（动力机械及工程专业论文）gk0机车微机控制系统研究.pdf

rl 口幻t s 华中科技大学硕士学位论文 内容摘要 本文在进行了广泛的文献研究之后，对国内外内燃机车的发展概况及其控制 技术的现状进行了详尽分析，并对包钢运输部使用的g k 0 型机车作了简要介绍。 根据现代微计算机控制技术的发展并结合单位生产的实际情况，在对g k 0 型机车 继电控制系统进行了详尽的分析和研究之后，提出了一种使用单片机对原有的继 电控制系统进行改造的方案，并进行了具体设计。给出了相应的硬件配置、控制 流程图和软件设计。 在新设计的单片机控制系统中，使用a t 8 9 c 5 2 单片机及相应扩展芯片组成了 新的内燃机车逻辑控制系统，取代了传统的由继电器控制电路实现的逻辑控制方 式。 f 在完全实现了原机车控制电路所具有的各种控制功能后，对p i d 控制理论作 了简要介绍，并以该理论为基础，增加了原机车没有的机车恒速控制和柴油机恒 转速控制功能。1 为了确保设计的正确性，在系统正式投入使用前，必须加以验证。考虑到系 统的复杂性，本文对影响系统功能较大的速度控制部分和全部由开关量组成的打 风控制部分进行了模拟试验。实验结果验证了系统设计的可行性。 在设计研究过程中，为设计的方便，完成g k 0 型机车电气零件库的设计。绘 制了改造后的机车控制系统电路图及单片机主控系统组成图。同时单片机控制器 系统的硬件、软件设计在本文作了详尽介绍，并对将来的进一步改造进行了说明。 关键词：单片机内燃机车p i d 控制 ll v ) ( 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t b y t h ev a s tr e s e a r c ha b o u tt h e d e v e l o p m e n ta n dc o n t r o lt e c h n o l o g yo fd i e s e l l o c o m o t i v ei nd o m e s t i ca n do v e r s e a s ，af u l la n dc l e a ra n a l y s i si sd o n e ab r i e fo fg k 0 d i e s e ll o c o m o t i v eu s e di nt h et r a n s p o r td e p a r t m e n to fb a o t o ui r o n & s t e e lc o m p a n y i sg i v e n a c c o r d i n gt ot h em o d e mm i c r o p r o c e s s o r d e v e l o p m e n t c o m b i n e d w i t l lt h ef a c t i nf a c t o r y ，an e ws c h e m ei sb r o u g h tf o r w a r dt h a tu s e ss i n g l e - c h i pm c u r e p l a c et h eo l d r e l a y - c o n t r o l - s y s t e m o f t h eg k 0d i e s e ll o c o m o t i v e ac o n c r e t e l y p r o j e c ti sp r o p o s e d n e h a r d w a r e - c o n f i g u r e 、c o n t r o l f l o w - c h a r ta n ds o f t w a r ed e s i g na r c ：s h o w n i nt h en e w p l a n , t h en e w l o c o m o t i v el o g i cc o n t r o ls y s t e mc o m p o s e do fa t 8 9 c 5 2 & e x t e n d c h i p sr e p l a c e s t h eo l dc o n t r o lw a y st h a tu s e s r e l a y s a f t e ri m p l e m e n t e da l lf u n c t i o n so ft h eo l dc o n t r o lc i r c u i lt h ep i dp r i n c i p l ei s c l a r i f i e d t w of u n c t i o n sa b o u tl o c o m o t i v ec o n s t a n t s p e e dc o n t r o la n dd i e s e lc o n s t a n t r o t a t e s p e e dr u n n i n g a r ca d d e dt ot h i so n e as i m u l a t i v et e s ti sd o n ei no r d e rt ov a l i d a t et h ed e s