1 引言
目前，我國(guó)鐵路大部分廠、段的電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)，主要采用手工操作控制試驗(yàn)、人工讀表記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)；自動(dòng)化程度比較低。這種手工試驗(yàn)存在明顯的缺陷：工作效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度比較大，試驗(yàn)精度不高，而且試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性往往受到人為因素的影響。隨著牽引電機(jī)試驗(yàn)要求的提高，現(xiàn)有的試驗(yàn)臺(tái)人工控制已不能滿足要求了，迫切需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和計(jì)算機(jī)管理。
實(shí)現(xiàn)牽引電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)控制的主要困難是：(1)電機(jī)試驗(yàn)流程復(fù)雜，步驟繁多，邏輯關(guān)系歸納困難；(2)牽引電機(jī)試驗(yàn)狀態(tài)多變，在不同試驗(yàn)狀態(tài)下控制參數(shù)不同，難以達(dá)到理想的控制效果；(3)牽引電機(jī)和試驗(yàn)電源是高電壓、大電流設(shè)備，電磁干擾強(qiáng)，機(jī)械震動(dòng)大，對(duì)控制設(shè)備的抗干擾性和可靠性要求較高。
基于這種情況，我們?cè)O(shè)計(jì)采用基于現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)SHCAN2000的電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，解決了以上問(wèn)題，可以自動(dòng)完成牽引電機(jī)的全部檢查試驗(yàn)。實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)流程的自動(dòng)控制、自動(dòng)完成；試驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和自動(dòng)記錄；安全報(bào)警、自動(dòng)保護(hù)和歷史記錄；試驗(yàn)報(bào)表的自動(dòng)生成和管理等。
2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
2.1 牽引電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)線路
試驗(yàn)臺(tái)線路如圖1所示。
其中，試驗(yàn)線路開關(guān)(約30個(gè))的組合決定不同試驗(yàn)項(xiàng)目和不同試驗(yàn)方式。在試驗(yàn)過(guò)程中，若要根據(jù)不同試驗(yàn)項(xiàng)目、不同步驟控制開關(guān)的動(dòng)作。試驗(yàn)累計(jì)500步左右，相應(yīng)開關(guān)組合也有500個(gè)狀態(tài)。
線路機(jī)、升壓機(jī)是由可控硅整流實(shí)現(xiàn)的可控電壓源、電流源。由控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)單元的動(dòng)態(tài)輸出作為線路機(jī)和升壓機(jī)的給定，可控硅觸發(fā)電路閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出，控制牽引電機(jī)的工作點(diǎn)(電壓、電流、轉(zhuǎn)速)。削磁機(jī)是由IGBT實(shí)現(xiàn)的恒流源，當(dāng)削磁電路投入時(shí)，會(huì)自動(dòng)跟蹤被試電機(jī)電樞電流，控制主磁極電流保持在一個(gè)固定的削磁率上。
2.2 SHCAN2000分布式控制系統(tǒng)
現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)是信息數(shù)字化、控制分散化、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一全開放的新一代工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，它有控制精度高、系統(tǒng)可靠性強(qiáng)、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。其中控制徹底分散是現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)具有的突出特點(diǎn)，它給用戶帶來(lái)的實(shí)質(zhì)優(yōu)點(diǎn)是：由高度智能的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備來(lái)分散地完成DCS控制器的功能，弱化甚至省去了集中控制器的層次，降低了設(shè)備和布線費(fèi)用，使控制風(fēng)險(xiǎn)徹底分散，提高系統(tǒng)控制的自治性和可靠性。
本系統(tǒng)控制部分結(jié)構(gòu)如圖2所示。
