（电力电子与电力传动专业论文）内燃机车无触点改造及智能模块的研究与开发.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t ：t r a d i t i o n a 】d i e s e l1 0 c o m o t i v eu s e se l e c t r i c a lc o n t r 0 1s y s t e mw i t hc o n t a c t s ； t h i se l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e mh a ss om a n yi n h e r e n ta n di n e v i t a b l ed e f e c t s f o re x a m p l e , t h ew r o n gm e c h a n i c a lm o v eo ft h ed e v i c ew i t hc o n t a c t s ，t h e r ea r es om a n yw i r e si nt h e c o n t r o lc i r c u i t ，t h eu n i v e r s a lo ft h es y s t e mi sp o o ra n dt h e r ei ss om u c hw o r k l o a df o r c h e c k i n g i nt h i sd e s i g n ，w eu s et h et e c h n o l o g yo fm o d e mp o w e re l e c t r i c sa n dm i c r o e l e c t r i c sf o rm a k i n gt h el o g i cc o n t r o lu n i tt or e p l a c et h et r a d i t i o n a ll o g i cc o n t r o ls y s t e m t h eo r d e r so ft h em i c r o c h i pc a nc o n t r o lt h ed e v i c e sw i t ht h eo u t p u tc h a n n e l sm a d eb y p o w e re l e c t r i c sd e v i c e s ；i tc a l la v o i dd r i v i n gd e v i c e sf o rs om a n yl e v e l s s oi t c a n s i m p l i 匆t h ec o n t r o lc i r c u i to ft h ed i e s e ll o c o m o t i v e ，r e d u c et h en u m b e ro fw i r e s ， i m p r o v et h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e ma n ds i m p l i f yt h ec o n t r o ls y s t e mo ft h ed i e s e l l o c o m o t i v e ，i m p r o v et h ef l e x i b i l i t yo fd e s i g nf o rc o n t r o ls y s t e mo ft h el o c o m o t i v e ， s h o r t e nt h ec y c l eo ft h ed e s i g na n dc o m m i s s i o n i n g t h em i e r o c h i pm a k e st h el o g i c c o n t r o lm o d u l eh a dt h ef u n c t i o nf o rf a u l tj u d g m e n t i nt h i sa r t i c l e ，ir e s e a r c ht h e r e p l a c e m e n to ft h et r a d i t i o n a lc o n t r o ls y s t e mb a s e d o nd f 7d i e s e ll o c o m o t i v e i nt h ef i r s tc h a p t e r , i td e s c r i b e st h es t a t u so ft h ed e v e l o p m e n to ft h ed i e s e l l o c o m o t i v ec o n t r o ls y s t e ma n dt h ep u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo ft h et r a n s f o r m a t i o nf o r t h ec o n t r o ls y s t e mw i