机车微机控制系统概述

第六章机车微机控制系统

第一节机车微机控制系统概述

一、微机控制系统的基本概念和特点

微机控制系统一般都具有三个要素，即控制对象、信息处理机构、执行机构控制目标；信息处理机构将目标值和实际情况进行比较、运算，给执行机构控制对象出动作指令；执行机构根据接收到的动作指令进行调节，以求达到或尽员接近控制目标。图6一1所示为控制系统示意图。

控制系统有开环控制和闭环控制之分。在开环控制中，输出信号不反馈到信息处理机构；在闭环控制中，信息处理机构是根据给定目标与输出反馈信号的差值来进行控制的。毫无疑问，闭环控制比开环控制易于稳定并具有较高的精度。

一个复杂的控制系统可以由多个闭环系统组合而成，如速度环、电流环、电压环等。例如，55型电力机车微机控制系统，不论是在正常工况下还是在故障工况下，都采用闭环控制，由系统自动调节，从而减轻了司机的劳动强度，简化了司机的操作程序。

在电力机车上，微机的控制目标主要是电机电枢电流和机车速度，信息处理机构是微型计算机，执行机构是晶闸管变流装置。即微机根据司机给定的手柄级位以及实际机车速度来调节晶闸管的触发角，从而使机车稳定运行在司机希望的工况。

我国558型电力机车是国产电力机车中首次采用微机控制的车型。以往的机车都采用模拟控制，如553、554改和55：型机车等，它们都是采用以运算放大器为基础的模拟控制方式。随着电力电子技术、半导体集成技术的发展和控制要求的提高，用微机控制来取代模拟控制是牵引动力技术发展的必由之路，它标志着机车控制技术水平上升到了新阶段。与膜拟控制相比，微机控制有以下特点：

(l）微机控制系统不仅需要有硬件，而且必须有软件，而模拟控制中左右硬件。硬件是指各种能完成一定功能的电子插件，是看得见摸得着的。软件是指为实现一定功能而*制的程序，它通常存储在断电也能保存的器件（如 EPROM、ROM）中，是一串由0和1构成的代码。软件又分系统软件和应用软件。对用户来讲，主要是根据需要编制应用软件。

（2）微机控制系统的硬件是通用的，它不是针对某个特定任务设计的。例如，我们现在使用的微机控制硬件就能在所有交直传动车上使用，尽管有些功能可能在某种车型上并不需要。因此，微机控制的优点就是通用，易于从一种车型移植推广到另一种车型，而且易于适应设计过程中新增加的控制功能要求。而模拟控制的电路有一定的针对性，不同的车型不能互相通用。

（3）微机控制具有灵活可变的软件，对于不同机车的不同的控制功能要求，可用改变软件的方法来实现。在研发过程中，对于设计，调试过程中新提出的问题可以通过修改，增加一段程序的方法来解决，一般不必改动硬件。而在模拟控制中，没增加一个功能都必须通过增加相应的电路来实现，功能越多，则硬件电路越多，也越复杂。有些控制功能用硬件来实现电路比较复杂，如果用软件来是实现则只是增加一段相应的程序。因此，在微机控制中，有时用软件来实现一些硬件难于实现的功能。例如，多段折线的函数发生器，空转保护中的速度差，加速度，加速度的变化率，轮径修正及减流曲线等，用软件实现既方便快

(4）在微机控制中，只有输入、输出部分与模拟控制相似，中间数学运算、逻辑判断过程全部为数字量运算。微机控制系统所有输入的模拟信号，经过信号调整，再经模／数转换变成数字量送入中央处理器CPU处理；模拟量输出是由CPU送出的数字量，经数／模转换得到的。数字量本身不受环境温度影响，因而微机控制系统对环境温度敏感性小，亦即在各种环境条件下所得数据分散性较小，重现性好，机车控制性能非常稳定。

（5）采用微机控制后，一方面器件集成度提高，另一方面大量的控制功能由软件实现。只要微机CPU正常工作，软件执行就不会出错。而在模拟控制中，任何一个电路环节、元器件的故障都可能导致输出的错误，所以采用微机控制可以提高控制系统的可靠性。

