D08—32搗固車網絡控制系統研制

翟仕樂

摘 要：介紹了D08-32搗固車網絡控制系統的研究背景，闡述了網絡系統的總體結構，描述了電源控制和柴油機控制原理，以及針對搗固車的搗固、起道抄平和撥道三大功能，詳細介紹了作業控制原理。D08-32搗固車網絡控制系統的成功裝車，實現了D08-32搗固車的控制功能，同時提高了作業效率和精度，為網絡控制平臺在鐵路大型養路機械上的推廣應用奠定了基礎。

關鍵詞：搗固車；CAN總線；正矢；伺服；PWM

Abstract：This paper introduces the research background of D08-32 tamping network control system， describes the overall structure of the network system， describes the power control and diesel engine control principle， as well as tamping for the tamping， ， Detailed operation control theory. D08-32 tamping network control system of the successful loading， to achieve the D08-32 tamping control functions， while improving the operational efficiency and accuracy of the network control platform for large-scale railway maintenance machinery on the promotion and application laid the foundation.

Key Words：tamping vehicle；CAN bus；versine；servo； pulse width modulation

1 引言

D08-32搗固車是目前我國應用最廣泛的一種鐵路線路養護機械。該車是集機、電、液于一體的機械，采用了大量先進技術，如電液伺服控制技術、自動檢測技術、微機控制技術和激光準直系統等。我國目前鐵路線路維修使用的搗固車電氣系統主要以80年代末從奧地利普拉塞公司引進的以模擬電路為主，隨著電氣控制技術的發展，以及數字信號處理器迅速推廣應用，新型數字化技術應用于鐵路大型養路機械的電氣控制領域已經成為一種必然的發展趨勢和該領域技術創新的突破口。

隨著數字信號處理器和現場總線的發展，應用領域越來越廣，其先進性和可靠性在工業應用領域得到了充分驗證，鐵路大型養路機械應用環境非常惡劣，現場施工噪聲大、電磁干擾強、粉塵多，對電氣設備具有較大的影響。我國通過引進國外的并進行國產化的搗固車，主要以模擬電路為主，在此種特殊的環境下，可靠性有所下降，特別是在現場施工頻繁使用對講機的情況下，模擬信號非常容易受到干擾，經常出現誤動作、作業精度差等故障現象。為了解決以上問題，在以數字信號處理器和現場總線的基礎研究之上，開發針對鐵路大型養路機械電氣控制系統應用的新型數字化網絡控制平臺，通過該平臺研制的通用控制模塊和控制軟件，搭建鐵路大型養路機械網絡控制系統。網絡控制平臺的通用控制模塊主要由五種基本模塊組成，分別是顯示模塊（DM）、數字量輸入模塊（DI）、數字量輸出模塊（DO）、模擬量輸入模塊（AI）和電源模塊（P）。現場總線是近20年發展起來的新技術，本文采用的是應用最廣泛，抗干擾能力最強的CAN總線，該總線由德國BOSCH公司研究開發，現已成為ISO國際標準化的串行通信協議，是目前國際上應用最廣泛的開放式現場總線之一。CAN總線的應用為分布式控制系統各節點間實時、可靠的數據通信提供了強大的技術支持，現在已經被廣泛應用于船舶、醫療設備、工業設備等各個方面。

本文以數字信號處理器和CAN總線為理論基礎，以網絡控制平臺產品為網絡控制系統基本組成單元，研制并搭建了D08-32搗固車網絡控制系統，以替代原來的以模擬電路為主的模擬控制系統。

2 總體設計

D08-32搗固車網絡控制系統采用分布式、模塊化、網絡化控制方式，基本控制模塊包括顯示模塊（DM模塊）、數字量輸入模塊（DI模塊）、數字量輸出模塊（DO模塊）、模擬量輸入模塊（AI模塊）和網關模塊（WG模塊）組成。各模塊通過CAN總線連接而成一個整體的網絡，所有模塊的數據通過CAN總線網絡共享，D08-32搗固車網絡控制系統的總體結構圖如圖1所示。

該網絡系統中的AI模塊主要采集模擬量信號，比如蓄電池電壓和電流信號、柴油發動機溫度和壓力信號、變速箱穩定和壓力信號等；DI模塊主要采集數字量信號，比如搗固裝置鎖閉行程開關、起撥道裝置鎖閉行程開關、夯拍器工作位在軌感應開關、發動機報警開關等開關量；DO模塊主要用于控制輸出，驅動比例閥、伺服閥和繼電器等。以上三種模塊為底層基本模塊，顯示模塊為主要的人機交互模塊，主要功能是顯示機器狀態和作業數據，輸入控制模塊參數，診斷模塊和系統的狀態。電源模塊給顯示器和底層模塊提供電源，網關模塊用于兩個網絡之間的通信。

