基于TTC60控制器的內燃機車電氣控制系統設計

王雙旺，孫志洪

(中鐵工程裝備集團公司設計研究總院，鄭州 4 50016)

0 引言

隧道牽引機車主要有電力變頻機車和內燃機車。電力變頻機車的動力源為蓄電池，通過將直流電源變換為三相交流電，然后通過變頻器控制電動機工作;而電傳動型內燃機車的動力源為柴油發動機，通過柴油機帶動發電機，將機械能轉化為電能，然后通過對電動機的控制將電能轉化為機械能驅動機車運行，是電力傳動的工作方式。作為變頻機車的技術核心，變頻技術的發展已經較為成熟，許多國內外企業都在生產，但由于蓄電池需要頻繁充電，限制了電力變頻機車在長大隧道運輸的應用［1-6］。本文介紹的內燃機車是液壓傳動型，具有以下特點:便于布置，占用空間小，適用于該機車的轉向架式結構;可以無極調速，控制特性好;動作快速性好，控制、調節比較簡單;液壓系統能進行制動;液壓傳動在工程機械上廣泛應用，技術成熟，控制上能夠借鑒工程機械等。

在當前的機車控制系統中，大多采用通用的PlC系統(如西門子S7系列PLC)、三菱PLC或微機等作為控制核心，通訊多采用RS485技術。CANBUS技術是最早由博世公司提出的現場通訊技術規范，廣泛應用于汽車的電氣控制系統中，當前也逐漸在工程機械、煤礦機械等非公路機械中得到廣泛應用，但鮮有在機車控制系統中的應用介紹［7-10］。隨著環保節能技術及柴油機技術的進步，市場上大功率的柴油機基本都是電控的，而發動機控制器的通訊則廣泛采用基于CAN2．0的J1939協議。TTC60是在工程機械上廣泛應用的專業控制器，它支持CAN2．0通訊，將它引用到新型液壓傳動型內燃機車的電氣控制系統的設計中來，能充分發揮其在液壓系統控制上的優勢，同時它能與發動機進行通信，這樣在發動機與液壓系統的匹配上，可以采取更有效辦法來達到節能高效的目的。

1 60 t內燃機車簡介

為了解決大直徑隧道運輸量大，以及運輸距離長的問題，設計采用內燃機作為動力源，采用60 t的黏重，具有較大的牽引力;采用液壓驅動以及轉向架結構，可以有較小的轉彎半徑與軸載，對軌道的要求大大降低，能夠較好地適應隧道內軌道條件較差的工作環境。制動方式以閘瓦制動方式為主，液壓制動和排氣制動為輔。為了降低對隧道大氣環境的影響，增加了發動機的尾氣凈化裝置。同時借鑒工程機械的控制方案，設計友好的操作界面，給司機輕松安全的駕駛體驗。整個機車主要由車架車體、駕駛室、動力單元、電氣控制系統、制動裝置、走行機構、液壓系統及其他輔助裝置組成。機車整機外形如圖1所示。

圖1 機車整機外形圖Fig．1 Photo of diesel locomotive

2 機車的電控系統設計

機車的電氣系統設計，主要根據機車在各個工況下對液壓系統、制動系統和動力系統的控制要求，采用合理的電氣硬件以及控制策略，實現機車的行車、調向、調速、剎車和制動等控制，并且設計一個友好的操作界面和環境。電氣設計主要包括以下部分:1)硬件設計，包括選型設計與電氣原理圖設計。電氣原理圖設計包括發動機啟動部分、供電部分和控制部分設計。該系統中控制器選用TTC60，人機交互選用6．4寸的彩色LED，支持CAN通訊。整車供電采用24 V直流，負極搭鐵方式。發動機啟動前由蓄電池供電，用于啟動發動機、照明和控制系統供電等;發動機啟動后由發動機帶動車載24 V發電機給整車供電，并向蓄電池充電。2)軟件設計及上位機界面設計。軟件是控制功能的實現，上位機界面設計目標是以圖形化、數字化的方式，生動、實時地對整車的速度、溫度、壓力和流量進行監控與報警。

2．1 控制系統硬件系統組成

控制系統硬件部分主要由以下幾部分構成:控制器(TTC60)、人機交互界面(帶按鍵的LED顯示屏)和發動機控制器EMR。前向通道包括操作臺按鈕、調速手柄以及速度、壓力、油溫和油位等各種信號傳感器，執行部分則為液壓系統的電磁閥、氣動制動閥和信號燈等。此外，還有蓄電池、發動機啟動馬達與發電機等輔助設備。控制系統框圖如圖2所示。

圖2 機車控制系統框圖Fig．2 Control system of diesel locomotive

2．2 TTC60控制器的特點

TTC60專用控制器與通用的PLC相比具有以下特點:

1)堅固可靠，抗振動、抗沖擊性能好，防護等級達到ⅠP67，能適應戶外的惡劣環境。

2)控制器集成有豐富的輸入輸出口:開關量輸入輸出、0～5 V/30 V電壓及0～20 mA電流輸入、脈沖輸入、0～100 kΩ電阻輸入、大電流的 PWM輸出(2A)。

