今日頭條
官方微信
官方抖音
案例頻道
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，綜合了計算機技術、通訊技術和自動控制技術發展而來的一種新型工業控制裝置。它問世于20世紀60年代，到現在仍保持旺盛的發展勢頭。它具有體積小、功能豐富、配置靈活、適應惡劣環境、抗干擾性強、可靠性高、編程方便、價格便宜等優點，廣泛用于電力、機械、冶金、化工、輕紡等各個工業過程自動控制中。它不僅可以取代傳統的繼電器控制系統，還可構成復雜的過程控制網絡。
現場總線技術是20世紀80年代后期發展起來的，它是目前自動化領域中的一個熱點，是新一代控制系統的發展方向，它綜合了數字通信技術、計算機技術、自動控制技術、網絡技術和智能儀表等多種技術手段，從根本上突破了傳統的“點對點”式的模擬信號或數字—模擬信號控制的局限性，構成一種全分散、全數字化、多變量、多節點的通信與控制系統。現場總線則是連接現場智能設備和自動化控制設備的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡，其基礎是數字智能現場裝置。分散在各個現場的數字智能現場裝置通過現場總線連為一體，并與控制室中的控制器和監視器一起構成現場總線控制系統（FCS—Fieldbus Control System）。
現場總線技術實際上是采用串行數據傳輸和連接方式代替傳統的并聯信號傳輸和連接方式的方法，它依次實現了控制層和現場總線設備層之間的數據傳輸，同時在保證傳輸實時性的情況下實現信息的可靠性和開放性。一般的現場總線具有以下幾個特點：（1）布線簡單；（2）開放性；（3）實時性；（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場總線有很多種，統一的國際標準尚未建立。其中有較強實力和影響的有： FF（Foundation Fieldbus 基金會現場總線）、HART（Highway Addressable Remote Transducer）、CAN（Controller Area Network 控制器局域網）、Profibus（Process Field Bus 過程現場總線）、INTERBUS、LonWorks（Local Operating Network 局部操作網絡）、WorldFIP、MODBus、DeviceNet、ControlNet 、ASi（Actuator Sensor Interface 執行器傳感器接口）等。
基于PPC工業計算機、PLC及現場總線的電氣控制系統在工業自動化領域，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、機械裝配、產品包裝等已得到廣泛的應用，但是在鐵路大型養路機械電氣控制系統中還沒有廣泛應用。本文根據鐵路大型養路機械控制系統的特點，提出一種基于PPC工業計算機、PLC及INTERBUS現場總線的鐵路大型養路機械電氣控制系統的設計方案。
2 現狀
養路機械化是實現鐵路維修養護現代化、保證鐵路不間斷運輸和行車安全的重要技術手段。為適應鐵路快速、重載以及軌道結構重型化的技術發展要求，發達國家鐵路相繼采用大型養路機械進行鐵路線路維護，到上世紀80年代末，已基本形成以大型養路機械為主要作業手段的格局。而此時，我國還在依靠手工、小型機械和非標準自制設備進行線路維護，作業質量差、效率低，特別是在繁忙干線，線路維護與運營的矛盾尤其突出。
上世紀80年代初期，我國從奧地利普拉塞—陶依爾公司引進了先進的大型養路機械制造技術，確立了大型養路機械的發展采取“技術引進—消化、吸收—國產化生產—開發、創新”的途徑。通過20多年的引進技術和國產化生產，我們學習了國外大型養路機械的先進技術，更新了傳統的設計觀念，拓寬了開發思路，增強了開發具有自主知識產權產品的能力。
