高速動車組真空集便系統集中控制器設計

劉厚文 胡易軒 左彥東

摘要

本文介紹了一種高速動車組真空集便系統中的一種集中控制裝置通過動車衛生間內如廁乘客的需求操作作為控制命令，實現對衛生間污物的沖洗、排放和收集的綜合控制。本文對動車組中轉式集便系統的組成和原理進行了概括，針對動車集便系統控制器的特點，詳細論述了控制器在硬件上的選型和設計原則;在軟件的設計上，以中轉式集便系統為平臺，除了保證系統基本的功能需求，程序內增加了故障自檢和系統狀態顯示功能，提高系統的可靠性和可維護性。

【關鍵詞】集便控制器 中轉式集便系統 故障自檢 可靠性

鐵路真空集便系統是保證乘車旅客旅行中方便如廁不可缺少的重要設備，系統的可靠性和可維護性不但能提高旅客如廁的舒適度，更能方便售后人員對設備的維護。集便系統總體包括供車上用水的凈水箱，車下污水收集的污物箱和衛生間內的蹲坐便器、沖水組件、真空發生組件等。而整個給水衛生系統的核心為集便系統控制器，它不但采集凈水箱、污物箱液位、加熱等狀態信號，同時檢測車上便器系統各個傳感器信號，驅動各電磁閥、指示燈和繼電器等部件的工作，實現給水衛生系統的控制。而動車組上的集便系統，除了滿足最基本的功能需求外，還要具有故障自診斷、數據監控等功能，具有更高的可靠性和可維護性。

本文以高速動車組上的中轉式真空集便系統為平臺，簡要概述中轉式真空集便系統的組成及工作原理，并根據系統的特點和需求，在硬件上，選用Stm32芯片為集便控制器的MCU控制核心，通過光耦、繼電器實現對輸入、輸出的干擾隔離，利用液晶屏實時系統狀態的監控;軟件上，實現系統的基本沖洗循環、中轉箱排空和防凍排空等功能，并針對故障的發生設置自診斷邏輯程序，系統的各個狀態通過mcu與液晶屏的數據傳輸，以最直觀的方式展現給用戶。

1 系統組成及原理

1.1 系統參數

供電電源：110VDC+30%

電源功率：150W

控制電源：24VDC

系統風壓：600～62OkPa

真空度：約-35kpa

沖水量：≤0.5L/次

沖洗循環流程：≤15S

1.2 系統組成及原理

中轉式真空集便系統組成及原理如圖1所示，該系統主要包含凈水箱，坐便器組成、蹲便器組成、沖水組件組成、中間箱組成、真空發生裝置、DTC控制單元和污物箱。其中：

凈水箱：用于提供系統水源;

坐便器組成：坐式便器，用于糞便的直接收集，直接面向用戶的裝置;

蹲便器組成：蹲式便器，用于糞便的直接收集，直接面向用戶的裝置;

沖水組件組成：主要包括盛水的罐式容器，通過向其中加正壓實現便器內糞便的沖洗

中間箱組成：污物的中間收集裝置，通過真空將便盆內的污物進行收集，再利用正壓排空其內的糞便至污物箱;

真空發生裝置：通過該裝置使中間箱內產生真空，收集便盆內的污物;

DTC控制單元：即集便系統的集中控制裝置，系統的核心部件，用于系統中各個傳感器信號和外部指令的采集，通過內部程序的邏輯控制，實現外部驅動各部件動作的執行;

污物箱：車上污物的最終儲存設備，中間箱排放污物至其中。

首先，按壓坐便器或者蹲便器的沖洗按鈕，系統將觸發沖洗循環動作。以坐便器為例，按壓坐便器沖洗按鈕后，坐便器的沖洗閥打開，完成對水增壓罐的內部加壓，水罐內的水在壓縮空氣的作用下進入坐便器便盆，實現對便盆內污物的沖洗;同時中間箱出口閥、坐便器排泄閥、蹲便器排泄閥關閉，中間箱入口閥打開，真空發生器工作，使中間箱內部形成真空，當真空度達到設定工作值（約-35kPa）時，坐便器的排泄閥打開，便盆內的污物在真空的作用下被吸入到中間箱中，對水增壓罐再次加壓，完成便器的二次沖洗;最后，水箱會自動給水增壓罐上水，以備下一次的使用，至此，坐便器的沖洗循環流程結束。蹲便器的沖洗循環動作與坐便器的沖洗循環動作一致。

隨著坐便器或蹲便器的多次使用，中間箱內的污物會越來越多，當中間箱內的污物達到一定液位時，系統會執行中間箱排空動作。首先，中間箱的入口閥、出口閥和管夾閥關閉，先對中間箱內加正壓，當中間箱內的正壓達到一定壓力時，中間箱的出口閥打開，此時，污物在正壓的作用下被壓入到污物箱中，最后，入口閥和管夾閥再次，中間箱和污物箱又恢復到常壓狀態，系統待機，等待使用。

