SDA2型内燃机车TCMS系统设计
2013-05-14曹海华
曹海华
摘 要：本文探讨了如何依据SDA2型机车TCMS控制需求，按照EN50128的设计理念，构建机车总体控制拓扑，实现机车的牵引牵引力给定、辅助变流器及电机的控制、逻辑控制、通讯控制、机车的保护以及时间同步和网络备份功能。
关键词：内燃机车；TCMS系统；EN50128；IEC 61131-3；软件设计
引言
SDA2型内燃机车是基于中国南车集团戚墅堰机车有限公司与澳大利亚Pacific National公司签订的交流传动内燃机车的采购合同而设计的高效、节能窄轨机车。该机车采用国外先进内燃机车的总线控制策略，基于CAN（Control Area Network）总线，由VCU（Vehicle Control Unit）、BCU（Brake Control Unit）、TCU（Traction Control Unit）、ECU（Engine Control Unit）等主要设备协同实现机车牵引、电阻制动、电控制动以及低恒速等功能
1. TCMS软件全生命周期模型
根据EN50128的需求，为了保证SDA2型交流传动内燃机车软件开发的可靠性以及安全性，软件全生命周期模型选定为V模型，如图1.软件生命周期模型所示。通过逐级的验证，保证软件设计的可靠性，同时，通过软件维护管理计划提高软件的可维护性。
2. TCMS系统控制拓扑
SDA2型内燃机车TCMS系统由TCU、BCU、ECU、VCU等设备组成，各子设备协同完成机车的牵引功能、制动功能以及低恒速功能。具体拓扑图见2.SDA2型机车TCMS系统控制拓扑。
VCU是TCMS系统的主控制设备，负责管理控制其余子设备的工作，执行机车状态判断、通讯控制、功率控制、机车保护、逻辑判断等功能。
TCU实时监控牵引系统信息并发送给VCU，同时根据VCU的命令在变流系统中实现机车的牵引力、电阻制动力的发挥。
RIOM实时采样机车中的数字、模拟信号，同时根据VCU的命令，实时驱动继电器、接触器等终端设备。
ECU实时监控柴油机系统信息并发送给VCU，同时根据VCU的命令，实现柴油机的调速以及输出功率的发挥。
BCU 根据司机的制动指令，执行制动命令，同时将制动信息发送给VCU。
HMI是TCMS系统中的人机界面，检测司机的操作指令，同时将监控信息显示给司机
BC实时监测充电机以及蓄电池的信息并发送给VCU，同时实现对蓄电池的快速充电以及均衡充电的自动调节。
ER是机车中的黑匣子，每秒采样司机的操作信息以及机车的监控信息，存储在防撞防火存储器中。
FM实时监控燃油箱液位以及燃油量，并将信息转发到VCU。
AAP根据VCU命令，执行各类的语音报警命令。
3. TCMS系统软件设计
SDA2型机车TCMS系统软件主要载体为VCU，VCU根据各子系统的监控参数以及命令，实现以下任务：
（1）牵引功率以及牵引力给定
（2）辅助变流器及电机的控制
（3）逻辑控制
（4）通讯控制
（5）机车的保护功能实现
（6）时间同步和网络备份
机车各任务之间无优先级，顺序执行。
4. TCMS软件功能
4.1 牵引功率以及牵引力给定
牵引功率以及牵引力给定是机车TCMS系统中的核心任务，VCU根据机车工况开关、司机控制器信号、速度信号、柴油机负载信号等进行控制。具体的控制见图3. TCMS功率给定牵引力给定计算方式。VCU根据档位信息确定柴油机转速；同时VCU通过柴油机负载信号与最佳油耗曲线的标称值5V进行比较，利用电压值的偏差以及根据柴油机允许的最大功率、最大起动牵引力限制进行牵引力控制；最后由牵引电机、柴油机形成闭环，从而实现机车的最佳燃油消耗。
4.2辅助变流器及电机控制
SDA2型机车装有两台辅助变流器，分别工作在变压变频以及定压定频工况下。辅助变流器控制及电机控制任务根据牵引电机温度、柴油机系统冷却液温度来控制辅助变流器的频率，以及通风机电机的投入与切除；同时根据制动系统的用风需求以及电阻制动的冷却需求，控制电机的投入与切除。
4.3逻辑控制
逻辑控制任务主要是通过数字量的以及模拟量与阈值差值的判断来驱动电器的吸合、断开和重联线；同时根据必须的逻辑互锁，保护机车运行的安全性。
4.4通讯控制
SDA2型机车采用了CAN车辆总线，同时辅以Ethernet以及RS485、RS422网络。VCU通过网络管理命令配置各CAN总线设备；通过Ethernet发送监控命令并接受设置命令信息；运用RS485实现制动系统、燃油监控系统、语音报警系统的数据交互以及命令交互；RS422网络则应用以传输机车控制命令以及监控参数给事件记录系统。
4.5机车的保护功能实现
VCU监测系统继电器状态、开关状态、温度、压力、速度、压差、电压、电流等信息，进行故障判断、保护、显示、记录、警报功能；机车各子系统实现本系统的保护，并产生故障代码，通过通讯发送给VCU，VCU对故障分类，对故障执行显示、记录、警报功能。
4.6时间同步和网络备份
SDA2型机车的多控制器系统需要共享同一个时间，从而实现各系统的协调工作，VCU监测ER的时间信息，通过广播方式发各子系统对时。
为提高TCMS系统的可靠新，机车实现了VCU热备份，先上电的VCU为主处理器，从VCU同时侦测网络数据，运算结果不输出。VCU根据总线优先级，控制子设备，若VCU停止工作，从VCU接替主VCU工作。
5. 结语
软件设计语言采用IEC61131-3中的5种语言以及C语言进行编制。采用双VCU的TCMS系统能高效以及高可靠性实现机车的牵引力给定、逻辑判断、通讯控制等功能。
参考文献
[1] 戚墅堰机车车辆厂. 东风11型内燃机车电传动系统 1996， 8-9
[2] 马文俊. DF8B型内燃机车微机控制软件设计[J]. 机车电传动，2000，（1）： 15-16
[3] 杨德萍，孟玉发. SDA1 型交流传动内燃机车网络通信系统， 2012，（1） 21-23
