PLC現(xiàn)場鐵路大型養(yǎng)路機械電氣控制系統(tǒng)

1、PLC現(xiàn)場鐵路大型養(yǎng)路機械電氣控制系統(tǒng)1引言  可編程邏輯控制器(PLCProgrammable Logic Controller)，簡稱可編程控制器，它是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計算機技術(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、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(gòu)成復雜的過程控制網(wǎng)絡(luò)。¦lt;br /> 現(xiàn)場總線技術(shù)是20世紀80年代后

2、期發(fā)展起來的，它是目前自動化領(lǐng)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(shù)、計算機技術(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“點對點”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)（FCSFieldbus Control System）。  現(xiàn)場總線技術(shù)實際上是采用串

3、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(shè)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

4、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(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)路機械電氣控制系統(tǒng)中還沒有廣泛應(yīng)用。本文根據(jù)鐵路

5、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(shè)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(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(shè)備進行線路維護，作業(yè)質(zhì)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 引進

6、了先進的大型養(yǎng)路機械制造技術(shù)，確立了大型養(yǎng)路機械的發(fā)展采取“技術(shù)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(shù)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(shù)，更新了傳統(tǒng)的設(shè)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(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，加快推進大型養(yǎng)路機械引進、消化、吸收國外先進技術(shù)的進程，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)路機械是集機械、液壓、氣動、電氣、計算機、激光等技術(shù)于一體的鐵路專用機械。按功能分有以下系

7、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(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、搗固車、配碴車、穩(wěn)定車等鐵路大型養(yǎng)路機械的技術(shù)主要是在引進、消化吸收奧地利 鐵路大型養(yǎng)路機械技術(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。&#

8、160; 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(gòu)狀態(tài)的監(jiān)視、完成作業(yè)機構(gòu)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： （1）計算機控制部分：由上位機控制板、鍵盤、顯示器構(gòu)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(tǒng)構(gòu)成 （3）模擬量控制部：由A/

9、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。  模擬集中式控制系統(tǒng)的特點如下： （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警燈； （2）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)； （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

10、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。 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(diào)整（如?！?”、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(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)

11、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。 3 系統(tǒng)要求  針對上面列舉的不足，有必要設(shè)計一種新的電氣控制系統(tǒng)，它應(yīng)滿足以下要求。 3.1 基本要求  新的大型養(yǎng)路機械電氣控制系統(tǒng)應(yīng)具有統(tǒng)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(wěn)定性，具有較好的抗振性能、抗沖擊性能、防塵性能，能經(jīng)受高溫、高濕的環(huán)境。 3.2具體要求  新的鐵路大型養(yǎng)路機械電氣控制系統(tǒng)主要針對柴油機監(jiān)視控制子系統(tǒng)、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)進行重新設(shè)

12、計，而對于整車電源子系統(tǒng)和輔助設(shè)備子系統(tǒng)，它們都是點對點的簡單控制，不作重新設(shè)計。下面詳細介紹這三個子系統(tǒng)的各種輸入輸出信號。 3.2.1柴油機監(jiān)視控制子系統(tǒng) 3.2.1.1柴油機監(jiān)視部分  輸入DI信號：油壓開關(guān)信號、缸蓋溫度（水溫）開關(guān)信號、空氣濾清器開關(guān)信號、直流發(fā)電機發(fā)電狀態(tài)開關(guān)信號等；  輸入AI信號：轉(zhuǎn)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(yīng)開關(guān)信號、高速走行位感應(yīng)開關(guān)信

13、號、作業(yè)位感應(yīng)開關(guān)信號等。 輸出DO信號：油門電機驅(qū)動信號等； 3.2.2高速走行監(jiān)視控制子系統(tǒng)（靜液壓傳動模式） 3.2.2.1高速走行監(jiān)視部分 輸入DI信號：各軸掛、脫擋感應(yīng)開關(guān)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(guān)信號，點動掛擋開關(guān)信號，向前、向后走行開關(guān)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(qū)動信號，掛擋閥驅(qū)動信號等。 輸出AO信號：走行泵比例閥驅(qū)動信號等。 3

14、.2.3作業(yè)監(jiān)視控制子系統(tǒng)（以新型穩(wěn)定車為例） 輸入DI信號：各種開關(guān)、行程開關(guān)、感應(yīng)開關(guān)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(guān)電磁閥驅(qū)動信號共82個； 輸出AO信號：比例電磁閥驅(qū)動信號共4個。 4系統(tǒng)設(shè)計 4.1 INTERBUS現(xiàn)場總線簡介  INTERBUS現(xiàn)場總線于1984年推出，其主要技術(shù)開發(fā)者為德國的Phoenix Contact公司。INTERBUS現(xiàn)場總線采用非常獨特的集總幀傳輸協(xié)議，

15、有效數(shù)據(jù)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(fā)展和廣泛使用，INTERBUS 已先后成為DIN19258德國標準、EN50254歐洲標準、IEC61158現(xiàn)場總線國際標準和中國機械工業(yè)標準JB/T 10308.8所規(guī)定的標準現(xiàn)場總線。INTERBUS在全球有1000多家總線設(shè)備生產(chǎn)商，提供多達2500種產(chǎn)品。到目前為止，INTERBUS現(xiàn)場總線在世界各地的節(jié)點安裝突破750萬，在各種現(xiàn)場總線中名列第二。  今天，作為現(xiàn)場總線、

