1 引言
目前，我國鐵路大部分廠、段的電機(jī)試驗臺，主要采用手工操作控制試驗、人工讀表記錄試驗數(shù)據(jù)；自動化程度比較低。這種手工試驗存在明顯的缺陷：工作效率低，勞動強(qiáng)度比較大，試驗精度不高，而且試驗數(shù)據(jù)的可靠性往往受到人為因素的影響。隨著牽引電機(jī)試驗要求的提高，現(xiàn)有的試驗臺人工控制已不能滿足要求了，迫切需要實現(xiàn)自動控制和計算機(jī)管理。
實現(xiàn)牽引電機(jī)試驗臺自動控制的主要困難是：(1)電機(jī)試驗流程復(fù)雜，步驟繁多，邏輯關(guān)系歸納困難；(2)牽引電機(jī)試驗狀態(tài)多變，在不同試驗狀態(tài)下控制參數(shù)不同，難以達(dá)到理想的控制效果；(3)牽引電機(jī)和試驗電源是高電壓、大電流設(shè)備，電磁干擾強(qiáng)，機(jī)械震動大，對控制設(shè)備的抗干擾性和可靠性要求較高。
基于這種情況，我們設(shè)計采用基于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)SHCAN2000的電機(jī)試驗臺自動測試系統(tǒng)，解決了以上問題，可以自動完成牽引電機(jī)的全部檢查試驗。實現(xiàn)了試驗流程的自動控制、自動完成；試驗數(shù)據(jù)的自動采集和自動記錄；安全報警、自動保護(hù)和歷史記錄；試驗報表的自動生成和管理等。
2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
2.1 牽引電機(jī)試驗臺線路
試驗臺線路如圖1所示。
其中，試驗線路開關(guān)(約30個)的組合決定不同試驗項目和不同試驗方式。在試驗過程中，若要根據(jù)不同試驗項目、不同步驟控制開關(guān)的動作。試驗累計500步左右，相應(yīng)開關(guān)組合也有500個狀態(tài)。
線路機(jī)、升壓機(jī)是由可控硅整流實現(xiàn)的可控電壓源、電流源。由控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)單元的動態(tài)輸出作為線路機(jī)和升壓機(jī)的給定，可控硅觸發(fā)電路閉環(huán)自動調(diào)節(jié)輸出，控制牽引電機(jī)的工作點(電壓、電流、轉(zhuǎn)速)。削磁機(jī)是由IGBT實現(xiàn)的恒流源，當(dāng)削磁電路投入時，會自動跟蹤被試電機(jī)電樞電流，控制主磁極電流保持在一個固定的削磁率上。
2.2 SHCAN2000分布式控制系統(tǒng)
現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是信息數(shù)字化、控制分散化、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一全開放的新一代工業(yè)自動化控制系統(tǒng)，它有控制精度高、系統(tǒng)可靠性強(qiáng)、成本低廉等優(yōu)點。其中控制徹底分散是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)具有的突出特點，它給用戶帶來的實質(zhì)優(yōu)點是：由高度智能的現(xiàn)場設(shè)備來分散地完成DCS控制器的功能，弱化甚至省去了集中控制器的層次，降低了設(shè)備和布線費用，使控制風(fēng)險徹底分散，提高系統(tǒng)控制的自治性和可靠性。
本系統(tǒng)控制部分結(jié)構(gòu)如圖2所示。
我們設(shè)計并采用的SHCAN2000分布式控制系統(tǒng)采用三層體系結(jié)構(gòu)，即操作站——CAN總結(jié)網(wǎng)絡(luò)(雙絞線)——現(xiàn)場智能測控單元。操作站由工業(yè)PC機(jī)加網(wǎng)卡組成；網(wǎng)卡的功能是完成RS-232C與CAN總線之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)工業(yè)PC機(jī)與CAN總線的連接。操作站采用Windows2000操作系統(tǒng)，工控軟件采用美國Intellution公司的FIX6-15，建立友好的人機(jī)界面，實現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控和管理功能。
SHCAN2000型系統(tǒng)的總線通信標(biāo)準(zhǔn)采用CAN2.0B。CAN總線的短楨結(jié)構(gòu)、CRC校驗以及錯誤節(jié)點自動關(guān)閉功能，保證了信號傳輸?shù)目煽啃裕哂休^強(qiáng)的抗干擾能力。在電機(jī)試驗臺現(xiàn)場強(qiáng)電磁干擾下，從未出現(xiàn)通信故障，證明了CAN總線通信的高可靠性。
在SHCAN2000控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場智能測控單元作為控制系統(tǒng)的核心，完成全部控制功能；通過CAN總線實現(xiàn)設(shè)備之間的信息共享，以及現(xiàn)場和上位機(jī)之間的通信，包括控制信息、設(shè)備狀態(tài)和實時數(shù)據(jù)的傳送。完全由現(xiàn)場測控單元實現(xiàn)對電機(jī)試驗流程的全部控制，是系統(tǒng)實現(xiàn)的一個難點。