（6）微机控制系统具有记忆功能，而模拟控制系统则没有。微机控制系统可以储存大量信息以及对某些特定时刻的信息进行逻辑判断，实现复杂的控制；可以进行自检、故障检索和故障监控等，具有新能的特点，这是模拟控制系统无法做到的。

（7）微机的工作是按一定的节拍、一定的时序，有条不紊地进行的。每个cpu都存有自己的品量，产生几MHz的固定频率，再经分频率到cpu的主振频率，它直接影响cpu工作的温度，同一型号的cpu可以有不同的主振频率，代表了不同的运算速度。

如上所述，微机控制系统的优点可以概括为：通用性、灵活性、重现性、可靠性和智能性

二、机车微机控制系统的特点

电力机车微机控制系统是一个多CPU级实时控制系统。一般采用三级分级结构，级间通讯采用RS-485标准，CPU为8031。

（1）人-机对话级：CPU为80486，采用C语言编程以便提高屏幕响应速度。实现人-机对话功能，如时钟调整，累计参数设置、轮径修正、监控信号的选取、故障记录查询及自检项的选择和各种工况参数、自检结果及参数的显示等。

（2）机车特性控制级：CPU为80C186，采用FUPLA功能块语言编程，以提高编程效率和程序的可靠性，便于以程序段的形式移植到其他类型的机车上。（3）变流控制级：CPU为80C196，采用汇编语言编程，以满足晶闸管快速实时控制的需要，担负晶闸管发出脉冲控制。

综合来说，机车微机控制系统有如下特点：

（1）通用性强。硬件基本通用，依靠软件的灵活性来满足不同车型不同的控制要求。

（2）可靠性高。数字控制，使用冗余设计技术。

（3）自动化程度高。充分利用计算机的逻辑判断功能，部分代替司机的工作。

（4）容易实现重联控制。利用网络通信技术，满足机车不同编组方式控制要求。

（5）功能强。除牵引、制动控制功能外，容易实现自动过电分相、保护和空电联合制动等功能。

（6）故障诊断和记录功能。能实现机车出库前的检查诊断，运行中随机诊断并记录各种传感信号，故障发生时能保存故障发生前后所有模拟量和数字量的数据；机车回库后可进行故障原因分析，记录数据中心也包括当时的运行速度和司机手柄级位，对判断误操作提供了确凿的依据。

（7）便于移植和推广。采用FUPLA功能块语言编程，便于修改和调节。

国外机车微机控制系统的功能大部分与国产机车微机控制系统相同，但其自动化程度更高，尤其是在实时故障诊断与记录方面。

三、国内外机车微机控制系统的发展概况

1．国外机车微机控制系统的发展概况

先进工业化国家应用微型计算机控制铁路电力机车已有许多成功的例子。SIEMENS公司早在1983年起就推出了以16位微处理器（最先为Intel8086，后改为Intel80186）为中心的通用型机车微机控制系统―SIBAS一16系统（西门子铁路自动化系统），该系统采用通用型模块式结构设计，利用总线将各模块连接起来。根据模块的不同组合及软件系统的编程，使控制系统能适应各种不同的机车（内燃机车／动车组，电力机车／动车组、地铁、轻轨动车组等）,可完成对主电路的斩波控制，交直流传动机车的整流、逆变控制，交流传动时的变频控制及机车故障监控、列车自动控制，乘客信息服务等多种功能。

SIBAS一16的动力传动控制装置，其任务重点在于对驱动装置的控制和调节，故对中央控制装置重点在于逻辑处理（其逻辑控制单元利用功率模块，可直接驱动接触器）取代大量的继电器逻辑电路，并以分散的智能外围装置单元sIBAS一KuP站来减少机车动车的布线。SIBAS一KLIP站是从可编程控制器发展而来的，由于它结构非常坚固耐用，故它可以安装在机车内的任何位置。SIBAS一KLIP站通过屏蔽双绞线串行通信与机车计算机控制系统的主机连接，收集周围设备的信息并传送给主机，又从主机接收命令来控制周围的设备，从而达到减少机车动车布线的目的。由于SIBAS一16微机控制系统能实现机车上几乎所有的控制功能，故得到了十分广泛的应用。国铁S252型电力机车（由德国Krauss一Maffer公司生产）及我国上海地铁动车均采用SIBAS一16系统。