i g n sc o r r e c t n e s s b e c a u s et h e s y s t e mi sc o m p l e x ，t h et e s tj u s t i n c l u d e sc o n s t a n t - s p e e dc o n t r o la n da i r - c o m p r e s s o r c o n t r 0 1 1 1 1 ed e s i g n sf e a s i b i l i t yi sb ec o n f i r m e db yt h et e s t d u r i n gt h ep r o c e s so fd e s i g n , an e w e l e c t r i c p a r t sl i b r a r yi sp r o g r a m m e d 弧e l o c o m o t i v ec i r c u i td i a g r a ma n dm c uc o n t r o lc i r c u i td i a g r a mh a v eb e e np l o t t e d a tt h e s a m et i m e h a r d w a r e - d i s p o s i n ga n d c o n t r o lf l o wc h a r ta r ed i s p l a y e da tl a r g e a tl a s tt h e f u r t h e ra l t e r a t i o ni nt h ef u t u r ei si l l u s t r a t e d k e y w o r d s = m c u l o c o m o t i v ep i dc o n t r o l j l 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 微处理器的问世及其所带来的新技术革命，推动人类社会进入了信息社会。并 随计算机芯片技术的发展，及相应开发手段的出现和发展，使其在科学研究、工业 生产控制过程等领域中得到普及和应用，并发挥着越来越重要的作用【1 1 。 在包钢钢铁生产能力奔双“四百万吨”的过程中，运输能力成为生产发展的“ 瓶颈”。原有的蒸汽机车牵引能力已不能满足重载运输的需求，限制了生产能力的 进一步提高。为此，公司集中一部分资金购进了铁道部青岛四方机车车辆厂生产的 g k 0 型工矿企业用液力传动调车内燃机车。缓解了运输能力紧张的局面，提高了运 输部的运输保产能力。随后又陆续购进了几批其它型号的内燃机车，彻底解决了牵 引能力不足的问题。 目前，包钢运输部已有六种型号三十余台内燃机车。在使用与维护这些机车的 过程中，我们发现，装备有p l c 的g k l 型内燃机车( 由资阳内燃机车厂制造) ， 其电气控制系统故障率明显低于g k 0 机车，并且具有检修方便、维护简单等特点【2 1 。 鉴于以上优点，我们提出了对当时保有量最多的g k 0 型机车进行改造，但因资金 和技术水平的限制，该项革新计划没有完成。来到华中理工大学之后，通过认真学 习本专业基础知识，再查阅了大量的文献资料后，又一次提出了该项改造计划，并 得到了导师高世伦教授的支持。本文对该改造计划进行了详细介绍。 1 1 铁路牵引动力的发展及现状 1 8 2 5 年9 月27 日，以英国人斯蒂芬森亲自驾驶他自己设计制造的“动力1 号” 蒸汽机车试验成功为标志，代表人类铁路运输史的正式开始。铁路运输以一种全新 的运输方式出现在世界上，极大地促进了货物的交流和人际来往，从而快速地促进 了社会的进步和生产力的发展，加快了工业化的进程，这是铁路运输作出的巨大贡 献。铁路作为交通运输的主力，在长途大宗货物运输上至今它仍是主角。作为铁路 运输主体之一的机车也经历了蒸汽机车、内燃机车、电力机车的变革。其中，内燃 机车与其它两种机车相比较而言具有更大的优势和灵活性，在工矿企业中得到了广 泛应用。内燃机车的设计思想萌发于1 9 世纪末和2 0 世纪初，到2 0 世纪2 0 年代实 用产品问世，5 0 年代以来得到迅速发展。内燃牵引在2 0 世纪对世界铁路运输做出 华中科技大学硕士学位论文 了巨大的贡献，其贡献可归纳为两个方面：第一，内燃机车数量的不断增加，促进 了世界铁路牵引动力的现代化1 3 l 。据资料分析，5 0 年代初世界铁路内燃机车的保有 量约2 万余台，占各型机车总保有量的n 4 ；当时蒸汽机车的数量多达1 6 万余 台，占各型机车总保有量的8 4 2 。目前世界铁路内燃机车的数量接近l o 万台， 占各型机车总保有量的6 5 5 ，内燃机车几乎分布在所有铁路运营的国家或地区， 而蒸汽机车目前的数量已下降到几千台，只占各型机车总保有量的3 7 。我国内 燃机车的设计制造始于1 9 5 8 年，到8 0 年代中期达到约3 5 0 0 台。1 9 9 8 年，我国铁 路运用内燃机车数量突破1 万台，占各型机车总保有量的6 5 9 。同年内燃牵引里 程占全国铁路营业里程的5 9 ；内燃机车完成的工作量按总吨公里数计算，占各型 机车完成总工作量的6 8 。