基于CoDeSys的電動公鐵兩用牽引車控制系統設計

許 萬，趙國棟，趙大興，李 炯

XU Wan, ZHAO Guo-dong, ZHAO Da-xing, LI Jiong

（湖北工業大學 機械工程學院，武漢 430068）

0 引言

公鐵兩用牽引車也稱陸軌兩用牽引車，是鐵路運輸的輔助動力車輛，是一種既能在公路、站臺等普通路面上行走，又能在標準軌距的鐵路上運行，像調車機車一樣進行牽引作業的特種工程車輛[1]。一般在調車作業過程中，大批量的調車作業主要由調車機車來完成，而小批量的調車作業更多的采用公鐵兩用牽引車。對于小批量的調車作業，公鐵兩用牽引車調車效率更高，成本更低，維護保養更方便，適用于鐵路檢修站段、工礦企業、小型貨場等場合的調車牽引作業[2]。

傳統的公鐵兩用牽引車大多為內燃機驅動，噪聲大、尾氣重，不適用于封閉的環境[3]；以電動叉車為基礎改造而來的公鐵兩用牽引車，機械結構設計不夠合理，控制系統安全可靠性不高[4]；液壓系統轉向，無法實現反饋，難以實現快速準確的轉向要求；采用驅動橋，差速器轉向，牽引車機械結構復雜，制造成本偏高[5～7]。

本文設計的新型公鐵兩用牽引車以電能作為驅動，噪聲小、無尾氣，節能環保能在室內、隧道等封閉環境下工作[8]；使用雙舵輪驅動轉向單元，簡化牽引車的機械結構，提高能量轉換效率；液壓系統控制導向輪實現公路模式與鐵路模式的快速轉換。引入CAN總線通訊技術，采用CANopen通訊協議，以CoDeSys V2.3作為軟件程序開發環境，進行控制系統程序設計。實現牽引車縱向、橫向平移，對角線平移，圓周轉向，橡膠輪手動調直、自動調直，無級變速，行車途中的自動剎車，橡膠輪調直和轉向角度的準確，保證牽引車自由行走，快速到達指定現場進行調車牽引作業。行車途中自動剎車功能，防止溜車危險，確保牽引車作業安全可靠。整車控制系統穩定、準確，提高了牽引車自動化程度，動力性能與適用性能。

1 公鐵兩用牽引車結構及工作原理

1.1 公鐵兩用牽引車結構

公鐵兩用牽引車機械結構如圖1所示，主要包括底盤，車架，驅動轉向單元，液壓單元，控制單元。驅動轉向單元由行走電機，減速箱，轉向電機，轉向直齒輪副，橡膠輪組成。液壓單元由油泵電機，齒輪油泵，電磁換向閥，萬向輪，前導向輪，后導向輪組成。控制單元由車載無線接收器，手持無線遙控器組成。牽引車的傳動配置方式為：驅動輪與轉向輪合一，橡膠輪既是驅動輪也是轉向輪。轉向方式為：雙舵輪轉向方式。

圖1 公鐵兩用牽引車機械結構圖

1.2 公鐵兩用牽引車工作原理

在公路模式下，通過控制車載液壓單元，降下從動萬向輪，使得萬向輪與地面接圖1公鐵兩用牽引車機械結構圖觸，起到支撐作用，同時升起兩側鐵軌前導向輪、后導向輪，牽引車運動狀態如圖2所示，(a)～(c)兩側橡膠輪速度均為V1，(d)兩側橡膠輪速度V1、V2大小相等，方向相反。(a)兩側橡膠輪調直，行走電機驅動兩側橡膠輪，牽引車縱向平移。(b)兩側橡膠輪左轉角度小于90°，轉向電機驅動轉向直齒輪副，左右兩側橡膠輪轉過相同的方向和角度，行走電機驅動兩側的橡膠輪，牽引車對角線平移。(c)兩側橡膠輪左轉到90°，行走電機驅動兩側橡膠輪，牽引車左右橫向平移，實現軌道跟換的功能。(d)兩側橡膠輪調直,行走電機驅動兩側橡膠輪，牽引車原地圓周轉向，實現在狹小空間的調度功能。(b)左右橡膠輪轉過一定角度，可以對左右橡膠輪分別手動調直復位。