16、PC-Based、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)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(gòu)造了完善的工業(yè)企業(yè)管理控制網(wǎng)絡(luò)。  INTERBUS總線包括遠程總線網(wǎng)絡(luò)和本地總線網(wǎng)絡(luò)，兩種網(wǎng)絡(luò)傳送相同的信號但電平不同。遠程總線網(wǎng)絡(luò)用于遠距離數(shù)據(jù)傳送，采用RS-485傳輸，遠程網(wǎng)絡(luò)采用全雙工方式進行通訊，通訊速率為500kb/s。本地總線網(wǎng)絡(luò)連接到遠程網(wǎng)絡(luò)上，網(wǎng)絡(luò)上的總線終端BT（BUSTerminal）上的BK模塊負責將遠程網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為本地網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。INTERBUS總線上的主要設(shè)備有總線終端BT（BUSTerminal）上的BK模塊、I/O模塊和安裝在PC或PL

17、C等上位主設(shè)備中的總線控制板?？偩€控制板是INTERBUS總線上的主設(shè)備，用于實現(xiàn)協(xié)議的控制、錯誤的診斷、組態(tài)的存儲等功能。I/O模塊實現(xiàn)在總線控制板和傳感器/執(zhí)行器之間的接收和數(shù)據(jù)傳輸，可處理的數(shù)據(jù)類型包括機械制造和流程工業(yè)的所有標準信號。  INTERBUS的主要應(yīng)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(yè)。歐洲汽車工業(yè)80%的車身廠和焊接車間，均采用INTERBUS系統(tǒng)的控制方案。在上海大眾的帕薩特生產(chǎn)線、一汽大眾的Audi A6生產(chǎn)線上、紅塔集團玉溪卷煙廠新的生產(chǎn)線，均全面采用了INTERBUS作控制方案。 4.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

18、60; 根據(jù)鐵路大型養(yǎng)路機械控制系統(tǒng)的特點，基于PPC工業(yè)控制計算機、PLC及現(xiàn)場總線INTERBUS的鐵路大型養(yǎng)路機械控電器制系統(tǒng)的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示，它分為兩層：監(jiān)控層和現(xiàn)場控制層。4.2.1 監(jiān)控層  監(jiān)控層由高速以太網(wǎng)Ethernet、PPC工業(yè)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(jiān)控層主要完成以下功能： （1）柴油機監(jiān)視控制子系統(tǒng)中柴油機轉(zhuǎn)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(tài)、直流發(fā)電機發(fā)電狀態(tài)的報警指示；預熱指示；怠速位、高速走行位、作業(yè)位的指示等。 （2）高速

19、走行監(jiān)視控制子系統(tǒng)（靜液壓傳動模式）中速度里程，各軸掛、脫擋狀態(tài)的顯示；掛擋開關(guān)，點動掛擋開關(guān)，向前、向后走行開關(guān)，走行手柄電位器，走行手柄位置的顯示等。 （3）作業(yè)監(jiān)視控制子系統(tǒng)（以新型穩(wěn)定車為例）中各種開關(guān)，作業(yè)機構(gòu)的各種行程開關(guān)、感應(yīng)開關(guān)狀態(tài)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(yè)速度的顯示。 （4）系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置。 （5）系統(tǒng)故障診斷。 （6）軌道參數(shù)的記錄及打印輸出。 4.2.2 現(xiàn)場控制層  現(xiàn)場控制層由主站（PLC控制器、總線分支模塊、本地I/O），現(xiàn)場總線，

20、從站（總線藕合器BK、遠程I/O）和現(xiàn)場設(shè)備四部分組成。主站安裝于作業(yè)室內(nèi)，從站的數(shù)量根據(jù)實際需要而定，它分布于車體的不同位置?，F(xiàn)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(jiān)控層的通訊。 4.3 系統(tǒng)硬件配置 本系統(tǒng)是基于Phoenix Contact公司的自動化產(chǎn)品配置而成的。主要配置如下： PPC工業(yè)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(wǎng)端口、1個RS232端口。 總線分支模塊：IB

21、S 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

22、 AI 2/SF-PAC，IB IL AO 2/U/BP-PAC，IB IL CNT-PAC等。 4.4 系統(tǒng)軟件配置  系統(tǒng)軟件配置包括Windows NT操作系統(tǒng)、IBS OPC SERVER、Diag+故障診斷軟件、軌道參數(shù)記錄及打印程序、上位機監(jiān)控軟件Visu+、下位機編程軟件PC WORX 5。 4.4.1 上位機監(jiān)控軟件  本系統(tǒng)采用Visu+作為上位監(jiān)控軟件。對于過程的組態(tài)，所有的Phoenix Contact公司的HMI設(shè)備均使用強大的組態(tài)軟件Visu+，它除了完全的SCADA功能（例如：操作與監(jiān)控、趨勢圖、報警信息等）之外，同時還提供諸

23、如：數(shù)據(jù)采集、記錄、配方管理、數(shù)據(jù)庫連接、企業(yè)資源計劃系統(tǒng)（ERP）連接等。Visu+軟件的開發(fā)接口設(shè)計清晰、操作直觀、所有的組態(tài)畫面元素能夠輕松的通過鼠標點擊或拖拽實現(xiàn)。 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(wù)器，這個接口可以用于INTERBUS主站和PC WORX編程控制系統(tǒng)、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

24、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(xiàn)簡單而全面的診斷，也可以實現(xiàn)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(shè)備和系統(tǒng)的可視化軟件中。圖形化設(shè)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(shè)備。這些診斷可以通過INTERBUS主站上的任意接口（以太網(wǎng)、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(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的每個控制系統(tǒng)實現(xiàn)診斷。這意味著INTERBUS系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)提供了一個現(xiàn)代化開發(fā)工具。當PC WORX 5連接到現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)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(tài)。PC WOR