基于ARM9的轨道油气润滑系统控制器设计

蔡胜年, 李 鑫, 庞宝麟, 徐承韬

(沈阳化工大学 信息工程学院， 辽宁 沈阳 110142)

基于ARM9的轨道油气润滑系统控制器设计

蔡胜年, 李 鑫, 庞宝麟, 徐承韬

(沈阳化工大学 信息工程学院， 辽宁 沈阳 110142)

以三星公司生产的S3C2410作为控制系统核心，设计有轨机车轮缘油气润滑控制系统，介绍控制系统的主要功能和系统结构.根据有轨机车轮缘油气润滑系统的控制要求，完成系统的硬件设计和软件设计.通过实验验证控制系统的实用性.对影响油气润滑效果及润滑油消耗量等重要参数进行专项实验,实验结果对完善油气润滑控制系统的性能和进一步提高系统的实用性具有重要参考价值.

S3C2410芯片； 机车轮缘； 油气润滑

机车轮缘与轨道之间如果处于干摩擦状态，每年消耗的车轮与轨道是天文数字,并且给检修人员增加了巨大的工作量，同时还增加了检修费用和影响机车正常运行.为此很多公司致力于轮缘润滑系统的开发并取得了卓越成果，其中德国REBS的油气润滑系统尤为突出.

油气润滑方式与其它润滑方式比较有诸多优点[1]:

(1) 润滑效能高,能大幅度提高传动件的寿命；(2) 润滑油消耗量低；(3) 适用于恶劣工况；(4) 大幅度降低润滑设备的运行费用和维护费用；(5) 对油品黏度的适应性好,油量计量准确；(6) 对环境污染小.

德国REBS轮缘油气润滑系统经过在多个国家的应用实践证明:油气润滑方法能大幅度降低机车的运行费用，大幅度减少车轮轮缘磨损，使其使用寿命能延长2到3倍.国内油气润滑系统的应用远落后于国外，而且由于进口设备投资较大，也限制其在国内的应用.目前国内有些企业在致力于国产油气润滑系统的研发，但主要零部件依赖进口，成本较高.因此，开发研制基于国产材料及部件的油气混合系统，对推广使用油气润滑系统有着重要意义.本系统采用ARM嵌入式系统的S3C2410控制芯片，结合外部中断、定时器和LCD技术，设计并制作了用于轨道油气润滑系统的控制系统，通过硬件与软件之间的配合，实现了对液位、压力、电压、电流检测和油气混合的精确控制.

1 油气润滑系统总体设计

系统采用了与德国REBS不同的、具有自主知识产权的流路结构，省去了价格昂贵的供油泵，系统中的关键零部件、混合器及分配器均基于国产材料自主设计.油气润滑系统总体框图如图1所示，系统主要包括油气混合部分和控制器部分.系统的主要控制目标是实现：(1) 机车平均行驶1 000 km 耗油量500 mL；(2) 在系统中,控油电磁阀和喷嘴之间的管路中，油气混合比例控制在润滑油10 %压缩空气90 %的范围内；(3) 油膜层的厚度小于0.001 mm,其宽度为10～15 mm.因此,要实现上述控制目标,就要合理地控制润滑油与空气之间的压力及流量的比例关系，实现油气的最佳配合，在最低油耗的条件下保证提供合适的油膜.

图1 油气润滑系统总体框图

1.1 油气混合部分

图1中空压机产生带有一定压力的压缩空气，经油、气压力调节阀实现油、气压力的最佳配合关系，再通过控制2个开关电磁阀的导通、关断时间实现油、气润滑的最佳比例控制效果，这样的比例控制可以使压缩空气在喷射过程中能够对润滑剂产生作用并使之形成精细油膜层[2].油与气在混合器中进行混合后，经分配器进行点对点分配，使两个喷嘴得到相同的油量与气量并喷射到润滑点，获得相同的润滑效果.

1.2 控制器部分

由于系统对油、气的控制均采用开环控制的方式，因此，要实现对油、气的最佳比例控制就要分别控制润滑油的流量和压缩空气的流量.系统采用的控制方法主要有：(1) 时间控制；(2) 距离控制；(3) 弯道控制.除了对油、气比例控制之外，系统中还设有预喷控制和监视保护控制等控制功能.

(1) 时间控制：时间控制可以设定驱动电磁阀工作的PWM电压的工作周期，通过设定不同的占空比，满足不同的润滑需求.

(2) 距离控制：距离控制是当接收到距离传感器在达到设定距离时发出的动作信号后，喷射一定的润滑油，满足润滑需求.