mc o n t a c t s i nt h es e c o n dc h a p t e r , ig e tt h er e l a t i o n s h i po fl o g i c c o n t r o la f t e rl e a r n i n ga n du n d e r s t a n d i n gt h ec o n t r o ls y s t e mo ft h ed i e s e ll o c o m o t i v e i n t h et h i r dc h a p t e r , i ti n t r o d u c e st h ed e s i g nm e t h o do ft h el o g i cc o n t r o lu n i t t h eo u t p u t a n di n p u tc h a n n e l sa l em a d eb yp o w e re l e c t r i c sd e v i c e s r e p l a c i n gt h ec o n t a c tc o n t r o l s y s t e mb ys o f t w a r ew i t hc p l da n dl o g i cc o n t r o li pm o d u l e i nt h ef o u r t hc h a p t e r , i t i n t r o d u c e st h er o l eo ft h ec a nb u si nt h el o g i cc o n t r o lu n i t t h el o g i cc o n t r o lu n i ti s c o m m u n i c a t i o nw i t ht h eo t h e rd e v i c e sw i t hc a nb u s i nt h ef i f t hc h a p t e r , i ti n t r o d u c e s t h ef u n c t i o no fl o g i cc o n t r o lu n i tf o rf a u l tj u d g m e n t i nt h es i x t hc h a p t e r , i td e s c r i b e st h e m e t h o d sf o ra n t i - j a m m i n gi nt h eu n i t i nt h ee n d , is u m m a r i z et h ec o n t e n to ft h i st h e s i s a n dd r a wac o n c l u s i o n m o r e o v e r , ii n d i c a t et h ep r o s p e c ta n da s s u m p t i o n ，w h i c hi s r e l a t e dt ot h em o r er e s e a r c hi nt h i ss t u d yd i r e c t i o n k e y w o r d s ：c o n t a c t - c o n t r o lc i r c u i t ；l o g i cc o n t r o lu n i t ；d i e s e ll o c o m o t i v e ；c a nb u s c l a s s n o ：t p 2 7 3 5 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：纱乃年f 月e t 华一 氰 彩 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期： 一口多年月日 致谢 本论文的工作是在我的导师王立德教授的悉心指导下完成的，王立德教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在两年的研究生学习 阶段，王老师认真仔细地对我的各项学习和研究工作进行指导，在百忙中抽出时 间耐心解答我在学习中遇到的各种问题，给了我很大的帮助，让我顺利地克服了 学习中的许多难题，使我在攻克难题的同时专业知识和学习能力也得到了提高。 同时，王立德老师待人接物的方式和严谨的工作态度也对我影响颇深，让我懂得 了许多为人处事的道理。两年的研究生阶段，无论在生活上还是学习上都是一笔 巨大的财富，在此衷心感谢两年来王立德老师对我的关心和指导。 刘彪博士悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了 我很大的关心和帮助，在此向刘彪博士表示衷心的感谢。 在实验室工作和学习及撰写论文期间，我认识了王苏敬、聂晓波、徐海涛、 周东、肖强、王立乾、杨宁、丁国君等同学，他们对我的研究工作及论文的完成 给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 同时，我也感谢我的父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的 学业。 