隨著鐵路的跨越式發展和市場競爭的加劇，加快推進大型養路機械引進、消化、吸收國外先進技術的進程，加快具有自主知識產權產品的研發，加快新產品開發速度，發展核心技術，創新和超越已經成為現階段工作的重中之重，已經刻不容緩。
鐵路大型養路機械是集機械、液壓、氣動、電氣、計算機、激光等技術于一體的鐵路專用機械。按功能分有以下系列：清篩機、搗固車、配碴車、穩定車、鋼軌打磨車、鋼軌探傷車、軌道檢測車、架線車、焊軌車、道岔鋪換機組等。對于不同功能的鐵路大型養路機械電氣控制系統來說，其本質的區別在于作業監視控制系統。到目前為止，我國的清篩機、搗固車、配碴車、穩定車等鐵路大型養路機械的技術主要是在引進、消化吸收奧地利普拉塞—陶依爾公司鐵路大型養路機械技術的基礎上發展起來的，它屬于模擬集中式控制系統，它主要由以下子系統組成：
（1）整車電源子系統；
（2）柴油機監視控制子系統；
（3）高速走行監視控制子系統；
（4）作業監視控制子系統；
（5）輔助設備子系統：包括照明、通話、取暖及空調等。
其中作業監視控制子系統是各類鐵路大型養路機械電氣控制系統的核心，它完成作業機構狀態的監視、完成作業機構動作的控制。不同功能的鐵路大型養路機械，其作業監視控制系統的復雜程度有著很大的差別。如清篩機和配碴車，它的作業監視控制系統比較簡單。而搗固車、穩定車、鋼軌打磨車、鋼軌探傷車、軌道檢測車、架線車等，它們的作業監視控制子系統就比較復雜。下面以穩定車的作業監視控制子系統為例作一介紹，它由以下部分組成：
（1）計算機控制部分：由上位機控制板、鍵盤、顯示器構成；
（2）程序控制部分：由下位機控制板、I/O板、功率輸出板組成的微機系統構成；
（3）模擬量控制部：由A/D轉換板、D/A轉換板、頻率測量板、各種功能的模擬控制板構成；
（4）測量部分：由左、右抄平傳感器，加速度傳感器，振頻傳感器等構成；
（5）軌道參數記錄部分：由記錄儀、前、后電子擺，正矢傳感器，測量輪等構成。
普拉塞—陶依爾公司的模擬集中式控制系統的特點如下：
（1）各子系統的監視部分都使用模擬儀表或數字顯示器或指示及報警燈；
（2）功能復雜機型作業監視控制子系統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系統；
（3）作業監視控制子系統中各I/O信號的接線方式均為“終端（開關、傳感器/電磁閥、繼電器）—作業主控制柜”或“終端元件（開關、傳感器/電磁閥、繼電器）—中間過渡箱—多芯電纜—作業主控制柜”的傳統接線方式（如圖1）；
（4）軌道參數記錄系統為一個獨立的系統，與微機及計算機系統沒有通訊和數據交換。
圖1：傳統的接線方式
普拉塞—陶依爾公司的模擬集中式控制系統存在以下不足：
（1）監視儀表、指示及報警燈安裝位置分散；模擬儀表信號僅用作顯示而未進入過程控制；
（2）插裝式電路板的抗振性能、抗沖擊性能、防塵性能均不好；模擬電路板的調整（如校“0”、標定）由多個電位器來完成，比較復雜；控制系統中采用模擬量對傳輸及控制信號進行轉換、傳遞，其精度差、受干擾信號影響大，因而整個控制系統的控制效果及系統穩定性都較差；
（3）集中控制模式使得作業主控制柜體積較大；I/O信號傳統的接線方式，使作業主控制柜中有大量連接電纜，使斷點和接點增加而增加故障點，使檢修和維護變得復雜。
3 系統要求
針對上面列舉的不足，有必要設計一種新的電氣控制系統，它應滿足以下要求。
3.1 基本要求
新的大型養路機械電氣控制系統應具有統一的顯示、指示及報警，具有過程控制功能；具有較高的可靠性和穩定性，具有較好的抗振性能、抗沖擊性能、防塵性能，能經受高溫、高濕的環境。
3.2 具體要求