圖2 牽引車運動狀態圖

在鐵路模式下，通過控制車載液壓系統，升起從動萬向輪，同時降下兩側的鐵軌前導向輪，后導向輪，使得前后導向輪嵌入軌道，起到導向作用，防止牽引車脫軌。此時兩側橡膠輪分別自動調直，完成牽引車在鐵軌上的復軌。行走電機驅動兩側的橡膠輪以相同的速度在鐵軌上運行，此時牽引車的對角線轉向，圓周轉向功能被鎖定，牽引車只能沿著鐵軌行走，實現牽引功能，最大牽引負載為100噸。

以上兩種模式實現了牽引車縱向平移，橫向平移，對角線平移，圓周轉向，橡膠輪的手動調直復位，橡膠輪在鐵軌上自動調直復軌。保證了牽引車能自由行走，快速到達指定現場進行調車牽引作業。

2 公鐵兩用牽引車控制系統硬件設計

2.1 控制系統硬件總體設計

控制系統硬件結構如圖3所示，細線箭頭表示控制信號連接，黑色粗線箭頭表示電氣連接，灰色粗線箭頭表示機械連接。公鐵兩用牽引車控制系統硬件結構主要包括總控制單元，輔助控制單元，電源控制單元，驅動單元，液壓輔助單元。

總控制單元實現對整個車載系統的控制。輔助控制單元主要包括手持遙控器，車載接收器，狀態顯示燈，起到人機交互的功能，實現對牽引車的遠程遙控，使得對牽引車的操作更安全，更方便。電源控制單元主要由蓄電池，蓄電池管理單元組成，為牽引車提供動力，同時對蓄電池起到欠壓保護，對整車控制系統起到低壓保護。驅動單元主要由左右行走電機，左右轉向電機，左右驅動轉向機構，左右橡膠輪組成，實現牽引車在公路上的自由行走和鐵路上的牽引。液壓輔助單元主要包括油泵電機，齒輪油泵，電池換向閥，萬向輪，前導向輪，后導向輪，實現牽引車公路模式，鐵路模式的轉換，輔助完成牽引車的自由行走和牽引功能。

2.2 控制系統主要硬件選型

1）主控制器:選用專用的車載可編程控制器（PLC），IFM公司的通用系列CR0020可編程控制器。包含兩個CAN通訊接口，支持CANopen、SAE J1939通訊協議。共40個輸入輸出，支持開關量、模擬量輸入輸出，脈沖量輸入、PWM輸出、電流控制輸出。

圖3 控制系統硬件結構圖

圖4 控制系統軟件結構圖

2）驅動轉向單元：選用KORDEL公司的驅動轉向單元，減速箱行走單元的總傳動比i=22.78，轉向單元的總傳動比i=350.27。行走電機，轉向電機均為三相交流異步電機，磁極對數均為p=2。行走電機選用的型號為KM A 132/4-150/3～50V/O，額定電壓50VAC，額定功率5KW，自帶剎車制動器，轉向電機選用的型號為KMA 80/4-60/3～50V/O，額定電壓50VAC，額定功率0.4KW。內置溫度傳感器，可實現對電機溫度的反饋。

3）行走電機、轉向電機驅動器：均選用ZAPI公司的AC系列驅動器，行走電機驅動器型號為ACE2，轉向電機驅動器型號為AC-X。ACE2、AC-X驅動器都內置三相交流異步電機逆變器，CAN通訊接口，速度增量編碼器。可將蓄電池80V直流電轉換為50V三相交流電，支持CANopen通訊協議，可實現電機的速度反饋，同時可對電機的加速度進行設置。

4）絕對值編碼器：選用Baumer公司的多圈總線通訊系列編碼器，型號GXLMS.2205 P 32。一個CAN 總線通訊接口，支持CANopen通訊協議，單圈分辨率為13位，多圈分辨率為16位，總分辨率為29位。直徑12mm的盲孔安裝在轉向電機尾端輸出軸上，實現對橡膠輪轉向角度的實時反饋。

3 公鐵兩用牽引車控制系統軟件設計

3.1 控制系統軟件總體設計

控制系統軟件結構如圖4所示。控制系統軟件主要由可編程控制器（PLC），CAN總線模塊，行走模塊，轉向調直模塊，液壓模塊組成。整車各模塊之間通過CAN總線進行通訊，采用CANopen通訊協議。可編程控制器（PLC）作為CAN總線上的唯一主控制器，左右行走電機驅動器，左右轉向電機驅動器，左右絕對值編碼器均作為從機，組成主從通訊模型。可編程控制器（PLC）同時控制油泵電機、電磁換向閥。