我們?cè)O(shè)計(jì)并采用的SHCAN2000分布式控制系統(tǒng)采用三層體系結(jié)構(gòu)，即操作站——CAN總結(jié)網(wǎng)絡(luò)(雙絞線)——現(xiàn)場(chǎng)智能測(cè)控單元。操作站由工業(yè)PC機(jī)加網(wǎng)卡組成；網(wǎng)卡的功能是完成RS-232C與CAN總線之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)工業(yè)PC機(jī)與CAN總線的連接。操作站采用Windows2000操作系統(tǒng)，工控軟件采用美國(guó)Intellution公司的FIX6-15，建立友好的人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控和管理功能。
SHCAN2000型系統(tǒng)的總線通信標(biāo)準(zhǔn)采用CAN2.0B。CAN總線的短楨結(jié)構(gòu)、CRC校驗(yàn)以及錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)自動(dòng)關(guān)閉功能，保證了信號(hào)傳輸?shù)目煽啃裕哂休^強(qiáng)的抗干擾能力。在電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)電磁干擾下，從未出現(xiàn)通信故障，證明了CAN總線通信的高可靠性。
在SHCAN2000控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)智能測(cè)控單元作為控制系統(tǒng)的核心，完成全部控制功能；通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的信息共享，以及現(xiàn)場(chǎng)和上位機(jī)之間的通信，包括控制信息、設(shè)備狀態(tài)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳送。完全由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控單元實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)試驗(yàn)流程的全部控制，是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的一個(gè)難點(diǎn)。
SHCAN2000現(xiàn)場(chǎng)智能測(cè)控單元采用了由實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)、實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件、任務(wù)級(jí)組態(tài)軟件、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成的現(xiàn)場(chǎng)智能測(cè)控儀表軟件組件集成技術(shù)[2]。并開發(fā)了下載與調(diào)試程序，支持在線組態(tài)和模擬調(diào)試，大大方便了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試。
3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)
本電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)能夠自動(dòng)完成ZD-106、ZD-109、QDR-410型號(hào)牽引電機(jī)的全部出廠試驗(yàn)和部分型式試驗(yàn)。下面結(jié)合試驗(yàn)流程特點(diǎn)，按系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的過(guò)程來(lái)進(jìn)行介紹。
3.1 系統(tǒng)模型分析
試驗(yàn)項(xiàng)目繁多，流程復(fù)雜。根據(jù)我們分析，每一個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目的步驟從五步到二十步不等，有的試驗(yàn)項(xiàng)目還有不同試驗(yàn)方式，累計(jì)試驗(yàn)步驟近五百步。面對(duì)如此復(fù)雜的試驗(yàn)流程，為了清晰地描述電機(jī)試驗(yàn)的控制過(guò)程，首先要?dú)w納出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。
牽引電機(jī)試驗(yàn)流程的控制包含開關(guān)量的邏輯控制和電機(jī)工作點(diǎn)的閉環(huán)調(diào)節(jié)，兩者緊密結(jié)合。為了清楚地分析電機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中不同狀態(tài)下的控制內(nèi)容，我們將電機(jī)試驗(yàn)按控制邏輯分成了若干步驟，依試驗(yàn)項(xiàng)目不同，步驟數(shù)目也不同，最多的試驗(yàn)項(xiàng)目(換向試驗(yàn)達(dá)20步之多。限于篇幅，只列出速度特性試驗(yàn)(M1正轉(zhuǎn)、滿磁場(chǎng))部分流程表格。
