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1、基于PPC、PLC及现场总线铁路大型养路机械电气控制系统基于PPC、PLC及现场总线铁路大型养路机械电气控制系统网络导语：可编程逻辑控制器(PLCProgrammableLogicController)，简称可编程控制器，它是以微处理器为根底，综合了计算机技术、通讯技术和自动控制技术开展而来的一种新型工业控制装置。1引言可编程逻辑控制器ProgrammableLogicController)，简称可编程控制器，它是以微处理器为根底，综合了计算机技术、通讯技术和自动控制技术开展而来的一种新型工业控制装置。它问世于20世纪60年代，到如今仍保持旺盛的开展势头。它具有体积小、功能丰富、配置灵敏、适应
2、恶劣环境、抗干扰性强、可靠性高、编程方便、价格廉价等优点，广泛用于电力、机械、冶金、化工、轻纺等各个工业经过自动控制中。它不仅可以取代传统的继电器控制系统，还可构成复杂的经过控制网络。现场总线技术是20世纪80年代后期开展起来的，它是目前自动化领域中的一个热门，是新一代控制系统的开展方向，它综合了数字通讯技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段，从根本上打破了传统的“点对点式的模拟信号或者数字模拟信号控制的局限性，构成一种全分散、全数字化、多变量、多节点的通讯与控制系统。现场总线那么是连接现场智能设备和自动化控制设备的数字式、双向传输、多分支构造的通讯网络，其根底是数字
3、智能现场装置。分散在各个现场的数字智能现场装置通过现场总线连为一体，并与控制室中的控制器和监视器一起构成现场总线控制系统(FCSFieldbusControlSystem)。现场总线技术实际上是采用串行数据传输和连接方式代替传统的并联信号传输和连接方式的方法，它依次实现了控制层和现场总线设备层之间的数据传输，同时在保证传输实时性的情况下实现信息的可靠性和开放性。一般的现场总线具有以下几个特点：(1)布线简单;(2)开放性;(3)实时性;(4)可靠性;(5)高效诊断;(6)硬件灵敏。目前，国际上各种各样的现场总线有很多种，统一的国际标准尚未建立。其中有较强实力和影响的有：FF(Foundatio
4、nFieldbus基金会现场总线)、HART(HighwayAddressableRemoteTransducer)、CAN(ControllerAreaNetwork控制器局域网)、Profibus(ProcessFieldBus经过现场总线)、INTERBUS、LonWorks(LocalOperatingNetwork部分操纵网络)、WorldFIP、MODBus、DeviceNet、ControlNet、ASi(ActuatorSensorInterface执行器传感器接口)等。基于PPC工业计算机、PLC及现场总线的电气控制系统在工业自动化领域，如冶金、电力、石化、矿山、水泥、水处理
5、、乳品饮料、啤酒罐装、烟草加工、机械装配、产品包装等已得到广泛的应用，但是在铁路大型养路机械电气控制系统中还没有广泛应用。本文根据铁路大型养路机械控制系统的特点，提出一种基于PPC工业计算机、PLC及INTERBUS现场总线的铁路大型养路机械电气控制系统的设计方案。2现状养路机械化是实现铁路维修养护当代化、保证铁路不连续运输和行车平安的重要技术手段。为适应铁路快速、重载以及轨道构造重型化的技术开展要求，兴旺国家铁路相继采用大型养路机械进展铁道路路维护，到上世纪80年代末，已根本形成以大型养路机械为主要作业手段的格局。而此时，我国还在依靠手工、小型机械和非标准自制设备进展线路维护，作业质量差、效