集中控制器作為系統的核心部件，負責便器的沖洗循環和中間箱的加壓排空等的各個動作，因此，控制器的可靠性對整個集便系統而言十分的重要。

2 控制器硬件設計

該控制器的硬件電路主要分為：主控最小系統、輸入接口、輸出接口、通訊接口、TCMS接口和本地監控液晶屏部分。

動車組列車上供集便系統的電源為110VDC，而集便系統的檢測部件和驅動電磁閥等部件所需的控制電壓為24VDC，因此，在控制器的設計中，由于系統驅動電磁閥數量較多，因此選用功率150W，110VDC轉24VDC變壓電源，且該電源除了滿足穩定的24VDC輸出外，外部供電110VDC在±30%的上下波動范圍內，不能夠影響24V的穩定輸出，即電源要求有較好的耐電壓波動能力。

電源模塊輸出的電壓不能直接供給STM32控制芯片，所以在輸出的24VDC后需要將其再進行降壓、濾波的處理，最后獲得穩定的3.3VDC用于mcu的供電。選用的液晶屏及其驅動的供電電壓為24V，通過電源模塊變出的24VDC可直接驅動液晶屏。在輸入檢測電路中，為避免主回路中的強電干擾控制回路中的弱電信號，在其電路中加入光耦隔離，實現電一光一電的轉化，減少外界對系統的干擾，提高單片機對輸入信號的可靠采集。輸出的驅動電路采用三極管驅動繼電器的方式實現對外設電磁閥的控制。硬件的接口框圖，如圖2所示。

2.1 MCU最小系統

本控制器采用STM32F103ZET6芯片為MCU，由于該控制芯片內的配置強大，包括64KB SRAM、512KB FLASH、5個串口、1個CAN等豐富資源，其112個通用10口是本文選擇該芯片的關鍵，由于集便系統的控制輸入和輸出較多，不但需要采集各個開關、液位等傳感器輸入信號，還要控制各個電磁閥、指示燈和繼電器等驅動元件的動作，而本文選擇的STM32F103ZET6芯片充分滿足系統多輸入多輸出的需求。

mcu的最小系統是實現系統程序運行的最小配置，至少包括電源供電，晶振驅動，復位電路這幾部分。根據系統的多輸入、多輸出及通訊需求，設置32路DI，32路DO，程序下載口，通訊口等。外界輸入信號通過輸入檢測電路傳輸到MCU的DI口，MCU內部通過對輸入信號的識別和處理，將輸出信號通過DO口傳送到輸出電路。MCU最小系統如圖3所示。

2.2 輸入電路

輸入10采用TLP2804光耦芯片，通過光電隔離，消除外界輸入的干擾，一塊TLP2804光耦包括四路輸入和四路輸出，根據本系統需求，使用8塊該芯片，其中接入控制器的輸入信號包括凈水箱液位、污物箱液位、沖洗按鈕、壓力開關、真空開關等，輸出傳感器均以OV為公共端，當有液位或開關閉合，公共端的OV信號通過輸入電路的IO口經過光耦隔離后，將信號傳送到MCU的DI端。由于光耦在6mA的電流時就能夠觸發其動作，同時控制輸入電壓為24VDC，因此在光耦的輸入端選擇4.3k左右的電阻，用于驅動光耦信號傳輸到MCU中，輸入檢測電路如圖4所示。

2.3 輸出電路

系統輸出為繼電器輸出，系統輸出采用NPN三極管驅動BF46繼電器，為減少線圈斷電所產生的反向感應電壓的影響，在繼電器線圈處加入BAV70二極管用作續流，系統包括32路繼電器驅動電路。MCU處理后的數據通過DO口輸出，通過三極管的放大，驅動繼電器的線圈，使觸點開啟或關閉，繼電器觸點的公共端為OVDC，即有效輸出信號為0V，當各個輸出部件公共端接入24V高電平時，通過有效輸出信號來驅動排泄電磁閥、沖洗電磁閥、加壓電磁閥、上水電磁閥、指示燈等元器件的工作和停止，同時從32路繼電器中取出八個干觸點，作為TCMS的開關量輸出信號。外設驅動輸出電路如圖5所示。

2.4 其它電路

除上述控制MCU的選擇和輸入、輸出電路外，其它的變壓、濾波和通訊等電路均為常規的電路設計。串口選擇MAX3232芯片作為通訊，變壓芯片選用VRB2405YMD-10WR3和ASM1117。在液晶屏的選擇上，具有至少640X480的分辨率和數據存儲功能，通過Modbus通訊協議完成MCU與液晶屏驅動控制器的數據傳輸，實現液晶屏實時顯示的效果。

