D08—32搗固車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研制

翟仕樂

摘 要：介紹了D08-32搗固車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究背景，闡述了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，描述了電源控制和柴油機(jī)控制原理，以及針對搗固車的搗固、起道抄平和撥道三大功能，詳細(xì)介紹了作業(yè)控制原理。D08-32搗固車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的成功裝車，實(shí)現(xiàn)了D08-32搗固車的控制功能，同時(shí)提高了作業(yè)效率和精度，為網(wǎng)絡(luò)控制平臺在鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械上的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：搗固車；CAN總線；正矢；伺服；PWM

Abstract：This paper introduces the research background of D08-32 tamping network control system， describes the overall structure of the network system， describes the power control and diesel engine control principle， as well as tamping for the tamping， ， Detailed operation control theory. D08-32 tamping network control system of the successful loading， to achieve the D08-32 tamping control functions， while improving the operational efficiency and accuracy of the network control platform for large-scale railway maintenance machinery on the promotion and application laid the foundation.

Key Words：tamping vehicle；CAN bus；versine；servo； pulse width modulation

1 引言

D08-32搗固車是目前我國應(yīng)用最廣泛的一種鐵路線路養(yǎng)護(hù)機(jī)械。該車是集機(jī)、電、液于一體的機(jī)械，采用了大量先進(jìn)技術(shù)，如電液伺服控制技術(shù)、自動檢測技術(shù)、微機(jī)控制技術(shù)和激光準(zhǔn)直系統(tǒng)等。我國目前鐵路線路維修使用的搗固車電氣系統(tǒng)主要以80年代末從奧地利普拉塞公司引進(jìn)的以模擬電路為主，隨著電氣控制技術(shù)的發(fā)展，以及數(shù)字信號處理器迅速推廣應(yīng)用，新型數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械的電氣控制領(lǐng)域已經(jīng)成為一種必然的發(fā)展趨勢和該領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新的突破口。

隨著數(shù)字信號處理器和現(xiàn)場總線的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，其先進(jìn)性和可靠性在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域得到了充分驗(yàn)證，鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械應(yīng)用環(huán)境非常惡劣，現(xiàn)場施工噪聲大、電磁干擾強(qiáng)、粉塵多，對電氣設(shè)備具有較大的影響。我國通過引進(jìn)國外的并進(jìn)行國產(chǎn)化的搗固車，主要以模擬電路為主，在此種特殊的環(huán)境下，可靠性有所下降，特別是在現(xiàn)場施工頻繁使用對講機(jī)的情況下，模擬信號非常容易受到干擾，經(jīng)常出現(xiàn)誤動作、作業(yè)精度差等故障現(xiàn)象。為了解決以上問題，在以數(shù)字信號處理器和現(xiàn)場總線的基礎(chǔ)研究之上，開發(fā)針對鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械電氣控制系統(tǒng)應(yīng)用的新型數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)控制平臺，通過該平臺研制的通用控制模塊和控制軟件，搭建鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)控制平臺的通用控制模塊主要由五種基本模塊組成，分別是顯示模塊（DM）、數(shù)字量輸入模塊（DI）、數(shù)字量輸出模塊（DO）、模擬量輸入模塊（AI）和電源模塊（P）。現(xiàn)場總線是近20年發(fā)展起來的新技術(shù)，本文采用的是應(yīng)用最廣泛，抗干擾能力最強(qiáng)的CAN總線，該總線由德國BOSCH公司研究開發(fā)，現(xiàn)已成為ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議，是目前國際上應(yīng)用最廣泛的開放式現(xiàn)場總線之一。CAN總線的應(yīng)用為分布式控制系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)間實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持，現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等各個(gè)方面。

本文以數(shù)字信號處理器和CAN總線為理論基礎(chǔ)，以網(wǎng)絡(luò)控制平臺產(chǎn)品為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)基本組成單元，研制并搭建了D08-32搗固車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，以替代原來的以模擬電路為主的模擬控制系統(tǒng)。

2 總體設(shè)計(jì)

