劉厚文 胡易軒 左彥東

摘要

本文介紹了一種高速動(dòng)車組真空集便系統(tǒng)中的一種集中控制裝置通過(guò)動(dòng)車衛(wèi)生間內(nèi)如廁乘客的需求操作作為控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)生間污物的沖洗、排放和收集的綜合控制。本文對(duì)動(dòng)車組中轉(zhuǎn)式集便系統(tǒng)的組成和原理進(jìn)行了概括，針對(duì)動(dòng)車集便系統(tǒng)控制器的特點(diǎn)，詳細(xì)論述了控制器在硬件上的選型和設(shè)計(jì)原則;在軟件的設(shè)計(jì)上，以中轉(zhuǎn)式集便系統(tǒng)為平臺(tái)，除了保證系統(tǒng)基本的功能需求，程序內(nèi)增加了故障自檢和系統(tǒng)狀態(tài)顯示功能，提高系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性。

【關(guān)鍵詞】集便控制器 中轉(zhuǎn)式集便系統(tǒng) 故障自檢 可靠性

鐵路真空集便系統(tǒng)是保證乘車旅客旅行中方便如廁不可缺少的重要設(shè)備，系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性不但能提高旅客如廁的舒適度，更能方便售后人員對(duì)設(shè)備的維護(hù)。集便系統(tǒng)總體包括供車上用水的凈水箱，車下污水收集的污物箱和衛(wèi)生間內(nèi)的蹲坐便器、沖水組件、真空發(fā)生組件等。而整個(gè)給水衛(wèi)生系統(tǒng)的核心為集便系統(tǒng)控制器，它不但采集凈水箱、污物箱液位、加熱等狀態(tài)信號(hào)，同時(shí)檢測(cè)車上便器系統(tǒng)各個(gè)傳感器信號(hào)，驅(qū)動(dòng)各電磁閥、指示燈和繼電器等部件的工作，實(shí)現(xiàn)給水衛(wèi)生系統(tǒng)的控制。而動(dòng)車組上的集便系統(tǒng)，除了滿足最基本的功能需求外，還要具有故障自診斷、數(shù)據(jù)監(jiān)控等功能，具有更高的可靠性和可維護(hù)性。

本文以高速動(dòng)車組上的中轉(zhuǎn)式真空集便系統(tǒng)為平臺(tái)，簡(jiǎn)要概述中轉(zhuǎn)式真空集便系統(tǒng)的組成及工作原理，并根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)和需求，在硬件上，選用Stm32芯片為集便控制器的MCU控制核心，通過(guò)光耦、繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入、輸出的干擾隔離，利用液晶屏實(shí)時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)控;軟件上，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的基本沖洗循環(huán)、中轉(zhuǎn)箱排空和防凍排空等功能，并針對(duì)故障的發(fā)生設(shè)置自診斷邏輯程序，系統(tǒng)的各個(gè)狀態(tài)通過(guò)mcu與液晶屏的數(shù)據(jù)傳輸，以最直觀的方式展現(xiàn)給用戶。

1 系統(tǒng)組成及原理

1.1 系統(tǒng)參數(shù)

供電電源：110VDC+30%

電源功率：150W

控制電源：24VDC

系統(tǒng)風(fēng)壓：600～62OkPa

真空度：約-35kpa

沖水量：≤0.5L/次

沖洗循環(huán)流程：≤15S

1.2 系統(tǒng)組成及原理

中轉(zhuǎn)式真空集便系統(tǒng)組成及原理如圖1所示，該系統(tǒng)主要包含凈水箱，坐便器組成、蹲便器組成、沖水組件組成、中間箱組成、真空發(fā)生裝置、DTC控制單元和污物箱。其中：

凈水箱：用于提供系統(tǒng)水源;

坐便器組成：坐式便器，用于糞便的直接收集，直接面向用戶的裝置;

蹲便器組成：蹲式便器，用于糞便的直接收集，直接面向用戶的裝置;

沖水組件組成：主要包括盛水的罐式容器，通過(guò)向其中加正壓實(shí)現(xiàn)便器內(nèi)糞便的沖洗

中間箱組成：污物的中間收集裝置，通過(guò)真空將便盆內(nèi)的污物進(jìn)行收集，再利用正壓排空其內(nèi)的糞便至污物箱;