新的鐵路大型養路機械電氣控制系統主要針對柴油機監視控制子系統、高速走行監視控制子系統、作業監視控制子系統進行重新設計，而對于整車電源子系統和輔助設備子系統，它們都是點對點的簡單控制，不作重新設計。下面詳細介紹這三個子系統的各種輸入輸出信號。
3.2.1 柴油機監視控制子系統
3.2.1.1 柴油機監視部分
輸入DI信號：油壓開關信號、缸蓋溫度（水溫）開關信號、空氣濾清器開關信號、直流發電機發電狀態開關信號等；
輸入AI信號：轉速傳感器信號、油壓傳感器信號、缸蓋溫度（水溫）傳感器信號、電瓶電壓信號、柴油油位傳感器信號等；
輸出DO信號：預熱指示信號等；
3.2.1.2 柴油機控制部分
輸入DI信號：怠速位感應開關信號、高速走行位感應開關信號、作業位感應開關信號等。
輸出DO信號：油門電機驅動信號等；
3.2.2 高速走行監視控制子系統（靜液壓傳動模式）
3.2.2.1 高速走行監視部分
輸入DI信號：各軸掛、脫擋感應開關信號等；
輸入AI信號：速度—里程傳感器信號等；
3.2.2.2 高速走行控制部分
輸入DI信號：掛擋開關信號，點動掛擋開關信號，向前、向后走行開關信號，走行手柄位置信號等。
輸入AI信號：走行手柄電位器信號等。
輸出DO信號：向前、向后閥驅動信號，掛擋閥驅動信號等。
輸出AO信號：走行泵比例閥驅動信號等。
3.2.3 作業監視控制子系統（以新型穩定車為例）
輸入DI信號：各種開關、行程開關、感應開關信號共125個；
輸入AI信號：左、右抄平傳感器信號，前、后電子擺信號，正矢傳感器信號，測量輪信號，加速度傳感器信號，振頻傳感器信號共7個；
輸出DO信號：各種開關電磁閥驅動信號共82個；
輸出AO信號：比例電磁閥驅動信號共4個。
4 系統設計
4.1 INTERBUS現場總線簡介
INTERBUS現場總線于1984年推出，其主要技術開發者為德國的Phoenix Contact公司。INTERBUS現場總線采用非常獨特的集總幀傳輸協議，有效數據傳輸率高達52%，具備強大的故障診斷功能；采用雙絞線無中繼器傳輸距離長達12.8公里；單主站可連接最多達255個從站；掃描8192個I/O點的時間僅為7.8毫秒（500Kbps）。由于該總線的快速發展和廣泛使用，INTERBUS 已先后成為DIN19258德國標準、EN50254歐洲標準、IEC61158現場總線國際標準和中國機械工業標準JB/T 10308.8所規定的標準現場總線。INTERBUS在全球有1000多家總線設備生產商，提供多達2500種產品。到目前為止，INTERBUS現場總線在世界各地的節點安裝突破750萬，在各種現場總線中名列第二。
今天，作為現場總線、PC-Based、工業以太網技術的先導，菲尼克斯又率先提出了Fieldbus+Ethernet這一新型自動化方案，構造了完善的工業企業管理控制網絡。
INTERBUS總線包括遠程總線網絡和本地總線網絡，兩種網絡傳送相同的信號但電平不同。遠程總線網絡用于遠距離數據傳送，采用RS-485傳輸，遠程網絡采用全雙工方式進行通訊，通訊速率為500kb/s。本地總線網絡連接到遠程網絡上，網絡上的總線終端BT（BUSTerminal）上的BK模塊負責將遠程網絡數據轉換為本地網絡數據。INTERBUS總線上的主要設備有總線終端BT（BUSTerminal）上的BK模塊、I/O模塊和安裝在PC或PLC等上位主設備中的總線控制板。總線控制板是INTERBUS總線上的主設備，用于實現協議的控制、錯誤的診斷、組態的存儲等功能。I/O模塊實現在總線控制板和傳感器/執行器之間的接收和數據傳輸，可處理的數據類型包括機械制造和流程工業的所有標準信號。
