GCY470型調車機車微機網絡控制系統的研究與實現

（中車大連機車研究所有限公司電力電子事業部，大連 116021）

0 引言

GCY470型調車機車是為天津地鐵5號線車輛段設計的液力傳動內燃調車機車，主要用于車輛段及其他基地內地鐵列車調車作業的牽引，區間車站、隧道事故列車的救援牽引，設備、物資的運輸車輛及其他無動力軌道車輛的牽引作業等。機車車體為內走廊式底架承載雙司機室結構；機車動力裝用美國卡特彼勒公司C18型柴油機[1]，裝車功率為470kW；傳動采用液力傳動形式，裝用配套卡特彼勒公司TR43M44+TC43型液力-機械分體式傳動箱；柴油機自帶啟動電機和發電機（DC24V）；制動系統裝用JZ-7G型空氣制動機。

1 微機網絡控制系統的構成和功能

1.1 系統總體功能需求

機車柴油機燃油噴射系統為電子控制方式，換擋控制具有自動換擋和手動換擋兩套控制模式，調速系統為司控器控制方式和手動故障油門控制方式，還可以實現雙機重聯控制。該車的控制是在傳統的繼電器和接觸器觸點控制的基礎上，通過微機控制，完成換向保護、自動換擋、超速保護、故障診斷顯示及數據記錄等功能。該車顯示部分采用液晶屏顯示，整車動力單元的狀態通過CAN總線傳給微機，整合整車的其他參數經控制器處理后，通過以太網傳遞給液晶屏顯示[2]。液晶屏可以顯示重聯時本車和它車的狀態、整車故障狀態等信息，比傳統的儀表顯示準確、直觀、集中。

1.2 系統構成和功能介紹

機車的微機網絡控制系統主要由行車控制單元VCU、司機顯示單元DDU（雙端操縱臺各1個）、柴油機控制單元ECU（柴油機自帶）等組成。系統采用CAN網+以太網實現車內系統設備之間的數據信息交互和管理控制，采用以太網實現兩臺重聯機車之間的數據信息交互和管理控制。系統拓撲結構見圖1。

圖1 微機網絡控制系統拓撲結構

（1） VCU（行車控制單元）。

系統主控單元，主要功能包括：機車運行與設備狀態監控、CAN/ETN網絡管理、柴油機啟停/調速管理、司控器管理、機車定速控制、撒砂控制、機車重聯控制[3]、故障診斷與報警管理、事件/故障記錄和文件轉儲管理等。

（2） DDU（司機顯示單元）。

與機車操作者的交互單元，主要功能為機車和各設備運行狀態數據顯示與指令操作，DDU1、DDU2分別安裝于兩個司機操縱臺上。

（3）ECU（柴油機控制單元，柴油機自帶）。

主要功能包括：柴油機調速控制、柴油機狀態監測、故障診斷與保護、CAN通信接口（SAE J1939協議）等。

2 微機網絡控制系統的硬件組成及軟件實現

2.1 控制系統的硬件組成

行車控制單元采用集成式模塊化設計，前面板出線，主要由機箱、軌道、插件板和面板組成。機箱結構為4U84HP的標準機箱。行車控制單元的插件模塊由電源模塊、以太網交換機模塊、主處理模塊、輸入輸出模塊組成，原理框圖如圖2所示。電源模塊負責為機箱內各模塊供電；以太網交換機模塊主要處理和司機顯示單元以及他車重聯時的通信；主處理模塊負責處理行車邏輯及與柴油機的通信；輸入輸出單元主要負責采集機車現場信號，以及將通過主處理模塊判斷后的指令發送給機車各個執行器件。

司機顯示單元為10.4英寸，分辨率1024×768的觸摸顯示屏，采用后出線形式，方便設計操縱臺空間及安裝調試。顯示屏采用以太網通信方式，防護等級為前面板IP67，后蓋IP32。