在1992年的奥地利格拉茨国际现代机车车辆会议上，SIEMENS公司又正式向外推出了代表未来机车控制系统发展趋势的SIBAS-32机车微机控制系统，该系统已经正式用于机车试验。SIBAS-32系统实际上是一种完成机车动车几乎所有控制和监控任务的微机自动控制系统，主机采用32位的intel 80386作为CPU，它通过标准接口和专用外围组件可与任意控制过程相连接·sIBAs一32系统除了能完成原sIBAs-16系统的各种功能外，由于其计算容量比sIBAs一16高出约80倍，故sIBAs一32能承担更多的实时控制任务，如磁场定向调节、最优化控制、防空转、防滑控制等，并且能进行设备故障智能诊断。sIBAs-32系统已应用在号称“欧洲短跑选手’(Eurosprinter）的DB铁路127001一6号电力机车上。

此外，国外还有许多其它机车微机控制系统，例如，ABB公司的MlcAs系统，德国Krauss-Maffer公司的K一MICRo系统及由此发展起来的KD一DlREKT微机控制系统等，都应用得很广泛。ABB公司的MlcAs牵引控制系统，采用并明确提出了“分级控制”的思想，将MICAS系统分为三级：列车控制级、机车车辆控制级与驱动控制级．我国从法国进口的SK机车中的135、136号机车即采用了ABB公司的MlcAs控制系统取代机车的电子控制装置，机车控制级采用80186作cPu，负责机车控制、监视、故障诊断及与驱动级的数据交换等，开发了FU一PLA工具软件，方便工程技术人员使用；驱动控制级采用16位单片微机8097并采用汇编语言编程以保证执行速度。新研制的MlcAs一52系统已应用于标志现代科学技术水平的瑞士联邦铁路交流传动LoKZ000Re4/4460型机车上，MlcAs一s2系统中的驱动级与机车控制级之间的数据交换通过由光纤导体组成的标准机车串行数据总线（多功能机车总线MvB）完成，同样MIcAs一52系统包含有诊断装置，能检测出故障，确定运行状态，并将数据显示在司控台。当出现突发事件或误操作时会给出故障的信息，专家系统会建议司机应该怎样操作方能使机车继续运行。

6K型电力机车是我国从日本进口的，是最早批量应用微机控制的电力机车，其微机控制系统由两个结构完全相同的PHAI一16微机控制箱和两组司机台和副机台、故障显示器等组成。每个PHAI一16包含有两个16位的8086一CPU和两个8位的8085一CPU。8086用于计算机车控制特性、晶闸管触发、故障逻辑判断及产生相应的保护驱动信号，8085则用于故障信息的传输与记录。总之，计算机控制是电力机车控制技术的发展方向。

2．国产交直传动机车控制系统的发展概况

国产交直传动电力机车控制系统的发展经历了如下历程：

(l）有接点控制―SS1型电力机车。

(2）模拟控制―SS3型、SS4型电力机车。

（3）微机控制—SS8、SS4B、TM1、SS9、DDJ1、春城号动车组、SS7D、SS7E等车型。

国产交直传动电力机车的微机控制从1987年开始研究，1991年底装于SS4型0038号机车试运行，1993年底通过部级技术审查，19％年底通过部级鉴定，1997年开始批量生产，并推广到各型新研制的交直传动电力机车上。

国产电力机车的微机控制是在消化吸收SK机车（l47、148号车）的MlcAs系统、6K机车的PHAI一16微机控制系统两种车型的微机控制技术后，决定硬件以SK型机车为蓝本，吸收6K型机车的故障诊断技术和DF‘型内坪坪车少的显示模式，自行开发故障诊断和显示功能。在参考及消化引进国外先进技术的基础上，国产5540038号微机控制的电力机车于20年代初研制成功并接受了运用考核。随后555、559、557。、557。型微机控制的准高速、也已投入运行。我国“和谐”型交流传动机车的微机控制系统更加先进和完善，功能更加强大。