GMC16A型鋼軌打磨列車網絡控制系統研究

于明凱 陳留金 張松

摘? 要：文章簡要介紹GMC16A型鋼軌打磨列車，研究了本車網絡控制系統的硬件布置和軟件設計功能。最后對現車控制系統運用情況進行總結。

關鍵詞：鋼軌打磨列車;網絡控制系統;GMC16A型

中圖分類號：U216.65? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）17-0049-03

Abstract： In this paper， the GMC16A rail grinding train is briefly introduced， and the hardware layout and software design function of the network control system are studied. Finally， the application of the existing vehicle control system is summarized.

Keywords： rail grinding train; network control system; GMC16A

1 概述

十一五期間，原鐵道部通過技術引進與合作生產的形式引進了兩種96磨頭鋼軌打磨車，RR96M和RMS96。瑞士SPENO公司的RR96M的國內型號定為GMC-96B，由中車北京二七機車有限公司（下稱“二七公司”）引進生產，目前主要用于正線非道岔區域打磨作業，作業效果良好，是國鐵鋼軌打磨列車的主型產品。

GMC16A型鋼軌打磨列車（如圖1）是二七公司在GMC-96B型打磨列車的技術基礎上，于2013年自主設計制造的地鐵短編組16磨頭打磨列車，兼具正線和道岔打磨功能。作為最早實現完全國產化設計生產的打磨列車之一，該車結構緊湊，功能全面，其網絡控制系統具有很強的代表性。

2 系統硬件分析

GMC16A型鋼軌打磨列車由A1車、A2車兩節車編組而成，每節車上裝有1個8頭打磨小車。兩節車結構基本成中心對稱、功能相同。

本車網絡控制系統由牽引控制系統和打磨作業控制系統組成，主控單元均是貝加萊X20系列PLC主機。牽引和作業系統相對獨立的形式，能夠有效降低系統設計難度，提高系統安全性。全車網絡拓撲如圖2所示。

系統列車級總線采用以太網，車輛級總線由以太網，X2X link，CAN等多種形式構成。下面以單節車為例，對牽引控制和打磨作業控制的兩套系統硬件構成進行說明介紹。

2.1 牽引控制系統構成

牽引控制系統安裝于司機室牽引控制B柜，并通過總線中繼器采集打磨控制D柜中的遠程IO模塊信號。

牽引控制主機是整個控制系統的核心，主要組成包括1臺CPU基本單元，1臺觸摸屏，1個 CAN通信模塊，1組總線中繼與接收模塊，以及若干用于采集數字量與模擬量的IO模塊。

其中，CAN通信模塊用于與發動機控制器和行車恒速控制器通訊，負責采集發動機運行狀態并對作業工況下列車走行低恒速進行控制。總線中繼模塊的與總線接收模塊組合使用，采集和控制接入遠程PLC的功能模塊數據。遠程PLC功能模塊安裝在D柜，用于采集和控制距司機室較遠的IO功能模塊。

2.2 打磨作業控制系統構成

作業控制系統包括1套控制系統主機和1套控制系統從機，分別安裝于司機室打磨控制A柜和遠端打磨控制D柜，通過以太網交換機進行通訊，共同構成打磨作業控制系統。

打磨作業控制主機安裝在A柜，包括1臺CPU基本單元，1臺觸摸屏和若干IO模塊。打磨作業控制從機安裝在D柜，包括1臺CPU基本單元，1個CAN通信模塊，以及若干IO模塊。其中，CAN通信模塊用于與作業氣動閥島建立通訊，對打磨作業氣動機構進行控制。

2.3 數據交互說明

牽引控制系統與作業控制系統分別通過繼電器、以太網和CAN總線進行了硬件形式上的連接。但事實上，系統之間的數據傳輸主要是通過以繼電器為主的外圍硬線電路實現的，例如方向、控權、工況、以及緊急狀態信號等。在CAN通訊網絡中，牽引控制系統為作業控制屏提供了一個有關發電機運行參數的數據包。除此之外，兩套系統間并沒有其他數據互通，這種設計理念如今看來相對保守，有一定的局限性。

3 系統軟件功能分析

網絡控制系統主要有基本邏輯控制、開環控制、動態閉環控制、數據記錄與處理、安全連鎖、報警機制、通訊管理以及信息維護等軟件功能構成。其中邏輯控制是系統主體，動態閉環控制是系統核心。

