SDA2型內燃機車TCMS系統設計

曹海華

摘 要：本文探討了如何依據SDA2型機車TCMS控制需求，按照EN50128的設計理念，構建機車總體控制拓撲，實現機車的牽引牽引力給定、輔助變流器及電機的控制、邏輯控制、通訊控制、機車的保護以及時間同步和網絡備份功能。

關鍵詞：內燃機車；TCMS系統；EN50128；IEC 61131-3；軟件設計

引言

SDA2型內燃機車是基于中國南車集團戚墅堰機車有限公司與澳大利亞Pacific National公司簽訂的交流傳動內燃機車的采購合同而設計的高效、節能窄軌機車。該機車采用國外先進內燃機車的總線控制策略，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）等主要設備協同實現機車牽引、電阻制動、電控制動以及低恒速等功能

1. TCMS軟件全生命周期模型

根據EN50128的需求，為了保證SDA2型交流傳動內燃機車軟件開發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。通過逐級的驗證，保證軟件設計的可靠性，同時，通過軟件維護管理計劃提高軟件的可維護性。

2. TCMS系統控制拓撲

SDA2型內燃機車TCMS系統由TCU、BCU、ECU、VCU等設備組成，各子設備協同完成機車的牽引功能、制動功能以及低恒速功能。具體拓撲圖見2.SDA2型機車TCMS系統控制拓撲。

VCU是TCMS系統的主控制設備，負責管理控制其余子設備的工作，執行機車狀態判斷、通訊控制、功率控制、機車保護、邏輯判斷等功能。

TCU實時監控牽引系統信息并發送給VCU，同時根據VCU的命令在變流系統中實現機車的牽引力、電阻制動力的發揮。

RIOM實時采樣機車中的數字、模擬信號，同時根據VCU的命令，實時驅動繼電器、接觸器等終端設備。

ECU實時監控柴油機系統信息并發送給VCU，同時根據VCU的命令，實現柴油機的調速以及輸出功率的發揮。

BCU 根據司機的制動指令，執行制動命令，同時將制動信息發送給VCU。

HMI是TCMS系統中的人機界面，檢測司機的操作指令，同時將監控信息顯示給司機

BC實時監測充電機以及蓄電池的信息并發送給VCU，同時實現對蓄電池的快速充電以及均衡充電的自動調節。

ER是機車中的黑匣子，每秒采樣司機的操作信息以及機車的監控信息，存儲在防撞防火存儲器中。

FM實時監控燃油箱液位以及燃油量，并將信息轉發到VCU。

AAP根據VCU命令，執行各類的語音報警命令。

3. TCMS系統軟件設計

SDA2型機車TCMS系統軟件主要載體為VCU，VCU根據各子系統的監控參數以及命令，實現以下任務：

（1）牽引功率以及牽引力給定

（2）輔助變流器及電機的控制

（3）邏輯控制

（4）通訊控制

（5）機車的保護功能實現

（6）時間同步和網絡備份

機車各任務之間無優先級，順序執行。

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車TCMS系統中的核心任務，VCU根據機車工況開關、司機控制器信號、速度信號、柴油機負載信號等進行控制。具體的控制見圖3. TCMS功率給定牽引力給定計算方式。VCU根據檔位信息確定柴油機轉速；同時VCU通過柴油機負載信號與最佳油耗曲線的標稱值5V進行比較，利用電壓值的偏差以及根據柴油機允許的最大功率、最大起動牽引力限制進行牽引力控制；最后由牽引電機、柴油機形成閉環，從而實現機車的最佳燃油消耗。

4.2輔助變流器及電機控制

SDA2型機車裝有兩臺輔助變流器，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控制任務根據牽引電機溫度、柴油機系統冷卻液溫度來控制輔助變流器的頻率，以及通風機電機的投入與切除；同時根據制動系統的用風需求以及電阻制動的冷卻需求，控制電機的投入與切除。

4.3邏輯控制

邏輯控制任務主要是通過數字量的以及模擬量與閾值差值的判斷來驅動電器的吸合、斷開和重聯線；同時根據必須的邏輯互鎖，保護機車運行的安全性。

4.4通訊控制

SDA2型機車采用了CAN車輛總線，同時輔以Ethernet以及RS485、RS422網絡。VCU通過網絡管理命令配置各CAN總線設備；通過Ethernet發送監控命令并接受設置命令信息；運用RS485實現制動系統、燃油監控系統、語音報警系統的數據交互以及命令交互；RS422網絡則應用以傳輸機車控制命令以及監控參數給事件記錄系統。

4.5機車的保護功能實現

VCU監測系統繼電器狀態、開關狀態、溫度、壓力、速度、壓差、電壓、電流等信息，進行故障判斷、保護、顯示、記錄、警報功能；機車各子系統實現本系統的保護，并產生故障代碼，通過通訊發送給VCU，VCU對故障分類，對故障執行顯示、記錄、警報功能。

4.6時間同步和網絡備份

SDA2型機車的多控制器系統需要共享同一個時間，從而實現各系統的協調工作，VCU監測ER的時間信息，通過廣播方式發各子系統對時。

為提高TCMS系統的可靠新，機車實現了VCU熱備份，先上電的VCU為主處理器，從VCU同時偵測網絡數據，運算結果不輸出。VCU根據總線優先級，控制子設備，若VCU停止工作，從VCU接替主VCU工作。

5. 結語

軟件設計語言采用IEC61131-3中的5種語言以及C語言進行編制。采用雙VCU的TCMS系統能高效以及高可靠性實現機車的牽引力給定、邏輯判斷、通訊控制等功能。

參考文獻

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