D08-32搗固車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用分布式、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化控制方式，基本控制模塊包括顯示模塊（DM模塊）、數(shù)字量輸入模塊（DI模塊）、數(shù)字量輸出模塊（DO模塊）、模擬量輸入模塊（AI模塊）和網(wǎng)關(guān)模塊（WG模塊）組成。各模塊通過CAN總線連接而成一個(gè)整體的網(wǎng)絡(luò)，所有模塊的數(shù)據(jù)通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)共享，D08-32搗固車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的AI模塊主要采集模擬量信號，比如蓄電池電壓和電流信號、柴油發(fā)動機(jī)溫度和壓力信號、變速箱穩(wěn)定和壓力信號等；DI模塊主要采集數(shù)字量信號，比如搗固裝置鎖閉行程開關(guān)、起撥道裝置鎖閉行程開關(guān)、夯拍器工作位在軌感應(yīng)開關(guān)、發(fā)動機(jī)報(bào)警開關(guān)等開關(guān)量；DO模塊主要用于控制輸出，驅(qū)動比例閥、伺服閥和繼電器等。以上三種模塊為底層基本模塊，顯示模塊為主要的人機(jī)交互模塊，主要功能是顯示機(jī)器狀態(tài)和作業(yè)數(shù)據(jù)，輸入控制模塊參數(shù)，診斷模塊和系統(tǒng)的狀態(tài)。電源模塊給顯示器和底層模塊提供電源，網(wǎng)關(guān)模塊用于兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間的通信。

D08-32搗固車有設(shè)計(jì)五個(gè)操作臺，分別是一號位B2操作臺和B7操作臺，2號位的B4操作臺，以及行車操作臺B5和B11操作臺。根據(jù)分布式控制原理，各控制模塊可就近安裝于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這樣縮短控制模塊與執(zhí)行器之間的距離，亦可減少接線，縮短模擬信號的傳輸距離。搗固車作為一種復(fù)雜的線路養(yǎng)護(hù)機(jī)械，其開關(guān)量就有190路，其中包括127路數(shù)字量輸入信號和63路數(shù)子量輸出信號。還包括32路模擬量輸入信號。輸入信號統(tǒng)一使用數(shù)字量輸入模塊和模擬量輸入模塊來采集，并通過CAN總線將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到其他控制模塊。根據(jù)本系統(tǒng)的信號統(tǒng)計(jì)，需要用到16個(gè)DO模塊、11個(gè)DI模塊、5個(gè)AI模塊、5個(gè)電源模塊和1個(gè)網(wǎng)關(guān)模塊。

網(wǎng)絡(luò)模塊拓?fù)鋱D如圖2所示。P1～P5為電源模塊，每個(gè)電源模塊可給6個(gè)底層控制模塊供電，PD為脈沖驅(qū)動模塊，主要用于產(chǎn)生脈沖信號，在底層模塊程序自動下載過程中用于定位網(wǎng)絡(luò)模塊。J00為B4箱2號位顯示器，主要用于前端輸入和前端數(shù)據(jù)顯示。J01模塊為B11箱前司機(jī)室行車監(jiān)控顯示器，主要用于前司機(jī)室高速行車時(shí)監(jiān)控發(fā)動機(jī)、變速箱以及報(bào)警信號。J23模塊為1號位作業(yè)壓力監(jiān)控顯示器，主要顯示作業(yè)系統(tǒng)壓力。J24模塊為1號為作業(yè)控制顯示器，為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的主控制器，用于作業(yè)數(shù)據(jù)輸入、作業(yè)狀態(tài)監(jiān)控、模塊診斷、模塊參數(shù)設(shè)置、智能診斷和遠(yuǎn)程診斷功能。J25模塊為后司機(jī)室高速走行監(jiān)控顯示器。WG為網(wǎng)關(guān)模塊，主要是將整個(gè)CAN總線網(wǎng)絡(luò)分為兩個(gè)子網(wǎng)，提高網(wǎng)絡(luò)總線數(shù)據(jù)通信效率和信號的穩(wěn)定性。

3 網(wǎng)絡(luò)電源控制

D08-32搗固車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)電源控制主要包括網(wǎng)絡(luò)電源和作業(yè)電源兩個(gè)部分，主要從節(jié)能方面考慮，在搗固車高速運(yùn)行或非作業(yè)模式下，只需打開網(wǎng)絡(luò)電源，而無需打開作業(yè)電源，網(wǎng)絡(luò)電源控制原理如圖3所示。網(wǎng)絡(luò)電源開關(guān)5b3打開，5d15延時(shí)繼電器得電閉合，使NPSC得電，以使15d2繼電器常開觸點(diǎn)閉合，NPS得電，相應(yīng)的只需在機(jī)器閑置的情況下運(yùn)行的電源模塊以及對應(yīng)模塊的輸出電源得電。作業(yè)電源只有在網(wǎng)絡(luò)電源打開的情況下才起作用，所以網(wǎng)絡(luò)電源開關(guān)打開后，才能打開作業(yè)電源開關(guān)2b47，此時(shí)315a得電，15d9繼電器得電，從而使2號線得電，即跟作業(yè)電源開關(guān)相關(guān)的模塊及模塊輸出電源得電。

4 柴油機(jī)控制

柴油機(jī)的控制包括啟動控制、停機(jī)控制及預(yù)熱控制。D08-32搗固車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的柴油機(jī)控制電路如圖4所示。