在1 9 9 8 年，我国铁路运用的蒸汽机车约2 0 0 0 台，完成 的以总吨公里数计算的工作量占各型机车完成总工作量的3 2 ，我国铁路牵引动 力已基本实现了现代化；第二，内燃机车性能的不断改进，极大地提高了铁路运输 能力。可以说内燃机车的出现与发展是2 0 世纪世界铁路牵引动力的一件大事。 内燃牵引与蒸汽牵引相比，主要优点是牵引力大、提速快、效率高等优点：与 电力牵引相比，主要优点是一次性投资小、机动性强等。随着内燃牵引技术的不断 进步，它的各项优势得到了更加充分的发挥。 1 2 内燃机车原理及分类简介 内燃机车即以内燃机作为牵引动力源的机车，按用途分可分为货运机车、客运 机车、动车组，按传动方式可分为内燃电传动机车和内燃液力传动机车。内燃电传 动机车工作原理为由内燃机带动发电机发电，再经过整流或变流装置，驱动牵引电 机及其附属装置改变轮对的转速和旋转方向，达到牵引列车的目的。液力传动机车 完成这一功能是由内燃机直接驱动万向轴，带动液力传动箱中的主动轴，再通过液 力传动箱中的换向装置和变矩器，使输出万向轴的转矩和旋转方向发生变化来完成 这功能的。尽管各种型号的内燃机车在外观结构和参数不尽相同，就其控制系统 而言，均可分为运行控制部分、起动及发电部分、打风控制部分、照明部分、仪表 显示及报警部分。运行部分负责控制机车运行速度的大小、方向转换、冷却装置的 动作等功能。起动及发电部分主要完成内燃机的启动、停止的执行及发电电压高低、 电流大小控制，此外不同型号的机车在此部分可能还有一些其它装置的控制。打风 控制部分控制风泵的起、停，保证在机车运行期间始终都有足够的压缩空气供给机 车使用，满足机车制动、操纵的需要。照明部分负责完成夜间行驶照明、灯光信号 2 华中科技大学硕士学位论文 显示、司机室及机器间照明等功能。仪表显示及报警部分负责将各个传感器检测到 的有关参输入速度、转速、压力、温度等显示出来供司机参考以及时调整机车的运 行数据，保证机车的正常运行。 1 3 我国工矿企业调车机车的现状及发展 工矿企业自营铁路的主要标志是自备机车，自管运输。纵观我国工矿调车机车 市场。主要集中在冶金、石化、矿山、港口、电力、森林及地方铁路等。长期以来， 由于我国铁路机车制造行业未能及时向工矿企业提供适应其运输特点的机车，工矿 企业铁路大多使用蒸汽机车，统计显示，全国工矿企业共有机车2 5 0 0 台左右，其 中蒸汽机车约1 5 0 0 多台，其余为国产工矿调车机车和部分进口小型工矿调车，以 上这些数据说明工矿企业铁路内燃化进程大大滞后于铁路行业的水平。这种运输设 备同迅速发展的国民经济及工矿企业自身发展不相适应的状况，极大地阻碍了工矿 企业生产力的进一步发展和生产率的更大提高。 据有关资料报道，目前我国工矿铁路里程约为2 万多公里，具体年运量数据不 详。但从包钢的年运量即达四千万吨的情况来看，工矿铁路的年运量是相当可观的， 且随着国民经济的快速发展和工矿企业生产技术水平的发展，运量还在逐年提高。 我国铁路部门要在十年内实现内燃电传动机车交流化，同时在机车生产方面，1 9 8 9 年我国就已宣布，停止生产蒸汽机车。随着我国铁路机车制造部门停止蒸汽机车的 生产，铁路机务部门也在逐步停止它的使用，迫使工矿企业自营铁路必须进行牵引 动力改革，迫切需要采用牵引性能好、能耗低，运用、维护、操作件优越的内燃机 车代替蒸汽机车，以满足铁路运输安全、正点、高效和扩大运能的要求。 工矿企业对内燃机车的要求因运行环境、运输方式、线路及维修运用条件的不 同而有别于国家铁路。冶金、化工及煤炭等行业是使用工矿机车的大户，仅冶金行 业就占有全部工矿机车保有量的一半以上。在1 9 8 9 年以前，我国机车制造厂为工 矿企业提供的调车内燃机车数量不多，主要是资阳内燃机车厂生产的东方红( 5 ) 型机车。 1 9 8 9 年以后，各主要机车工厂陆续为工矿企业开发设计了十几种型号的调车 内燃机车，其中多为液力传动机车，且为多数工矿企业选用，特别是钢铁企业使用 更多。因为这些行业的机车运输普遍具有以下特点：环境温度高、粉尘大、空气中 酸碱成分含量高。 在冶金行业，当机车运送铁水车和渣罐车( 温度高达13 0 0 ) 时，受到很强的 华中科技大学硕士学位论文 高温辐射，在炼钢车间的脱模区和轧钢车间的加热炉区，机车受热十分厉害；空气 中含尘量甚至高达5 0 0 0 7 0 0 0m g ，m 3 ：空气中酸碱成分含量高，对机车的电机电器 腐蚀严重。在采矿企业，机车经常在瓦斯浓度高的坑道或车间作业。在目前条件下， 电力传动机车的防尘、防爆、防火及隔热措施实旅难度较大，液力传动机车在这些 方面具有明显优点。 各种机车比较而言，液力传动机车与蒸汽机车相比具有牵引力大、提速快、效 率高等优点。另外，钢铁企业铁路运输生产的特点是调车及小运转作业，因而对机 车的一个重要技术要求就是换向性能要好，选用液力传动机车，具有更好的换向性 能。原因在于蒸汽机车的换向是在机车停止运行后，再由风带动一系列机械动作完 成的，因此换向时间长、可靠性差。而液力换向内燃机车的换向则是通过换向手柄 改变某一方向变矩器的充、排油状态就可以完成机车换向，换向时间短，并且可在 机车运行过程中进行，可靠性大大提高。 