基于PPC、PLC及現(xiàn)場總線的鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械電氣控制系統(tǒng)

　　1引言

　　可編程邏輯控制器(PLC—Programmable Logic Controller)，簡稱可編程控制器，它是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)和自動控制技術(shù)發(fā)展而來的一種新型工業(yè)控制裝置。它問世于20世紀(jì)60年代，到現(xiàn)在仍保持旺盛的發(fā)展勢頭。它具有體積小、功能豐富、配置靈活、適應(yīng)惡劣環(huán)境、抗干擾性強(qiáng)、可靠性高、編程方便、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于電力、機(jī)械、冶金、化工、輕紡等各個工業(yè)過程自動控制中。它不僅可以取代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，還可構(gòu)成復(fù)雜的過程控制網(wǎng)絡(luò)。

　　現(xiàn)場總線技術(shù)是20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來的，它是目前自動化領(lǐng)域中的一個熱點(diǎn)，是新一代控制系統(tǒng)的發(fā)展方向，它綜合了數(shù)字通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能儀表等多種技術(shù)手段，從根本上突破了傳統(tǒng)的“點(diǎn)對點(diǎn)”式的模擬信號或數(shù)字—模擬信號控制的局限性，構(gòu)成一種全分散、全數(shù)字化、多變量、多節(jié)點(diǎn)的通信與控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線則是連接現(xiàn)場智能設(shè)備和自動化控制設(shè)備的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，其基礎(chǔ)是數(shù)字智能現(xiàn)場裝置。分散在各個現(xiàn)場的數(shù)字智能現(xiàn)場裝置通過現(xiàn)場總線連為一體，并與控制室

　　中的控制器和監(jiān)視器一起構(gòu)成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS—Fieldbus Control System)。

　　現(xiàn)場總線技術(shù)實(shí)際上是采用串行數(shù)據(jù)傳輸和連接方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的并聯(lián)信號傳輸和連接方式的方法，它依次實(shí)現(xiàn)了控制層和現(xiàn)場總線設(shè)備層之間的數(shù)據(jù)傳輸，同時在保證傳輸實(shí)時性的情況下實(shí)現(xiàn)信息的可靠性和開放性。一般的現(xiàn)場總線具有以下幾個特點(diǎn)：(1)布線簡單;(2)開放性;(3)實(shí)時性;(4)可靠性;(5)高效診斷;(6)硬件靈活。

　　目前，國際上各種各樣的現(xiàn)場總線有很多種，統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)尚未建立。其中有較強(qiáng)實(shí)力和影響的有：FF(Foundation Fieldbus基金會現(xiàn)場總線)、HART(Highway Addressable Remote Transducer)、CAN(Controller Area Network控制器局域網(wǎng))、Profibus(Process Field Bus過程現(xiàn)場總線)、INTERBUS、LonWorks(Local Operating Network局部操作網(wǎng)絡(luò))、WorldFIP、MODBus、DeviceNet、ControlNet、ASi(Actuator Sensor Interface執(zhí)行器傳感器接口)等。

　　基于PPC工業(yè)計(jì)算機(jī)、PLC及現(xiàn)場總線的電氣控制系統(tǒng)在工業(yè)自動化領(lǐng)域，如冶金、電力、石化、礦山、水泥、水處理、乳品飲料、啤酒罐裝、煙草加工、機(jī)械裝配、產(chǎn)品包裝等已得到廣泛的應(yīng)用，但是在鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械電氣控制系統(tǒng)中還沒有廣泛應(yīng)用。本文根據(jù)鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出一種基于PPC工業(yè)計(jì)算機(jī)、PLC及INTERBUS現(xiàn)場總線的鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

　　2現(xiàn)狀

　　養(yǎng)路機(jī)械化是實(shí)現(xiàn)鐵路維修養(yǎng)護(hù)現(xiàn)代化、保證鐵路不間斷運(yùn)輸和行車安全的重要技術(shù)手段。為適應(yīng)鐵路快速、重載以及軌道結(jié)構(gòu)重型化的技術(shù)發(fā)展要求，發(fā)達(dá)國家鐵路相繼采用大型養(yǎng)路機(jī)械進(jìn)行鐵路線路維護(hù)，到上世紀(jì)80年代末，已基本形成以大型養(yǎng)路機(jī)械為主要作業(yè)手段的格局。而此時，我國還在依靠手工、小型機(jī)械和非標(biāo)準(zhǔn)自制設(shè)備進(jìn)行線路維護(hù)，作業(yè)質(zhì)量差、效率低，特別是在繁忙干線，線路維護(hù)與運(yùn)營的矛盾尤其突出。

　　上世紀(jì)80年代初期，我國從奧地利普拉塞—陶依爾公司引進(jìn)了先進(jìn)的大型養(yǎng)路機(jī)械制造技術(shù)，確立了大型養(yǎng)路機(jī)械的發(fā)展采取“技術(shù)引進(jìn)—消化、吸收—國產(chǎn)化生產(chǎn)—開發(fā)、創(chuàng)新”的途徑。通過20多年的引進(jìn)技術(shù)和國產(chǎn)化生產(chǎn)，我們學(xué)習(xí)了國外大型養(yǎng)路機(jī)械的先進(jìn)技術(shù)，更新了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)觀念，拓寬了開發(fā)思路，增強(qiáng)了開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品的能力。