3 系統軟件設計

系統的程序主要完成集便系統的控制，當系統外界條件滿足，即風壓、水源充足時，系統上電后，控制器便執行內部程序。

根據系統的組成和工作原理，系統軟件對各部件的合理控制能夠提高系統的工作效率，且系統提供到各部件的風壓不同，在軟件的設計上，一些參數的設置也不同。系統的風壓會影響到噴射器的抽真空和中間箱加壓的效率，水罐風壓的大小影響到便盆內污物的沖洗效果和沖水量的大小。風壓越高，便盆的沖洗效果越好，系統抽真空和加壓的時間也就越短，但是，部件的使用壽命也會受到影響，而且，高風壓會導致沖水量增多，造成有限水源的浪費。根據系統沖水量和外界風壓的要求，系統沖水電磁閥一次和二次打開的時間總和小于1.5s，在系統最大620kPa的風壓下，沖水閥打開1.5s時，出水量小于0.5L;軟件在各個部件的連續控制上，驅動部件動作的延遲時間不大于2s，使各部件的動作銜接緊湊，從而減小沖洗循環的時間，保證巧s以內能夠完成一次沖洗循環流程。

在程序的設計上，主要包括初始化程序，主程序和子程序。

3.1 初始化程序

當系統上電或復位后，執行初始化程序，即將系統內各個變量狀態清零。

3.2 主程序

初始化程序完成后，系統開始執行主程序，主程序中，通過對沖洗按鈕信號，中間箱液位信號、污物箱、凈水箱液位等信號的檢測，來調用相應的子程序。

3.3 子程序

子程包括坐便器沖洗循環流程、蹲便器沖洗循環流程、中間箱加壓排空流程、系統狀態檢測及顯示流程、故障自檢及顯示流程、防凍排空流程。

坐便器沖洗循環流程：通過按壓坐便沖洗按鈕后觸發。當MCU檢測到坐便沖洗按鈕信號觸發，且其他流程不在執行或等待其他流程執行完成后時，程序會控制沖水閥、噴射器、排泄閥等的動作，完成坐便器沖洗循環流程。

蹲便器沖洗循環流程：通過按壓蹲便沖洗按鈕后觸發。當MCU檢測到蹲便沖洗按鈕信號觸發，且其他流程不在執行或等待其他流程執行完成后時，程序會控制沖水閥、噴射器、排泄閥等的動作，完成蹲便器沖洗循環流程。

中間箱加壓排空流程：通過中間箱液位信號觸發或坐便器和蹲便器累計排空六次后觸發。當MCU檢測到觸發信號后，且其他流程不在執行或等待其他流程執行完成后，程序會控制入口閥、出口閥、管夾閥等的動作，完成中間箱加壓排空流程。當中間箱液位失靈時，便器累計排空六次后觸發中間箱排空流程依然使系統能夠正常工作，從而可以提高系統的可靠性。

狀態檢測及顯示流程：系統時刻對凈水箱和污物箱的液位信號，系統風壓，中間箱壓力進行檢測，并通過液晶屏以代碼和代碼描述的方式將狀態信息反饋給用戶。對于凈水箱空、污物箱滿、系統風壓不足或中間箱壓力過高等影響系統正常工作的信號被檢測到時，程序控制系統禁止使用。

故障自檢及顯示流程：當程序執行到主程序后，會時刻檢測系統的各部件功能是否正常，在執行完便器沖洗循環或中間箱加壓排空流程后，程序會對執行動作過程中的各個部件進行檢測，若檢測到異常信號出現，則程序內部認為可能有故障，之后系統會進行故障自檢程序，自檢程序執行后若故障未消除，則停止系統工作，發送故障代碼到液晶屏顯示，由液晶屏顯示故障原因。若自檢后故障消除，則認為該故障沒有發生，比如管路堵塞或排泄閥卡滯導致的臨時性可消除故障，通過故障自檢排查，故障自行消失后，程序判斷沒有故障發生，系統仍可繼續使用。

防凍排空流程：當防凍排空信號觸發時，系統程序使坐便沖洗循環流程和蹲便沖洗循環流程交替執行三次，之后中間箱加壓排空流程再執行三次。

3.4 程序優先級

如圖6所示，由于主程序包含多個子程序部分，其中坐便器沖洗循環流程、蹲便器沖洗循環流程、中間箱加壓排空流程不能同時執行，因此，當這三個流程的觸發條件同時具備時，按照以下的順序執行，并且當某一流程正在執行時，其他流程處于等待狀態，當正在執行的流程完成后，下一個流程開始執行。

（1）中間箱加壓排空;

（2）蹲便器沖洗循環;

（3）坐便器沖洗循環。

4 結語

本文闡述了高速動車組中轉式真空集便系統的組成結構及工作原理，針對系統的特點選擇STM32單片機芯片作為系統控制器的核心，利用芯片的功能及外圍輸入、輸出電路，通過內部程序的運算和邏輯處理，完成對系統各信息的采集和控制部件的驅動，實現動車組集便系統的基本功能需求;內部的自檢程序更加提高了集便系統的可靠性;液晶屏顯示系統的狀態和各個故障信息提高了系統的可維護性。

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