尽管由于液力传动机车自身的原因，至今未有大的发展和进步，特别是在一些 关键问题上，如换向效率和牵引特性等方面都不如电力机车，在一些企业仍然选用 液力传动机车，其原因在于同电力机车相比，虽然存在着上述缺点，考虑到工矿企 业生产的实际情况，内燃机车机动灵活，不受接触网限制；适合厂区点多面广、工 作环境类型多、变化大等特点，可分期投资，投资少，见效快；电力机车接触网必 须一次形成，一次性投资大，同时在炼钢炼铁作业区内架设电力接触网不现实也不 安全。 随着市场经济模式的确立，机车购置和运用费用也是工矿企业决定采用液力传 动机车的主要因素之一，液力传动机车的购置费用明显低于电力传动机车，在新的 市场经济条件下，电力传动机车运营成本低的优势并不突出。技术水平也是决定工 矿企业采用液力传动机车的另一个要素，工矿企业的机车维修运用人员不具备国家 铁路职工的培训时间和条件，有许多单位还大量使用蒸汽机车和一些小型的液力传 动机车，他们维修、操作机车的经验及技术水平相对不足，对于电力传动机车一些 较为复杂的电气系统问题的判断和处理颇感困难。因而液力传动机车相对简单的操 纵和维修条件十分适合他们。另一方面，由于电力传动机车电气线路复杂，电气元 器件较多，加上机车运用条件恶劣，机车的故障，特别是“小而广”的故障较液力 传动机车多，这给机车使用人员带来极大不便，维修工作量也多于液力传动机车。 1 4 机车控制系统的发展 4 华中科技大学硕士学位论文 内燃机车出现至今已有九十多年的历史，其控制系统也经历了继电联锁控制、 模拟控制、数模混合控制、计算机技术为主体的数字控制。多年来，微机控制技术 在机车控制系统的到了不同程度的应用，如转速控制、速度控制、故障诊断、参数 实时监测显示等功能已在机车上使用，并经过了实际检验，其优越性已为大多数用 户所认可。 随着计算机控制技术的飞速发展以及为提高机车性能，特别是满足高速列车控 制功能的需要，目前在新研制的机车中，国内外都毫无例外地采用计算机控制，这 是机车控制技术水平的大飞跃。在最新的机车微机控制系统中，各控制功能已实 现模块化，再通过工业生产控制现场总 线相连，可方便的地实现机车自身甚至 整列列车的自动控制【4 】【”。 机车微机控制系统的模块见图1 - 1 。 各种模拟量由传感器取得信号，经信号 调整使其量值适合于a d 变换的范围， 再供c p u 采样；数字信号经光电隔离后 送c p u ；计算机根据预定的程序对这些 模拟量和数字量进行处理和监测，再经 d a 变换输出模拟控制信号，经继电器 隔离输出数字控制信号，经脉冲控制器 和功率放大，输出晶闸管触发所需的脉 冲；通过键盘和显示器进行人机对话， 司机可获得机车的各种信息。微机控制 州1 - 昱墙 图1 - 1 微机控制系统模块 和主要优点是通用性、灵活性、重现性、可靠性和智能性。微机控制系统的硬件除 输入输出接口在不同型号的机车上有所不同外，其核心部分应能适用于同一类型的 各种型号的机车。对于各种型号机车的不同控制要求，则用改变软件的方法来实现。 软件具有很大的灵活性，并可实现原来某些用硬件难于达到的功能，参数修改也比 较容易。数字控制本身不受环境温度影响，各种环境条件下所得数据分散性较小， 机车性能稳定。由于器件集成度高，受外界干扰影响较小，且由软件执行机车的主 要控制功能和保护功能后，可靠性得以提高。此外，微机本身具有记忆功能，可以 储存大量信息以及某些特定时刻的信息，再按照预定的程序执行，可进行自检、故 障记忆和检索、故障监控和诊断。随着网络技术的发展，还可将分布在列车各车厢 中的所有计算机联网通信，使司机随时能得到整个列车的状态信息。 华中科技大学硕士学位论文 1 5 本文目的及意义 在包钢，铁路运输在钢铁生产中占有比较重要的地位。在购进第一台内燃机车 后，蒸汽机车的数量不断减少，以柴油机为动力的内燃机车逐渐确立了在包钢铁路 运输生产中的主导地位，并且内燃化还在继续进展。随着“九五”期间乃至2 0 0 0 年以后内燃机车向着“重载、提速”这一目标前进，对机车的牵引动力性能提出了 更高的要求。 目前运输部使用的内燃机车工作方式为司机根据值班调度的命令和牵引吨位 的大小、路线的状况，调整柴油机手柄位的设定达到控制机车速度的目的。由于控 制柴油机转速的机械式调速器各可调参数是一次性设定供各工况使用，这样以来柴 油机的稳定性和动态指标、怠速和负载性能很难兼顾，造成柴油机调控水平低，特 别是在重载运输时机车上柴油机的调控性能很不好，这是一个比较突出的问题。 根据运输部内燃机车的使用状况，利用微电子技术，用由单片机组成的新型控 制系统取代原来的继电控制系统，既是提高我部内燃机车运用技术水平、运行质量 的一条捷径。又不至于大幅度增加费用，对处在困难时期的包钢是一种经济可行的 技术改造措施。另一方面，内燃机车微机控制又是整个运输生产微机控制的基础之 一，这也会为今后这一目标的实现提供保障。 1 5 1 主要工作 1 、对原控制系统进行分析，确定相应的输入输出控制关系，并确定系统整体 结构。 2 、对方案进行可行性验证。 3 、对硬件配置及控制机构进行选型。 4 、控制电路设计。 5 、编制控制软件。 6 、模拟试验，对系统正确性进行验证。 7 、编写技术文件。 1 5 2 设计目标 i 、减少控制过程中人的参与，进一步提高机车控制自动化程度。 2 、在原系统主要执行元件不变或变化不大的情况下完成。 