3.1 基本邏輯控制

列車網絡控制系統的出現，是人們希望通過控制器（電路板等）代替傳統繼電器實現控制功能。因此直到現

在，列車的功能需求大多是對開關信號的控制，開關信號控制通過基本邏輯控制實現。這部分功能可以概括為：（1）控權轉換：系統操作控制權為本車控制或它車控制。本車控制時，本車顯示屏上能夠操作控制，本車司控器和顯示屏有效，他車顯示屏僅有顯示和查詢功能，司控器無效。（2）工況轉換：在行車系統中選擇作業工況與運行工況。運行工況下，列車高速運行，自運行最高速度80km/h。作業工況下，允許打磨作業系統加載和操作，本系統協同低恒速控制器對作業車速進行高精度控制，速度表顯示范圍變為0-20km/h。（3）送電及負載控制：發電機組啟動后，當主電路輸出電壓與頻率在合理范圍內時，系統允許用戶通過屏幕控制接入負載。（4）作業預置：作業工況狀態下，系統開始實時檢測作業裝置各部件運行狀態信息，當滿足作業條件時可手動選擇作業預置功能。該功能啟動后系統通過采集各行程開關信號以及發送各油缸電磁閥開關信號，依序自動完成打磨小車解鎖、下降、置于作業位等一系列動作，簡化用戶操作流程。（5）仿真模式：為滿足在車輛靜態調試以及檢修需求，系統設置專門的仿真模式。該模式用于列車無車速條件下，在車上控制屏對打磨小車的各個油缸、氣缸和打磨電機角度偏轉、升降進行動作試驗。出于安全考慮，該模式下禁止打磨電機啟動。（6）正線打磨模式：該模式區別于操作相對復雜的道岔打磨模式，是作業工況下的缺省狀態。“作業預置”完成后，直接手動設定或選擇相應的打磨電機角度編組，即可開始進行正線打磨作業。（7）道岔打磨模式：“作業預置”完成之后，如要進行道岔打磨作業則需要將作業模式由“正線模式”切換到“道岔模式”。與正線模式相比，道岔打磨需要操作者設定的數據相對較多，如作業前設定橫移機構工作方式、作業過程中手動選擇道岔區域各點等。（8）牽引預置：與作業預置相對應。打磨作業完畢后，啟動牽引預置功能，系統如可依序自動執行打磨小車上升、置于作業位、鎖緊等動作。進而完成收車，以進行牽引操作。（9）外部控制盒動作控制：打磨列車外部控制盒可以控制打磨小車、電機、各油缸的基本常用動作，外部控權鎖定時打磨控制屏操作無效。

3.2 數據記錄與處理

數據記錄與處理功能主要用以執行兩方面任務，一個任務是列車數據管理方面一般要求記錄部分行車必要信息，如記錄運行里程和柴油機運行時間。

另一個重要任務是在進行作業時實現打磨電機定點下降和提升功能。定點下降指打磨列車開始工作時，將首兩臺電機下降到軌面作業的點記為作業起始點，通過進一步數據處理與動作控制，力求整車所有打磨電機在該點完成下降到軌面的動作進行打磨作業。同理，定點提升是指在作業完成同時，整車打磨電機能夠于同一作業終止點執行提升動作。一次打磨作業執行完畢后，系統同時計算得出此次打磨作業里程并累加記錄。

簡單的說，作業起始點和終止點的記錄是通過對開關信號的記錄和列車實際速度的實時檢測計算處理得出。但這種數據粗算的精度很差，想要將起落點誤差縮小到相對理想的范圍，在程序設計中要結合考慮的外部因素還有很多。如不同打磨電機、不同角度設置的下降時間，搖籃框不同角度偏轉的時間以及其他必要延遲等等。

最新TB3520-2018中規定打磨列車所有磨頭下降到鋼軌作業點誤差不高于2m，道岔作業誤差應不高于0.5m。這就說明，打磨電機定點下降和提升是一個控制精度要求相對較高的過程，這也是衡量打磨列車作業質量的一條重要標準。