啟動柴油機(jī)之前需要打開主蓄電池開關(guān)5b0，使繼電器1a1常開觸點(diǎn)閉合。柴油機(jī)啟動開關(guān)5b8和11b8，任何一個(gè)開關(guān)拉起到1位，則繼電器13Re3得電動作，預(yù)熱電阻R1和R2得電開始預(yù)熱，同時(shí)，繼電器5u5/D也得電而自保持，即215得電自保持，13Re2得電，常開觸點(diǎn)閉合，使28d6繼電器得電，其常開觸點(diǎn)閉合，停機(jī)電磁閥1S6得電，需要說明的是，柴油機(jī)停機(jī)電磁閥失電停機(jī)。此時(shí)燃油回路開通。當(dāng)預(yù)熱一定時(shí)間后，信號燈5h4和11h5亮，此時(shí)預(yù)熱結(jié)束。將啟動開關(guān)5b8或11b8拉起至2位。此時(shí)，1s91噴油電磁閥得電開水噴油，13Re1得電，1S592輔助啟動電磁閥得電，以及啟動馬達(dá)得電，且啟動離合器合上。于是柴油機(jī)啟動條件得到滿足而啟動起來，此時(shí)松開5b8或11b8，啟動電機(jī)失電，啟動離合器脫離，但5u5/D自保持而保持油路暢通，柴油機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

柴油機(jī)停機(jī)控制，開關(guān)1b20～1b25、2b45、4b16和5b29任一被壓下閉合時(shí)，繼電器5u5/D失電，13Re2失電，停機(jī)電磁閥失電停機(jī)。另外作業(yè)鎖閉信號和走行鎖閉信號加至繼電器5u6/B。這兩個(gè)信號的引入是為了確保在啟動柴油機(jī)之前不能接通作業(yè)系統(tǒng)電源、變矩器不能掛擋，以確保安全運(yùn)行。因?yàn)橐坏┳鳂I(yè)系統(tǒng)得電或變矩器掛擋，則繼電器5u6/B得電，其常閉觸點(diǎn)斷開，13Re1不能得電，導(dǎo)致啟動電機(jī)不能得電，于是不能啟動柴油機(jī)。

5 作業(yè)控制原理

5.1 搗固控制原理

D08-32搗固車的搗固裝置用于搗固鋼軌兩側(cè)的軌底道碴，提高軌底道碴的密實(shí)度，并與起撥道裝置相配合，消除軌道的高低不平，增強(qiáng)軌道的穩(wěn)定性。搗固裝置是搗固車的主要工作裝置，D08-32搗固車有兩套搗固裝置，左右對稱地安裝在搗固車的中部。左右兩套搗固裝置能同步搗固兩根軌枕，也能單獨(dú)使用左右任一個(gè)搗固裝置，搗固軌枕的左右任一道床。搗固裝置除了振動夾持動作外，還能垂直升降和橫向移動。升降和橫移控制，由各自獨(dú)立的自動控制機(jī)構(gòu)來完成。

搗固控制系統(tǒng)主要包括搗固液壓系統(tǒng)、深度傳感器、搗固控制模塊、鎖閉解鎖行程開關(guān)等。液壓系統(tǒng)為搗固裝置動作提供動力，深度傳感器用于反饋搗固裝置的實(shí)際位置，搗固控制模塊接收通過顯示模塊輸入的目標(biāo)深度，目標(biāo)值和反饋值進(jìn)行比較，差值用于控制搗固比例閥的電流。D08-32搗固車搗固裝置升降控制中，給定搗固深度通過顯示模塊輸入，深度傳感器具有CAN接口，可直接將傳感器數(shù)值通過CAN總線發(fā)送到搗固控制模塊，根據(jù)給定深度和傳感器反饋深度的差值作為控制模塊搗固控制模糊PID的輸入，根據(jù)偏差和偏差變化率調(diào)節(jié)PID參數(shù)。

J11模塊控制為數(shù)字量輸出控制模塊，接收并處理搗固聯(lián)鎖信號，計(jì)算搗固頭升降電流，輸出PWM信號控制搗固頭升降，J11模塊具有CAN2接口用于接收左深度傳感器和右深度傳感器信號，顯示器將深度給定信號發(fā)發(fā)送給搗固控制模塊，用于計(jì)算搗固控制電路。B7箱鍵盤用于設(shè)置搗固作業(yè)模式。搗固控制原理圖如圖5所示。

5.2 起道控制原理

起道裝置有左、右兩套，分別作用于左、右兩股鋼軌上，對軌排進(jìn)行提起或者左、右移動，即起道、撥道作業(yè)。通過起、撥道作業(yè)來消除軌道方向和水平偏差，使線路曲線圓順，直線平直，確保行車安全。一般情況，搗固作業(yè)和起、撥道作業(yè)同步進(jìn)行。