6 华中科技大学硕士学位论文 3 、留有扩充余地，便于将来的进一步改进。 4 、性价比高。 5 、结构简单、可靠性好、易维护。 1 5 3 改造的意义 通过对该型机车控制系统的改造，可降低机车故障率的发生，实现对机车的最 佳控制，保证运行安全，提高作业效率，其经济效益、社会效益是根当明显的。特 别是由于系统设计及控制软件都是自主开发的，可以提高微机及嵌入式系统的运用 技术水平，成本又低，有利于实现机车控制全面微机化，这对提高我厂机车运用及 装备技术水平将其积极作用，通过修改控制参数，适用于我厂的其它各型机车，又 可以移植到其它需要改造的地方。 随着现代电力电子技术的发展，使得采用igbt 等电力电子器件及技术实现 机车接触器的功能成为可能，通过采用igbt 等电力电子器件及技术可以避免机 车上有触点电器通断时燃弧问题。延长电器寿命，提高电器可靠性，增加机车安全 保护功能，进一步减少现有联锁控制，使得机车线路更加简化。通过掌握微机及嵌 入式系统的运用技术，可使这一目标早日实现。 华中科技大学硕士学位论文 2 1g k 0 机车简介 2g k 0 机车控制系统分析 g k 0 型调车内燃机车是铁道部四方机车车辆厂专为铁路站段、工矿企业、海港 油田等用户研制的一种小型调车内燃机车。该机车性能优良，技术先进，运行可靠。 该机车动力源采用8 v 1 9 0 z j 型中速柴油机，耐久可靠，经济性好；机车采用液力传 动，传动效率高，起动加速性能好，换向快，操纵灵活方便；机车采用两轴转向架 ( 轴式b b ) ，因而能通过5 0 m 的小曲线半径，更适合于曲线多而半径小的作业区 使。用。机车的车体结构、传动系统、制动系统与东方红 型调车内燃机车类似。其 主要技术参数 6 1 ： 机车功率： 5 9 0 k w 最高速度： 3 0 k m h 持续速度： 7 k m h 起动牵引力： 2 4 0 持续牵引力：1 5 0 埘 轮径：9 1 5 m m 总重，轴重：8 0 2 0 吨 轨距：1 4 3 5 m m 车钩中心线间距： 1 3 2 5 0 m m 最大高度：4 0 0 0 m m 最大宽度：3 0 0 0 m m 柴油机型号： 8 v 1 9 0 z j 传动装置型号： s f 4 0 1 0 2 2 2 机车控制电路作用和特点 机车控制电路是机车上三个基本独立的电路系统( 主电路、辅助电路及控制电 路) 之一，主要功能是根据实际的指令来间接控制机车主电路及辅助电路，以完成 各种工况的操作。所以不论是为提高机车乘务员和检修技术人员的技术水平，还是 在设计新型机车或机车的技术改造中都需要对机车控制电路进行详细分析，了解其 一一一 8 华中科技大学硕士学位论文 逻辑控制关系，即电路中包括导线在内的所有电器元器件间的得电、失电关系。 2 2 1 机车控制电路特点 机车控制电路一般由主令电器、各种功能的继电器、接触器、转换开关、保护电 器、电源以及导线等主要部件组成。机车控制电路具有如下特点： ( 1 ) 机车控制电路中所有器件以及连接他们的导线都是他的组成部分，相互之 间有着密不可分的联系；其中许多电器本身又可分成几个部分，各部分之间又存在 耦合关系。 f 2 ) 机车控制电路的工作受控于机车控制电路中的主令电器的位置和主电路、 辅助电路的有关参数，这些控制位置和参数实际上是控制电路的输入。 ( 3 ) 机车控制电路使用来控制机车牵引、制动、向前、向后、加速、制动控 制个辅助机械开始和各种照明工作，相应的控制状态参数就是控制电路的输出。 ( 4 ) 从电的角度来说，控制电路中的所有器件都只有得电与失电两种状态，所 以机车控制电路可以当作逻辑电路来处理。 2 2 2 机车控制电路部件的状态 将机车控制电路中包括导线在内的所有相对独立的部分都当作一个部件处理， 这个部件可以是导线、开关等完整的部件。也可以是线圈、触头等器件的一部分。 设计机车控制电路，必须搞清这些部件的动作关系。而部件的动作依赖于电路中各 部件的实际状态，为此必须了解电路中各部件的各种状态。部件的状态可分为物理 状态和电状态。 l 、部件的物理状态 部件的物理状态是指给定路线上电流能否流过改部件的状态。所以，部件的物 理状态可分为两种： ( 1 ) 部件通：部件能流过电流。 ( 2 ) 部件断：部件不能流过电流。 2 、部件的电状态 部件的电状态是指部件中是否有电流流过。所以部件的电状态也可分为两种： f 1 ) 部件得电：部件中有电流流过。 f 2 1 部件失电：部件无电流流过。 在机车控制电路中，因启动的要求和控制、保护的目的，有些部件的物理状态 受控与其它部件的电状态，这些部件的状态间有着固有的耦合关系。如继电器触头 的物理状态与继电器线圈的电状态有关，当继电器线圈得电时，继电器的常开触头 9 华中科技大学硕士学位论文 闭合，常闭触头打开：反之，当继电器线圈失电时，继电器的常开触头打开，常闭 触头闭合。 2 3g k o 机车电气微机控制系统设计 2 3 1 机车监控软件特点 与硬件系统相对应，机车监测系统的软件也可分为三类，针对单片机监测系统 的软件开发具有专用性强、实时性好等优点。这种以汇编语言为开发工具的软件围 绕数据展开机车监测系统的设计，一般都由主控模块、数据采集模块、数据处理模 块、数据输出模块和报警模块组成。