圖2 行車控制單元原理

2.2 控制系統的軟件實現

行車控制單元采用基于ARM架構的嵌入式Linux操作系統[4]，開發方便快捷。系統采用分功能多進程模塊化的思想搭建控制軟件的架構，將控制內容分為：CAN通信、IO通信、司機顯示單元通信、重聯控制和行車邏輯控制等部分。

單機行車邏輯控制功能如下。

（1）初始化。系統軟硬件自檢，讀取存儲項。

（2）柴油機啟停機。通過通信及外部信號，判斷系統是否具備啟停機條件，安全合理啟停柴油機。

（3）柴油機調速控制。通過邏輯判斷及司控器信號，結合通信合理調整柴油機的轉速。

（4）機車車速及加速度計算。通過通信及傳感器信息，結合機車信息來計算機車速度及機車加速度，供顯示、換擋參考、超速報警以及空轉判斷使用。

（5）機車牽引控制。機車牽引工況時，控制系統能檢測機車主要的運行參數和工作狀態。

（6）機車換擋控制。系統根據機車牽引狀態和機車速度，自動變換傳動箱檔位，滿足機車升降速牽引力要求。

（7）撒砂控制。結合機車狀態、車速狀態、牽引工況和司機給定的外部信號，來控制機車撒砂。

（8）固定發電功能。確定機車處于停車狀態，通過離合器接合柴油機同軸發電機，控制柴油機達到固定轉速來帶動發電機對外供電。

（9）機車保護功能。系統接收外部信號，完成機車、電氣控制系統的保護功能，根據預設保護值完成報警、卸載和故障信息記錄。

機車重聯控制采用以太網通信方案。機車重聯時，每臺機車主控微機將作為一個網絡節點（具有相應IP地址）組成列車網絡。機車為兩端司機室設計，由于重聯線不能跨車鉤連接，因此每一端車頭處都有兩個重聯端口。

當兩臺機車重聯時，機車可由任一端進行重聯，但每兩臺車只能有一條重聯線且重聯線不能跨過車鉤，兩臺VCU能夠自動識別并分配IP地址的網段。

機車重聯控制的內容主要包括機車操縱人員命令傳遞與執行、機車的各種參數、機車運行狀態以及機車故障報警等信息傳輸。具體如下所述。

（1）柴油機控制。實現他車柴油機起停機，兩車柴油機同步調速。

（2）傳動系統控制。實現兩車同步換向換擋[5]。

（3）輔助系統設備控制。在本車通過機車重聯控制，可以控制他車撒砂或對外作業供電等輔助系統設備。

（4）在本車通過重聯控制可以監控他車的各種參數，包括柴油機轉速、水溫、工作時間、負載百分比、機車速度、運行里程等。

（5）在本車通過重聯控制可以監控他車故障報警信息，包括柴油機超速，滑油壓力低，冷卻水溫高，排氣溫度高，傳感器故障等故障報警信息。

司機顯示單元主要功能如下。

（1）顯示柴油機轉速、機車速度。

（2）顯示柴油機輔助系統工作狀態。

（3）顯示傳動箱工作狀態。

（4）顯示回路電壓電流。

（5）及時報警并提示發生的相應故障。

（6）顯示日期、時間、里程。

（7）顯示雙機重聯時本車和他車的主要信息。

（8）可修改車號、輪徑，校正行駛里程。

3 結束語

文中研究開發的微機網絡控制系統在GCY470型地鐵內燃調車機車上裝車，并通過環形線動態試驗，滿足控制要求的同時得到了用戶的認可，也可移植作為其他地鐵調車微機網絡控制系統。

中車大連機車研究所有限公司設計開發的微機網絡控制系統作為GCY470型調車機車控制系統的核心，不僅做到了各部件的模塊化，還提供了極為有效的邏輯保護功能，并且系統還具有全面的故障檢測手段，有利于機車狀態檢測及故障排除。