D08-32搗固車有設計五個操作臺，分別是一號位B2操作臺和B7操作臺，2號位的B4操作臺，以及行車操作臺B5和B11操作臺。根據分布式控制原理，各控制模塊可就近安裝于執行機構，這樣縮短控制模塊與執行器之間的距離，亦可減少接線，縮短模擬信號的傳輸距離。搗固車作為一種復雜的線路養護機械，其開關量就有190路，其中包括127路數字量輸入信號和63路數子量輸出信號。還包括32路模擬量輸入信號。輸入信號統一使用數字量輸入模塊和模擬量輸入模塊來采集，并通過CAN總線將采集到的數據發送到其他控制模塊。根據本系統的信號統計，需要用到16個DO模塊、11個DI模塊、5個AI模塊、5個電源模塊和1個網關模塊。

網絡模塊拓撲圖如圖2所示。P1～P5為電源模塊，每個電源模塊可給6個底層控制模塊供電，PD為脈沖驅動模塊，主要用于產生脈沖信號，在底層模塊程序自動下載過程中用于定位網絡模塊。J00為B4箱2號位顯示器，主要用于前端輸入和前端數據顯示。J01模塊為B11箱前司機室行車監控顯示器，主要用于前司機室高速行車時監控發動機、變速箱以及報警信號。J23模塊為1號位作業壓力監控顯示器，主要顯示作業系統壓力。J24模塊為1號為作業控制顯示器，為整個網絡系統的主控制器，用于作業數據輸入、作業狀態監控、模塊診斷、模塊參數設置、智能診斷和遠程診斷功能。J25模塊為后司機室高速走行監控顯示器。WG為網關模塊，主要是將整個CAN總線網絡分為兩個子網，提高網絡總線數據通信效率和信號的穩定性。

3 網絡電源控制

D08-32搗固車網絡控制系統電源控制主要包括網絡電源和作業電源兩個部分，主要從節能方面考慮，在搗固車高速運行或非作業模式下，只需打開網絡電源，而無需打開作業電源，網絡電源控制原理如圖3所示。網絡電源開關5b3打開，5d15延時繼電器得電閉合，使NPSC得電，以使15d2繼電器常開觸點閉合，NPS得電，相應的只需在機器閑置的情況下運行的電源模塊以及對應模塊的輸出電源得電。作業電源只有在網絡電源打開的情況下才起作用，所以網絡電源開關打開后，才能打開作業電源開關2b47，此時315a得電，15d9繼電器得電，從而使2號線得電，即跟作業電源開關相關的模塊及模塊輸出電源得電。

4 柴油機控制

柴油機的控制包括啟動控制、停機控制及預熱控制。D08-32搗固車網絡控制系統的柴油機控制電路如圖4所示。

啟動柴油機之前需要打開主蓄電池開關5b0，使繼電器1a1常開觸點閉合。柴油機啟動開關5b8和11b8，任何一個開關拉起到1位，則繼電器13Re3得電動作，預熱電阻R1和R2得電開始預熱，同時，繼電器5u5/D也得電而自保持，即215得電自保持，13Re2得電，常開觸點閉合，使28d6繼電器得電，其常開觸點閉合，停機電磁閥1S6得電，需要說明的是，柴油機停機電磁閥失電停機。此時燃油回路開通。當預熱一定時間后，信號燈5h4和11h5亮，此時預熱結束。將啟動開關5b8或11b8拉起至2位。此時，1s91噴油電磁閥得電開水噴油，13Re1得電，1S592輔助啟動電磁閥得電，以及啟動馬達得電，且啟動離合器合上。于是柴油機啟動條件得到滿足而啟動起來，此時松開5b8或11b8，啟動電機失電，啟動離合器脫離，但5u5/D自保持而保持油路暢通，柴油機繼續運轉。

柴油機停機控制，開關1b20～1b25、2b45、4b16和5b29任一被壓下閉合時，繼電器5u5/D失電，13Re2失電，停機電磁閥失電停機。另外作業鎖閉信號和走行鎖閉信號加至繼電器5u6/B。這兩個信號的引入是為了確保在啟動柴油機之前不能接通作業系統電源、變矩器不能掛擋，以確保安全運行。因為一旦作業系統得電或變矩器掛擋，則繼電器5u6/B得電，其常閉觸點斷開，13Re1不能得電，導致啟動電機不能得電，于是不能啟動柴油機。

5 作業控制原理

5.1 搗固控制原理

D08-32搗固車的搗固裝置用于搗固鋼軌兩側的軌底道碴，提高軌底道碴的密實度，并與起撥道裝置相配合，消除軌道的高低不平，增強軌道的穩定性。搗固裝置是搗固車的主要工作裝置，D08-32搗固車有兩套搗固裝置，左右對稱地安裝在搗固車的中部。左右兩套搗固裝置能同步搗固兩根軌枕，也能單獨使用左右任一個搗固裝置，搗固軌枕的左右任一道床。搗固裝置除了振動夾持動作外，還能垂直升降和橫向移動。升降和橫移控制，由各自獨立的自動控制機構來完成。