这种软件多用在电力、机械、化工等行业的小 型设备监测上，词时也在实验室里有大量应用。针对多单片机和单微机系统的软件 一般都由两部分组成。用汇编语言开发数据采集模块，而主要的数据处理和网络通 讯等功能则由高级语言在微机( 或主处理器) 上实现。此类软件系统克服了单片机 运算能力弱、存储容量有限的缺点，具有很强的数据处理能力，并能存储大量的实 时数据和历史数据。针对网络式在线监测系统开发的软件与前者相比增强了网络功 能，多采用客户机服务器的模式。这种系统以机组的在线监测为基础，并利用专家 系统实现故障诊断，同时使用网络通讯实现分级管理。 2 3 2 监控软件开发的新特点 以往的监测系统的软件还多以面向过程的方式开发。这不仅是因为面向过程的 软件设计方法的历史统治地位，更主要的是面向过程的方法对以数据处理为主线的 流程有着极强的适应性。面向过程的方法以功能为核心，实现对数据的操作和传递。 用面向过程的方法实现一个监测系统软件不仅容易开发，面且可以达到很高的效率。 随着人们对在线监测系统软件要求的逐步提高以及被测试系统复杂程度的上升，用 面向过程的方法设计在线监测系统软件的局限性也逐渐暴露出来。首先，面向过程 的监测软件扩充性很差。大型机组的监测点往往会根据需要发生变化，这将会导致 软件的大规模重写。其次，由于数据在各个功能块之间的流动，使得模块之间的耦 合性大大增加，严重地影响了软件的质量，也给软件调试和故障定位带来困难。 面向对象的软件开发是近年来逐步兴起的一种软件开发方法，它按人们通常的 思维方式建立问题域的模型，在设计时尽可能地使用采用自然表现求解方法的软件。 采用这种方法设计的软件不仅易于理解，更易于维护和修改。面向对象的软件设计 方法体现了客观世界与模型世界之间的一一对应关系。客观世界由事物组成，事物 本身又具有属性和活动，事物之间还可以发生相互联系。这些处理方法都能在面向 0 华中科技大学硕士学位论文 对象的设计模型中具体地体现出来。 2 3 3g k o 机车微机控制系统开发过程 机车微机测控系统功能主要由的软件实现，其功能主要包括： 在外部信号( 中断) 的同步下，从机车现场实时采集各种机车状态和反馈信 号。 根据给定条件( 或逻辑) 实现机车工况( 惰行、牵引、制动) 的实时自动转换。 根据司机指令和特性曲线实现对柴油机功率、转速的实时闭环调节，并将调 节量送至控制执行单元。 对机车运行状态进行实时故障监控、状态连锁保护，并将状态和故障信息送 显示装置。 实现快速准确的防空转、防滑行保护功能。 提供监控调试人机接v j ，以便通过终端( 或m c u ) 实现对控制系统的软硬件 进行在线检测、调试。 在对某一具体的机车控制系统进行设计时，则应综合考虑。如机车的新旧状态、 使用年限等都是要考虑的因素。对新车在满足使用要求的前提下，应尽可能降低成 本。对旧车最主要的考虑因素就是在进行技术改造后，能否取得最大收益。 一般来说，机车微机测控系统设计按如下过程进行： l 、根据被控对象的控制要求，确定整个系统的输入、输出设备的数量，从而 确定m c u 的i 0 点数，包括开关量i 0 、模拟量i 0 以及特殊功能模块等。 2 、充分估计被控对象和工厂今后发展的需要，所选的m c u 的i 0 点数应留有 一定的余量。另外，在性能价格比变化不大的情况下，尽可能选用同类型中功能强 的新一代m c u 产品。 3 、确定选用的m c u 型号。 4 、建立i 0 分配表，绘制m c u 控制系统的输入、输出接线图。 5 、根据控制要求绘制用户程序的流程图。 6 、编制用户程序，并借助编程器将用户程序装入m c u 的程序存储区。 7 、在实验室模拟调试用户程序。 8 、完成第7 步的工作后，进入现场联机调试m c u 。 9 、整个系统的调试工作结束后，编制技术文件。 1 0 、交付使用。 ( 图2 1 ) 为机车微机测控系统设计流程图【7 】。 华中科技大学硕士学位论文 图2 1 机车微机测控系缴计流嘲 一一一一 1 2 华中科技大学硕士学位论文 2 4g k o 机车电气控制系统分析 据以上所述，我们首先对g k 0 机车电气控制系统进行分析。g k o 机车控制电 路按功能可细分为运行控制部分( 所有与2 0 1 线、2 0 0 线相连的元器件和导线) 、 启动与发电( 所有与1 0 1 线、1 0 2 线相连的元器件和导线) 、打风控制( 所有与5 0 1 线、5 0 0 线相连的元器件和导线) 、照明控制( 所有与6 0 1 线、6 0 0 线相连的元器件 和导线) 、仪表显示及报警( 所有与7 0 1 线、7 0 0 线相连的元器件和导线) 、速度 检测( 四个测速发电机，分别测量机车速度、柴油机转速( 两个) 、传动箱转速) 六部分f 引。 本着“由简到繁”、“由易到难”的设计原则，讨g k 0 型机车的改造也应循 序渐进。首先对直接影响机车运行的部分进行改进，完成后再对其它部分进行改造， 进而把各功能模块化，最后形成一个完整的机车控制系统。经过分析，我们认为在 这六部分中，对机车控制影响最大的是运行控制部分、启动与发电、打风控制、速 度检测及仪表显示及报警的一部分。对照明和仪表显示及报警的其余部分可在将来 条件成熟后再进行。在本设计中主要对运行控制部分、启动与发电、打风控制三部 分进行改造。