SHCAN2000現(xiàn)場智能測控單元采用了由實時多任務(wù)操作系統(tǒng)、實時監(jiān)控軟件、任務(wù)級組態(tài)軟件、實時數(shù)據(jù)庫構(gòu)成的現(xiàn)場智能測控儀表軟件組件集成技術(shù)[2]。并開發(fā)了下載與調(diào)試程序，支持在線組態(tài)和模擬調(diào)試，大大方便了系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)試。
3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)
本電機(jī)試驗臺測試系統(tǒng)能夠自動完成ZD-106、ZD-109、QDR-410型號牽引電機(jī)的全部出廠試驗和部分型式試驗。下面結(jié)合試驗流程特點，按系統(tǒng)功能實現(xiàn)的過程來進(jìn)行介紹。
3.1 系統(tǒng)模型分析
試驗項目繁多，流程復(fù)雜。根據(jù)我們分析，每一個試驗項目的步驟從五步到二十步不等，有的試驗項目還有不同試驗方式，累計試驗步驟近五百步。面對如此復(fù)雜的試驗流程，為了清晰地描述電機(jī)試驗的控制過程，首先要歸納出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。
牽引電機(jī)試驗流程的控制包含開關(guān)量的邏輯控制和電機(jī)工作點的閉環(huán)調(diào)節(jié)，兩者緊密結(jié)合。為了清楚地分析電機(jī)試驗過程中不同狀態(tài)下的控制內(nèi)容，我們將電機(jī)試驗按控制邏輯分成了若干步驟，依試驗項目不同，步驟數(shù)目也不同，最多的試驗項目(換向試驗達(dá)20步之多。限于篇幅，只列出速度特性試驗(M1正轉(zhuǎn)、滿磁場)部分流程表格。
分析試驗流程中的控制關(guān)系。一方面，在不同的試驗項目以及每一個試驗項目的不同試驗步驟，每個開關(guān)都具備一個確定的狀態(tài)邏輯，電機(jī)工作點的調(diào)節(jié)內(nèi)容也由試驗步驟的狀態(tài)決定；另一方面，每一個試驗步驟的切換邏輯由二十個線路開關(guān)的狀態(tài)邏輯和電機(jī)工作狀態(tài)標(biāo)志運算決定。這樣，開關(guān)、步驟之間相互制約，建立起邏輯上的互鎖關(guān)系，試驗流程的開關(guān)量部分的框架就這樣建立起來了。模擬量調(diào)節(jié)內(nèi)容依據(jù)試驗步驟標(biāo)志，由分支程序選擇不同的閉環(huán)調(diào)節(jié)。當(dāng)被控量達(dá)到給定值時，會產(chǎn)生標(biāo)志位，滿足步驟切換邏輯，試驗進(jìn)行下一步。這樣試驗流程就會依次自動進(jìn)行下去。試驗步驟、線路開關(guān)、模擬量調(diào)節(jié)三者關(guān)系可以概括為：試驗步驟決定線路開關(guān)的狀態(tài)和模擬量調(diào)節(jié)內(nèi)容，線路開關(guān)的狀態(tài)和模擬量標(biāo)志位又是試驗步驟切換的邏輯條件。如下圖示。
步驟邏輯和開關(guān)邏輯的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以概括如下(其中Step(N)代表試驗第N步，K代表開關(guān)，Logic代表組合邏輯，Ex代表試驗項目，F(xiàn)lag代表各個試驗狀態(tài)標(biāo)志)：
其中，“步驟切換條件”是由線路開關(guān)、電機(jī)工作標(biāo)志位的組合邏輯構(gòu)成。由此，試驗步驟與開關(guān)構(gòu)成了“互鎖”并且步驟邏輯自身可以“自鎖”。
這種按步驟歸納邏輯關(guān)系的方法能夠把開關(guān)量連鎖控制與模擬量調(diào)節(jié)結(jié)合起來。在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場大量存在一種控制方式，包含開關(guān)量邏輯控制和模擬量閉環(huán)調(diào)節(jié)，二者要求同樣嚴(yán)格，不分主次(例如化工行業(yè)化學(xué)反應(yīng)過程的控制等)。對于這樣流程的控制，這種處理方法具有一定的普遍意義[4]。
3.2 現(xiàn)場總線條件下系統(tǒng)功能實現(xiàn)