3)管腳復用，用戶可根據自己的控制要求配置輸入輸出口，過壓保護，輸出短路保護。

4)具備2個CAN總線，抗干擾性強，支持J1939協議通訊。

5)編程支持ⅠEC 61131-3標準的6種語言。

2．3 CAN總線通訊設計

TTC60控制器有2個CAN通訊接口:CAN0與CAN1。設計中，將CAN0口作為控制器與上位機通訊的接口，通訊介質選擇屏蔽雙絞線，通訊協議是CAN2．0B。控制器將要顯示的數據發送到顯示屏，實時監測機車運行參數，而在顯示器上也可以修改相關參數的設置，然后發送給控制器。此外，CAN0還可當作程序的下載與調試接口。CAN1口則設計為與發動機控制器EMR通訊接口。它們采用J1939協議傳輸數據，J1939協議是基于CAN2．0B的應用層協議。在本系統中，采用的通訊波特率均為250 kb/s，在這個速率下，CAN總線可以達到最長200 m左右的通訊距離。

發動機控制器EMR檢測發動機各個位置的傳感器信號，并對發動機進行噴油、啟動、調速和診斷等系列控制。這樣，通過CAN總線，可將EMR采集的數據，如發動機轉速、發動機運行時間、發動機機油壓力和發動機水溫等運行參數和報警信息發送到TTC60控制器，而TTC60則可以根據需求向EMR發送對發動機包括轉速、怠速控制在內的各種控制信號。如控制器檢測到液壓系統主泵壓力長時間小于設定的工作壓力值或操作手柄處于中位時，就可以通過總線向發動機發送怠速指令，使發動機自動怠速運行。

圖3為CAN總線通訊原理圖。CAN通過差分電壓傳輸信號，這2根信號線分別被稱為“CAN-H”和“CAN-L”，靜態時 CAN-H和 CAN-L電壓均為2．5 V左右，表示邏輯“1”;CAN-H比CAN-L電壓高時表示邏輯“0”，這時CAN-H通常為3．5 V，CAN-L為1．5 V左右。總線兩端掛2個120 Ω的電阻，以消除信號反射。

圖3 CAN總線通訊原理圖Fig．3 Principle of communication of CAN bus

3 機車電控系統的軟件設計

軟件設計主要包括控制器TTC60程序設計和顯示器程序設計。控制器程序是機車電氣控制系統的核心，也是控制系統設計成功的關鍵。顯示器端的程序主要是滿足實時監測、人機交互的要求。TTC60采用應用廣泛的Codesys開發應用程序，顯示器端程序則在Linux操作系統下進行開發，屬于嵌入式的UⅠ界面設計。

3．1 控制器程序的設計

TTC60控制程序主要包括以下部分:1)發動機速度控制;2)機車牽引各工況控制;3)液壓系統控制;4)智能控制包括報警保護功能、過載保護和急停控制;5)CAN通訊程序;6)功率匹配控制。程序開發采用結構式設計方法，程序語言則以梯形圖及結構化文本為主，程序的開發流程如圖4所示。

圖4 控制器程序開發流程Fig．4 Developing process of controller program

發動機與液壓系統如何匹配是控制器程序設計的重要部分。它的目的是，通過有效的算法，控制發動機轉速、液壓泵及馬達排量，使得發動機輸出功率恰當地滿足液壓系統的需要。因為機車在運行過程中，會遇到以下種種復雜工況:當遇到爬坡，負載增大或要提高行車速度時，需要泵輸出更大功率時，控制器可以發送指令提高發動機轉速;而當負載減小或者要降速行車時，發送指令降低發動機轉速或怠速運行;當泵負載壓力異常或過高時，控制器通過實時監測的發動機速度信號，在出現掉速現象時，控制器發出指令降低泵排量與馬達速度，使發動機不至于出現帶不動負載，熄火現象。這樣可以既不浪費發動機功率又能實現液壓系統運行要求，達到功率匹配、節能的目的。就具體控制程序而言，功率匹配的控制程序包括發動機速度控制子程序和泵排量、馬達排量控制子程序。

下面簡要介紹泵控制子程序的執行過程。機車的液壓系統由2個主泵及4個行走馬達組成。泵采用電控比例閥來調整其排量。在系統中，控制器讀取調速手柄給的速度控制要求，然后綜合液壓系統與發動機功率匹配的需要，當需要調節泵的排量時，控制器輸出PWM信號到比例閥，調整比例閥的電流大小，進而改變泵的排量和功率。程序流程圖如圖5所示。

圖5 泵控制子程序流程圖Fig．5 Flowchart of pump control subroutine

CAN通訊程序包括2個子程序。一個用來處理與顯示屏的通訊，一個用于發動機的通信。控制器與顯示器的通訊采用標準格式，有11個標識符;而與發動機的J1939通信則為29位的擴展格式。它們都是通過調用xc_can_read()以及xc_can_write()函數來完成數據讀寫的，每個數據幀傳輸8個字節數據。需要注意的是，在程序下載或者在線調試時，要正確設置CAN通訊的節點號、波特率等。當無法聯機時，可以用總線監視工具PCan view監測總線是否有數據。