起、撥道裝置、電液伺服閥、線路方向及水平檢測裝置、控制模塊共同組成起撥道電液位置伺服控制系統(tǒng)，而起撥道裝置是該位置伺服系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。起、撥道裝置分為起道裝置和撥道裝置，起道油缸與車架縱梁鉸接，是單作用油缸，起道力是油缸的拉力，起、撥道裝置下降依靠自重。

當(dāng)線路方向有偏差時(shí)，電液伺服閥有相應(yīng)的液壓信號輸出，撥道油缸推、拉擺架，使軌道向左或是向右移動，直到該處的線路方向偏差消除時(shí)，電液伺服閥的輸出液壓信號為零，撥道油缸停止動作，則軌道移動到正確的位置。

起道控制系統(tǒng)主要由起道伺服閥、伺服閥控制模塊、起道控制模塊和抄平傳感器組成，起道控制模塊接收來自鍵盤和顯示模塊的輸入信號，以及各作業(yè)裝置、測量小車的連鎖信號，計(jì)算起道控制邏輯，并通過比較抄平傳感器和軌道參數(shù)計(jì)算機(jī)的理論值，計(jì)算總起道量，并在起道邏輯滿足的情況下，將總起道量換算為起道伺服閥驅(qū)動電流信號，從而驅(qū)動液壓伺服機(jī)構(gòu)動作，夾鉗與鋼軌剛性連接，液壓伺服系統(tǒng)通過夾鉗的提升動作使鋼軌向上移動，直到抄平傳感器的反饋值與理論值相等，差值為零，則停止起道動作，同時(shí)，起道電流輸出為零。

數(shù)字量輸出模塊J10模塊用于控制起道作業(yè)，其通過CAN2接收抄平傳感器和電子擺的信號，起道作業(yè)理論值由軌道參數(shù)計(jì)算機(jī)產(chǎn)生，前端輸入控制模塊J4通過CAN2接收數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN1網(wǎng)絡(luò)，J10模塊介紹軌道參數(shù)計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)，將計(jì)算出來的總起道量換算為PWM信號，通過通道輸出給伺服閥控制模塊，由該模塊將PWM信號轉(zhuǎn)換為起道電流，從而控制液壓伺服機(jī)構(gòu)，起道電流通過J18模擬量輸入模塊采集，并發(fā)送給顯示器顯示，鍵盤用于起道作業(yè)模式選擇。如圖6所示為起道控制原理圖。

5.3 撥道控制原理

撥道控制系統(tǒng)由撥道伺服閥、伺服閥控制模塊、撥道控制模塊和正矢傳感器構(gòu)成，撥道控制模塊接收來自鍵盤和顯示模塊的輸入信號，以及各作業(yè)裝置、測量小車的連鎖信號，計(jì)算撥道控制邏輯，并通過比較正矢傳感器和軌道參數(shù)計(jì)算機(jī)的理論值，計(jì)算總撥道量，并在撥道邏輯滿足的情況下，將撥道量換算為撥道伺服驅(qū)動電流信號，從而驅(qū)動液壓伺服機(jī)構(gòu)動作，夾鉗帶動鋼軌向左或向右移動，直到撥道量抵消為零，則停止撥道動作，與此同時(shí)，撥道電流輸出為零。

數(shù)字量輸出模塊J13用于控制撥道作業(yè)，撥道基本原理與起道類似，J13模塊CAN2接收撥道正矢傳感器的數(shù)據(jù)，同樣通過前端輸入控制模塊接收軌道參數(shù)計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的理論撥道值，J13模塊計(jì)算理論值與實(shí)際值的差值作為總撥道量，并將其轉(zhuǎn)換為PWM信號，J13模塊對應(yīng)通道將信號發(fā)送到伺服閥模塊，由其將PWM信號轉(zhuǎn)換為電流信號控制液壓伺機(jī)構(gòu)，同時(shí)，由J18模塊采集撥道伺服電流，并發(fā)送給顯示器顯示，鍵盤則用于撥道模式選擇。如圖7所示為撥道控制原理圖。

6 結(jié)語

D08-32搗固車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了搗固、起道、撥道和邏輯連鎖等作業(yè)控制功能，在國內(nèi)首次在大型養(yǎng)路機(jī)械電氣控制系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和分布式控制，填補(bǔ)了大型養(yǎng)路機(jī)械數(shù)字化系統(tǒng)的空白，滿足用戶對大型養(yǎng)路機(jī)械電氣控制系統(tǒng)簡潔性、維護(hù)性、人性化、抗干擾能力強(qiáng)等要求。目前，D08-32搗固車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了批量裝車，現(xiàn)場運(yùn)行穩(wěn)定可靠，獲得了用戶高度的認(rèn)可。

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