多機牽引無線同步操控系統的研究

朱家欣

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多機牽引無線同步操控系統的研究

朱家欣

南昌鐵路局福州機務段

1 概述

當前我國實現重載運輸的途徑主要有兩種：一是采用大軸重、大功率機車牽引貨物列車，如現在大量投入使用的和諧型電力機車（HXD系列）、和諧型內燃機車（HXN系列），主要用于東部繁忙鐵路干線運輸;二是在站（場）線有效長度符合一定條件時，增加列車編組，采用多臺機車固定或無線重聯進行牽引。

多機牽引無線同步控制系統以其優良的系統特點在我國重載鐵路運輸中得到了一定的應用。目前國內使用的多機牽引無線同步控制系統多為美國GE公司的Locotrol系統，但其應用條件與我國鐵路現狀有著巨大的差異。基于此，本文結合南昌鐵路局項目“多機牽引無線同步操縱系統”，以SS4G電力機車為研究對象，對符合我國實際應用要求的多機牽引無線同步控制系統進行了研究，給出了試驗結果。

2 多機牽引系統的主要功能

2.1 作為主控牽引機車的車載設備,能正確采集本機車的狀態信息,向從控牽引機車車載設備發送操縱指令信號，并根據本列車的其它機車反饋的運行信息控制全列車的運行。

2.2 作為從控牽引機車的車載設備, 能通過無線通道正確接收主控牽引機車車載設備發送的操縱指令信號, 控制機車按要求運行。

2.3 車載設備具備通用性, 只需作簡單的操作即可實現作為主控牽引機車或從控牽引機車功能切換。

2.4 當列車在不同坡度的線路上運行時,控制系統可以根據不同地形條件, 由主控機車司機采用不同的操縱方法分別控制主控機車及被控機車的工況，即異步操縱功能。

3 多機牽引無線同步操控系統方案設計與實現

3.1 系統總體結構

圖1 系統控制結構圖

3.1.1無線通信控制單元

無線通信控制單元集整個系統控制、無線傳輸控制于一體，是系統的核心單元，主要負責把各采集單元的數據通過無線發送，并接受對方無線傳輸過來的數據。

3.1.2模擬量輸入單元

模擬量輸入單元主要采集機車司機控制器的級位電壓信號，然后通過無線通信控制單元發送到從控機車，用于機車速度控制。

3.1.3開關量輸入單元

開關量輸入單元主要采集機車的110V控制信號，然后通過無線通信控制單元發送到從控機車，用于機車同步控制。

3.1.4過分相保護單元

過分相保護單元通過檢測電網電壓和機車速度、距離來判斷從控機車是否過了分相區，保護機車安全運行。

3.1.5控制輸出單元

當機車為主控機車時控制輸出單元不工作，為從控機車時，控制輸出單元接收無線通信控制單元的信號并對機車進行控制。

3.1.6顯示單元

對機車的狀態和故障進行顯示。

3.2 系統無線控制原理

3.2.1開關量無線控制

機車無線控制的開關量（以主斷分為例介紹）控制方式如圖2。

圖2 機車無線控制時開關量控制方式

在主控機車司機按鍵400SK合上后，4QFF得電。開關量輸入板采集到4QFF兩端110V電壓信號，此信號通過無線傳輸到從控機車裝置的控制單元，控制輸出板驅動繼電器導通，從而從控機車相應4QFF也得電工作。

3.2.2模擬量無線控制

主控機車的采集單元采集到電位器A輸出的給定電壓，經AD轉換后數字量無線傳輸到從控機車的車載裝置，再經控制模塊的DA轉換成模擬量送入特性形成電路。

4 機車狀態信號采集電路設計與實現

4.1 信號采集電路的硬件設計

4.1.1多通道巡回采集電路設計

為確保A/D轉換精度，設置采樣/保持電路實現采樣電路特別是快速動態信號采樣準確。模擬開關ADG506A實現對16路模擬量分時采集，輸入的16個模擬量由模數轉換器分時采樣。

4.1.2轉換接口電路設計

選用ADS1674為數據采集模塊的模數轉換芯片，經過ADS1674進行AD轉換后，0～10V的模擬信號轉化為12位的數字量，存放在兩個8位的RAM寄存器中，因此，AD的分辯率為：10/4095=2.441mV。

4.2 CAN總線接口電路

數據采集模塊以及數據處理模塊芯片均采用P87C591單片機， CAN總線收發器采用飛利浦公司的PCA82C250，它是連接CAN控制器和物理總線之間的接口，提供了對總線的差動發動和接收能力。總線通信的接通信方式采用查詢式發送，中斷式接收。