第一章绪论 1 1国内外内燃机车控制技术的发展现状 传统的内燃机车控制电路采用有触点控制系统，主要由主令电器，各种功能 的继电器、接触器、转换开关、保护电器以及电源等部件组成，这种继电器控制 电路的原理和结构都比较简单，应用成熟，对检修人员的技术水平要求不高，某 些故障可以方便地用肉眼看到，系统价格也比较低。 内燃机车的继电器有触点控制系统具有许多特殊性：控制电压为直流1 1 0 v ， 继电器的负载电流可达到近1 0 a ，运行环境条件恶劣，一般的p l c 无法直接在机 车上应用。所以，尽管1 9 8 0 年以来，国外内燃机车的微计算机控制系统已经很普 遍，但多数新型微机控制的机车，仍然保留了一定的继电器控制电路。然而在实 际的应用中，机车的微机控制系统与传统的继电器逻辑控制电路不可避免地要发 生信息交换。众所周知，微机控制系统的工作电压仅几伏，而机车的控制电源则 是1 1 0 v 直流电压，两者之间并不只是一种简单的电压转换，而且涉及到许多其他 因素。所以，国内外的机车微机控制系统大都采用了微机控制信号驱动微型机械 式继电器，再用微型机械式继电器驱动中间继电器的多级驱动方式。因此至今为 止，国内大多数内燃机车的控制系统都包括电子控制系统和有触点控制系统两部 分。 1 2 内燃机车控制电路存在的问题 以继电器控制方式为基础的有触点控制电路有其自身难以避免的固有缺陷。 其逻辑控制电路中所采用的电磁式中间继电器和时间继电器属于二十世纪五六十 年代的产品。这种控制方式在工作中继电器执行机构易卡位，恢复弹簧易失效， 调整螺母易松动，防尘效果和防寒性能也不尽理想，更为严重的是，当机车速度 达到1 2 0 k m h 或更高时，由于机车振动加剧，继电器触点的振动也随之增大，使 得控制电路的误动作明显增加，并曾有因此而造成机破的记录。 有触点控制系统的常见故障有： ( 1 ) 主触头烧损、主触头的紧固件松动脱落； ( 2 ) 连锁触点烧损、变形，造成反连锁虚接断路： ( 3 ) 机械卡滞：可动部件不能正常动作，造成触点接触不良； ( 4 ) 线圈烧损：有发热迹象和异常气味，严重时，将引起对应电路自动开关 脱落； ( 5 ) 线圈断路：有电压加于线圈时，继电器或接触器不动作等。 此外，传统的布线逻辑控制方式虽然有电路结构简单、容易掌握等特点，但 继电器可靠性较差，动作速度慢，控制功能少且不能随意变更；时问继电器定时 不准确，并且对较复杂的控制方案，由于必须依靠布线逻辑去构成硬接线系统， 致使接线复杂，布线及校对工作也难免出错，同时对机车的检修和维护的工作量 也很大：电器柜体积比较大，车体内走线量既多且繁，整个控制系统重量大，不 利于机车的高速运行。此外，当机车的控制功能或过程需作修改时，布线改造或 重新布线工作量大，控制系统的通用性与灵活性较差。 随着对机车运行要求的提高及机车运行速度的提升，有触点控制电路继电器 动态故障的大量出现及自身缺陷的不断暴露，愈来愈严重地影响着内燃机车的正 常运用，而且给机车入段后的故障查找带来一定的难度。因此，及时有效地控制 机车控制电路故障，提高控制电路的可靠性己刻不容缓。 1 3 本课题研究的目的和意义 研制内燃机车逻辑控制单元( l c u ) 就是希望利用现代电力电子和微电子技 术取代内燃机车上传统的继电器和接触器有触点控制电路，用c p u 发出的指令通 过l c u 直接控制接触器等外部负载，避免目前的多级驱动，改善内燃机车的控制 性能，克服上述有触点控制电路的不足，可以简化内燃机车控制电路的设计、生 产和调试过程，大大减少外部连线，提高系统的可靠性和灵活性，实现控制系统 的通用性。逻辑控制系统的设计采用通用的模块化结构，使得今后不同的机车其 控制功能的变化只要通过软件的改变即可实现。此外，由于微处理器芯片所具有 的很强的数据处理和逻辑判断功能，使得机车有触点控制电路的故障诊断变得相 对简单。在采用逻辑控制单元后，所有负载的状态都能反馈回l c u ，因此，当电 路故障时，通过比较和逻辑判断能够很快地得知电路有故障的发生，并通过机车 网络将故障信息传送给司机室显示屏，及时地告诉司机或随车工程师，以便采取 相应的措施，从而使故障判定变得非常方便，也使得司机对机车的操作和控制变 得更加可靠和有效。 第二章d f 7 型内燃机车控制电路分析 本次无触点改造的对象是d f 7 型内燃机车。d f 7 型内燃机车的电路由主电路、 辅助电路、控制电路等组成( 如图l 所示) 。 图1d f 7 型内燃机车电路结构 主电路包括了主发电机的励磁控制电路和牵引发电机向牵引电动机供电的供 电电路，主发电机功率控制是由励磁机控制，而励磁机是由电子恒功励磁控制， 从而使功率以小控制大，以弱控制强，其控制的都是励磁电流。牵引发电机发出 的电经整流柜通过换向开关、主接触器供给六台牵引电动机，牵引电动机驱动机 车前进。 辅助电路包括滑油泵电动机、燃油泵电机、启动发电机、空压机电动机冷热 风机等。 控制电路这包括了电子控制设备及各种继电器和接触器，用来控制辅助电路 和主电路中的各种负载( 如滑油泵接触器q b c 用来控制滑油泵电动机的启动与关 闭，通过励磁接触器控制发电机的励磁电路) ，从而控制整个机车的正常工作，使 机车的操纵和运行按照一定的顺序进行，保证机车安全有效地运作。