6、率低，十分是在繁忙干线，线路维护与运营的矛盾尤其突出。上世纪80年代初期，我国从奥地利普拉塞陶依尔公司引进了先进的大型养路机械制造技术，确立了大型养路机械的开展采取“技术引进消化、吸收国产化消费开发、创新的途径。通过20多年的引进技术和国产化消费，我们学习了国外大型养路机械的先进技术，更新了传统的设计观念，拓宽了开发思路，增强了开发具有自主知识产权产品的才能。随着铁路的跨越式开展和市场竞争的加剧，加快推进大型养路机械引进、消化、吸收国外先进技术的进程，加快具有自主知识产权产品的研发，加快新产品开发速度，开展核心技术，创新和超越已经成为现阶段工作的重中之重，已经刻不容缓。铁路大型养路机械是集机械
7、、液压、气动、电气、计算机、激光等技术于一体的铁路专用机械。按功能分有以下系列：清筛机、捣固车、配碴车、稳定车、钢轨打磨车、钢轨探伤车、轨道检测车、架线车、焊轨车、道岔铺换机组等。对于不同功能的铁路大型养路机械电气控制系统来讲，其本质的区别在于作业监视控制系统。到目前为止，我国的清筛机、捣固车、配碴车、稳定车等铁路大型养路机械的技术主要是在引进、消化吸收奥地利普拉塞陶依尔公司铁路大型养路机械技术的根底上开展起来的，它属于模拟集中式控制系统，它主要由以下子系统组成： (1)整车电源子系统;(2)柴油机监视控制子系统;(3)高速走行监视控制子系统;(4)作业监视控制子系统;(5)辅助设备子系统：包
8、括照明、通话、取暖及空调等。其中作业监视控制子系统是各类铁路大型养路机械电气控制系统的核心，它完成作业机构状态的监视、完成作业机构动作的控制。不同功能的铁路大型养路机械，其作业监视控制系统的复杂程度有着很大的差异。如清筛机和配碴车，它的作业监视控制系统比拟简单。而捣固车、稳定车、钢轨打磨车、钢轨探伤车、轨道检测车、架线车等，它们的作业监视控制子系统就比拟复杂。下面以稳定车的作业监视控制子系统为例作一介绍，它由以下局部组成： (1)计算机控制局部：由上位机控制板、键盘、显示器构成;(2)程序控制局部：由下位机控制板、I/O板、功率输出板组成的微机系统构成;(3)模拟量控制部：由A/D转换板、D/
9、A转换板、频率测量板、各种功能的模拟控制板构成;(4)测量局部：由左、右抄平传感器，加速度传感器，振频传感器等构成;(5)轨道参数记录局部：由记录仪、前、后电子摆，正矢传感器，测量轮等构成。普拉塞陶依尔公司的模拟集中式控制系统的特点如下： (1)各子系统的监视局部都使用模拟仪表或者数字显示器或者指示及报警灯;(2)功能复杂机型作业监视控制子系统的控制局部都使用插装式模拟电路板和由插装式电路板组成的微机系统;(3)作业监视控制子系统中各I/O信号的接线方式均为“终端(开关、传感器/电磁阀、继电器)作业主控制柜或者“终端元件(开关、传感器/电磁阀、继电器)中间过渡箱多芯电缆作业主控制柜的传统接线方
10、式(如图1);(4)轨道参数记录系统为一个独立的系统，与微机及计算机系统没有通讯和数据交换。图1：传统的接线方式普拉塞陶依尔公司的模拟集中式控制系统存在以下缺乏： (1)监视仪表、指示及报警灯安装位置分散;模拟仪表信号仅用作显示而未进入经过控制;(2)插装式电路板的抗振性能、抗冲击性能、防尘性能均不好;模拟电路板的调整(如校“0、标定)由多个电位器来完成，比拟复杂;控制系统中采用模拟量对传输及控制信号进展转换、传递，其精度差、受干扰信号影响大，因此整个控制系统的控制效果及系统稳定性都较差;(3)集中控制形式使得作业主控制柜体积较大;I/O信号传统的接线方式，使作业主控制柜中有大量连接电缆，使断