搗固控制系統主要包括搗固液壓系統、深度傳感器、搗固控制模塊、鎖閉解鎖行程開關等。液壓系統為搗固裝置動作提供動力，深度傳感器用于反饋搗固裝置的實際位置，搗固控制模塊接收通過顯示模塊輸入的目標深度，目標值和反饋值進行比較，差值用于控制搗固比例閥的電流。D08-32搗固車搗固裝置升降控制中，給定搗固深度通過顯示模塊輸入，深度傳感器具有CAN接口，可直接將傳感器數值通過CAN總線發送到搗固控制模塊，根據給定深度和傳感器反饋深度的差值作為控制模塊搗固控制模糊PID的輸入，根據偏差和偏差變化率調節PID參數。

J11模塊控制為數字量輸出控制模塊，接收并處理搗固聯鎖信號，計算搗固頭升降電流，輸出PWM信號控制搗固頭升降，J11模塊具有CAN2接口用于接收左深度傳感器和右深度傳感器信號，顯示器將深度給定信號發發送給搗固控制模塊，用于計算搗固控制電路。B7箱鍵盤用于設置搗固作業模式。搗固控制原理圖如圖5所示。

5.2 起道控制原理

起道裝置有左、右兩套，分別作用于左、右兩股鋼軌上，對軌排進行提起或者左、右移動，即起道、撥道作業。通過起、撥道作業來消除軌道方向和水平偏差，使線路曲線圓順，直線平直，確保行車安全。一般情況，搗固作業和起、撥道作業同步進行。

起、撥道裝置、電液伺服閥、線路方向及水平檢測裝置、控制模塊共同組成起撥道電液位置伺服控制系統，而起撥道裝置是該位置伺服系統中的執行機構。起、撥道裝置分為起道裝置和撥道裝置，起道油缸與車架縱梁鉸接，是單作用油缸，起道力是油缸的拉力，起、撥道裝置下降依靠自重。

當線路方向有偏差時，電液伺服閥有相應的液壓信號輸出，撥道油缸推、拉擺架，使軌道向左或是向右移動，直到該處的線路方向偏差消除時，電液伺服閥的輸出液壓信號為零，撥道油缸停止動作，則軌道移動到正確的位置。

起道控制系統主要由起道伺服閥、伺服閥控制模塊、起道控制模塊和抄平傳感器組成，起道控制模塊接收來自鍵盤和顯示模塊的輸入信號，以及各作業裝置、測量小車的連鎖信號，計算起道控制邏輯，并通過比較抄平傳感器和軌道參數計算機的理論值，計算總起道量，并在起道邏輯滿足的情況下，將總起道量換算為起道伺服閥驅動電流信號，從而驅動液壓伺服機構動作，夾鉗與鋼軌剛性連接，液壓伺服系統通過夾鉗的提升動作使鋼軌向上移動，直到抄平傳感器的反饋值與理論值相等，差值為零，則停止起道動作，同時，起道電流輸出為零。

數字量輸出模塊J10模塊用于控制起道作業，其通過CAN2接收抄平傳感器和電子擺的信號，起道作業理論值由軌道參數計算機產生，前端輸入控制模塊J4通過CAN2接收數據，并將數據發送到CAN1網絡，J10模塊介紹軌道參數計算機的數據，將計算出來的總起道量換算為PWM信號，通過通道輸出給伺服閥控制模塊，由該模塊將PWM信號轉換為起道電流，從而控制液壓伺服機構，起道電流通過J18模擬量輸入模塊采集，并發送給顯示器顯示，鍵盤用于起道作業模式選擇。如圖6所示為起道控制原理圖。

5.3 撥道控制原理

撥道控制系統由撥道伺服閥、伺服閥控制模塊、撥道控制模塊和正矢傳感器構成，撥道控制模塊接收來自鍵盤和顯示模塊的輸入信號，以及各作業裝置、測量小車的連鎖信號，計算撥道控制邏輯，并通過比較正矢傳感器和軌道參數計算機的理論值，計算總撥道量，并在撥道邏輯滿足的情況下，將撥道量換算為撥道伺服驅動電流信號，從而驅動液壓伺服機構動作，夾鉗帶動鋼軌向左或向右移動，直到撥道量抵消為零，則停止撥道動作，與此同時，撥道電流輸出為零。

數字量輸出模塊J13用于控制撥道作業，撥道基本原理與起道類似，J13模塊CAN2接收撥道正矢傳感器的數據，同樣通過前端輸入控制模塊接收軌道參數計算機產生的理論撥道值，J13模塊計算理論值與實際值的差值作為總撥道量，并將其轉換為PWM信號，J13模塊對應通道將信號發送到伺服閥模塊，由其將PWM信號轉換為電流信號控制液壓伺機構，同時，由J18模塊采集撥道伺服電流，并發送給顯示器顯示，鍵盤則用于撥道模式選擇。如圖7所示為撥道控制原理圖。

6 結語

D08-32搗固車網絡控制系統實現了搗固、起道、撥道和邏輯連鎖等作業控制功能，在國內首次在大型養路機械電氣控制系統上實現了數字化、網絡化和分布式控制，填補了大型養路機械數字化系統的空白，滿足用戶對大型養路機械電氣控制系統簡潔性、維護性、人性化、抗干擾能力強等要求。目前，D08-32搗固車網絡控制系統已經實現了批量裝車，現場運行穩定可靠，獲得了用戶高度的認可。

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