因此，控制 电路是整个机车电路的核心部分。本次设计即对d f 7 型内燃机车的控制电路中的 有触点电路进行改造。 2 1 d f 7 型内燃机车控制电路 d f 7 型内燃机车的控制电路中的有触点电路主要由接触器主令电器、各种功 能的继电器、接触器、转换开关、保护电器以及电源等主要部件组成。主令电器 有主司机控制器、辅助司机控制器、按键开关、按钮开关等：继电器有中间继电 器、时间继电器、电压继电器、电流继电器、温度继电器、压力继电器等；接触 器有电空接触器、电磁接触器等；转换开关有电源开关、故障转换开关、功能转 换开关等；保护电器有熔断器，电压控制器等；电源有直流1 1 0 v 稳压电源、蓄电 池电源等。这些电器主要是为柴油机、牵引发电机及电力传动装置服务，起控制、 保护、调节等作用。控制电路由上述各电器构成不同功能的作用环节，各作用环 节根据机车各种不同控制要求而有所不同。d f 7 型内燃机车的控制电路主要分为 以下几种功能电路： ( 1 ) 柴油机启动电路( 包括起动滑油泵电路和燃油泵电路) 柴油机启动分为启动滑油泵，启动燃油泵，柴油机启动三个步骤。柴油机启 动控制电路梯形图如图2 所示。 ii廿iiii p ii廿 卜 | in ll廿厂l i l fn 一 i | i 马旷 l j 创 u 簧 q d i ln 图2 柴油机启动控制梯形图 柴油机启动时，必须先起动滑油泵q b d 向柴油机打滑油进行预润滑，打滑油 时，闭合起动滑油泵开关a k 3 ，在j 1 线圈不得电的情况下接通起动滑油泵接触器 4 q b c 线圈电路，起动滑油泵接触器闭合，接通滑油泵电机电路q b d 。j 1 为机组保 护继电器，保证机车在安全的情况下启动和运行。当主油道末端油压未达到y k 2 的动作值3 0 0 k p a ，或冷却机油压力未达到y k l 的动作值2 5 0 k p a ，或柴油机的冷 却水温高于w j l 的动作值9 2 时，j 1 线圈失电。 当润滑油压达0 0 5 m p a ，压力继电器y 闭合，闭合燃油泵开关a k ，在j 3 不得电的情况下，燃油泵接触器r b c 吸合，燃油泵q b d 开始打燃油，向柴油机 燃油系统供油。j 3 为差示压力保护继电器，当柴油机曲轴箱内压力达到6 0 0 p a 时， j 3 得电吸合，使柴油机停机。 当润滑情况良好，燃油供给正常，柴油机及各辅助设备良好，各管系无漏泄。 此时可按启动按钮a n l ，启动接触器q c 线圈得电吸合，q c 主触头接通启动发电 机q d 电路，q d 作为串励电动机运行，带动柴油机启动。 ( 2 ) 发电电路 a 辅助发电电路：通过辅助发电励磁接触器f l c 控制电压调整器d y t q 调整 启动发电机q d 的励磁电流，使q d 发出的电压维持在1 1 0 v ，以保证机车电器可 靠地动作。 b 固定发电电路：当电压调整器出现故障时，通过固定发电电路，使启动发电 机维持发电。固定发电工况时，启动发电机q d 具有固定的励磁电流，其电压随 柴油机转速而变化。当电压调整期出现故障时，断开辅助发电开关a k 5 ，闭合固定 发电开关a k 6 ，f l c 线圈失电，固定发电励磁接触器g f c 得电吸合，启动发电机 励磁绕组通以恒定电流。 c 充电电路：蓄电池组在启动柴油机后，电能消耗较大，容量降低较多。因此， 当启动发电机电压高于蓄电池电压时，启动发电机开始经过逆流装置n l 向蓄电池 充电，同时向其它控制电路、辅助电路、照明电路供电。 d 过流保护电路：防止启动发电机故障或电压调整器失控造成电压过高或蓄 电池短路时引起充电电流过大而造成损坏。通过辅助发电过流继电器f l j 和辅助 发电过流保护中间继电器j l o 进行控制。 ( 3 ) 空压机电路 d f 7 型内燃机车是由电动机单独驱动空气压缩机。当柴油机启动后，发电机 发电，此时可闭合空压机开关a k 9 ( 1 号空压机) 或a k l 0 ( 2 号空压机) 。当总风 缸风压低于0 7 5 m p a 时，空压机自动控制电路接通，空压机开始工作，向总风缸 泵风。当总风缸风压达到0 9 0 m p a 时，空压机自动控制电路被切断，停止向总风 缸泵风。 两台空压机分别用两台直流电动机驱动，两台空压机电机电路各自独立，控 制电路有自动和手动两种工况，其启动采用两级启动方式，即一级无背压降压启 动，和二级正常运转。其目的有两个，一是空压机电机容量较大，为了限制启动 电流，加入将压电阻，二是空压机启动时所需启动力矩较大，为降低启动力矩， 加入无负荷电空阀，使空压机无背压无负荷启动。下面以l 号空压机电路为例进 行介绍。图3 为空压机启动控制梯形图。 l广 u if l广 u ：9 j 7 ii i 肚 ii ll i厂ii ii k 97 誓1 1 7 9 ll i寸十厂 l _ i i占厂y d 、1 y r c l l i i 图3 空压机启动控制梯形图 空压机电机一级启动电路：当发电正常后，闭合空压机开关a k 9 ，当总风缸 风压低于0 7 5 m p a 时，空压机进入一级启动。