11、点和接点增加而增加故障点，使检修和维护变得复杂。3系统要求针对上面列举的缺乏，有必要设计一种新的电气控制系统，它应知足以下要求。3.1根本要求新的大型养路机械电气控制系统应具有统一的显示、指示及报警，具有经过控制功能;具有较高的可靠性和稳定性，具有较好的抗振性能、抗冲击性能、防尘性能，能经受高温、高湿的环境。3.2详细要求新的铁路大型养路机械电气控制系统主要针对柴油机监视控制子系统、高速走行监视控制子系统、作业监视控制子系统进展重新设计，而对于整车电源子系统和辅助设备子系统，它们都是点对点的简单控制，不作重新设计。下面具体介绍这三个子系统的各种输入输出信号。3.2.1柴油机监视控制子系统3.2
12、.1.1柴油机监视局部输入DI信号：油压开关信号、缸盖温度(水温)开关信号、空气滤清器开关信号、直流发电机发电状态开关信号等;输入AI信号：转速传感器信号、油压传感器信号、缸盖温度(水温)传感器信号、电瓶电压信号、柴油油位传感器信号等;输出DO信号：预热指示信号等;3.2.1.2柴油机控制局部输入DI信号：怠速位感应开关信号、高速走行位感应开关信号、作业位感应开关信号等。输出DO信号：油门电机驱动信号等;3.2.2高速走行监视控制子系统(静液压传动形式)3.2.2.1高速走行监视局部3.2.2.2高速走行控制局部输入DI信号：挂挡开关信号，点动挂挡开关信号，向前、向后走行开关信号，走行手柄位置
13、信号等。输入AI信号：走行手柄电位器信号等。输出DO信号：向前、向后阀驱动信号，挂挡阀驱动信号等。输出AO信号：走行泵比例阀驱动信号等。3.2.3作业监视控制子系统(以新型稳定车为例)输入DI信号：各种开关、行程开关、感应开关信号共125个;输入AI信号：左、右抄平传感器信号，前、后电子摆信号，正矢传感器信号，测量轮信号，加速度传感器信号，振频传感器信号共7个;输出DO信号：各种开关电磁阀驱动信号共82个;输出AO信号：比例电磁阀驱动信号共4个。4系统设计4.1INTERBUS现场总线简介INTERBUS现场总线于1984年推出，其主要技术开发者为德国的PhoenixContact公司。INT
14、ERBUS现场总线采用非常独特的集总帧传输协议，有效数据传输率高达52%，具备强大的故障诊断功能;采用双绞线无中继器传输间隔长达12.8公里;单主站可连接最多达255个从站;扫描8192个I/O点的时间仅为7.8毫秒(500Kbps)。由于该总线的快速开展和广泛使用，INTERBUS已先后成为DIN19258德国标准、EN50254欧洲标准、IEC61158现场总线国际标准和中国机械工业标准JB/T10308.8所规定的标准现场总线。INTERBUS在全球有1000多家总线设备消费商，提供多达2500种产品。到目前为止，INTERBUS现场总线在世界各地的节点安装打破750万，在各种现场总线中
15、名列第二。今天，作为现场总线、PC-Based、工业以太网技术的先导，菲尼克斯又率先提出了Fieldbus+Ethernet这一新型自动化方案，构造了完善的工业企业治理控制网络。INTERBUS总线包括远程总线网络和本地总线网络，两种网络传送一样的信号但电平不同。远程总线网络用于远间隔数据传送，采用RS-485传输，远程网络采用全双工方式进展通讯，通讯速率为500kb/s.本地总线网络连接到远程网络上，网络上的总线终端BT(BUSTerminal)上的BK模块负责将远程网络数据转换为本地网络数据。INTERBUS总线上的主要设备有总线终端BT(BUSTerminal)上的BK模块、I/O模块和