3.3 開環控制

網絡控制系統負責列車運行速度設定與給出，即對走行液壓系統輸出速度預設值信號。這是個開環控制過程。

高速運行工況下，系統采集司控器方向和速度設定信號，并在列車啟動條件滿足時，轉發速度設定信號給走行液壓系統。液壓系統相關閥組會根據電信號自適應調節液壓泵和馬達的對應排量，實現車速控制。這過程中的自適應調節主要由液壓系統實現。

打磨作業工況下，列車必須實現±0.5km/h的高精度列車速度控制，液壓系統調節速度和精度都難以滿足。本車在網絡控制系統以外單獨設置了對液壓系統的閉環控制器，即“恒速控制器”，負責提高對液壓系統排量控制精度和靈敏度。

3.4 動態閉環控制

打磨過程中的電機下壓壓力控制通過開環控制和閉環調節控制相結合的方式實現，以動態閉環控制為主。目前國內的控制算法都基于恒功率PID控制方式。

打磨電機的作業壓力通過三個量控制，電機重力在垂直方向的分量G'，設定工作壓F+和設定背壓F-，他們之間的關系是F=F+-（F-+G'）。作業閉環調節過程中，設定背壓F-和G'為固定值，主要動態改變F+的輸出值。工作原理是：首先輸出預設工作壓控制電流值，對應輸出打磨電機工作壓F+。即時采集打磨電機工作時的電機反饋電流，根據打磨電機實際電流反饋值與電流設定值，得出誤差值并進行調節，經過CPU處理并實時改變工作壓控制電流值，實現對F+的動態調節。

打磨下壓力控制是打磨列車控制的核心重點和難點，因為機構作業環境相對惡劣，影響作業效果的因素多且復雜，設計控制要素也很難概括和總結。一般通過公式計算得到PID控制算法的參考參數或初值，在車輛實際調試和運用中再通過大量試驗和測試中得到動態PID算法最終參數。因此不同的作業需求，不同的線路條件，所設計的動態閉環控制方案也不同。

3.5 安全連鎖與報警

安全連鎖功能的設計一般是與邏輯控制功能設計同時進行的，其目的是當機械機構和部件運行狀態出現異常時，控制屏與蜂鳴器發出報警，并禁止對應具有安全隱患的車輛控制功能執行。避免車輛故障擴大，影響行車及作業安全。

GMC16A型鋼軌打磨車共設置4個等級的報警，可以讓操作者對全車狀態有整體把握。

（1）警告級報警主要起到提示、警示作用，并不會引起安全連鎖或執行任何動作。一般有控權錯誤，膨脹水箱液位偏低等等。（2）連鎖級報警能夠引起安全連鎖，會執行相應的卸載動作或切斷使能。如供電系統異常，此時系統限制相關用電器加載。（3）停車級報警出現在行車安全相關的機構運行異常時，此時列車牽引控制功能卸載并禁止加載，同時施加制動使列車安全停車。如走行馬達轉速異常、液壓壓力異常等。（4）停機級報警在系統中故障等級最高，此時發動機強制卸載并禁止加載，并施加急停。故障原因包括滅火啟動，柴油機水溫、進氣溫度異常等，一般是嚴重影響行車安全的情況發生造成。

3.6 通訊管理功能

GMC16A型鋼軌打磨列車通訊管理實現兩種功能：一是全車網絡的數據轉發和CAN通訊單元數據處理;其二主要是單車運行模式。

單車模式是列車應急功能的一種。當兩車通訊出現故障，或單節車出現故障時，需要另一車單車單獨運行完成作業或駛離作業區間。此時，取得控權車設置為單車模式，不處理它車除車齒箱外的運行狀態信息，僅依靠控權車的動力和控制系統實現列車運行或作業。

3.7 信息維護功能

系統支持用戶進行輪徑設置;清除累積量和故障履歷;導出行車和作業數據與記錄。

4 結束語

GMC16A型鋼軌打磨列車在實際作業中本車表現尚可，能夠滿足現階段用戶的基本使用需求。本車網絡控制系統硬件設計經典，軟件功能完備，對國產化網絡控制系統設計開發具有很強的借鑒意義。

參考文獻：

[1]陳留金，苗素云.GMC96_B型鋼軌打磨列車動力車電氣系統開發研制[J].裝備制造技術，2016（11）：122-124.

[2]王坤.地鐵鋼軌打磨列車道岔打磨控制系統自主化研制[J].軌道交通裝備與技術，2016（05）：28-30.