在空压机一级启动接触器y c l 线圈 得电的同时，时间继电器s j 2 也得电工作，开始计时，同时无负荷电空阀f 9 也得 电，把空压机泵的风经f 9 电空阀排向外界，使空压机无负荷无背压启动。 空压机二级正常运转电路：空压机一级无背压降压启动后，延时3 5 秒钟， 时间继电器s j 2 动作导通，s j 2 接通空压机二级正常运转接触器y r c l 线圈电路， y r c i 得电吸合，y r c l 主触头把降压电阻r y 短接，空压机电机开始全速运转， 向总风缸打风。 6 ( 4 ) 机车走车电路 a 机车换向电路 当机车在停稳状态下，在完成准备工作后，控制风缸风压达0 6 m p a 时，司机 控制器主手柄0 位，换向手柄置“前”或“后”位( 以前进位为例) ，闭合机控开关 a k 2 ，换向开关换向。 b 起车电路 当换向良好，主接触器吸合良好，提手柄“1 ”位，励磁接触器l c 得电吸合， 闭合电子恒功开关a k i i , 电子恒功器准各工作，提手柄“降保升”位，励磁机励磁接 触器l l c 得电吸合，开始励磁起车。 c 调速电路 调速电路是由司机控制器的主手柄控制司机控制器触点的接通与断开，从而 给无级调速驱动器w j t 信号，无级调速驱动器送出脉冲，驱动步进电机b d 转动， b d 带动柴油机调速器进行调速。 d 磁场削弱电路 磁场削弱电路的作用是使主发电机脱离限压区，使柴油机功率充分发挥以提 高机车的速度。 ( 5 ) 机车保护电路 a 主电路保护 主电路上有电传动机车主要电气设备，所以主电路上设置了主电路接地保护、 主电路过流保护、牵引电动机故障切除等保护电路。 b 滑油压力保护电路 柴油机滑动系统中滑油应保持一定的压力，才能保证柴油机各运动件的良好 润滑。滑油要有一定的油压限制，柴油机转速和功率提高时，滑油压力也应相应 提高。 c 冷却系统保护电路 为保证柴油机可靠工作，其冷却系统水温不能超过规定的限度。d f 7 内燃机 车上设有水温继电器并有风扇电路。 d 防爆保护电路 防爆保护电路又称差压保护电路。设鼍该电路的目的是使柴油机曲轴箱内的 压力在一定限度或有一定真空度( 顺差) ，当曲轴箱压力达到一定值时，为保证柴 油机安全，就要采取措施。 e 辅助发电过电压保护 当辅助发电机或固定发电时，由于某一种原因，使启动发电机q d 端电压升 高，充电电流增大，在充电电阻r c 产生降压增大，当充电电流达到8 0 安时，流 7 过f l j 线圈电流达o 5 安，从而使f l j 动作，切断辅助发电或固定发电电路，停止 发电。 ( 6 ) 其它电路 a 照明电路：由蓄电池x d c 供电，经照明转换开关w h k l 4 进行控制。 b 接地检测电路：该电路一端接在b 1 2 8 上，另一端接在b 1 2 5 处，由d d l 和d d 2 及插接件组成，用来检测控制电路和辅助电路的接地情况。 c 风笛撒砂电路：当需要鸣笛时，可按动按钮或脚踏开关，风笛中间继电器 j 8 线圈得电，j 8 吸合，j 8 正连锁接通风笛电控阀f 5 、f 6 鸣笛。当机车起动发生空转 时，可踩脚踏开关，接通撒砂中间继电器线圈j 9 电路，j 9 得电吸合，j 9 正联锁接通 撒砂电空阀f 7 、f 8 电路，撒砂。当列车非常制动时，列车管风压低于o 1 5 0 2 m p a 时，风压继电器( 6 接通j 9 撒砂，防止动轮擦伤。 2 2 无触点改造的范围和对象 根据逻辑控制单元电路的结构和原理，其所能采集的信号为机车控制电路的 直流1 1 0 v 开关量信号，所能驱动的负载电流不大于5 a 。因此，内燃机车逻辑控 制单元能够取代d f 7 型内燃机车原有控制电路中的中间继电器，时间继电器及接 触器的辅助触点。接触器中的触点包括辅助触点和主触点，主触点的额定工作电 流太大，一般在1 0 0 a 以上，逻辑控制单元的输出没有能力驱动，所以只能取代接 触器的辅助触头，取代后的接触器依然在机车的控制电路中存在，因为其线圈和 主触头还得实现其功能，而其辅助触头的逻辑功能已被完全取代。 因此，设计中逻辑控制单元对d f 7 型内燃机车控制电路进行改造主要涉及的控 制电路有柴油机启动电路，发电电路，空压机电路，起车电路，辅助发电过电压 保护电路，照明电路，信号灯电路等。以现代电力电子元件代替内燃机车上传统 的继电器有触点控制电路的信号放大、逻辑组合、逻辑联锁、信号隔离等功能。 由微处理芯片发出的控制命令通过无触点电力电子元件直接控制接触器等外部负 载，避免了多级驱动，取消了中间继电器，实现了内燃机车主要电器的直接驱动 和控制。具体所取代的继电器和接触器( 辅助触点) 名称、代号及其作用如表1 所示。 