圖5 控制系統程序流程圖

表1 行走電機和轉向電機的理論速度值與實際速度值

表2 左編碼器和右編碼器的理論位置值與實際位置值

3.2 軟件系統的程序設計

CR0020可編程控制器(PLC)程序流程如圖5所示。IFM公司CR0020可編程控制器(PLC)的程序設計，以德國3S公司的CoDeSys V2.3作為開發平臺。CoDeSys支持IEC61131-3標準中的六種編程語言，主要分為兩類：文本語言和圖形語言。文本語言包括指令表(IL)、結構化文本(ST)；圖形語言包括梯形圖(LD)、功能塊圖(FBD)、順序功能圖(SFC)、連續功能圖(CFC)。CR0020可編程控制器（PLC）程序使用功能塊圖(FBD)和結構化文本(ST)兩種語言相結合。主程序與各子程序之間形成模塊化的結構，使得整個程序更簡潔，更靈活。

程序初始化，完成可編程控制器(PLC)輸入輸出端口配置，打開手持遙控器面板，頻閃燈開啟，車載喇叭鳴笛5秒，松開剎車制動器，牽引車進入待機模式。初始化CAN總線，設置CAN總線的傳輸速率為250kbit/s。進入圓周轉向模式，牽引車只能進行圓周轉向；進入平移行走，對角線轉向，調直，液壓系統開啟模式，牽引車可以平移行走，對角線轉向，手動調直，自動調直，同時開啟液壓系統。進入對角線轉向模式，牽引車橡膠輪只能對角線轉向，不能調直；進入調直模式，牽引車橡膠輪只能調直，不能對角線轉向。進入橡膠輪手動調直模式，牽引車橡膠輪只能手動調直，不能自動調直；進入橡膠輪自動調直模式，牽引車橡膠輪只能自動調直，不能手動調直。

通過改變三相異步電機的輸入頻率，可對行走電機進行無極調速，因牽引車的特殊的工作環境，將牽引車的平移速度設定為兩檔，低檔速度3km/h，高檔速度5km/h。在行車途中，將兩側的行走電機轉速設定為0，此時左右兩側橡膠輪停止運行，牽引車自動剎車。左右絕對值編碼器對左右兩側橡膠輪轉向的角度實時反饋，保證兩側橡膠輪調直復位，轉向角度的準確。

4 測試結果分析

牽引車在公路模式空載狀態下，以低檔速度行走，通過對程序在線登陸運行監控，或者利用監控軟件EC2112CANmonitor對CAN總線進行監控，可得到左右行走電機，左右轉向電機的設定理論速度與實際反饋速度，測試結果如表1所示，左右絕對值編碼器轉向角度的理論設定值與實際反饋值，測試結果如表2所示。

從表1中得出，由于三相交流異步電機存在轉差率，使得行走電機和轉向電機的實際反饋速度比理論設定速度降低了1.6%，而左右行走電機速度相同，左右轉向電機速度相同，保證牽引車左右橡膠輪協調一致，實現自由行走。

從表2中得出，由于左右轉向機構安裝誤差的存在，控制系統本身存在延時滯后誤差，使得左右編碼器理論設定位置與實際位置存在2°～3°的誤差，但這并不影響牽引車的作業，左右橡膠輪之間的實際位置誤差在1°左右，保證左右橡膠輪轉向角度的一致，滿足牽引車自由行走和牽引功能的要求。

5 結論

完成了電動公鐵兩用牽引車控制系統的硬件平臺搭建，利用CAN總線技術，運用CANopen協議，以CoDeSys V2.3為開發平臺，完成了軟件程序的設計以及整車控制系統的調試。牽引車實現了縱向平移，橫向平移，對角線平移，圓周轉向，橡膠輪手動調直、自動調直，無級變速，行車途中自動剎車，橡膠輪調直和轉向角度的準確，最終實現了牽引車自由行走和牽引功能。電動公鐵兩用牽引車控制系統安全可靠，操作方便，達到了預期的效果。

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