基于EPA協議的制動閥檢修集成控制系統設計

羅世民 黃捷洲 黃裕 楊欣欣 邱學文

摘 要：根據鐵路貨車檢修車間生產工藝離散性與設備異構性的特點，提出了基于EPA（Ethernet for Plant Automation）協議的車間數字設備網絡集成控制系統的結構體系，并以制動閥檢修生產線為例，利用嵌入式技術設計了集成控制網絡系統的節點結構和通信協議轉換器，完成異構設備間的交互與協同，實現制動閥檢修生產線的智能化、網絡化控制。

關鍵詞：EPA；集成控制；鐵路貨車；制動閥；生產線

中圖分類號：TP277 文獻標志碼：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決定著鐵路向高速、重載等方向發展的關鍵技術之一，其制動性能不僅影響列車的行車速度、牽引質量等[1]，而且直接影響列車的行車品質和運行安全。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，其經常性的發生已經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計，2015-2017年制動閥故障已占貨車故障總件數的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、空重車自動調整裝置檢修組裝臺、閥類試驗臺等設備。現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，這種方式造成維修專用設備多，通用設備少，每個零件占用一條加工路線。且由于各維修設備品牌不同、通信協議不同，各現場設備網絡的互連困難。由于鐵路機車車輛檢修離散性、異構性、復雜性及高柔性特點，使檢修生產數據采集困難，對檢修生產過程實施監控困難。

EPA（Real-time Ethernet for Plant Automation）[4-6]是我國自主開發的完全擁有自主知識產權并被國際標準化組織接受和采用的用于控制系統與工業測量的工業以太網標準，為主控器、現場測量、操作機構和主制裝置提供了可靠性高、實時性好的通訊網絡解決方案。應用EPA技術能有效解決機車車輛檢修車間數字設備集成、基于車間數字設備集成控制的工序質量控制與車間數字設備集成控制系統中的信息處理等關鍵技術，使車間底層信息在縱橫兩個方向（縱向是指系統各層之間，橫向是指在底層各設備之間）上的無縫交互，實現檢修企業管控信息系統集成。

2 基于EPA的制動閥檢修生產線集成控制系統

2.1 EPA技術

EPA技術其是一種全新的適用于工業現場設備的開放性實時以太網標準，利用穩定、高效、標準的以太網和UDP/IP協議的確定性通信控制策略，針對適用于現場設備的實時性工作搭建了一種全新的標準。該標準被國際電工委員會IEC作為PAS標準（Pulblic Available Specification）予以發布，并被IEC接收為正在制定的國際實時以太網標準IEC61784-2中的實時以太網類型14（Common Profile Family 14， CPF 14），成為我國第一個被國際認可和接收的工業自動化領域的標準[4-6]。

如圖2為EPA 控制系統的典型拓撲結構，EPA是一種開放網絡技術主要應用于工業現場設備間通信，使用確定性通信調度控制策略和分段化系統拓撲，解決了以太網通信的不確定性問題，使無線局域網、以太網、藍牙等廣泛應用于工業企業管理層、過程監控層網絡的COTS（Commercial Off-The-Shelf）技術直接應用于執行機構、變送器、現場控制器、遠程I/O等現場設備間的通信。可以實現從底層的現場設備層到上層的控制層、管理層的通信網絡平臺基于以太網技術的統一。

2.2 基于EPA的制動閥檢修生產線集成控制系統設計

2.2.1 網絡拓撲結構的設計

如圖3為基于EPA工業以太網的鐵路機車車輛檢修生產控制系統網絡拓撲結構。根據檢修工藝與設備分布，構建轉向架組裝工藝生產線、構架檢修工藝生產線等九個EPA網絡微段， 各網絡微段內的數字設備通過EPA網關集成。各網絡微段通過EPA網橋與EPA工業以太網絡控制層實現通訊，EPA工業以太網絡控制層通過基于OPC標準的EPA數據服務器與以以太網管理信息層集成。

2.2.2 數字設備與EPA的通訊接口嵌入式網關的設計

鐵路機車車輛檢修企業車間的數字設備基本具有串口通訊功能，而EPA協議規定用戶層需要采用功能塊技術。為了不大規模改變設備的通訊方式，即不對數字設備內部程序進行修改，采用一種嵌入式網關直接讀取設備串口通訊接口中的數據，然后進行轉發和處理，就可將這些沒有EPA協議的設備連接到的工業以太網上，實現與其它EPA設備的通訊。如圖4為車間數字設備與EPA的通訊接口嵌入式網關的體系結構，該嵌入式網關的組成部分主要有：串行通訊接口模塊、以太網通訊接口模塊、微控制器等主要硬件模塊。

2.2.3 基于OPC標準的EPA數據服務器的設計

EPA協議的網絡控制系統中，具有一種專門的功能模塊-EPA數據服務器，可以實現對數據的處理、存儲、采集和轉發的任務，完成對現場數據信息、控制信息的有效可靠的傳輸和分發。由于基于EPA的車間數字設備集成控制系統中信息傳輸要求復雜，EPA數據服務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標準的EPA數據服務器模塊結構。在原有EPA數據服務器功能模塊的基礎上，增加了OPC接口模塊，其主要功能軟件模塊有：可視化組態模塊、設備管理模塊、OPC接口模塊、XML文件管理模塊和數據庫服務器等。

3 結束語

論文根據鐵路貨車檢修車間生產工藝離散性與設備異構性的特點， 用EPA技術的設計車間數字設備網絡集成控制系統的結構體系，并以制動閥檢修生產線為例，利用嵌入式技術設計了集成控制網絡系統的節點結構和通信協議轉換器。在實驗室條件下，完成制動閥檢修生產線異構設備間的交互與協同，實現制動閥檢修生產線的智能化、網絡化控制。

參考文獻：

[1]中國鐵路總公司.關于印發《制動閥檢修研討會會議紀要》的通知[Z].2014.

[2]王榮勝，陳俟聿.車輛段貨車制動閥類檢修工藝改進及使用效果分析[J].鐵道車輛，2014，3.

[3]雷長志，趙棟，申建利.制動閥檢修數字化系統關鍵技術的研究[J].機電元件，2014，2.

[4]彭賦，樊曉平.基于EPA控制的遠程煤礦安全監控系統的研究[J].系統仿真學報，2012，5.

[5]馮冬芹，褚健，金建祥，等.實時工業以太網技術-EPA及其應用解決方案[M].北京：科學出版社，2013，11.

[6]梁庚.工業測控系統實時以太網現場總線技術-EPA原理及應用[M].北京：中國電力出版社，2014，4.