表l 取代继电器和接触器名称、代号及作用 序号代号 名称作用 保证柴油机在条件不正确的 l j 1 机组保护中间继电器 状态下不得启动 2j 2 非“0 ”位保护中间继电器保证机车不能越位起车 表1 ( 续) 序号代号名称作用 维持柴油机曲轴箱内压力在 3j 3 曲轴箱差压中间继电器 安全范围内 4j 4 机车过渡中间继电器实现磁场削弱控制 5j 7 空压机控制继电器控制空压机正端电路的通断 6j 8 风笛阀控制中间继电器控制风笛的工作状态 7j 9撒砂中间继电器 控制撒砂电空阀 8j 1 0 辅助发电限流中间继电器防止辅助发电过流 9儿l停机保护中间继电器实现机车的停机保护 在设定时间内没起机自动切 l os j l 启动限时时间继电器 断启动电机电路 1 1s j 2 风泵二级启动限时时间继电器限时二级启动，切除降压电阻 1 2s j 3 风泵二级启动限时时间继电器限时二级启动，切除降压电阻 1 3y c l 空气压缩机接触器 空压机一级降压无背压启动 短接空压机降压电阻，空压机 1 4 y r c l空气压缩机接触器 全速运转，开始打风 1 5y c 2 空气压缩机接触器空压机一级降压无背压启动 短接空压机降压电阻，空压机 1 6y r c 2空气压缩机接触器 全速运转，开始打风 接通或断开六台牵引电动机 1 7c l c 6 牵引电机主接触器 电路 1 8z c 接通电子恒功励磁，向励磁机 1 9 l l c励磁机励磁接触器 励磁 当起动时间超过1 0 s 动作，停 2 0q x c启动限时接触器 止起机 2 1r b c 燃油泵接触器接通燃油泵电机电路 2 2 q b c 启动机油泵接触器接通起动机油泵电机电路 接通电压调整器电路发电 2 3f l c 辅助发电励磁接触器 1 1 0 v 接通2 4 v 给起动发电机励磁 2 4g f c 固定发电接触器 电路 9 表l ( 续) 序号代号名称作用 用故障励磁调节器向励磁机励 2 5g l c 故障励磁接触器 磁进行调节 接通起动发电机起动绕组使起 2 6 q c 启动接触器 动发电机作为串励电动机带动 柴油机起动 2 7 h k l g ( 牵引) 工况转换开关转换机车到牵引状念 2 8 h k 2 g ( 牵引) 工况转换开关转换机车到牵引状态 2 9 x c l ，x c 2 磁场削弱接触器 3 0h k l g ( f 1 i j 动) 工况转换开关转换机车到制动状态 3 l h k 2 g ( * t j 动) 工况转换开关转换机车到制动状念 3 2 h k l f ( 前进) 方向转换开关使机车的运行方向为前进方向 3 3 h k 2 f ( 前进) 方向转换开关使机车的运行方向为前进方向 3 4 h k l f ( 后退) 方向转换开关使机车的运行方向为后退方向 3 5 h k 2 f ( 后退) 方向转换开关使机车的运行方向为后退方向 接通励磁机向牵引发电机励磁 3 6l c 励磁接触器 的电路 2 3d f 7 型内燃机车控制电路逻辑整理 2 3 1 逻辑控制梯形图 机车控制系统中的各种电器不是独立存在，单独实现其功能的，而是彼此交 叉，互相影响的，因此，要对整个控制系统进行取代必须深入了解系统中各个器 件的逻辑关系。 确定了控制电路的取代对象后，通过认真了解d f 7 型内燃机车的工作原理和 深入分析其控制电路，整理出了各种中问继电器、时间继电器和接触器正常工作 时的逻辑关系，并归纳出其逻辑控制梯形图( 见附录a ) ，为后来的逻辑控制系统 的软件化设计打下基础。 1 0 2 3 2 逻辑控制单元采集的线路信号 根据以上整理出的逻辑控制关系，以原有的d f 7 型内燃机车控制电路为依据， 即可确定出逻辑控制单元对机车进行逻辑控制时所需要的机车控制电路的线路信 号。逻辑控制单元的输入线号如表2 所示。 表2 逻辑控制单元的输入线号 序号 线号 信号意义对应状态数据宽度 l2 4 7 自动停车中间继电器t j 线圈失电得电 1 22 2 6控制风压继电器y k 3 闭合得电1 32 5 3燃油泵开关a k 4 闭合得电1 42 5 7差压开关c y 闭合 得电 1 5 2 0 1总控开关a k l 闭合 得电 l 62 6 7 过渡中间继电器j 4 负端开关a k 8 闭合得电 1 73 0 2压风继电器y k 5 闭合 得电 l 83 4 1 脚踏风笛开关j k l 闭合得电 1 93 4 2 脚踏撒砂开关j k 2 闭合得电 1 1 02 6 9辅助发电过流继电器f l j 得电 得电 l 1 12 6 2燃油泵接触器r b c 得电得电1 1 2 2 4 4 风压差动继电器f s j 得电得电1 1 33 0 5空压机开关a k 9 闭合得电1 1 43 19 空压机开关a k i o 闭合得电 1 1 5 2 0 2 司机控制器s k 的3 号触头闭合得电 1 1 62 1 6司机控制器s k 的7 号触头闭合 得电 1 1 72 8 9 电制动撒砂继电器y k 7 闭合得电 1 1 82 2 8 接地继电器d j 失电得电 1 1 92 4 2起动按钮a n l 闭合 得电 1 2 0 2 5 1 起动滑油泵开关a k 3 闭合得电 1 2 l2 6 1辅助发电开关a k 5 闭合得电l 2 22 6 5 固定发电开关a k 6 闭合 得电l 2 32 6 6故障励磁开关a k 7 闭合得电l 2 42 8 7 主接触器c 6 得电 得电1 2 52 4 8 司机控制器s k 的2 号触头闭合得电 l 2 62 9 3主接触器c l 前端得电 得电 1 表2 ( 续) 序号线号信号意义对应状态 数据宽度 2 72 9 4 主接触器c 2 前端得电得电1 2 82 9 5 主接触器c 3 前端得电得电 1 2 92 9 6 主接触器c 4i i 端得电得电 