真空發(fā)生裝置：通過(guò)該裝置使中間箱內(nèi)產(chǎn)生真空，收集便盆內(nèi)的污物;

DTC控制單元：即集便系統(tǒng)的集中控制裝置，系統(tǒng)的核心部件，用于系統(tǒng)中各個(gè)傳感器信號(hào)和外部指令的采集，通過(guò)內(nèi)部程序的邏輯控制，實(shí)現(xiàn)外部驅(qū)動(dòng)各部件動(dòng)作的執(zhí)行;

污物箱：車上污物的最終儲(chǔ)存設(shè)備，中間箱排放污物至其中。

首先，按壓坐便器或者蹲便器的沖洗按鈕，系統(tǒng)將觸發(fā)沖洗循環(huán)動(dòng)作。以坐便器為例，按壓坐便器沖洗按鈕后，坐便器的沖洗閥打開(kāi)，完成對(duì)水增壓罐的內(nèi)部加壓，水罐內(nèi)的水在壓縮空氣的作用下進(jìn)入坐便器便盆，實(shí)現(xiàn)對(duì)便盆內(nèi)污物的沖洗;同時(shí)中間箱出口閥、坐便器排泄閥、蹲便器排泄閥關(guān)閉，中間箱入口閥打開(kāi)，真空發(fā)生器工作，使中間箱內(nèi)部形成真空，當(dāng)真空度達(dá)到設(shè)定工作值（約-35kPa）時(shí)，坐便器的排泄閥打開(kāi)，便盆內(nèi)的污物在真空的作用下被吸入到中間箱中，對(duì)水增壓罐再次加壓，完成便器的二次沖洗;最后，水箱會(huì)自動(dòng)給水增壓罐上水，以備下一次的使用，至此，坐便器的沖洗循環(huán)流程結(jié)束。蹲便器的沖洗循環(huán)動(dòng)作與坐便器的沖洗循環(huán)動(dòng)作一致。

隨著坐便器或蹲便器的多次使用，中間箱內(nèi)的污物會(huì)越來(lái)越多，當(dāng)中間箱內(nèi)的污物達(dá)到一定液位時(shí)，系統(tǒng)會(huì)執(zhí)行中間箱排空動(dòng)作。首先，中間箱的入口閥、出口閥和管夾閥關(guān)閉，先對(duì)中間箱內(nèi)加正壓，當(dāng)中間箱內(nèi)的正壓達(dá)到一定壓力時(shí)，中間箱的出口閥打開(kāi)，此時(shí)，污物在正壓的作用下被壓入到污物箱中，最后，入口閥和管夾閥再次，中間箱和污物箱又恢復(fù)到常壓狀態(tài)，系統(tǒng)待機(jī)，等待使用。

集中控制器作為系統(tǒng)的核心部件，負(fù)責(zé)便器的沖洗循環(huán)和中間箱的加壓排空等的各個(gè)動(dòng)作，因此，控制器的可靠性對(duì)整個(gè)集便系統(tǒng)而言十分的重要。

2 控制器硬件設(shè)計(jì)

該控制器的硬件電路主要分為：主控最小系統(tǒng)、輸入接口、輸出接口、通訊接口、TCMS接口和本地監(jiān)控液晶屏部分。

動(dòng)車組列車上供集便系統(tǒng)的電源為110VDC，而集便系統(tǒng)的檢測(cè)部件和驅(qū)動(dòng)電磁閥等部件所需的控制電壓為24VDC，因此，在控制器的設(shè)計(jì)中，由于系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電磁閥數(shù)量較多，因此選用功率150W，110VDC轉(zhuǎn)24VDC變壓電源，且該電源除了滿足穩(wěn)定的24VDC輸出外，外部供電110VDC在±30%的上下波動(dòng)范圍內(nèi)，不能夠影響24V的穩(wěn)定輸出，即電源要求有較好的耐電壓波動(dòng)能力。

