GCY470型调车机车微机网络控制系统的研究与实现

（中车大连机车研究所有限公司电力电子事业部，大连 116021）

0 引言

GCY470型调车机车是为天津地铁5号线车辆段设计的液力传动内燃调车机车，主要用于车辆段及其他基地内地铁列车调车作业的牵引，区间车站、隧道事故列车的救援牵引，设备、物资的运输车辆及其他无动力轨道车辆的牵引作业等。机车车体为内走廊式底架承载双司机室结构；机车动力装用美国卡特彼勒公司C18型柴油机[1]，装车功率为470kW；传动采用液力传动形式，装用配套卡特彼勒公司TR43M44+TC43型液力-机械分体式传动箱；柴油机自带启动电机和发电机（DC24V）；制动系统装用JZ-7G型空气制动机。

1 微机网络控制系统的构成和功能

1.1 系统总体功能需求

机车柴油机燃油喷射系统为电子控制方式，换挡控制具有自动换挡和手动换挡两套控制模式，调速系统为司控器控制方式和手动故障油门控制方式，还可以实现双机重联控制。该车的控制是在传统的继电器和接触器触点控制的基础上，通过微机控制，完成换向保护、自动换挡、超速保护、故障诊断显示及数据记录等功能。该车显示部分采用液晶屏显示，整车动力单元的状态通过CAN总线传给微机，整合整车的其他参数经控制器处理后，通过以太网传递给液晶屏显示[2]。液晶屏可以显示重联时本车和它车的状态、整车故障状态等信息，比传统的仪表显示准确、直观、集中。

1.2 系统构成和功能介绍

机车的微机网络控制系统主要由行车控制单元VCU、司机显示单元DDU（双端操纵台各1个）、柴油机控制单元ECU（柴油机自带）等组成。系统采用CAN网+以太网实现车内系统设备之间的数据信息交互和管理控制，采用以太网实现两台重联机车之间的数据信息交互和管理控制。系统拓扑结构见图1。

图1 微机网络控制系统拓扑结构

（1） VCU（行车控制单元）。

系统主控单元，主要功能包括：机车运行与设备状态监控、CAN/ETN网络管理、柴油机启停/调速管理、司控器管理、机车定速控制、撒砂控制、机车重联控制[3]、故障诊断与报警管理、事件/故障记录和文件转储管理等。

（2） DDU（司机显示单元）。

与机车操作者的交互单元，主要功能为机车和各设备运行状态数据显示与指令操作，DDU1、DDU2分别安装于两个司机操纵台上。

（3）ECU（柴油机控制单元，柴油机自带）。

主要功能包括：柴油机调速控制、柴油机状态监测、故障诊断与保护、CAN通信接口（SAE J1939协议）等。

2 微机网络控制系统的硬件组成及软件实现

2.1 控制系统的硬件组成

行车控制单元采用集成式模块化设计，前面板出线，主要由机箱、轨道、插件板和面板组成。机箱结构为4U84HP的标准机箱。行车控制单元的插件模块由电源模块、以太网交换机模块、主处理模块、输入输出模块组成，原理框图如图2所示。电源模块负责为机箱内各模块供电；以太网交换机模块主要处理和司机显示单元以及他车重联时的通信；主处理模块负责处理行车逻辑及与柴油机的通信；输入输出单元主要负责采集机车现场信号，以及将通过主处理模块判断后的指令发送给机车各个执行器件。

司机显示单元为10.4英寸，分辨率1024×768的触摸显示屏，采用后出线形式，方便设计操纵台空间及安装调试。显示屏采用以太网通信方式，防护等级为前面板IP67，后盖IP32。

图2 行车控制单元原理

2.2 控制系统的软件实现

行车控制单元采用基于ARM架构的嵌入式Linux操作系统[4]，开发方便快捷。系统采用分功能多进程模块化的思想搭建控制软件的架构，将控制内容分为：CAN通信、IO通信、司机显示单元通信、重联控制和行车逻辑控制等部分。

单机行车逻辑控制功能如下。

（1）初始化。系统软硬件自检，读取存储项。

（2）柴油机启停机。通过通信及外部信号，判断系统是否具备启停机条件，安全合理启停柴油机。

（3）柴油机调速控制。通过逻辑判断及司控器信号，结合通信合理调整柴油机的转速。

（4）机车车速及加速度计算。通过通信及传感器信息，结合机车信息来计算机车速度及机车加速度，供显示、换挡参考、超速报警以及空转判断使用。

（5）机车牵引控制。机车牵引工况时，控制系统能检测机车主要的运行参数和工作状态。

（6）机车换挡控制。系统根据机车牵引状态和机车速度，自动变换传动箱档位，满足机车升降速牵引力要求。

（7）撒砂控制。结合机车状态、车速状态、牵引工况和司机给定的外部信号，来控制机车撒砂。

（8）固定发电功能。确定机车处于停车状态，通过离合器接合柴油机同轴发电机，控制柴油机达到固定转速来带动发电机对外供电。

（9）机车保护功能。系统接收外部信号，完成机车、电气控制系统的保护功能，根据预设保护值完成报警、卸载和故障信息记录。

机车重联控制采用以太网通信方案。机车重联时，每台机车主控微机将作为一个网络节点（具有相应IP地址）组成列车网络。机车为两端司机室设计，由于重联线不能跨车钩连接，因此每一端车头处都有两个重联端口。

当两台机车重联时，机车可由任一端进行重联，但每两台车只能有一条重联线且重联线不能跨过车钩，两台VCU能够自动识别并分配IP地址的网段。

机车重联控制的内容主要包括机车操纵人员命令传递与执行、机车的各种参数、机车运行状态以及机车故障报警等信息传输。具体如下所述。

（1）柴油机控制。实现他车柴油机起停机，两车柴油机同步调速。

（2）传动系统控制。实现两车同步换向换挡[5]。

（3）辅助系统设备控制。在本车通过机车重联控制，可以控制他车撒砂或对外作业供电等辅助系统设备。

（4）在本车通过重联控制可以监控他车的各种参数，包括柴油机转速、水温、工作时间、负载百分比、机车速度、运行里程等。

（5）在本车通过重联控制可以监控他车故障报警信息，包括柴油机超速，滑油压力低，冷却水温高，排气温度高，传感器故障等故障报警信息。

司机显示单元主要功能如下。

（1）显示柴油机转速、机车速度。

（2）显示柴油机辅助系统工作状态。

（3）显示传动箱工作状态。

（4）显示回路电压电流。

（5）及时报警并提示发生的相应故障。

（6）显示日期、时间、里程。

（7）显示双机重联时本车和他车的主要信息。

（8）可修改车号、轮径，校正行驶里程。

3 结束语

文中研究开发的微机网络控制系统在GCY470型地铁内燃调车机车上装车，并通过环形线动态试验，满足控制要求的同时得到了用户的认可，也可移植作为其他地铁调车微机网络控制系统。

中车大连机车研究所有限公司设计开发的微机网络控制系统作为GCY470型调车机车控制系统的核心，不仅做到了各部件的模块化，还提供了极为有效的逻辑保护功能，并且系统还具有全面的故障检测手段，有利于机车状态检测及故障排除。