1 3 02 9 7 主接触器c 5 前端得电得电 1 3 l2 9 8 主接触器c 6 前端得电得电 l 3 22 4 9 司机控制器s k 的1 号触头闭合得电 1 3 32 5 6 起动油压继电器y k 4 闭合得电 1 3 42 9 1自负荷刀闸开关z f k 2 闭合 得电 1 3 52 0 3司机控制器s k 的4 号触头闭合 得电 1 3 67 3 2电阻制动调节器外围线路得失电l 3 77 3 l电阻制动调节器外围线路得失电1 3 86 4 励磁电路外围线路得失电1 3 97 3 5 励磁电路外围线路得失电 1 4 07 3 4 励磁电路外围线路得失电 1 4 12 5 4 燃油泵接触器r b c 前端得电得电 1 4 22 8 1 主接触器c 1 辅助触头前端连线得电得电 1 4 31 0 6励磁电路外围线路 得失电 1 4 4 空气压缩机接触器y c l 主触头闭合得电 l 4 5空气压缩机接触器y r c l 主触头闭合 得电 1 4 6空气压缩机接触器y c 2 主触头闭合得电1 4 7空气压缩机接触器y r c 2 主触头闭合 得电 1 4 8 牵引电机主接触器c 1 主触头闭合得电 1 4 9牵引电机主接触器c 2 主触头闭合 得电 1 5 0 牵引电机主接触器c 3 主触头闭合得电 1 5 1牵引电机主接触器c 4 主触头闭合 得电 1 5 2 牵引电机主接触器c 5 主触头闭合得电 1 5 3 牵引电机主接触器c 6 主触头闭合得电 1 5 4励磁机励磁接触器l l c 主触头闭合 得电 1 5 5 启动限时接触器q x c 主触头闭合 得电l 5 6 燃油泵接触器r b c 主触头闭合得电l 5 7 启动机油泵接触器q b c 主触头闭合 得电1 1 2 表2 ( 续) 序号线号 信号意义对应状态 数据宽度 5 8辅助发电励磁接触器f l c 主触头闭合得电 1 5 9固定发电接触器g f c 主触头闭合得电 1 6 0故障励磁接触器g l c 主触头闭合得电 1 6 1 启动接触器q c 主触头闭合 得电 1 6 2 励磁接触器l c 主触头闭合得电 1 6 3 磁场削弱接触器x c 主触头闭合得电 l 注：表中线号栏填一的线路为接触器的机械动作信号线，没有具体的线号。 2 4 本章小结 通过对d f 7 型内燃机车控制电路的认真学习和深入了解，首先确定了本次无 触点改造的具体对象和范围，然后根据原有控制电路整理出机车的控制逻辑，并 明确了逻辑控制单元的输入信号量及输出所带负载，为后续的设计提供了依据， 打下了基础。 第三章内燃机车逻辑控制单元的设计 在本次设计中，内燃机车逻辑控制单元以东风7 型内燃机车作为无触点改造 的对象。 3 1逻辑控制单元的设计原则 1 工作条件 工作电源电压：5 0 v 1 3 0 v 工作环境温度：2 5 一7 0 最低存放温度：4 0 工作海拔高度：不超过2 5 0 0 m 工作相对温度：不大于9 0 ，无凝结 2 技术性能 逻辑控制单元主要作用是替代有触点控制电路，实现机车的逻辑控制。其特 点为： 逻辑控制单元发出的指令直接控制接触器等外部负载，避免多次驱动； 简化电力机车有触点控制电路，减少外部连线，提高可靠性； 硬件通用，机车控制逻辑由软件实现，提高机车控制系统设计的灵活性和 通用性； 具有功能相同的两组控制系统，提高机车控制的可靠性： 具有c a n 总线通信控制器，可以与电子控制系统故障诊断装置、机车显 示屏等交换信息。 3 主要技术参数 内燃机车逻辑控制单元的输入信号主要有三类： ( 1 ) 司机控制器、按键丌关组等指令电器来的直流1 1 0 v 信号； ( 2 ) 接触器或继电器辅助触头的前端的直流1 1 0 v 信号； ( 3 ) 继电器的自锁信号，也为1 1 0 v 直流。 内燃机车逻辑控制单元输出驱动的负载形式主要有： ( 1 ) 电空接触器，电磁接触器及电空阀的线圈，负载电流为旺5 a ； ( 2 ) 各种信号指示灯，额定电压为2 4 v ； ( 3 ) 以上线圈的额定电压均为直流1 1 0 v 。 通过以上分析可知，内燃机车逻辑控制单元处理的主要是直流1 1 0 v 的开关量 信号，在实际运行中，由于电压有波动，所以逻辑控制单元实际处理的信号为 1 4 5 0 v 1 3 0 v 的直流信号。 输入信号： 逻辑“1 ”：5 0 v 一1 3 0 v 为有效逻辑“1 ” 逻辑“0 ”：o v 一5 0 v 为有效逻辑“0 ” 输出负载能力： a 类：负载为直流电压l1 0 v ，持续电流不大于0 1 a ，启动电流不大 于5 a ； b 类：负载为直流电压1 1 0 v ，持续电流不大于0 2 a ，启动电流不大 于5 a ； c 类：负载为直流电压2 4 v ，驱动电流不大于l a 。 输入通道与主控回路之间，输出通道与主控回路之间均采用隔离电路； 响应时间：任何输入至输出响应时间不大于5 0 m s ； 输出加入r c d 过压保护，防止器件被击穿。 3 2 逻辑控制单元的组成 内燃机车逻辑控制单元采用功能分离式模块化设计及4 u 机箱结构，由输入， 输出，电源，控制四种板卡组成。