基于PPC、PLC及現(xiàn)場總線的鐵路大型養(yǎng)路機械電氣控制系統(tǒng)設計（1）
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(fā)展而來的一種新型工業(yè)控制裝置。它問世于20世紀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、適應惡劣環(huán)境、抗干擾性強、可靠性高、編程方便、價格便宜等優(yōu)點，廣泛用于電力、機械、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)，還可構成復雜的過程控制網(wǎng)絡。
現(xiàn)場總線技術是20世紀80年代后期發(fā)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(tǒng)的發(fā)展方向，它綜合了數(shù)字通信技術、計算機技術、自動控制技術、網(wǎng)絡技術和智能儀表等多種技術手段，從根本上突破了傳統(tǒng)的“點對點”式的模擬信號或數(shù)字—模擬信號控制的局限性，構成一種全分散、全數(shù)字化、多變量、多節(jié)點的通信與控制系統(tǒng)。現(xiàn)場總線則是連接現(xiàn)場智能設備和自動化控制設備的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網(wǎng)絡，其基礎是數(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)視器一起構成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS—Fieldbus Control System）。
現(xiàn)場總線技術實際上是采用串行數(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，它依次實現(xiàn)了控制層和現(xiàn)場總線設備層之間的數(shù)據(jù)傳輸，同時在保證傳輸實時性的情況下實現(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：（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(xiàn)場總線有很多種，統(tǒng)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(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）、WorldFIP、MODBus、DeviceNet、ControlNet 、ASi（Actuator Sensor Interface 執(zhí)行器傳感器接口）等。
基于PPC工業(yè)計算機、PLC及現(xiàn)場總線的電氣控制系統(tǒng)在工業(yè)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(chǎn)品包裝等已得到廣泛的應用，但是在鐵路大型養(yǎng)路機械電氣控制系統(tǒng)中還沒有廣泛應用。本文根據(jù)鐵路大型養(yǎng)路機械控制系統(tǒng)的特點，提出一種基于PPC工業(yè)計算機、PLC及INTERBUS現(xiàn)場總線的鐵路大型養(yǎng)路機械電氣控制系統(tǒng)的設計方案。
2 現(xiàn) 狀
養(yǎng)路機械化是實現(xiàn)鐵路維修養(yǎng)護現(xiàn)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(fā)展要求，發(fā)達國家鐵路相繼采用大型養(yǎng)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(yǎng)路機械為主要作業(yè)手段的格局。而此時，我國還在依靠手工、小型機械和非標準自制設備進行線路維護，作業(yè)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(yǎng)路機械制造技術，確立了大型養(yǎng)路機械的發(fā)展采取“技術引進—消化、吸收—國產(chǎn)化生產(chǎn)—開發(fā)、創(chuàng)新”的途徑。通過20多年的引進技術和國產(chǎn)化生產(chǎn)，我們學習了國外大型養(yǎng)路機械的先進技術，更新了傳統(tǒng)的設計觀念，拓寬了開發(fā)思路，增強了開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權產(chǎn)品的能力。
隨著鐵路的跨越式發(fā)展和市場競爭的加劇，加快推進大型養(yǎng)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(chǎn)權產(chǎn)品的研發(fā)，加快新產(chǎn)品開發(fā)速度，發(fā)展核心技術，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(wěn)定車、鋼軌打磨車、鋼軌探傷車、軌道檢測車、架線車、焊軌車、道岔鋪換機組等。對于不同功能的鐵路大型養(yǎng)路機械電氣控制系統(tǒng)來說，其本質的區(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、搗固車、配碴車、穩(wěn)定車等鐵路大型養(yǎng)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(yǎng)路機械技術的基礎上發(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：
?。?）整車電源子系統(tǒng)；
?。?）柴油機監(jiān)視控制子系統(tǒng)；
（3）高速走行監(jiān)視控制子系統(tǒng)；
?。?）作業(yè)監(jiān)視控制子系統(tǒng)；
（5）輔助設備子系統(tǒng)：包括照明、通話、取暖及空調等。
其中作業(yè)監(jiān)視控制子系統(tǒng)是各類鐵路大型養(yǎng)路機械電氣控制系統(tǒng)的核心，它完成作業(yè)機構狀態(tài)的監(jiān)視、完成作業(yè)機構動作的控制。不同功能的鐵路大型養(yǎng)路機械，其作業(yè)監(jiān)視控制系統(tǒng)的復雜程度有著很大的差別。如清篩機和配碴車，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：
?。?）計算機控制部分：由上位機控制板、鍵盤、顯示器構成；
?。?）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(tǒng)構成；
?。?）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；
?。?）軌道參數(shù)記錄部分：由記錄儀、前、后電子擺，正矢傳感器，測量輪等構成。
普拉塞—陶依爾公司的模擬集中式控制系統(tǒng)的特點如下：
?。?）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警燈；
?。?）功能復雜機型作業(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系統(tǒng)；
?。?）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、傳感器/電磁閥、繼電器）—作業(yè)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(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)為一個獨立的系統(tǒng)，與微機及計算機系統(tǒng)沒有通訊和數(shù)據(jù)交換。
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(fā)展而來的一種新型工業(yè)控制裝置。它問世于20世紀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、適應惡劣環(huán)境、抗干擾性強、可靠性高、編程方便、價格便宜等優(yōu)點，廣泛用于電力、機械、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)，還可構成復雜的過程控制網(wǎng)絡。