INTERBUS的主要應用在汽車、造紙、煙草、印刷、倉儲、船舶、食品、冶金、木材、紡織、化工等行業。歐洲汽車工業80%的車身廠和焊接車間，均采用INTERBUS系統的控制方案。在上海大眾的帕薩特生產線、一汽大眾的Audi A6生產線上、紅塔集團玉溪卷煙廠新的生產線，均全面采用了INTERBUS作控制方案。
4.2 系統網絡結構
根據鐵路大型養路機械控制系統的特點，基于PPC工業控制計算機、PLC及現場總線INTERBUS的鐵路大型養路機械控電器制系統的系統網絡結構如圖2所示，它分為兩層：監控層和現場控制層。
4.2.1 監控層
監控層由高速以太網Ethernet、PPC工業控制計算機、TP觸摸屏顯示器以及連接在PPC上的打印機組成。監控層主要完成以下功能：
（1）柴油機監視控制子系統中柴油機轉速、油壓、缸蓋溫度（水溫）、電瓶電壓、柴油油位的顯示；低油壓、高缸蓋溫度（水溫）、空氣濾清器堵塞狀態、直流發電機發電狀態的報警指示；預熱指示；怠速位、高速走行位、作業位的指示等。
（2）高速走行監視控制子系統（靜液壓傳動模式）中速度—里程，各軸掛、脫擋狀態的顯示；掛擋開關，點動掛擋開關，向前、向后走行開關，走行手柄電位器，走行手柄位置的顯示等。
（3）作業監視控制子系統（以新型穩定車為例）中各種開關，作業機構的各種行程開關、感應開關狀態的顯示；左、右抄平傳感器信號，前、后電子擺信號，正矢傳感器信號，加速度傳感器信號，振頻傳感器信號，作業速度的顯示。
（4）系統參數的設置。
（5）系統故障診斷。
（6）軌道參數的記錄及打印輸出。
4.2.2 現場控制層
現場控制層由主站（PLC控制器、總線分支模塊、本地I/O），現場總線，從站（總線藕合器BK、遠程I/O）和現場設備四部分組成。主站安裝于作業室內，從站的數量根據實際需要而定，它分布于車體的不同位置。現場控制層主要完成以下功能：（1）各種輸入信號的采集；（2）各種控制信號的輸出；（3）各種信號的處理；（4）與監控層的通訊。
圖2：基于PPC、PLC及INTERBUS的鐵路大型養路機械控制系統
4.3 系統硬件配置
本系統是基于Phoenix Contact公司的自動化產品配置而成的。主要配置如下：
PPC工業計算機：PPC 5115
TP觸摸屏顯示器：TP 15T
PLC控制器：ILC 370 ETH 2TX-IB，帶2個以太網端口、1個RS232端口。
總線分支模塊：IBS IL 24 RB-T-PAC
總線藕合器BK：IBS IL 24 BK-T/U-PAC
各種Inline I/O模塊：IB IL 24 DI 16-NPN-PAC，IB IL 24 DI 2-NPN-PAC，IB IL 24 DI 32/HD-NPN-PAC，IB IL 24 DI 4-PAC，IB IL 24 DO 2-2A-PAC，IB IL 24 DO 2-NPN-PAC，IB IL 24 DO 32/HD-NPN-PAC，IB IL 24 DO 4-PAC，IB IL 24 DO 8-NPN-PAC，IB IL 24 TEMP 2 RTD-PAC， IB IL AI 2/SF-PAC，IB IL AO 2/U/BP-PAC，IB IL CNT-PAC等。
4.4 系統軟件配置
系統軟件配置包括Windows NT操作系統、IBS OPC SERVER、Diag+故障診斷軟件、軌道參數記錄及打印程序、上位機監控軟件Visu+、下位機編程軟件PC WORX 5。
4.4.1 上位機監控軟件
本系統采用Visu+作為上位監控軟件。對于過程的組態，所有的Phoenix Contact公司的HMI設備均使用強大的組態軟件Visu+，它除了完全的SCADA功能（例如：操作與監控、趨勢圖、報警信息等）之外，同時還提供諸如：數據采集、記錄、配方管理、數據庫連接、企業資源計劃系統（ERP）連接等。Visu+軟件的開發接口設計清晰、操作直觀、所有的組態畫面元素能夠輕松的通過鼠標點擊或拖拽實現。