为使改造成功，必须对电路进行分析。下面是对三部分各个控制电路 的分析。 2 4 1 输入分析 1 、机组保护回路 四个串联的继电器，l # 风压继电器1 f j ( 常开) 、l 捍柴油机水温继电器l c w j ( 常闭) 、1 # 变扭器油温继电器1 b w j ( 常闭) 、1 撑柴油机润滑油压继电器1 r x j ( 常 开) 组成了输入线路，控制并联的柴油机保护继电器c b j 和变扭器保护继电器b b j 。 只要条件满足，c b j 和b b j 就吸合并控制相应的调速、换档回路。该输入定义为i n 0 。 2 、起动保护回路 四个串联的接点，1 # 台停车按钮常闭触点1 t a l 、2 # 台停车按钮常闭触点2 t a i 、 2 # 时间继电器常开触点2 s j l 、过压继电器常闭触点g y j l 、他车停继电器常闭触点 t t j 2 组成了输入线路，控制起动保护接触器q b c 。只要条件满足，0 b e 就吸合并控 制发电回路。该输入定义为i n l 。 3 、燃料油泵控制回路 琴键开关连接的2 0 1 支线、2 0 5 线组成了控制燃料油泵接触器r c 的回路。只要 华中科技大学硕士学位论文 条件满足，r c 就吸合动作并控制燃料油泵电机回路。该输入定义为i n 2 。 4 、柴油机调速回路1 调速手轮及c b j 常开触点c b j l 组成了控制柴油机调速电空阀l 的回路。只要 条件满足，调速电空阀l 就得电吸合，控制风流入操纵风缸中，推动滑阀1 改变柴 油机的供油量。该输入定义为i n 3 ( 为了保证生产的正常进行，必须保证柴油机调 速系统的正常工作。所以尽管在新系统中增加了无级调速部分，但调速电空阀1 也 不能被取代，下面的调速电空阀2 、3 、4 亦是如此) 。 5 、柴油机调速回路2 调速手轮及c b j 常开触点c b j 2 组成了控制柴油机调速电空阀2 的回路。只要条 件满足，调速电空阀2 就得电吸合。其余过程同上。该输入定义为i n 4 。 6 、柴油机调速回路3 - 调速手轮、液力制动限速继电器( x j ) 常闭触点x j 3 及c b j 常开触点c b j 3 组成了 控制柴油机调速电空阀3 的回路。只要条件满足，调速电空阀3 就得电吸合。其余 过程同上。该输入定义为i n 5 。 7 、柴油机调速回路4 调速手轮、液力制动限速继电器( x j ) 常闭触点x j 4 及c b j 常开触点c b j 4 组成 了控制柴油机调速电空阀4 的回路。只要条件满足，调速电空阀4 就得电吸合。其 余过程同上。该输入定义为i n 6 。 8 、润滑油泵控制回路 由起动按钮1 q a 常开触点、2q a 常开触点并联再串联3 柴油机水温继电器3 c w j ( 常开) 组成了控制润滑油泵接触器y c 的回路。只要条件满足，y c 就吸合动作并 控制相应的回路。该输入定义为i n 7 。 9 、柴油机起动接触器回路 由起动按钮l q a 常开触点、2q a 常开触点并联再串联4 # 时间继电器常闭触点 4 s j i 及3 # 时间继电器常开触点3 s j l 组成了控制起动接触器q d c 的回路。只要条件 满足，q d c 就吸合并使柴油机起动。该输入定义为i n 8 。 l o 、保护时限回路 由起动按钮1 q a 常闭触点、起动按钮2 q a 常闭触点串联控制2 # 时间继电器的动 作。只要条件成立，2 # 时间继电器在得电5 秒后吸合并控制相应的回路。该回路可 取消输入，相应功能可由软件取代。 “、润滑时限和起动时限回路 这两个并联的回路均受2 # 柴油机润滑油压继电器2 r x j ( 常开) 控制，其中决 4 华中科技大学硕士学位论文 定润滑时限的3 # 时间继电器又控制决定起动时限的4 # 时间继电器。3 # 、4 # 时间继电 器均可取消，它们的功能由软件代替。本回路定义一个输入i n 8 。 1 2 、本车柴油机停回路 由他车停继电器t t j 常开触点t t j l 与本车停按钮1 t a 常开触点1 t a l 及2 t a 常 开触点2 t a l 并联组成了控制停车电空阀的回路。可定义该输入为i n 9 。 1 3 、他车柴油机停回路 由机车重联线送来的控制电流使他车停继电器t t j 动作，使q b c 及停车电空阀 动作达到停机的目的。该回路可定义输入为i n i o 。 1 4 、机车方向i 回路 只要司机将控制器打到方向ii 就可使机车方向i 电空阀、机车方向i 继电器 j f x j 、机车方向j 接触器1 f x c 动作。此线路可定义输入i n l l 。 1 5 、机车方向i i 回路 只要司机将控制器打到方向i i ，就可使机车方向i i 电空阀、机车方向i i 继电器 2 f x j 、机车方向i i 接触器2 f x c 动作。此线路可定义输入i n l 2 。 1 6 、机车方向i 微量充油回路 1 # 微量充油按钮l w a 常开触点与2 # 微量充油按钮2 w a 常开触点并联后再与机车 方向i 继电器常开触点串联以控制方向i 微量充油控制阀。在新系统中，此回路被 取消。 1 7 、机车方向微量充油回路 1 # 微量充油按钮与2 # 微量充油按钮并联后再与机车方向i i 继电器常开触点串 联以控制方向i i 微量充油控制阀。