16、安装在PC或者PLC等上位主设备中的总线控制板。总线控制板是INTERBUS总线上的主设备，用于实现协议的控制、错误的诊断、组态的存储等功能。I/O模块实如今总线控制板和传感器/执行器之间的接收和数据传输，可处理的数据类型包括机械制造和流程工业的所有标准信号。INTERBUS的主要应用在汽车、造纸、烟草、印刷、仓储、船舶、食品、冶金、木材、纺织、化工等行业。欧洲汽车工业80%的车身厂和焊接车间，均采用INTERBUS系统的控制方案。在上海群众的帕萨特消费线、一汽群众的AudiA6消费线上、红塔集团玉溪卷烟厂新的消费线，均全面采用了INTERBUS作控制方案。4.2系统网络构造根据铁路大型养路机
17、械控制系统的特点，基于PPC工业控制计算机、PLC及现场总线INTERBUS的铁路大型养路机械控电器制系统的系统网络构造如图2所示，它分为两层：监控层和现场控制层。4.2.1监控层监控层由高速以太网Ethernet、PPC工业控制计算机、TP触摸屏显示器以及连接在PPC上的打印机组成。监控层主要完成以下功能： (1)柴油机监视控制子系统中柴油机转速、油压、缸盖温度(水温)、电瓶电压、柴油油位的显示;低油压、高缸盖温度(水温)、空气滤清器堵塞状态、直流发电机发电状态的报警指示;预热指示;怠速位、高速走行位、作业位的指示等。 (2)高速走行监视控制子系统(静液压传动形式)中速度里程，各轴挂、脱挡状
18、态的显示;挂挡开关，点动挂挡开关，向前、向后走行开关，走行手柄电位器，走行手柄位置的显示等。 (3)作业监视控制子系统(以新型稳定车为例)中各种开关，作业机构的各种行程开关、感应开关状态的显示;左、右抄平传感器信号，前、后电子摆信号，正矢传感器信号，加速度传感器信号，振频传感器信号，作业速度的显示。 (4)系统参数的设置。 (5)系统故障诊断。 (6)轨道参数的记录及打印输出。4.2.2现场控制层现场控制层由主站(PLC控制器、总线分支模块、本地I/O)，现场总线，从站(总线藕合器BK、远程I/O)和现场设备四局部组成。主站安装于作业室内，从站的数目根据实际需要而定，它分布于车体的不同位置。现
19、场控制层主要完成以下功能：(1)各种输入信号的收集;(2)各种控制信号的输出;(3)各种信号的处理;(4)与监控层的通讯。4.3系统硬件配置本系统是基于PhoenixContact公司的自动化产品配置而成的。主要配置如下：PPC工业计算机：PPC5115TP触摸屏显示器：TP15TPLC控制器：ILC370ETH2TX-IB，带2个以太网端口、1个RS232端口。总线分支模块：IBSIL24RB-T-PAC总线藕合器BK：IBSIL24BK-T/U-PAC各种InlineI/O模块：IBIL24DI16-NPN-PAC，IBIL24DI2-NPN-PAC，IBIL24DI32/HD-NPN-P
20、AC，IBIL24DI4-PAC，IBIL24DO2-2A-PAC，IBIL24DO2-NPN-PAC，IBIL24DO32/HD-NPN-PAC，IBIL24DO4-PAC，IBIL24DO8-NPN-PAC，IBIL24TEMP2RTD-PAC，IBILAI2/SF-PAC，IBILAO2/U/BP-PAC，IBILCNT-PAC等。4.4系统软件配置系统软件配置包括WindowsNT操纵系统、IBSOPCSERVER、Diag+故障诊断软件、轨道参数记录及打印程序、上位机监控软件Visu+、下位机编程软件PCWORX5.4.4.1上位机监控软件本系统采用Visu+作为上位监控软件。对于经