分析試驗(yàn)流程中的控制關(guān)系。一方面，在不同的試驗(yàn)項(xiàng)目以及每一個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目的不同試驗(yàn)步驟，每個(gè)開關(guān)都具備一個(gè)確定的狀態(tài)邏輯，電機(jī)工作點(diǎn)的調(diào)節(jié)內(nèi)容也由試驗(yàn)步驟的狀態(tài)決定；另一方面，每一個(gè)試驗(yàn)步驟的切換邏輯由二十個(gè)線路開關(guān)的狀態(tài)邏輯和電機(jī)工作狀態(tài)標(biāo)志運(yùn)算決定。這樣，開關(guān)、步驟之間相互制約，建立起邏輯上的互鎖關(guān)系，試驗(yàn)流程的開關(guān)量部分的框架就這樣建立起來(lái)了。模擬量調(diào)節(jié)內(nèi)容依據(jù)試驗(yàn)步驟標(biāo)志，由分支程序選擇不同的閉環(huán)調(diào)節(jié)。當(dāng)被控量達(dá)到給定值時(shí)，會(huì)產(chǎn)生標(biāo)志位，滿足步驟切換邏輯，試驗(yàn)進(jìn)行下一步。這樣試驗(yàn)流程就會(huì)依次自動(dòng)進(jìn)行下去。試驗(yàn)步驟、線路開關(guān)、模擬量調(diào)節(jié)三者關(guān)系可以概括為：試驗(yàn)步驟決定線路開關(guān)的狀態(tài)和模擬量調(diào)節(jié)內(nèi)容，線路開關(guān)的狀態(tài)和模擬量標(biāo)志位又是試驗(yàn)步驟切換的邏輯條件。如下圖示。
步驟邏輯和開關(guān)邏輯的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以概括如下(其中Step(N)代表試驗(yàn)第N步，K代表開關(guān)，Logic代表組合邏輯，Ex代表試驗(yàn)項(xiàng)目，F(xiàn)lag代表各個(gè)試驗(yàn)狀態(tài)標(biāo)志)：
其中，“步驟切換條件”是由線路開關(guān)、電機(jī)工作標(biāo)志位的組合邏輯構(gòu)成。由此，試驗(yàn)步驟與開關(guān)構(gòu)成了“互鎖”并且步驟邏輯自身可以“自鎖”。
這種按步驟歸納邏輯關(guān)系的方法能夠把開關(guān)量連鎖控制與模擬量調(diào)節(jié)結(jié)合起來(lái)。在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)大量存在一種控制方式，包含開關(guān)量邏輯控制和模擬量閉環(huán)調(diào)節(jié)，二者要求同樣嚴(yán)格，不分主次(例如化工行業(yè)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的控制等)。對(duì)于這樣流程的控制，這種處理方法具有一定的普遍意義[4]。
3.2 現(xiàn)場(chǎng)總線條件下系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)
電機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中，各設(shè)備關(guān)系緊密，需要共同配合完成試驗(yàn)流程，試驗(yàn)臺(tái)的控制必須兼顧各個(gè)設(shè)備，作為一個(gè)整體進(jìn)行控制。而控制分散在現(xiàn)場(chǎng)，所以各個(gè)測(cè)控單元的信息必須是開放的、可以與其他單元共享。CAN總線的多主性通信方式使網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)之間可自由通信。SHCAN2000現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中提供了CAN總線網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場(chǎng)智能測(cè)控單元構(gòu)成的分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了自由、開放的通信方式，使得系統(tǒng)內(nèi)任何單元的測(cè)控?cái)?shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)，對(duì)于其他單元都是可見(jiàn)的，從而使試驗(yàn)臺(tái)的整體控制成為可能。
由現(xiàn)場(chǎng)功能不同方面，SHCAN2000現(xiàn)場(chǎng)控制單元可按以下組態(tài)方案實(shí)現(xiàn)[6]：
(1)通信功能
通信包括現(xiàn)場(chǎng)與上位機(jī)的通信、現(xiàn)場(chǎng)單元之間的通信。為了實(shí)現(xiàn)控制信息共享，在現(xiàn)場(chǎng)單元分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，每個(gè)設(shè)備的控制信息都通過(guò)CAN總線同地址映射到相同地址單元，實(shí)現(xiàn)了最大范圍的信息共享。例如，需要訪問(wèn)電機(jī)工作點(diǎn)電流是否達(dá)到給定值標(biāo)志位，各控制單元只需訪問(wèn)本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)的S10N10單元即可。
現(xiàn)場(chǎng)單元與上位機(jī)以及現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)單元之間的通信由模塊實(shí)現(xiàn)，且有分頻器模塊控制通信速率，使CAN網(wǎng)絡(luò)不致阻塞。
(2)控制功能實(shí)現(xiàn)
控制功能包括開關(guān)量控制、工作點(diǎn)調(diào)節(jié)和流程的控制。
開關(guān)量控制通過(guò)開關(guān)量運(yùn)算模塊，實(shí)現(xiàn)步驟切換邏輯運(yùn)算和開關(guān)狀態(tài)邏輯運(yùn)算。