3．2 人機界面設計

上位機人機界面的設計以友好、簡潔、高效為原則。一方面能準確形象顯示各監控數據及性能指標;另一方面能監測整車的工作狀態和故障信息。主要有以下界面:

1)主監控頁面。上方為電瓶電壓及燃油液位的顯示，主窗口是發動機轉速和機車行車速度的數字與圖形化顯示。中間有自動彈出的故障報警標記塊，當控制系統有報警故障時，標記塊顯示為紅色，并閃爍指示。上位機主界面如圖6所示。

2)ⅠO檢測界面。ⅠO監視頁面用于方便查看控制器各ⅠO點及模擬量通道的狀態和參數值，主要用于監視設備各控制點狀態和故障處理。ⅠO檢測界面如圖7所示。

圖6 上位機主界面圖Fig．6 Main page of LED

圖7 ⅠO檢測界面Fig．7 Page ofⅠO monitoring

3)狀態檢測與參數設置界面。參數頁面顯示系統運行的狀態參數，如系統電壓、燃油油位、液壓油溫、制動壓力、主泵壓力、牽引力和馬達轉速等，且可以設置各參數的極限報警點，如防暈睡時間、液壓系統最大壓力和油位極限等。界面效果如圖8所示。

圖8 狀態監視界面Fig．8 Page of condition monitoring

4)故障報警與記錄。當機車出現任何異常時，設備將啟動報警系統，操作臺上故障指示燈亮起，且報警蜂鳴器發出聲響，報警信息欄顯示觸發報警的原因。此時按下復位按鈕，故障指示燈和蜂鳴停止報警，但顯示屏的報警內容將繼續保留，直到引起故障的原因消除為止。故障記錄界面可以查詢到所有已觸發的歷史報警信息。

4 結論與討論

本文的創新點在于將汽車級的高性能TTC60高速控制器應用到內燃機車的電氣控制系統中去，并研究了CAN總線在系統中的應用。當前的電控發動機多是基于CAN的J1939通訊，TTC60帶有CAN通訊接口，它通過總線的方式與發動機進行數據通訊，進而能夠很好地實現發動機的狀態監測及故障診斷;同時控制器通過發送控制指令，能夠實時地控制發動機的轉速，調整發動機的功率輸出，以達到與液壓系統功率需求的良好匹配。程序采用結構式設計方式，分功能調用，上位機界面則以友好簡潔為原則。目前該內燃機車已完成調試，該套電氣控制系統運行可靠，狀態良好，它在控制功能實現、總線技術、人機交互和安全可靠性等方面均體現了獨特的優勢。但是隨著進一步的工業試驗，機車整體性能以及CAN通訊的實時可靠性還需要在各種復雜工況下做進一步的檢驗和優化。

此外，針對控制器的應用，隨著控制點數的增加及更高的節能環保控制要求，下一步將研究基于CAN技術的多主控制器協同控制方法，以及進一步優化機車的速度控制及節能控制部分。

［1］孫志洪，王騫，張立秀．基于PLC的變頻牽引機車智能控制系統［J］．隧道建設，2012，32(2):131-133．(SUN Zhihong，WANG Qian，ZHANG Lixiu．Ⅰntelligent control system of frequency-conversion traction locomotives based on PLC system［J］．Tunnel Construction，2012，31(2):131-133．(in Chinese))

［2］鄒 浪平，孟玉發，周少云．出口馬來西亞SDD12型內燃機車電氣系統［J］．機車電傳動，2013(5):20-24．(ZOU Langping，MENG Yufa，ZHOU Shaoyun．Electrical system of SDD12 disel locomotive exporting to malaysia［J］．Electric Drive For Locomotives，2013(5):20-24．(in Chinese))

［3］王 平華，孟玉發．CKD_6E電傳動內燃機車電氣系統設計［J］．鐵道機車車輛，2009，29(2):20-22．

［4］蒲 紅霞，劉順國，邱有尚．廣州地鐵6號線內燃機車電氣系統的設計［J］．內燃機車，2012(11):21-23．

［5］劉洪生．GKD_0A_型遙控內燃機車電氣系統設計［J］．內燃機車，2013(5):16-18．

［6］黃權．淺談微機在GK型機車電氣控制系統中的應用［J］．內燃機車，2006(1):38-40．

［7］劉 國鵬，賈有生，張波，等．CANopen協議在煤礦采掘設備電控系統中的應用［J］．工礦自動化，2011(9):10-13．(LⅠU Guopeng，JⅠA Yousheng，ZHANG Bo，et al．Application of CAN open protocol in electrical control system of coal mine excavating equipment［J］．Ⅰndustry and Mine Automation，2011(9):10-13．(in Chinese))

［8］張 舒原，吳運新．CANBUS技術在智能裝載機中的應用［J］．裝備制造技術，2003(3):23-25．

［9］曹 光明．基于現場總線的內燃機車運行質量監測儀的研究［D］．天津:天津大學機械工程學院，2004．

［10］易 飛．基于CAN總線的數據采集系統研究與開發［D］．長沙:中南大學機電工程學院，2011．