電源模塊輸出的電壓不能直接供給STM32控制芯片，所以在輸出的24VDC后需要將其再進(jìn)行降壓、濾波的處理，最后獲得穩(wěn)定的3.3VDC用于mcu的供電。選用的液晶屏及其驅(qū)動(dòng)的供電電壓為24V，通過(guò)電源模塊變出的24VDC可直接驅(qū)動(dòng)液晶屏。在輸入檢測(cè)電路中，為避免主回路中的強(qiáng)電干擾控制回路中的弱電信號(hào)，在其電路中加入光耦隔離，實(shí)現(xiàn)電一光一電的轉(zhuǎn)化，減少外界對(duì)系統(tǒng)的干擾，提高單片機(jī)對(duì)輸入信號(hào)的可靠采集。輸出的驅(qū)動(dòng)電路采用三極管驅(qū)動(dòng)繼電器的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)外設(shè)電磁閥的控制。硬件的接口框圖，如圖2所示。

2.1 MCU最小系統(tǒng)

本控制器采用STM32F103ZET6芯片為MCU，由于該控制芯片內(nèi)的配置強(qiáng)大，包括64KB SRAM、512KB FLASH、5個(gè)串口、1個(gè)CAN等豐富資源，其112個(gè)通用10口是本文選擇該芯片的關(guān)鍵，由于集便系統(tǒng)的控制輸入和輸出較多，不但需要采集各個(gè)開(kāi)關(guān)、液位等傳感器輸入信號(hào)，還要控制各個(gè)電磁閥、指示燈和繼電器等驅(qū)動(dòng)元件的動(dòng)作，而本文選擇的STM32F103ZET6芯片充分滿足系統(tǒng)多輸入多輸出的需求。

mcu的最小系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)程序運(yùn)行的最小配置，至少包括電源供電，晶振驅(qū)動(dòng)，復(fù)位電路這幾部分。根據(jù)系統(tǒng)的多輸入、多輸出及通訊需求，設(shè)置32路DI，32路DO，程序下載口，通訊口等。外界輸入信號(hào)通過(guò)輸入檢測(cè)電路傳輸?shù)組CU的DI口，MCU內(nèi)部通過(guò)對(duì)輸入信號(hào)的識(shí)別和處理，將輸出信號(hào)通過(guò)DO口傳送到輸出電路。MCU最小系統(tǒng)如圖3所示。

2.2 輸入電路

輸入10采用TLP2804光耦芯片，通過(guò)光電隔離，消除外界輸入的干擾，一塊TLP2804光耦包括四路輸入和四路輸出，根據(jù)本系統(tǒng)需求，使用8塊該芯片，其中接入控制器的輸入信號(hào)包括凈水箱液位、污物箱液位、沖洗按鈕、壓力開(kāi)關(guān)、真空開(kāi)關(guān)等，輸出傳感器均以O(shè)V為公共端，當(dāng)有液位或開(kāi)關(guān)閉合，公共端的OV信號(hào)通過(guò)輸入電路的IO口經(jīng)過(guò)光耦隔離后，將信號(hào)傳送到MCU的DI端。由于光耦在6mA的電流時(shí)就能夠觸發(fā)其動(dòng)作，同時(shí)控制輸入電壓為24VDC，因此在光耦的輸入端選擇4.3k左右的電阻，用于驅(qū)動(dòng)光耦信號(hào)傳輸?shù)組CU中，輸入檢測(cè)電路如圖4所示。

2.3 輸出電路

系統(tǒng)輸出為繼電器輸出，系統(tǒng)輸出采用NPN三極管驅(qū)動(dòng)BF46繼電器，為減少線圈斷電所產(chǎn)生的反向感應(yīng)電壓的影響，在繼電器線圈處加入BAV70二極管用作續(xù)流，系統(tǒng)包括32路繼電器驅(qū)動(dòng)電路。MCU處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)DO口輸出，通過(guò)三極管的放大，驅(qū)動(dòng)繼電器的線圈，使觸點(diǎn)開(kāi)啟或關(guān)閉，繼電器觸點(diǎn)的公共端為OVDC，即有效輸出信號(hào)為0V，當(dāng)各個(gè)輸出部件公共端接入24V高電平時(shí)，通過(guò)有效輸出信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)排泄電磁閥、沖洗電磁閥、加壓電磁閥、上水電磁閥、指示燈等元器件的工作和停止，同時(shí)從32路繼電器中取出八個(gè)干觸點(diǎn)，作為TCMS的開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào)。外設(shè)驅(qū)動(dòng)輸出電路如圖5所示。

