時刻T2，發出相應的指令使P1.0為高電平，P1.1為高電平；time再繼續下一個計數，當計數至108次時，到下一個時刻T3，發出相應的指令，使P1.0為高電平，P1.1為低電平；time繼續計數，當計數至180時，到下一個時刻T4，發出相應的指令使P1.0為高電平，P1.1為高電平。至此控制器已完成全部的循環周期。當完成最后一個循環周期后，time計數器清0，自動重復開始以上過程。

3 實際測試效果

經測試，控制器A、B塔工作時間和柔性轉換時間分別為72 s和18 s，誤差為±0.3 s(標準為±7 s，±1.8 s)[5]。空氣壓縮機停機后自動記憶工作狀態，累計時間誤差為±0.5 s。對新型控制器進行了實際裝車試驗，運用結果表明,該控制器可靠性高，可減少IC和分立元器件數量，從而大大降低了故障率，保證電子裝置的使用壽命為20年[6]，完全達到了設計要求。

本文設計的風源凈化控制器由于將時序控制程序固化在微處理芯片中，且采用單片機內部時鐘頻率計時，計時精確度高，克服了原裝置用電位器整定振蕩頻率、易受溫度等因素影響，以及由于頻率漂移對時序控制產生影響等諸多缺點。同時本控制器數字信號控制電路與機車電器回路完全隔離，提高了系統抗干擾能力，保證了裝置的運行穩定。

[1]大連機車車輛廠.東風4型內燃機車空氣系統[M].大連：大連理工大學出版社，1993.

[2]大連中車.JKG系列空氣干燥裝置使用及維護說明書[S].大連：大連中車機車配件有限公司，2001.

[3]Texas Instruments Incorporated.CMOS 24-stage frequency divider[EB/OL].USA：Texas Instruments.[2003-05-04].http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/cd4521b.pdf.

[4]Texas Instruments Incorporated.8-bit Microcontroller with 4K bytes flash AT89C51[EB/OL].USA：Texas Instruments.[2013-05-04].http：//www.atmel.com/Images/doc0265.pdf.

[5]中華人民共和國鐵道部.DF4B內燃機車大修規程[S].北京：鐵道出版社，2006.

[6]中華人民共和國鐵道行業標準.TB/T 3021-2001.鐵道機車車輛電子裝置[S].北京.中華人民共和國鐵道部，2001.