現(xiàn)場總線技術是20世紀80年代后期發(fā)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(tǒng)的發(fā)展方向，它綜合了數(shù)字通信技術、計算機技術、自動控制技術、網(wǎng)絡技術和智能儀表等多種技術手段，從根本上突破了傳統(tǒng)的“點對點”式的模擬信號或數(shù)字—模擬信號控制的局限性，構成一種全分散、全數(shù)字化、多變量、多節(jié)點的通信與控制系統(tǒng)。現(xiàn)場總線則是連接現(xiàn)場智能設備和自動化控制設備的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網(wǎng)絡，其基礎是數(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)視器一起構成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS—Fieldbus Control System）。
現(xiàn)場總線技術實際上是采用串行數(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，它依次實現(xiàn)了控制層和現(xiàn)場總線設備層之間的數(shù)據(jù)傳輸，同時在保證傳輸實時性的情況下實現(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：（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(xiàn)場總線有很多種，統(tǒng)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(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）、WorldFIP、MODBus、DeviceNet、ControlNet 、ASi（Actuator Sensor Interface 執(zhí)行器傳感器接口）等。
基于PPC工業(yè)計算機、PLC及現(xiàn)場總線的電氣控制系統(tǒng)在工業(yè)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(chǎn)品包裝等已得到廣泛的應用，但是在鐵路大型養(yǎng)路機械電氣控制系統(tǒng)中還沒有廣泛應用。本文根據(jù)鐵路大型養(yǎng)路機械控制系統(tǒng)的特點，提出一種基于PPC工業(yè)計算機、PLC及INTERBUS現(xiàn)場總線的鐵路大型養(yǎng)路機械電氣控制系統(tǒng)的設計方案。
2 現(xiàn) 狀
養(yǎng)路機械化是實現(xiàn)鐵路維修養(yǎng)護現(xiàn)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(fā)展要求，發(fā)達國家鐵路相繼采用大型養(yǎng)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(yǎng)路機械為主要作業(yè)手段的格局。而此時，我國還在依靠手工、小型機械和非標準自制設備進行線路維護，作業(yè)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(yǎng)路機械制造技術，確立了大型養(yǎng)路機械的發(fā)展采取“技術引進—消化、吸收—國產(chǎn)化生產(chǎn)—開發(fā)、創(chuàng)新”的途徑。通過20多年的引進技術和國產(chǎn)化生產(chǎn)，我們學習了國外大型養(yǎng)路機械的先進技術，更新了傳統(tǒng)的設計觀念，拓寬了開發(fā)思路，增強了開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權產(chǎn)品的能力。
隨著鐵路的跨越式發(fā)展和市場競爭的加劇，加快推進大型養(yǎng)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(chǎn)權產(chǎn)品的研發(fā)，加快新產(chǎn)品開發(fā)速度，發(fā)展核心技術，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(wěn)定車、鋼軌打磨車、鋼軌探傷車、軌道檢測車、架線車、焊軌車、道岔鋪換機組等。對于不同功能的鐵路大型養(yǎng)路機械電氣控制系統(tǒng)來說，其本質的區(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、搗固車、配碴車、穩(wěn)定車等鐵路大型養(yǎng)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(yǎng)路機械技術的基礎上發(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：
?。?）整車電源子系統(tǒng)；
?。?）柴油機監(jiān)視控制子系統(tǒng)；
（3）高速走行監(jiān)視控制子系統(tǒng)；
?。?）作業(yè)監(jiān)視控制子系統(tǒng)；
（5）輔助設備子系統(tǒng)：包括照明、通話、取暖及空調等。
其中作業(yè)監(jiān)視控制子系統(tǒng)是各類鐵路大型養(yǎng)路機械電氣控制系統(tǒng)的核心，它完成作業(yè)機構狀態(tài)的監(jiān)視、完成作業(yè)機構動作的控制。不同功能的鐵路大型養(yǎng)路機械，其作業(yè)監(jiān)視控制系統(tǒng)的復雜程度有著很大的差別。如清篩機和配碴車，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：
?。?）計算機控制部分：由上位機控制板、鍵盤、顯示器構成；
?。?）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(tǒng)構成；
?。?）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；
?。?）軌道參數(shù)記錄部分：由記錄儀、前、后電子擺，正矢傳感器，測量輪等構成。
普拉塞—陶依爾公司的模擬集中式控制系統(tǒng)的特點如下：
?。?）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警燈；
?。?）功能復雜機型作業(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系統(tǒng)；
?。?）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、傳感器/電磁閥、繼電器）—作業(yè)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(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)為一個獨立的系統(tǒng)，與微機及計算機系統(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：
?。?）監(jiān)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；
?。?）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(tǒng)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(tǒng)的控制效果及系統(tǒng)穩(wěn)定性都較差；
?。?）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，使斷點和接點增加而增加故障點，使檢修和維護變得復雜。
本文標簽：基于PPC、PLC及現(xiàn)場總線的鐵路大型養(yǎng)路機械電氣控制系統(tǒng)設計（1）
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