(3) 弯道控制：弯道控制是系统在运行中进入弯道后，接收到弯道传感器发出的信号后，喷射出满足弯道运行的润滑油.

(4) 预喷控制：系统在通电后，进入工作模式之前进行预喷射，使油路中充满润滑油，为正式喷射做好准备.

(5) 监视保护控制：如果系统出现故障，无法完成正常的润滑功能，设备得不到良好的润滑，严重时甚至可能造成设备的毁坏，因此,为油气润滑系统设计了监视保护功能.分别对空压机、油路压力和气路压力进行监控，压力监控点如图1所示，出现故障时停机并报警.其次，油箱安有一个检测油位下限的传感器，当液位过低时，传感器发出信号，系统停止运行并报警，提醒工作人员即时补油.同时，系统对电源电压和空压机电流进行检测，超出正常范围时停机并报警.油、气混合试验系统中还设有润滑油流量传感器和空气流量传感器，以测取油、气混合系统的最佳控制参数和润滑油的消耗量.

2 控制系统硬件设计

控制系统主电路图如图2所示.系统硬件电路结构如图3所示.控制系统硬件电路分为4个模块，分别为核心控制模块，驱动模块，检测模块，显示模块.图2中空压机由交流接触器控制其开通与关断，当系统出现故障时，由控制器通过中间继电器可以控制空压机关断.图3中传感器、按键及相关接口为输入设备，电磁阀、蜂鸣器及LCD为输出设备，存储系统包括NAND FLASH和RAM.

图2 控制系统主电路图

图3 控制系统硬件电路结构

2.1 核心控制模块

由于8位的A/D转换器不能满足精度要求，系统采用的是10位的A/D转换器，并且系统监视保护功能中用的外部中断功能比较多，因此，核心控制器采用三星公司的S3C2410.S3C2410是一款基于ARM920T内核的16/32位RISC处理器，采用五级流水线结构，主频可达 203 MHz[3].为了降低系统总体成本和减少外围器件，芯片中还集成了下列部件：LCD控制器、NAND FLASH控制器、通用I/O口、8通道10位ADC等[4].

SDRAM是“同步动态随机存储器”，采用两片SAMSUNG公司生产的K4S561632，每片容量32 M.NAND FLASH根据容量和性价比选择了SAMSUNG公司生产的K9F1208[5].

2.2 驱动模块

系统控制对象主要是驱动一个油用开关电磁阀和一个气用开关电磁阀.2个电磁阀工作电压都为24 V DC.系统对电磁阀驱动电压进行PWM控制.高电平时电磁阀得电开通，低电平时电磁阀失电关断.结合定时器对电磁阀开通与关断时间即占空比和开通与关断的先后顺序进行精准控制，完成油、气混合的比例控制，以喷出符合要求的油膜，达到理想的润滑效果.

2.3 检测模块

检测部分是对系统工作状况的检测，包括故障检测、工作模式检测和流量检测.压力传感器检测空压机、油路和气路压力，超出正常工作压力范围时发出开关信号；液位传感器检测其液位高度，液位低于下限值，发出开关信号.控制系统通过弯道、距离传感器和按键选择其工作模式，弯道、距离传感器信号为开关信号，以上信号全部连接到外部中断接口.

油、气流量的检测利用了A/D转换模块，把流量传感器输出的电压模拟信号转换成流量信号.过流和过压模拟信号也连接到A/D转换模块，并设定正常工作范围，保证系统在正常电流和电压下工作.

2.4 显示模块

显示器采用的是型号为TQ-7LCD的TFT-LCD，能实现显示文字和方块功能.显示各部分工作状况、工作模式、2个流路的流量.系统显示界面设计为：系统运行过程中，出问题部位相应文字后面显示红色方块，正常部位显示绿色方块.进入工作模式后，相应的工作模式后面显示绿色方块，其余工作模式后面显示白色方块.系统在油路压力为0.6 MPa、气路压力0.65 MPa，并且系统在时间控制下正常运行时显示界面如图4所示.

