基于EPA協(xié)議的制動閥檢修集成控制系統(tǒng)設(shè)計

羅世民 黃捷洲 黃裕 楊欣欣 邱學(xué)文

摘 要：根據(jù)鐵路貨車檢修車間生產(chǎn)工藝離散性與設(shè)備異構(gòu)性的特點，提出了基于EPA（Ethernet for Plant Automation）協(xié)議的車間數(shù)字設(shè)備網(wǎng)絡(luò)集成控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系，并以制動閥檢修生產(chǎn)線為例，利用嵌入式技術(shù)設(shè)計了集成控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的節(jié)點結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器，完成異構(gòu)設(shè)備間的交互與協(xié)同，實現(xiàn)制動閥檢修生產(chǎn)線的智能化、網(wǎng)絡(luò)化控制。

關(guān)鍵詞：EPA；集成控制；鐵路貨車；制動閥；生產(chǎn)線

中圖分類號：TP277 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）25-0110-03

Abstract： According to the characteristics of discrete production process and isomerism of equipment in railway freight car repair workshop， the structure system of workshop digital equipment network integrated control system based on EPA （Ethernet for Plant Automation） protocol is put forward， and the brake valve overhaul production line is taken as an example. The node structure and communication protocol converter of the integrated control network system are designed by using embedded technology. The interaction and cooperation between heterogeneous equipment are completed， and the intelligent and networked control of the brake valve overhaul production line is realized.

Keywords： EPA； integrated control； railway freight car； brake valve； production line

1 問題的提出

機車車輛的制動技術(shù)決定著鐵路向高速、重載等方向發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，其制動性能不僅影響列車的行車速度、牽引質(zhì)量等[1]，而且直接影響列車的行車品質(zhì)和運行安全。貨車慣性故障有許多類別，制動配件故障已成為其主要故障之一，尤其是制動閥故障尤為突出，其經(jīng)常性的發(fā)生已經(jīng)影響到貨車安全和運輸秩序。中國鐵路總公司針對貨車典型故障進行了統(tǒng)計，2015-2017年制動閥故障已占貨車故障總件數(shù)的30～40%[2-3]。

如圖1為制動閥類檢修工藝流程圖[2]。檢修流水線主要由閥類外部清洗機、閥類分解工作臺、全自動超聲波配件清洗機、輸送線、制動閥彈簧微控測試儀、研磨臺、閥類檢修清洗組裝臺、空重車自動調(diào)整裝置檢修組裝臺、閥類試驗臺等設(shè)備。現(xiàn)有的鐵路機車車輛制動閥目前的檢修方式主要為單件式生產(chǎn)，這種方式造成維修專用設(shè)備多，通用設(shè)備少，每個零件占用一條加工路線。且由于各維修設(shè)備品牌不同、通信協(xié)議不同，各現(xiàn)場設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的互連困難。由于鐵路機車車輛檢修離散性、異構(gòu)性、復(fù)雜性及高柔性特點，使檢修生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集困難，對檢修生產(chǎn)過程實施監(jiān)控困難。

EPA（Real-time Ethernet for Plant Automation）[4-6]是我國自主開發(fā)的完全擁有自主知識產(chǎn)權(quán)并被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織接受和采用的用于控制系統(tǒng)與工業(yè)測量的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，為主控器、現(xiàn)場測量、操作機構(gòu)和主制裝置提供了可靠性高、實時性好的通訊網(wǎng)絡(luò)解決方案。應(yīng)用EPA技術(shù)能有效解決機車車輛檢修車間數(shù)字設(shè)備集成、基于車間數(shù)字設(shè)備集成控制的工序質(zhì)量控制與車間數(shù)字設(shè)備集成控制系統(tǒng)中的信息處理等關(guān)鍵技術(shù)，使車間底層信息在縱橫兩個方向（縱向是指系統(tǒng)各層之間，橫向是指在底層各設(shè)備之間）上的無縫交互，實現(xiàn)檢修企業(yè)管控信息系統(tǒng)集成。

2 基于EPA的制動閥檢修生產(chǎn)線集成控制系統(tǒng)

2.1 EPA技術(shù)

EPA技術(shù)其是一種全新的適用于工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的開放性實時以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，利用穩(wěn)定、高效、標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)和UDP/IP協(xié)議的確定性通信控制策略，針對適用于現(xiàn)場設(shè)備的實時性工作搭建了一種全新的標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)被國際電工委員會IEC作為PAS標(biāo)準(zhǔn)（Pulblic Available Specification）予以發(fā)布，并被IEC接收為正在制定的國際實時以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEC61784-2中的實時以太網(wǎng)類型14（Common Profile Family 14， CPF 14），成為我國第一個被國際認(rèn)可和接收的工業(yè)自動化領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)[4-6]。

