侯 艷，張 武

(1.西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 牽引動力系，陜西 西安 710014；2.西安科技大學(xué) 機械工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

電力機車的空氣管路系統(tǒng)按其功能分為風(fēng)源系統(tǒng)、制動機氣路系統(tǒng)、控制氣路系統(tǒng)和輔助氣路系統(tǒng)四大部分，該系統(tǒng)的性能好壞直接影響到機車的整個運行狀態(tài)和行車安全[1]。

眾所周知，空氣中通常含有水蒸氣，一般情況下，濕空氣中的水蒸氣都處于過熱狀態(tài)，并呈不飽和狀態(tài)。如對濕空氣進行壓縮或溫度發(fā)生改變時，空氣中的水蒸氣將會超出飽和限度，凝結(jié)成水分。

當壓縮空氣中含有過量的水分時，一方面，會加劇管道及閥類部件的腐蝕和銹蝕，減少其壽命，縮短檢修周期，增大檢修勞動量及成本，降低鐵路運輸效率；另一方面，可能產(chǎn)生凝結(jié)，造成空氣管路系統(tǒng)堵塞，導(dǎo)致系統(tǒng)失靈，甚至引發(fā)行車事故。因此，電力機車空氣管路系統(tǒng)防凍結(jié)措施對保障整個系統(tǒng)的正常運行及列車的行車安全具有重要的作用[2-3]。

從20世紀80年代開始，我國開始在機車車輛空氣管路系統(tǒng)中加裝空氣干燥器，用以吸收壓縮空氣中的水分。采用該方法獲得了一些明顯的效果，但在環(huán)境溫度較高的夏季及較低的冬季，均不同程度地出現(xiàn)了壓縮空氣干燥效果較差的現(xiàn)象，如福州段SS4改型電力機車夏季出現(xiàn)過不同程度的總風(fēng)缸積水，沈陽段SS9型電力機車在冬季出現(xiàn)過不同程度的干燥器前管路凍結(jié)而堵塞的嚴重事故。

防止電力機車空氣管路系統(tǒng)水分凝結(jié)的措施主要有[4]：1)管路材料選用抗銹蝕性能高的不銹鋼或鋁合金材料，或?qū)ζ渌馁|(zhì)的管路進行鍍鎳等防銹蝕處理；2)盡量減少壓縮機的一次性工作時間，防止干燥器性能隨時間的增加而下降；3)冬季運行時加裝溫度加熱系統(tǒng)。本文針對冬季需增設(shè)加熱系統(tǒng)這一方案，提出了一種基于單片機的溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)控制精度高，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，安裝方便，可以適應(yīng)電力機車的運行需要。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用了以單片機STC12C5A60S2為控制核心，以PWM控制MOSFET28N05L為前饋通道，以熱電偶PT100為反饋通道，以VB為環(huán)境開發(fā)的人機界面，實現(xiàn)了對加熱裝置溫度的閉環(huán)控制[5]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意圖

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如下。

1)控制部分。系統(tǒng)控制器采用ATMEL公司的STC12C5A60S2單片機。該單片機算術(shù)運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且具有功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點。

2)測溫部分。利用熱電阻傳感器作為感溫元件，熱電阻隨溫度變化而變化，用儀表測量出熱電阻的阻值變化，從而得到與電阻值相應(yīng)的溫度值。常用的是鉑電阻傳感器，鉑電阻在氧化介質(zhì)中，甚至在高溫的條件下，其物理、化學(xué)性質(zhì)不變。由鉑電阻阻值的變化經(jīng)電橋放大運放處理，送到單片機內(nèi)置A-D轉(zhuǎn)換器模塊中，即將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。該方案線性度優(yōu)于0.01%。

3)加熱裝置。采用可控硅MOSFET28N05L來控制加熱器有效功率。將PWM波加在晶閘管上，以其周期性的通斷來控制加熱回路的強電，從而保證系統(tǒng)具有良好的控制精度。該方案加熱電路稍復(fù)雜，由于加熱功率不高，可采用直流加熱，故將加熱裝置設(shè)定為功率電阻。采用該方案可以實現(xiàn)功率的連續(xù)調(diào)節(jié)，并且響應(yīng)速度快，控制精度高。

4)上位機輸入輸出。為了方便調(diào)試，采用VB設(shè)計了上位機界面，串口負責(zé)上位機與單片機通信。界面靈活性高，人性化。

1.2 系統(tǒng)核心處理策略

控制算法采用對PID算法裁剪后的PD算法，適用于大滯后環(huán)節(jié)。在信號處理方面，熱電阻阻值經(jīng)過零點補償和兩級運放，最后濾波得到理想的模擬量進入到A-D轉(zhuǎn)換器模塊，得到數(shù)字量信號后，在軟件上進行數(shù)字濾波和均值處理。

1.3 系統(tǒng)軟硬件功能劃分

微控制器為整個系統(tǒng)的核心，完成數(shù)據(jù)的采集、控制以及輸出，并完成和上位機的通信。PT100所搭的電阻橋作為溫度測量部分，采集實時溫度，28N05L作為功率放大器驅(qū)動功率電阻。軟件部分由系統(tǒng)初始化、溫度采集、參數(shù)計算、控制輸出、溫度顯示和上位機通信等功能子函數(shù)構(gòu)成。

1.4 系統(tǒng)特點

該系統(tǒng)具有如下特點：1)采用單片機作為核心處理器，硬件簡單便宜便于實現(xiàn)，單片機預(yù)留串口便于以后擴展；2)部分數(shù)據(jù)處理通過軟件完成，大大減少了處理器的運算量，提高了系統(tǒng)的處理速度；3)用VB環(huán)境開發(fā)的人機交互界面友好，方便調(diào)試，基于上位機平臺，可以方便地進行數(shù)據(jù)記錄存儲、繪制曲線及網(wǎng)絡(luò)通信，同時下位機的自由口通信可用于PLC、觸摸屏和組態(tài)網(wǎng)絡(luò)等工業(yè)級控制系統(tǒng)掛接。

1.5 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件流程圖

2 性能測試

性能測試步驟如下：上位機設(shè)定合理溫度后，開始加熱；上位機通過VB界面，將溫度數(shù)據(jù)寫入文件，直到系統(tǒng)達到設(shè)定的溫度并穩(wěn)定后，對功率電阻進行短暫的風(fēng)扇冷卻，同時開始記錄溫度變化曲線，直到系統(tǒng)再次到達設(shè)定值后停止記錄，試驗結(jié)束。

性能測試圖如圖3所示。由圖3a可見，系統(tǒng)加熱達到了設(shè)定的溫度，并出現(xiàn)了第1個超調(diào)峰值。由圖3b可知，系統(tǒng)溫度穩(wěn)定在設(shè)定值附近，并出現(xiàn)了細微的誤差波動，當施加一個擾動后出現(xiàn)了一個溫度降，隨即系統(tǒng)能迅速恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，可見系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能結(jié)果符合預(yù)期的要求。

圖3 性能測試圖

3 結(jié)語

本系統(tǒng)以單片機STC12C5A16S2芯片為核心部件，實現(xiàn)了對當前溫度實時顯示并進行控制，使其達到需要的溫度，并恒定在這一溫度的功能。由以上的測量結(jié)果可見，系統(tǒng)性能可以滿足電力機車的空氣管路解凍的要求，并且具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點。