　　隨著鐵路的跨越式發(fā)展和市場競爭的加劇，加快推進(jìn)大型養(yǎng)路機(jī)械引進(jìn)、消化、吸收國外先進(jìn)技術(shù)的進(jìn)程，加快具有自主知識產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品的研發(fā)，加快新產(chǎn)品開發(fā)速度，發(fā)展核心技術(shù)，創(chuàng)新和超越已經(jīng)成為現(xiàn)階段工作的重中之重，已經(jīng)刻不容緩。

　　鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械是集機(jī)械、液壓、氣動、電氣、計(jì)算機(jī)、激光等技術(shù)于一體的鐵路專用機(jī)械。按功能分有以下系列：清篩機(jī)、搗固車、配碴車、穩(wěn)定車、鋼軌打磨車、鋼軌探傷車、軌道檢測車、架線車、焊軌車、道岔鋪換機(jī)組等。對于不同功能的鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械電氣控制系統(tǒng)來說，其本質(zhì)的區(qū)別在于作業(yè)監(jiān)視控制系統(tǒng)。到目前為止，我國的清篩機(jī)、搗固車、配碴車、穩(wěn)定車等鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械的技術(shù)主要是在引進(jìn)、消化吸收奧地利普拉塞—陶依爾公司鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它屬于模擬集中式控制系統(tǒng)，它主要由以下子系統(tǒng)組成：

　　(1)整車電源子系統(tǒng);(2)柴油機(jī)監(jiān)視控制子系統(tǒng);(3)高速走行監(jiān)視控制子系統(tǒng);(4)作業(yè)監(jiān)視控制子系統(tǒng);(5)輔助設(shè)備子系統(tǒng)：包括照明、通話、取暖及空調(diào)等。

　　其中作業(yè)監(jiān)視控制子系統(tǒng)是各類鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械電氣控制系統(tǒng)的核心，它完成作業(yè)機(jī)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)視、完成作業(yè)機(jī)構(gòu)動作的控制。不同功能的鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械，其作業(yè)監(jiān)視控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度有著很大的差別。如清篩機(jī)和配碴車，它的作業(yè)監(jiān)視控制系統(tǒng)比較簡單。而搗固車、穩(wěn)定車、鋼軌打磨車、鋼軌探傷車、軌道檢測車、架線車等，它們的作業(yè)監(jiān)視控制子系統(tǒng)就比較復(fù)雜。下面以穩(wěn)定車的作業(yè)監(jiān)視控制子系統(tǒng)為例作一介紹，它由以下部分組成：

　　(1)計(jì)算機(jī)控制部分：由上位機(jī)控制板、鍵盤、顯示器構(gòu)成;(2)程序控制部分：由下位機(jī)控制板、I/O板、功率輸出板組成的微機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成;(3)模擬量控制部：由A/D轉(zhuǎn)換板、D/A轉(zhuǎn)換板、頻率測量板、各種功能的模擬控制板構(gòu)成;(4)測量部分：由左、右抄平傳感器，加速度傳感器，振頻傳感器等構(gòu)成;(5)軌道參數(shù)記錄部分：由記錄儀、前、后電子擺，正矢傳感器，測量輪等構(gòu)成。

　　普拉塞—陶依爾公司的模擬集中式控制系統(tǒng)的特點(diǎn)如下：

　　(1)各子系統(tǒng)的監(jiān)視部分都使用模擬儀表或數(shù)字顯示器或指示及報(bào)警燈;(2)功能復(fù)雜

　　機(jī)型作業(yè)監(jiān)視控制子系統(tǒng)的控制部分都使用插裝式模擬電路板和由插裝式電路板組成的微機(jī)系統(tǒng);(3)作業(yè)監(jiān)視控制子系統(tǒng)中各I/O信號的接線方式均為“終端(開關(guān)、傳感器/電磁閥、繼電器)—作業(yè)主控制柜”或“終端元件(開關(guān)、傳感器/電磁閥、繼電器)—中間過渡箱—多芯電纜—作業(yè)主控制柜”的傳統(tǒng)接線方式(如圖1);(4)軌道參數(shù)記錄系統(tǒng)為一個獨(dú)立的系統(tǒng)，與微機(jī)及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)沒有通訊和數(shù)據(jù)交換。

　　圖1：傳統(tǒng)的接線方式

　　普拉塞—陶依爾公司的模擬集中式控制系統(tǒng)存在以下不足：

　　(1)監(jiān)視儀表、指示及報(bào)警燈安裝位置分散;模擬儀表信號僅用作顯示而未進(jìn)入過程控制;(2)插裝式電路板的抗振性能、抗沖擊性能、防塵性能均不好;模擬電路板的調(diào)整(如校“0”、標(biāo)定)由多個電位器來完成，比較復(fù)雜;控制系統(tǒng)中采用模擬量對傳輸及控制信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換、傳遞，其精度差、受干擾信號影響大，因而整個控制系統(tǒng)的控制效果及系統(tǒng)穩(wěn)定性都較差;(3)集中控制模式使得作業(yè)主控制柜體積較大;I/O信號傳統(tǒng)的接線方式，使作業(yè)主控制柜中有大量連接電纜，使斷點(diǎn)和接點(diǎn)增加而增加故障點(diǎn)，使檢修和維護(hù)變得復(fù)雜。