電機(jī)工作點(diǎn)調(diào)節(jié)根據(jù)試驗(yàn)步驟狀態(tài)，用分支程序模塊來(lái)選擇PID運(yùn)算模塊的SP、PV，完成電機(jī)在不同工作點(diǎn)下電壓、電流、轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。此外，由于電機(jī)在不同工作狀態(tài)(起動(dòng)、制停、不同工作點(diǎn))時(shí)控制模型的參數(shù)不同，所以在試驗(yàn)的不同階段，用分支程序模塊選擇已整定好的不同的PID參數(shù)(分段PID)，達(dá)到理想的控制效果。
當(dāng)被控量達(dá)到預(yù)先設(shè)定值時(shí)，高低值監(jiān)視模塊產(chǎn)生一個(gè)開關(guān)量，參加步驟切換邏輯運(yùn)算；計(jì)數(shù)器模塊、定時(shí)器模塊控制工作點(diǎn)切換和延時(shí)等流程控制。
3.3 上位機(jī)監(jiān)控管理軟件
上位機(jī)的監(jiān)控管理軟件采用美國(guó)Intellutin公司FIX 615，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)控和管理。
監(jiān)控界面由模擬試驗(yàn)線路、虛擬儀表和操作按鈕組成。試驗(yàn)員可以通過(guò)模擬試驗(yàn)線路觀察電路開關(guān)狀態(tài)；虛擬儀表顯示電機(jī)電壓、電流、轉(zhuǎn)速、溫度等參數(shù)；試驗(yàn)步驟指示燈顯示當(dāng)前試驗(yàn)狀態(tài)；操作按鈕控制電機(jī)試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)流程。
FIX與現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)交換由自行開發(fā)的I/O驅(qū)動(dòng)程序——現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控單元的通信模塊，來(lái)完成現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的“上傳”和上位機(jī)組態(tài)數(shù)據(jù)、控制命令的“下達(dá)”。
電機(jī)電壓、電流、轉(zhuǎn)速的越限保護(hù)動(dòng)作由現(xiàn)場(chǎng)智能測(cè)控模塊完成，但上位機(jī)保留這些報(bào)警事件的歷史紀(jì)錄(發(fā)生時(shí)間，越限值，操作者等)，以備查詢、參考。
本系統(tǒng)中不同的操作權(quán)限具有不同口令保護(hù)，使試驗(yàn)操作員和系統(tǒng)工程師權(quán)限不同，各司其職，消除由操作員誤操作帶來(lái)的對(duì)系統(tǒng)組態(tài)功能的破壞。
作為試驗(yàn)的最終結(jié)果，試驗(yàn)報(bào)表系統(tǒng)是由FIX組態(tài)軟件調(diào)用Microsoft Office Excel電子表格軟件實(shí)現(xiàn)的[6]。試驗(yàn)完畢后，F(xiàn)IX調(diào)用Excel中用VBA編寫的宏READ()，來(lái)完成自動(dòng)將試驗(yàn)數(shù)據(jù)文件到Excel表格的格式轉(zhuǎn)換，形成最終試驗(yàn)報(bào)表。并按照電機(jī)編號(hào)和試驗(yàn)項(xiàng)目作為文件名將試驗(yàn)數(shù)據(jù)存檔以備檢索。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文提出的牽引電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)已在鐵道部戚墅堰機(jī)車車輛廠得到了成功的應(yīng)用。實(shí)踐證明，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)對(duì)于牽引電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)這樣典型大功率電氣設(shè)備的控制具有工作可靠、控制精度高、設(shè)計(jì)靈活、功能完備等優(yōu)點(diǎn)，有良好的借鑒作用和推廣應(yīng)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
[1] 牽引電機(jī)[M] .西南交大電機(jī)系編中國(guó)鐵道出版社，1981年4月
[2] 袁愛(ài)進(jìn)，等.現(xiàn)場(chǎng)智能測(cè)控儀表軟件組件集成技術(shù)的研究[J] .儀器儀表學(xué)報(bào)，2001年第3期，269-276
[3] 牽引電機(jī)大綱[S] .鐵道部戚墅堰機(jī)車車輛廠
[4] 陳曉俠，等.CAN總線間歇控制系統(tǒng)的研究[J] .大連鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)，2001年第2期，52-55
[5] “SHCAN2000分布控制系統(tǒng)智能測(cè)控組件系統(tǒng)組態(tài)使用手冊(cè)”[S] .大連鐵道學(xué)院三合儀表開發(fā)公司，1999
[6] [美] Mark Dodge等著，詹津明，等譯.Microsoft Excel 97使用大會(huì)[M] .清華大學(xué)出版社，1998年12月