4.4.2 IBS OPC SERVER軟件
OPC適用于可視化的標準運行階段接口。通過INTERBUS OPC服務器，這個接口可以用于INTERBUS主站和PC WORX編程控制系統、PC接口和嵌入式解決方案中。通過這種方式，可以簡單地與使用OPC客戶端的可視化軟件相連接，如Genesis 32，Visu+等
4.4.3 Diag+故障診斷軟件
INTERBUS提供了操作舒適的全面診斷功能，并且Diag+軟件工具完全支持這些功能。通過Diag+，可以實現簡單而全面的診斷，也可以實現基本的INTERBUS功能。Diag+可以作為獨立的診斷工具來操作，也可以作為ActiveX組件將INTERBUS診斷集成在設備和系統的可視化軟件中。圖形化設計使得診斷功能可采用低分辨率顯示，因此也適用于小型手持診斷設備。這些診斷可以通過INTERBUS主站上的任意接口（以太網、V.24和ISA/PCI總線）來完成。這樣，通過一個INTERBUS主站，就可以從任何位置對控制系統網絡中的每個控制系統實現診斷。這意味著INTERBUS系統的診斷變得更加簡便和通用。
4.4.4 下位機編程軟件配置
本系統采用PC WORX 5作為下位機編程軟件。下位機編程軟件PC WORX 5為控制系統提供了一個現代化開發工具。當PC WORX 5連接到現場總線的控制系統上時，它不僅提供了符合IEC 61131-3標準和IEC 61131-5標準的方便編程工具，還可方便進行INTERBUS組態。PC WORX 5還包括對INTERBUS的簡易診斷。
4.4.5 軌道參數記錄及打印程序
軌道參數記錄及打印程序是為實現鐵路大型養路機械電氣控制系統中傳統記錄儀功能而開發的一個專用程序。它可以實現軌道參數的記錄、查詢、分析及打印。
5 結束語
在當今科學技術迅猛發展的時代，各種新技術、新產品、新的控制理念不斷涌現。鐵路大型養路機械產品電氣控制系統的設計思路也應跟上科技發展的步伐，采用新的設計理念和目前世界上比較先進的控制技術。
過去，總線在鐵路大型養路機械電氣控制系統中已經有成功的應用。如在普拉塞—陶依爾公司生產的CEM 100型架線車上全套使用RS-485工業總線控制系統；在CMG-16型道岔打磨車上使用以RS-485工業總線為主、結合Profibus-DP現場總線的控制系統；在CPH型道岔鋪換機組上使用以“無線發射器+無線接收器+ CANBUS總線+PLC”的“一對多”控制系統；以“PLC+本地I/O”組成的程序控制系統，也在D0832搗固車上使用，經過半年多的試驗，獲得成功。
現在，工業計算機技術、PLC技術、現場總線技術、網絡技術均獲得了極大的發展和廣泛的應用。本文提出的基于PPC工業計算機、PLC及INTERBUS現場總線的鐵路大型養路機械電氣控制系統，它集成了柴油機監視控制、高速走行監視控制、作業監視控制等，它實現了集中監視、集中處理、分散控制，在鐵路大型養路機械上則是一種新的設計和嘗試。它應用于作業工況最差的穩定車上，將全面檢驗系統的各項指標：可靠性、穩定性、抗沖擊性能、經受高溫、高濕的能力，特別是抗頻率振動性能力。如果該套控制系統在新型穩定車上的應用獲得成功，那么，它的設計理念和方法在鐵路大型養路機械上全面推廣使用便成為可能；它作為一種完全不同于普拉塞—陶依爾公司鐵路大型養路機械產品電氣控制系統的設計理念和方法，將成為今后具有自主知識產權新產品開發的新的模式和方向。
參考文獻
[1] 袁任光.可編程序控制器應用技術與實例[M].廣州：華南理工大學出版社，2001.
[2] 陽憲惠.現場總線技術及其應用[M].北京：清華大學出版社，1999.
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號