21、过的组态，所有的PhoenixContact公司的HMI设备均使用强大的组态软件Visu+，它除了完全的SCADA功能(例如：操纵与监控、趋势图、报警信息等)之外，同时还提供诸如：数据收集、记录、配方治理、数据库连接、企业资源方案系统(ERP)连接等。Visu+软件的开发接口设计明晰、操纵直观、所有的组态画面元素可以轻松的通过鼠标点击或者拖拽实现。4.4.2IBSOPCSERVER软件OPC适用于可视化的标准运行阶段接口。通过INTERBUSOPC效劳器，这个接口可以用于INTERBUS主站和PCWORX编程控制系统、PC接口和嵌入式解决方案中。通过这种方式，可以简单地与使用OPC客户端的可视
22、化软件相连接，如Genesis32，Visu+等4.4.3Diag+故障诊断软件INTERBUS提供了操纵舒适的全面诊断功能，并且Diag+软件工具完全支持这些功能。通过Diag+，可以实现简单而全面的诊断，也可以实现根本的INTERBUS功能。Diag+可以作为独立的诊断工具来操纵，也可以作为ActiveX组件将INTERBUS诊断集成在设备和系统的可视化软件中。图形化设计使得诊断功能可采用低分辨率显示，因此也适用于小型手持诊断设备。这些诊断可以通过INTERBUS主站上的任意接口(以太网、V.24和ISA/PCI总线)来完成。这样，通过一个INTERBUS主站，就可以从任何位置对控制系统网
23、络中的每个控制系统实现诊断。这意味着INTERBUS系统的诊断变得更加简便和通用。4.4.4下位机编程软件配置本系统采用PCWORX5作为下位机编程软件。下位机编程软件PCWORX5为控制系统提供了一个当代化开发工具。当PCWORX5连接到现场总线的控制系统上时，它不仅提供了符合IEC61131-3标准和IEC61131-5标准的方便编程工具，还可方便进展INTERBUS组态。PCWORX5还包括对INTERBUS的简易诊断。4.4.5轨道参数记录及打印程序轨道参数记录及打印程序是为实现铁路大型养路机械电气控制系统中传统记录仪功能而开发的一个专用程序。它可以实现轨道参数的记录、查询、分析及打印
24、。5完毕语在当今科学技术迅猛开展的时代，各种新技术、新产品、新的控制理念不断涌现。铁路大型养路机械产品电气控制系统的设计思路也应跟上科技开展的步伐，采用新的设计理念和目前世界上比拟先进的控制技术。过去，总线在铁路大型养路机械电气控制系统中已经有成功的应用。如在普拉塞陶依尔公司消费的CEM100型架线车上全套使用RS-485工业总线控制系统;在CMG-16型道岔打磨车上使用以RS-485工业总线为主、结合Profibus-DP现场总线的控制系统;在CPH型道岔铺换机组上使用以“无线发射器+无线接收器+CANBUS总线+PLC的“一对多控制系统;以“PLC+本地I/O组成的程序控制系统，也在D08
25、32捣固车上使用，经过半年多的试验，获得成功。如今，工业计算机技术、PLC技术、现场总线技术、网络技术均获得了极大的开展和广泛的应用。本文提出的基于PPC工业计算机、PLC及INTERBUS现场总线的铁路大型养路机械电气控制系统，它集成了柴油机监视控制、高速走行监视控制、作业监视控制等，它实现了集中监视、集中处理、分散控制，在铁路大型养路机械上那么是一种新的设计和尝试。它应用于作业工况最差的稳定车上，将全面检验系统的各项指标：可靠性、稳定性、抗冲击性能、经受高温、高湿的才能，十分是抗频率振动性才能。假如该套控制系统在新型稳定车上的应用获得成功，那么，它的设计理念和方法在铁路大型养路机械上全面推广使用便成为可能;它作为一种完全不同于普拉塞陶依尔公司铁路大型养路机械产品电气控制系统的设计理念和方法，将成为今后具有自主知识产权新产品开发的新的形式和方向。输入DI信号：各轴挂、脱挡感应开关信号等;输入AI信号：速度里程传感器信号等;