2.4 其它電路

除上述控制MCU的選擇和輸入、輸出電路外，其它的變壓、濾波和通訊等電路均為常規(guī)的電路設(shè)計(jì)。串口選擇MAX3232芯片作為通訊，變壓芯片選用VRB2405YMD-10WR3和ASM1117。在液晶屏的選擇上，具有至少640X480的分辨率和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，通過(guò)Modbus通訊協(xié)議完成MCU與液晶屏驅(qū)動(dòng)控制器的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)液晶屏實(shí)時(shí)顯示的效果。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的程序主要完成集便系統(tǒng)的控制，當(dāng)系統(tǒng)外界條件滿足，即風(fēng)壓、水源充足時(shí)，系統(tǒng)上電后，控制器便執(zhí)行內(nèi)部程序。

根據(jù)系統(tǒng)的組成和工作原理，系統(tǒng)軟件對(duì)各部件的合理控制能夠提高系統(tǒng)的工作效率，且系統(tǒng)提供到各部件的風(fēng)壓不同，在軟件的設(shè)計(jì)上，一些參數(shù)的設(shè)置也不同。系統(tǒng)的風(fēng)壓會(huì)影響到噴射器的抽真空和中間箱加壓的效率，水罐風(fēng)壓的大小影響到便盆內(nèi)污物的沖洗效果和沖水量的大小。風(fēng)壓越高，便盆的沖洗效果越好，系統(tǒng)抽真空和加壓的時(shí)間也就越短，但是，部件的使用壽命也會(huì)受到影響，而且，高風(fēng)壓會(huì)導(dǎo)致沖水量增多，造成有限水源的浪費(fèi)。根據(jù)系統(tǒng)沖水量和外界風(fēng)壓的要求，系統(tǒng)沖水電磁閥一次和二次打開(kāi)的時(shí)間總和小于1.5s，在系統(tǒng)最大620kPa的風(fēng)壓下，沖水閥打開(kāi)1.5s時(shí)，出水量小于0.5L;軟件在各個(gè)部件的連續(xù)控制上，驅(qū)動(dòng)部件動(dòng)作的延遲時(shí)間不大于2s，使各部件的動(dòng)作銜接緊湊，從而減小沖洗循環(huán)的時(shí)間，保證巧s以內(nèi)能夠完成一次沖洗循環(huán)流程。

在程序的設(shè)計(jì)上，主要包括初始化程序，主程序和子程序。

3.1 初始化程序

當(dāng)系統(tǒng)上電或復(fù)位后，執(zhí)行初始化程序，即將系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)變量狀態(tài)清零。

3.2 主程序

初始化程序完成后，系統(tǒng)開(kāi)始執(zhí)行主程序，主程序中，通過(guò)對(duì)沖洗按鈕信號(hào)，中間箱液位信號(hào)、污物箱、凈水箱液位等信號(hào)的檢測(cè)，來(lái)調(diào)用相應(yīng)的子程序。

3.3 子程序

子程包括坐便器沖洗循環(huán)流程、蹲便器沖洗循環(huán)流程、中間箱加壓排空流程、系統(tǒng)狀態(tài)檢測(cè)及顯示流程、故障自檢及顯示流程、防凍排空流程。

坐便器沖洗循環(huán)流程：通過(guò)按壓坐便沖洗按鈕后觸發(fā)。當(dāng)MCU檢測(cè)到坐便沖洗按鈕信號(hào)觸發(fā)，且其他流程不在執(zhí)行或等待其他流程執(zhí)行完成后時(shí)，程序會(huì)控制沖水閥、噴射器、排泄閥等的動(dòng)作，完成坐便器沖洗循環(huán)流程。

蹲便器沖洗循環(huán)流程：通過(guò)按壓蹲便沖洗按鈕后觸發(fā)。當(dāng)MCU檢測(cè)到蹲便沖洗按鈕信號(hào)觸發(fā)，且其他流程不在執(zhí)行或等待其他流程執(zhí)行完成后時(shí)，程序會(huì)控制沖水閥、噴射器、排泄閥等的動(dòng)作，完成蹲便器沖洗循環(huán)流程。