如圖2為EPA 控制系統(tǒng)的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，EPA是一種開放網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備間通信，使用確定性通信調(diào)度控制策略和分段化系統(tǒng)拓?fù)洌鉀Q了以太網(wǎng)通信的不確定性問題，使無線局域網(wǎng)、以太網(wǎng)、藍牙等廣泛應(yīng)用于工業(yè)企業(yè)管理層、過程監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)的COTS（Commercial Off-The-Shelf）技術(shù)直接應(yīng)用于執(zhí)行機構(gòu)、變送器、現(xiàn)場控制器、遠程I/O等現(xiàn)場設(shè)備間的通信。可以實現(xiàn)從底層的現(xiàn)場設(shè)備層到上層的控制層、管理層的通信網(wǎng)絡(luò)平臺基于以太網(wǎng)技術(shù)的統(tǒng)一。

2.2 基于EPA的制動閥檢修生產(chǎn)線集成控制系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計

如圖3為基于EPA工業(yè)以太網(wǎng)的鐵路機車車輛檢修生產(chǎn)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。根據(jù)檢修工藝與設(shè)備分布，構(gòu)建轉(zhuǎn)向架組裝工藝生產(chǎn)線、構(gòu)架檢修工藝生產(chǎn)線等九個EPA網(wǎng)絡(luò)微段， 各網(wǎng)絡(luò)微段內(nèi)的數(shù)字設(shè)備通過EPA網(wǎng)關(guān)集成。各網(wǎng)絡(luò)微段通過EPA網(wǎng)橋與EPA工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)控制層實現(xiàn)通訊，EPA工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)控制層通過基于OPC標(biāo)準(zhǔn)的EPA數(shù)據(jù)服務(wù)器與以以太網(wǎng)管理信息層集成。

2.2.2 數(shù)字設(shè)備與EPA的通訊接口嵌入式網(wǎng)關(guān)的設(shè)計

鐵路機車車輛檢修企業(yè)車間的數(shù)字設(shè)備基本具有串口通訊功能，而EPA協(xié)議規(guī)定用戶層需要采用功能塊技術(shù)。為了不大規(guī)模改變設(shè)備的通訊方式，即不對數(shù)字設(shè)備內(nèi)部程序進行修改，采用一種嵌入式網(wǎng)關(guān)直接讀取設(shè)備串口通訊接口中的數(shù)據(jù)，然后進行轉(zhuǎn)發(fā)和處理，就可將這些沒有EPA協(xié)議的設(shè)備連接到的工業(yè)以太網(wǎng)上，實現(xiàn)與其它EPA設(shè)備的通訊。如圖4為車間數(shù)字設(shè)備與EPA的通訊接口嵌入式網(wǎng)關(guān)的體系結(jié)構(gòu)，該嵌入式網(wǎng)關(guān)的組成部分主要有：串行通訊接口模塊、以太網(wǎng)通訊接口模塊、微控制器等主要硬件模塊。

2.2.3 基于OPC標(biāo)準(zhǔn)的EPA數(shù)據(jù)服務(wù)器的設(shè)計

EPA協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，具有一種專門的功能模塊-EPA數(shù)據(jù)服務(wù)器，可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的處理、存儲、采集和轉(zhuǎn)發(fā)的任務(wù)，完成對現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息、控制信息的有效可靠的傳輸和分發(fā)。由于基于EPA的車間數(shù)字設(shè)備集成控制系統(tǒng)中信息傳輸要求復(fù)雜，EPA數(shù)據(jù)服務(wù)器不能完全滿足信息傳輸要求，需要針對不同的信息傳輸需求采用了不同的信息傳輸策略。

如圖5為基于OPC標(biāo)準(zhǔn)的EPA數(shù)據(jù)服務(wù)器模塊結(jié)構(gòu)。在原有EPA數(shù)據(jù)服務(wù)器功能模塊的基礎(chǔ)上，增加了OPC接口模塊，其主要功能軟件模塊有：可視化組態(tài)模塊、設(shè)備管理模塊、OPC接口模塊、XML文件管理模塊和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等。

3 結(jié)束語

論文根據(jù)鐵路貨車檢修車間生產(chǎn)工藝離散性與設(shè)備異構(gòu)性的特點， 用EPA技術(shù)的設(shè)計車間數(shù)字設(shè)備網(wǎng)絡(luò)集成控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系，并以制動閥檢修生產(chǎn)線為例，利用嵌入式技術(shù)設(shè)計了集成控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的節(jié)點結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器。在實驗室條件下，完成制動閥檢修生產(chǎn)線異構(gòu)設(shè)備間的交互與協(xié)同，實現(xiàn)制動閥檢修生產(chǎn)線的智能化、網(wǎng)絡(luò)化控制。

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