電機(jī)試驗過程中，各設(shè)備關(guān)系緊密，需要共同配合完成試驗流程，試驗臺的控制必須兼顧各個設(shè)備，作為一個整體進(jìn)行控制。而控制分散在現(xiàn)場，所以各個測控單元的信息必須是開放的、可以與其他單元共享。CAN總線的多主性通信方式使網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點之間可自由通信。SHCAN2000現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中提供了CAN總線網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場智能測控單元構(gòu)成的分布式實時數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了自由、開放的通信方式，使得系統(tǒng)內(nèi)任何單元的測控數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)，對于其他單元都是可見的，從而使試驗臺的整體控制成為可能。
由現(xiàn)場功能不同方面，SHCAN2000現(xiàn)場控制單元可按以下組態(tài)方案實現(xiàn)[6]：
(1)通信功能
通信包括現(xiàn)場與上位機(jī)的通信、現(xiàn)場單元之間的通信。為了實現(xiàn)控制信息共享，在現(xiàn)場單元分布式實時數(shù)據(jù)庫中，每個設(shè)備的控制信息都通過CAN總線同地址映射到相同地址單元，實現(xiàn)了最大范圍的信息共享。例如，需要訪問電機(jī)工作點電流是否達(dá)到給定值標(biāo)志位，各控制單元只需訪問本地數(shù)據(jù)庫的S10N10單元即可。
現(xiàn)場單元與上位機(jī)以及現(xiàn)場各個單元之間的通信由模塊實現(xiàn)，且有分頻器模塊控制通信速率，使CAN網(wǎng)絡(luò)不致阻塞。
(2)控制功能實現(xiàn)
控制功能包括開關(guān)量控制、工作點調(diào)節(jié)和流程的控制。
開關(guān)量控制通過開關(guān)量運算模塊，實現(xiàn)步驟切換邏輯運算和開關(guān)狀態(tài)邏輯運算。
電機(jī)工作點調(diào)節(jié)根據(jù)試驗步驟狀態(tài)，用分支程序模塊來選擇PID運算模塊的SP、PV，完成電機(jī)在不同工作點下電壓、電流、轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。此外，由于電機(jī)在不同工作狀態(tài)(起動、制停、不同工作點)時控制模型的參數(shù)不同，所以在試驗的不同階段，用分支程序模塊選擇已整定好的不同的PID參數(shù)(分段PID)，達(dá)到理想的控制效果。
當(dāng)被控量達(dá)到預(yù)先設(shè)定值時，高低值監(jiān)視模塊產(chǎn)生一個開關(guān)量，參加步驟切換邏輯運算；計數(shù)器模塊、定時器模塊控制工作點切換和延時等流程控制。
3.3 上位機(jī)監(jiān)控管理軟件
上位機(jī)的監(jiān)控管理軟件采用美國Intellutin公司FIX 615，實現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)控和管理。
監(jiān)控界面由模擬試驗線路、虛擬儀表和操作按鈕組成。試驗員可以通過模擬試驗線路觀察電路開關(guān)狀態(tài)；虛擬儀表顯示電機(jī)電壓、電流、轉(zhuǎn)速、溫度等參數(shù)；試驗步驟指示燈顯示當(dāng)前試驗狀態(tài)；操作按鈕控制電機(jī)試驗項目和試驗流程。
FIX與現(xiàn)場的數(shù)據(jù)交換由自行開發(fā)的I/O驅(qū)動程序——現(xiàn)場測控單元的通信模塊，來完成現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)的“上傳”和上位機(jī)組態(tài)數(shù)據(jù)、控制命令的“下達(dá)”。
電機(jī)電壓、電流、轉(zhuǎn)速的越限保護(hù)動作由現(xiàn)場智能測控模塊完成，但上位機(jī)保留這些報警事件的歷史紀(jì)錄(發(fā)生時間，越限值，操作者等)，以備查詢、參考。
本系統(tǒng)中不同的操作權(quán)限具有不同口令保護(hù)，使試驗操作員和系統(tǒng)工程師權(quán)限不同，各司其職，消除由操作員誤操作帶來的對系統(tǒng)組態(tài)功能的破壞。
作為試驗的最終結(jié)果，試驗報表系統(tǒng)是由FIX組態(tài)軟件調(diào)用Microsoft Office Excel電子表格軟件實現(xiàn)的[6]。試驗完畢后，F(xiàn)IX調(diào)用Excel中用VBA編寫的宏READ()，來完成自動將試驗數(shù)據(jù)文件到Excel表格的格式轉(zhuǎn)換，形成最終試驗報表。并按照電機(jī)編號和試驗項目作為文件名將試驗數(shù)據(jù)存檔以備檢索。
4 結(jié)束語
本文提出的牽引電機(jī)試驗臺現(xiàn)場總線系統(tǒng)已在鐵道部戚墅堰機(jī)車車輛廠得到了成功的應(yīng)用。實踐證明，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)對于牽引電機(jī)試驗臺這樣典型大功率電氣設(shè)備的控制具有工作可靠、控制精度高、設(shè)計靈活、功能完備等優(yōu)點，有良好的借鑒作用和推廣應(yīng)用價值。
參考文獻(xiàn)
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