中間箱加壓排空流程：通過(guò)中間箱液位信號(hào)觸發(fā)或坐便器和蹲便器累計(jì)排空六次后觸發(fā)。當(dāng)MCU檢測(cè)到觸發(fā)信號(hào)后，且其他流程不在執(zhí)行或等待其他流程執(zhí)行完成后，程序會(huì)控制入口閥、出口閥、管夾閥等的動(dòng)作，完成中間箱加壓排空流程。當(dāng)中間箱液位失靈時(shí)，便器累計(jì)排空六次后觸發(fā)中間箱排空流程依然使系統(tǒng)能夠正常工作，從而可以提高系統(tǒng)的可靠性。

狀態(tài)檢測(cè)及顯示流程：系統(tǒng)時(shí)刻對(duì)凈水箱和污物箱的液位信號(hào)，系統(tǒng)風(fēng)壓，中間箱壓力進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)液晶屏以代碼和代碼描述的方式將狀態(tài)信息反饋給用戶。對(duì)于凈水箱空、污物箱滿、系統(tǒng)風(fēng)壓不足或中間箱壓力過(guò)高等影響系統(tǒng)正常工作的信號(hào)被檢測(cè)到時(shí)，程序控制系統(tǒng)禁止使用。

故障自檢及顯示流程：當(dāng)程序執(zhí)行到主程序后，會(huì)時(shí)刻檢測(cè)系統(tǒng)的各部件功能是否正常，在執(zhí)行完便器沖洗循環(huán)或中間箱加壓排空流程后，程序會(huì)對(duì)執(zhí)行動(dòng)作過(guò)程中的各個(gè)部件進(jìn)行檢測(cè)，若檢測(cè)到異常信號(hào)出現(xiàn)，則程序內(nèi)部認(rèn)為可能有故障，之后系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行故障自檢程序，自檢程序執(zhí)行后若故障未消除，則停止系統(tǒng)工作，發(fā)送故障代碼到液晶屏顯示，由液晶屏顯示故障原因。若自檢后故障消除，則認(rèn)為該故障沒(méi)有發(fā)生，比如管路堵塞或排泄閥卡滯導(dǎo)致的臨時(shí)性可消除故障，通過(guò)故障自檢排查，故障自行消失后，程序判斷沒(méi)有故障發(fā)生，系統(tǒng)仍可繼續(xù)使用。

防凍排空流程：當(dāng)防凍排空信號(hào)觸發(fā)時(shí)，系統(tǒng)程序使坐便沖洗循環(huán)流程和蹲便沖洗循環(huán)流程交替執(zhí)行三次，之后中間箱加壓排空流程再執(zhí)行三次。

3.4 程序優(yōu)先級(jí)

如圖6所示，由于主程序包含多個(gè)子程序部分，其中坐便器沖洗循環(huán)流程、蹲便器沖洗循環(huán)流程、中間箱加壓排空流程不能同時(shí)執(zhí)行，因此，當(dāng)這三個(gè)流程的觸發(fā)條件同時(shí)具備時(shí)，按照以下的順序執(zhí)行，并且當(dāng)某一流程正在執(zhí)行時(shí)，其他流程處于等待狀態(tài)，當(dāng)正在執(zhí)行的流程完成后，下一個(gè)流程開(kāi)始執(zhí)行。

（1）中間箱加壓排空;

（2）蹲便器沖洗循環(huán);

（3）坐便器沖洗循環(huán)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文闡述了高速動(dòng)車組中轉(zhuǎn)式真空集便系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)及工作原理，針對(duì)系統(tǒng)的特點(diǎn)選擇STM32單片機(jī)芯片作為系統(tǒng)控制器的核心，利用芯片的功能及外圍輸入、輸出電路，通過(guò)內(nèi)部程序的運(yùn)算和邏輯處理，完成對(duì)系統(tǒng)各信息的采集和控制部件的驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組集便系統(tǒng)的基本功能需求;內(nèi)部的自檢程序更加提高了集便系統(tǒng)的可靠性;液晶屏顯示系統(tǒng)的狀態(tài)和各個(gè)故障信息提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性。

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