5 信號無線傳輸與控制電路的設計與實現

5.1 控制量與狀態量的傳輸方案

由于本系統無線通信中只允許使用1個通道傳輸所有控制量和狀態量。而RS-485無線通信是異步半雙工的，在同一時刻，只允許一節點發，另一節點收，也就是說數據流是單向流動的，在一定的一個時間周期內，一個節點為發送數據，對應的另一節點為接收數據；在一定的另一個時間周期內，將數據的流向反向，發送數據的節點變成接收數據，接收數據的節點變成發送數據。然后，再切換到初始狀態，周而復始地循環這種狀態。

5.2 兩種數據量傳輸的最佳時間周期匹配分析

5.2.1傳輸時間周期的確定

從控機車發回狀態量的數據量及所用時間分析

（1）數據量分析

從控機車發回的數據量包括兩個采集板采集的數據，即：采集板1采集的14路0～10V模擬量顯示數據，共需4幀數據；采集板2采集的36路開關量數據，共需1幀數據。

（2）所用時間分析

從控機車發回的數據量共有5幀CAN擴展幀格式數據，CAN總線采用125Kbit/s的速率，發送5幀數據到無線通信模塊的傳輸共需時間為：

T狀態量can =（ 5*13*8）/125000

= 4.16 ms

無線數傳模塊的通信波特率為：19200bit/s，故無線通信傳輸模塊再通過RS-485將這5幀數據無線發送的時間：

T狀態量rs485 = （ 5*13*8）/ 19200

= 27.08 ms

RS-485無線通信握手所用時間存在不確定因素,所以通信握手所用時間為：

30ms < T握手 < 300ms

計算時取100ms

由于CAN發送數據的速度快，而RS-485轉發數據的速度慢，故當CAN發送完一幀數據后作 100ms ～ 200 ms的延時，記為：Tdelay = 150ms

系統采集數據及其他處理時間大約為：

T采集 = 50 ms

所以，可以得出從控機車采集板發出狀態量，到主控機車顯示板收到狀態量所用時間大約為：

T狀態量 = T采集 + T狀態量can * 2 + T狀態量rs485 * 2 + T握手 + Tdelay *5

= 50 ms + 4.16 ms* 2 + 27.08 ms* 2 + 100ms + 150ms*5

= 962.48 ms

當狀態量發完，主控機車無線通信模塊重新變成發送狀態，從控機車無線通信模塊重新變成接收狀態，需要重新進行通信握手，故完成狀態切換總共所需時間為：

T總 = T狀態量 + T握手

= 962.48 ms + 100ms

= 1062.48 ms

5.2.2最佳時間周期匹配分析

由以上的時間分析可以得出，當從控車無線通信模塊向回發數據到主控車完成接收顯示，耗時最大也就1秒，故時間周期Ｔ2取１秒。在這1 秒鐘內主控機車要是發生控制動作，控制指令無法發到從控機車，就會丟失控制動作。解決此問題的辦法有兩種：

① 不作處理，自動更新控制指令。

② 保存１秒內的控制數據，當狀態切換完成后，將保存的控制指令再重新無線發送。

首先分析１秒鐘之內，采集板１會產生多少控制數據：

采集數據的時間周期為：T采集＋Tdelay＝200 ms

故１秒鐘內會產生５幀數據，即６５個字節

發送這６５個字節到從控機車無線通信模塊需時間：

T采集 + T狀態量can * 2+T狀態量rs485 * 2 + T握手

=2*（６５＊８）/125000 + 2*（６５＊８）/19200 + 100 ms

=8.32 ms + 54.17 ms + 100 ms

=162.49 ms

由以上分析，初步取時間周期Ｔ1= 2 S ，也即2秒鐘刷新一次顯示屏。

5.2.3方案的實現方法

在主控機車無線通信程序中，利用定時器T0 定時中斷程序，做一個2S的定時中斷程序，不論主控和從控車相互轉換，始終都由主控車端完成定時器T0 定時中斷程序，有利于數據傳輸方向切換時間的同步性。

5.3 無線數傳模塊的選擇

經過實驗比較及測試，選擇抗干擾能力強、檢錯糾錯能力強的STR-35工業級低功率無線數傳模塊，采用基于GFSK 的調制方式，高效前向糾錯信道編碼技術，提高了數據抗突發干擾和隨機干擾的能力。

6 結論

多機牽引無線同步操控系統于2009年7月16日，在南昌鐵路局福州機務段邵武運用車間配屬機車SS4-0536、SS4-0537上進行了運行試驗。

通過試驗，可以得出如下結論：

6.1 對機車的控制方案完全可行，目前的控制方案能滿足機車的控制要求。

6.2 無線通信能滿足現場要求。在前后兩臺車重聯的情況下，通信能力可靠。

多機牽引無線操控系統于2009年7月16日起在福州機務段邵武運用車間投入試運用，經測試達到預期功能要求，隨后投入運用考核，并于2010年3月23日通過了南昌鐵路局科委組織的技術鑒定。

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