图4 时间控制显示界面

3 软件设计

控制系统的软件设计主要包括主程序和中断程序，主程序框图如图5所示.主程序首先是完成初始化，以确保硬件功能正常工作，然后点亮TFT屏，进入显示界面.打开外部中断，检测电源电压和空压机电流是否正常，电压、电流正常后等待系统各部分压力达到正常范围.如果在规定时间内系统各部分压力达不到正常范围，则停机、报警.在系统各部分压力达到正常范围后，检测液位是否正常，如果液位过低则停机、报警.如果液位正常则进行预喷射，使油路中充满润滑油.然后通过按键选择工作模式.当选择时间工作模式时，系统每隔一段时间喷射一次，如果进入弯道，则按弯道控制要求对润滑油的需求量进行喷射.出了弯道后又回到先前的工作状态.如果按下停车键则系统停止工作.所有工作模式期间仍对系统中各部分压力、液位、过压和过流进行检测.同理，距离喷射模式也是如此.

4 实验结果

根据图3、图5所示的控制系统硬件电路结构图及主程序框图，实现了油气润滑系统.并在实验室对系统的基本性能进行了测试.

对油、气润滑系统进行了油、气流量与油、气压力的关系实验.实验中保持油、气2个电磁阀开通与关断时间不变，即控制占空比不变，其中油用电磁阀供油运行时间为2 s，间歇时间为18 s，而气用电磁阀比油用电磁阀早开通0.01 s、晚关断0.01 s，目的是更好地把混合流路的润滑油全部喷射到润滑点.把油路压力固定后，调节气路压力.油、气压力与油、气消耗量的测试结果如表1所示.

实验中分别取油路压力为0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa、0.6 MPa，分别在这些压力下改变气路压力，测量油路流量与气路流量.由表1可以看出：当油路压力固定时，随着气路压力增大，油路流量越小，气路流量越大.因此，可以选取适当的流量比，确定油路与气路压力.

图5 主程序框图

油路压力/MPa气路压力/MPa油路流量/(mL·s-1)气路流量/(L·min-1)0．20．150．6300．20．5350．22330．30．251．5380．30．5460．313400．40．355480．41580．450．5700．412520．50．454620．51720．551820．50．3600．60．550．3650．60．19710．650．1572

假设机车时速为100 km/h,按照控制目标中要求，轨道油耗量为50 mL/h.当油路压力为0.6 MPa，气路压力为0.65 MPa时，润滑油喷出量为54 mL/h.油箱如果为5 L，能连续喷射92.6 h，达到了控制要求.

实验中对时间控制功能进行了确认，在油路压力为0.6 MPa，气路压力为0.6 MPa，并且喷射距离为12 cm时，喷出的油膜直径为13 mm，达到了系统要求.

5 结束语

系统的初期实验结果表明：该控制系统可以满足轨道油气润滑系统的技术要求，同时证明了采用以电磁阀为核心器件构成的供油系统可以完全替代以价格昂贵的供油泵构成的供油系统.更进一步的油膜厚度实验，以及监视保护功能、故障诊断功能等相关实验正在进行中，控制系统性能完善后，将完成现场实验及耐久性能实验.

[1] 杨和中,刘厚飞.TURBOLUB油气润滑技术(五)[J].润滑与密封,2003,28(5):91-95.

[2] 杨和中,刘厚飞.TURBOLUB油气润滑技术(八)[J].润滑与密封,2004,29(2):91-93.

[3] 刘永林,程耀瑜,梁莹，等.基于ARM的图像采集系统的硬件设计与实现[J].电子测试，2011,35(6):12-15.

[4] 侯殿有,才华.ARM嵌入式C编程标准教程[M].北京:人民邮电出版社,2010:156-160.

[5] 李艳丽,李哲,赵娟.基于S3C2410处理器的火灾报警控制器设计[J].科技创新导报,2009(23):45-46.

Oil-gas Lubrication System Controller Design for Rail Based on ARM9

CAI Sheng-nian, LI Xin, PANG Bao-lin, XU Cheng-tao

(Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142, China)

In this paper,the S3C2410 chip produced by Samsung company was used as a core of the control system to design the trolley locomotive wheel rim lubrication system of oil and gas,and the main functions and architecture of the system were introduced.Hardware design and software design were given by the control requests of the trolley locomotive wheel rim lubrication system of oil and gas.And the practicability of control system was verified by the experiment.Special experiment was carried out for important parameters influencing oil-gas lubrication effect and lubricating oil consumption.The experimental results had an important reference value for improving the performance of the oil and gas lubrication control system and further increasing the practicality of system.

S3C2410 chip； locomotive wheel rim； lubricating oil and gas

2013-10-29

蔡胜年(1957-)，男，江西乐平人，教授，博士，主要从事电磁技术应用的研究.

2095-2198(2015)02-0172-06

10.3969/j.issn.2095-2198.2015.02.017

TP271

A