对于东风7 型内燃机车，使用三块输入板，每 块输入板由结构相同的3 0 路输入通道组成，用来采集机车上的1 1 0 v 直流信号： 使用三块输出板，每块输出板由结构相同的2 l 路输出通道组成，用来驱动接触器 线圈等负载。电源板采用内燃机车专用的标准化电源模块，为逻辑控制单元提供 必需的工作电压。控制板采用逻辑处理能力强，可靠性高，在工业上应用广泛的 复杂可编程逻辑阵列来完成多路输入点状态的采集、逻辑运算、延时控制、及多 路输出点状态控制等功能。同时，在控制板上还集成了基于单片机的c a n 总线控 制器，使逻辑控制单元能够方便地通过c a n 总线跟司机室显示屏等机车网络设备 进行信息的交互。 此外，为提高系统的可靠性，逻辑控制单元中加入了冗余设计，每个单元中 包含两套结构和功能完全相同的系统，每一套系统都能独立工作并实现其逻辑控 制和故障检测的功能。同一时间，逻辑控制单元中只有一套系统进行工作，另一 套系统备用，由单元上的电源转换开关在两套系统之间进行切换。整个逻辑控制 单元的结构如图4 所示。 图4 逻辑控制单元结构图 3 3 逻辑控制单元设计技术与器件选择 内燃机车逻辑控制单元取代了机车控制电路中的有触点电器，对机车的各部 分工作和运行进行控制，因此逻辑控制单元也为车载控制器的一种。针对车载控 制器的功能和工作环境，车载控制器的设计有其相应的要求和标准。 随着微机技术的发展，铁路系统的专业研究院所、高校研究机构以及机车车 辆工厂都相继推出了自己研制的车载控制器，曾经形成了一个百花齐放的局面。 但是能形成批量生产的车载控制器并不多，设备的可靠性也没能达到用户十分满 意的程度。其原因是多方面的，最主要的原因是铁路系统车载控制器设计标准和 规范的制定相对滞后，大家的设计思想不统一，各自为阵。每个单位研制的产品 都是小而全、结构相对封闭、产品之间互通性差，更难实现互换。近年来铁道部 在电子产品标准制定方面做了大量的工作，颁布了t b t 3 0 3 5 2 0 0 2 列车通信、网 络、t b t 3 0 2 1 2 0 0 1 铁道机车车辆电子装置、t b t 3 0 5 8 2 0 0 2 铁路应用、机 车车辆设备冲出和振动试验、t b t 3 0 3 4 2 0 0 2 机车车辆电气设备电磁兼容性试 验及其限值等设计、制造、试验的行业标准。为车载控制器研制、生产厂家发 挥自己的特长和优势，在统一的平台下，生产具有互通、互换能力的产品奠定了 良好的基础。 车载控制器的设计要充分考虑产品恶劣的使用环境。铁路机车车辆上大功率 电气设备较多、有触点电器多、经常有拉弧产生，会给电子产品造成较强的电磁 辐射和干扰。铁路机车车辆分布在全国各地，冬夏温差从4 0 + 4 0 ，对产品器 件的热容量和老化措施要求很高。另外机车车辆运行的振动、冲击，以及全天候 1 6 运行方式对产品的结构设计和电源设计提出了较高的要求。 目前，国际上比较成功的车载控制系统m i t r a c 和s i b a s 3 2 等均可应用于 电力机车、内燃机车、动车组及城市轻轨车辆的控制。软件开发平台使用方便、 效率高、编制的控制程序可靠性好。由于硬件的通用性，机车车辆的设计者可以 用更多的精力去研究机车的本质特性，优化控制参数，实现列车的精确、高效、 可靠的控制。因此，必须对车载控制器的软、硬件开发进行规范，实现简统化设 计。 要真正实现车载微机控制系统的简统化设计必须从软件平台开发和硬件构造 技术两方面进行深入的研究。应用微电子领域的新技术，在处理器的性能上要留 有余量，使模块有较长的生命周期。软件平台的开发要具有通用性，可用于各种 机车车辆的设计。不是用某种处理器的特定语言开发控制程序，而是采用功能块 语言或组态软件来开发控制软件。提高软件开发的效率、可靠性和可移植性。 ( 1 ) 采用高性能的处理器 随着电子技术的发展，微处理器的性能进一步提高，价格逐步下降，给模块 的控制器选择提供了良好的条件。一片含2 5 6 k f l a s h 和各种外围电路的1 6 位处理 器价格在1 0 0 2 0 0 元。一片3 2 位高性能的处理器售价也在2 0 0 5 0 0 元左右。因此， 数字量输入输出模块，模拟量输入输出模块等可选择1 6 位的处理器。而传动控 制模块、机车车辆控制模块、智能显示单元等采用3 2 位的处理器。控制系统的处 理能力直接影响机车控制的实时性。处理能力强，则控制系统的实时响应能力强， 可提高机车的整体性能，同时也保证在较长时间内模块硬件结构的稳定。 ( 2 ) 采用c p l d 等可编程器件和s o c 技术实现硬件电路 模块的通用性决定于它的可塑性。以前主要是靠固化不同的软件来实现模块 的不同功能，但不能改变模块上芯片内部的电路结构，以适应不同的控制对象。 如数字量输入输出模块输入通道数量和输出通道数量基本上是固定的，当输入通 道数量不足，而输出通道数量多余时，不能将输出通道转换成输入通道使用以满 足要求。使用c p l d 器件就能实现以上要求，同时能够将译码电路和组合逻辑电 路等烧入c p l d 器件，减少模块的元件数量，提高可靠性。 s o c 技术是近几年才发展起来的，在s o c 芯片中既包含有数字功能块还包含 有模拟量功能块。s o c 芯片中的数字功能块可以设定成计数器、各种串i l l ( u a r t ， s