在新系统中，此回路定义为i n l 3 。该回路与i n i i 或i n l 2 结合，就可控制不同方向的微量充油控制阀动作。 1 8 、在自动换档装置回路 没有定义输入，但又一处改动，因控制回路均为2 4 伏电，而该装置为1 1 0 伏 供电，需加一控制电路。该回路不定义输入。 1 9 、在自动换档i 档回路 只要换档开关位置在自动位，若原变扭器保护继电器b b j 常开触点b b j l 以闭 合，即可控制自动换档i 档电空阀的动作。该输入定义为i n l 4 。 2 0 、在自动换档i i 档回路 只要换档开关位置在自动位，若原变扭器保护继电器b b j 常开触点b b j 2 闭合， 自动换档装置有信号送出，即可控制自动换档i i 档电空阀的动作。该输入定义为 t n 】5 。 华中科技大学硕士学位论文 l 1 lmliiml 2 l 、在手动i 档回路 当换档开关位置在手动i 档位时，变扭器保护继电器b b j 常开触点b b j 3 闭合， 可控制与其串联的并联在一起的i 向手动i 档电空阀或1 i 向手动i 档电空阀，具体 哪一个电空阀动作由正处在吸合状态的方向继电器决定。根据以上分析，该处定义 一个输入为i n l 6 。 2 2 、在手动i i 档回路 当换档开关位置在手动i i 档位时，变扭器保护继电器b b j 常开触点b b j 4 闭合， 可控制与其串联的并联在一起的i 向手动i i 档电空阀或i i 向手动i i 档电空阀，具体 哪一个电空阀动作由正处在吸合状态的方向继电器决定。根据以上分析，该处定义 一个输入为i n l 7 。 ，2 3 、冷却控制回路 。 由4 # 柴油机水温继电器4 c w j ( 常开) 、5 # 柴油机水温继电器5 c w j ( 常闭常开) 、 6 # 柴油机水温继电器6 c w j ( 常开) 与串联在一起的l # 强制冷却开关、2 # 强制冷却开 关并联组成。根据不同的水温状况，可单独开启侧百叶，开启侧百叶及风扇自动控 制，侧百叶及风扇均一直开启的强制冷却功能三种状态。为完成上述三种功能只须 定义二个输入，i n l 8 、i n l 9 。 2 4 、风笛控制回路 由串联在一起的1 # 手动风笛按钮、2 # 手动风笛按钮再与串联在一起的、1 # 脚踏 风笛开关、2 # 脚踏风笛开关并联可完成风笛控制功能。该回路可定义输入为i n 2 0 。 2 5 、撒沙控制回路 由1 # 脚踏撤沙开关、2 # 脚踏撒沙开关、2 # 风压继电器三者并联后再与机车方向 i 继电器常开触点1 f x j 4 或机车方向i i 继电器常开触点2 f x j 4 串联，根据机车运行 方向形成不同的组合，控制某方向的撒沙。该回路可定义输入为i n 2 1 。 2 6 、过压控制回路 仅由超压复原按钮f f a 组成，控制过压继电器的动作。该回路可定义输入为 i n 2 2 。 2 7 、液力制动限速回路 仅由1 # 变扭器油压继电器1 b y j ( 常开) 组成，负责控制制动限速继电器的动 作。该回路可定义输入为i n 2 3 。 2 8 、换档方式选择 此输入为新增加的功能，根据信号决定选用自动换档或手动换档。该回路可定 义输入为i n 2 4 。 华中科技大学硕士学位论文 2 9 、自动换档换档方式选择 为充分利用单片机的功能，根据信号决定选用机内自动换档方式或机外自动换 档方式。机内自动换档方式由单片机根据模数转换的结果利用程序判断换档的时机， 即控制一档电空阀或二档电空阀的动作。机外自动换档方式仍使用原车配备的自动 电换档装置控制机车的换档。该回路可定义输入为i n 2 5 。 3 0 、调速方式选择 此输入为新增加的功能，一旦有信号输入，单片机即可确定目前柴油机工作方 式为无级调速，这样司机在把机车工作方式设定为机车恒速或柴油机恒转速控制状 态后，就可以专心于机车的其他操作。该回路可定义输入为i n 2 6 。 3 】、风压低信号输入 、 仪由3 # 风压继电器组成，如有输入即证明风压低，需启动风泵，以补充风源。 该回路可定义输入为i n 2 7 。 3 2 、i 风泵起动控制回路 该回路由司机主、副控制台上的i 风泵起动琴键开关组成，一旦开关闭合，就 可起动i 风泵。该回路可定义一个输入为i n 2 8 。 3 3 、i i 风泵起动控制回路 该回路由司机主、副控制台上的i i 风泵起动琴键开关组成，一旦开关闭合， 就可起动i i 风泵。该回路可定义一个输入为i n 2 9 。 3 4 、i 风泵一级起动 通过i 风泵起动接触器1 f c 常开触点1 f c2 引入，控制原时间继电器5 s j 的动 作一旦有信号输入，经过3 s 延时后，起动i 风泵起动接触器3 f c 。该回路可定义 一个输入为i n 3 0 。 3 5 、i 风泵二级起动 通过i 风泵起动接触器3 f c 常开触点3 f c2 引入，控制原时间继电器5 s j 的 动作，一旦有信号输入，经过3 s 延时后，起动i 风泵起动接触器5 f c 。该回路可定 义一个输入为i n 3 1 。 3 6 、i 风泵无负荷起动 通过i 风泵起动接触器5 f c 常闭触点5 f c2 引入，控制i 风泵无负荷起动电 空阀的动作。该回