电力机车空气管路温控系统设计*

侯 艳，张 武

(1.西安铁路职业技术学院 牵引动力系，陕西 西安 710014；2.西安科技大学 机械工程学院，陕西 西安 710054)

电力机车的空气管路系统按其功能分为风源系统、制动机气路系统、控制气路系统和辅助气路系统四大部分，该系统的性能好坏直接影响到机车的整个运行状态和行车安全[1]。

众所周知，空气中通常含有水蒸气，一般情况下，湿空气中的水蒸气都处于过热状态，并呈不饱和状态。如对湿空气进行压缩或温度发生改变时，空气中的水蒸气将会超出饱和限度，凝结成水分。

当压缩空气中含有过量的水分时，一方面，会加剧管道及阀类部件的腐蚀和锈蚀，减少其寿命，缩短检修周期，增大检修劳动量及成本，降低铁路运输效率；另一方面，可能产生凝结，造成空气管路系统堵塞，导致系统失灵，甚至引发行车事故。因此，电力机车空气管路系统防冻结措施对保障整个系统的正常运行及列车的行车安全具有重要的作用[2-3]。

从20世纪80年代开始，我国开始在机车车辆空气管路系统中加装空气干燥器，用以吸收压缩空气中的水分。采用该方法获得了一些明显的效果，但在环境温度较高的夏季及较低的冬季，均不同程度地出现了压缩空气干燥效果较差的现象，如福州段SS4改型电力机车夏季出现过不同程度的总风缸积水，沈阳段SS9型电力机车在冬季出现过不同程度的干燥器前管路冻结而堵塞的严重事故。

防止电力机车空气管路系统水分凝结的措施主要有[4]：1)管路材料选用抗锈蚀性能高的不锈钢或铝合金材料，或对其他材质的管路进行镀镍等防锈蚀处理；2)尽量减少压缩机的一次性工作时间，防止干燥器性能随时间的增加而下降；3)冬季运行时加装温度加热系统。本文针对冬季需增设加热系统这一方案，提出了一种基于单片机的温度控制系统，该系统控制精度高，结构简单，体积小，安装方便，可以适应电力机车的运行需要。

1 系统设计

1.1 系统结构

系统采用了以单片机STC12C5A60S2为控制核心，以PWM控制MOSFET28N05L为前馈通道，以热电偶PT100为反馈通道，以VB为环境开发的人机界面，实现了对加热装置温度的闭环控制[5]。系统结构原理示意图如图1所示。

图1 系统结构原理示意图

系统结构设计如下。

1)控制部分。系统控制器采用ATMEL公司的STC12C5A60S2单片机。该单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且具有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点。

2)测温部分。利用热电阻传感器作为感温元件，热电阻随温度变化而变化，用仪表测量出热电阻的阻值变化，从而得到与电阻值相应的温度值。常用的是铂电阻传感器，铂电阻在氧化介质中，甚至在高温的条件下，其物理、化学性质不变。由铂电阻阻值的变化经电桥放大运放处理，送到单片机内置A-D转换器模块中，即将模拟信号转换为数字信号。该方案线性度优于0.01%。

3)加热装置。采用可控硅MOSFET28N05L来控制加热器有效功率。将PWM波加在晶闸管上，以其周期性的通断来控制加热回路的强电，从而保证系统具有良好的控制精度。该方案加热电路稍复杂，由于加热功率不高，可采用直流加热，故将加热装置设定为功率电阻。采用该方案可以实现功率的连续调节，并且响应速度快，控制精度高。

4)上位机输入输出。为了方便调试，采用VB设计了上位机界面，串口负责上位机与单片机通信。界面灵活性高，人性化。

1.2 系统核心处理策略

控制算法采用对PID算法裁剪后的PD算法，适用于大滞后环节。在信号处理方面，热电阻阻值经过零点补偿和两级运放，最后滤波得到理想的模拟量进入到A-D转换器模块，得到数字量信号后，在软件上进行数字滤波和均值处理。

1.3 系统软硬件功能划分

微控制器为整个系统的核心，完成数据的采集、控制以及输出，并完成和上位机的通信。PT100所搭的电阻桥作为温度测量部分，采集实时温度，28N05L作为功率放大器驱动功率电阻。软件部分由系统初始化、温度采集、参数计算、控制输出、温度显示和上位机通信等功能子函数构成。

1.4 系统特点

该系统具有如下特点：1)采用单片机作为核心处理器，硬件简单便宜便于实现，单片机预留串口便于以后扩展；2)部分数据处理通过软件完成，大大减少了处理器的运算量，提高了系统的处理速度；3)用VB环境开发的人机交互界面友好，方便调试，基于上位机平台，可以方便地进行数据记录存储、绘制曲线及网络通信，同时下位机的自由口通信可用于PLC、触摸屏和组态网络等工业级控制系统挂接。

1.5 软件设计

系统软件流程图如图2所示。

图2 系统软件流程图

2 性能测试

性能测试步骤如下：上位机设定合理温度后，开始加热；上位机通过VB界面，将温度数据写入文件，直到系统达到设定的温度并稳定后，对功率电阻进行短暂的风扇冷却，同时开始记录温度变化曲线，直到系统再次到达设定值后停止记录，试验结束。

性能测试图如图3所示。由图3a可见，系统加热达到了设定的温度，并出现了第1个超调峰值。由图3b可知，系统温度稳定在设定值附近，并出现了细微的误差波动，当施加一个扰动后出现了一个温度降，随即系统能迅速恢复稳态，可见系统的稳态性能结果符合预期的要求。

图3 性能测试图

3 结语

本系统以单片机STC12C5A16S2芯片为核心部件，实现了对当前温度实时显示并进行控制，使其达到需要的温度，并恒定在这一温度的功能。由以上的测量结果可见，系统性能可以满足电力机车的空气管路解冻的要求，并且具有结构简单、成本低等优点。