昆明中鐵大型養路機械集團有限公司 邱學飛
摘要：本文簡要介紹了PLC、現場總線的特點及應用；詳細介紹了鐵路大型養路機械電氣控制系統的現狀及系統要求；以新型穩定車電氣控制系統的設計為例，提出一種基于PPC、PLC及現場總線的鐵路大型養路機械電氣控制系統的設計方案。１引言
現場總線技術是20世紀80年代后期發展起來的，它是目前自動化領域中的一個熱點，是新一代控制系統的發展方向，它綜合了數字通信技術、計算機技術、自動控制技術、網絡技術和智能儀表等多種技術手段，從根本上突破了傳統的“點對點”式的模擬信號或數字—模擬信號控制的局限性，構成一種全分散、全數字化、多變量、多節點的通信與控制系統。現場總線則是連接現場智能設備和自動化控制設備的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡，其基礎是數字智能現場裝置。分散在各個現場的數字智能現場裝置通過現場總線連為一體，并與控制室中的控制器和監視器一起構成現場總線控制系統（FCS—Fieldbus Control System）。
現場總線技術實際上是采用串行數據傳輸和連接方式代替傳統的并聯信號傳輸和連接方式的方法，它依次實現了控制層和現場總線設備層之間的數據傳輸，同時在保證傳輸實時性的情況下實現信息的可靠性和開放性。一般的現場總線具有以下幾個特點：（1）布線簡單；（2）開放性；（3）實時性；（4）可靠性；（5）高效診斷；（6）硬件靈活。
目前，國際上各種各樣的現場總線有很多種，統一的國際標準尚未建立。其中有較強實力和影響的有： FF（Foundation Fieldbus 基金會現場總線）、HART（Highway Addressable Remote Transducer）、CAN（Controller Area Network 控制器局域網）、Profibus（Process Field Bus 過程現場總線）、INTERBUS、LonWorks（Local Operating Network 局部操作網絡）、WorldFIP、MODBus、DeviceNet、ControlNet 、ASi（Actuator Sensor Interface 執行器傳感器接口）等。
基于PPC工業計算機、PLC及現場總線的電氣控制系統在工業自動化領域，如冶金、電力、石化、礦山、水泥、水處理、乳品飲料、啤酒罐裝、煙草加工、機械裝配、產品包裝等已得到廣泛的應用，但是在鐵路大型養路機械電氣控制系統中還沒有廣泛應用。本文根據鐵路大型養路機械控制系統的特點，提出一種基于PPC工業計算機、PLC及INTERBUS現場總線的鐵路大型養路機械電氣控制系統的設計方案。
２現狀
上世紀80年代初期，我國從奧地利普拉塞—陶依爾公司引進了先進的大型養路機械制造技術，確立了大型養路機械的發展采取“技術引進—消化、吸收—國產化生產—開發、創新”的途徑。通過20多年的引進技術和國產化生產，我們學習了國外大型養路機械的先進技術，更新了傳統的設計觀念，拓寬了開發思路，增強了開發具有自主知識產權產品的能力。
隨著鐵路的跨越式發展和市場競爭的加劇，加快推進大型養路機械引進、消化、吸收國外先進技術的進程，加快具有自主知識產權產品的研發，加快新產品開發速度，發展核心技術，創新和超越已經成為現階段工作的重中之重，已經刻不容緩。
鐵路大型養路機械是集機械、液壓、氣動、電氣、計算機、激光等技術于一體的鐵路專用機械。按功能分有以下系列：清篩機、搗固車、配碴車、穩定車、鋼軌打磨車、鋼軌探傷車、軌道檢測車、架線車、焊軌車、道岔鋪換機組等。對于不同功能的鐵路大型養路機械電氣控制系統來說，其本質的區別在于作業監視控制系統。到目前為止，我國的清篩機、搗固車、配碴車、穩定車等鐵路大型養路機械的技術主要是在引進、消化吸收奧地利普拉塞—陶依爾公司鐵路大型養路機械技術的基礎上發展起來的，它屬于模擬集中式控制系統，它主要由以下子系統組成：
其中作業監視控制子系統是各類鐵路大型養路機械電氣控制系統的核心，它完成作業機構狀態的監視、完成作業機構動作的控制。不同功能的鐵路大型養路機械，其作業監視控制系統的復雜程度有著很大的差別。如清篩機和配碴車，它的作業監視控制系統比較簡單。而搗固車、穩定車、鋼軌打磨車、鋼軌探傷車、軌道檢測車、架線車等，它們的作業監視控制子系統就比較復雜。下面以穩定車的作業監視控制子系統為例作一介紹，它由以下部分組成：
普拉塞—陶依爾公司的模擬集中式控制系統的特點如下：
普拉塞—陶依爾公司的模擬集中式控制系統存在以下不足：
３系統要求
3.１基本要求
新的大型養路機械電氣控制系統應具有統一的顯示、指示及報警，具有過程控制功能；具有較高的可靠性和穩定性，具有較好的抗振性能、抗沖擊性能、防塵性能，能經受高溫、高濕的環境。
新的鐵路大型養路機械電氣控制系統主要針對柴油機監視控制子系統、高速走行監視控制子系統、作業監視控制子系統進行重新設計，而對于整車電源子系統和輔助設備子系統，它們都是點對點的簡單控制，不作重新設計。下面詳細介紹這三個子系統的各種輸入輸出信號。
3.2.1柴油機監視控制子系統
3.2.1.1柴油機監視部分
輸入DI信號：油壓開關信號、缸蓋溫度（水溫）開關信號、空氣濾清器開關信號、直流發電機發電狀態開關信號等；
3.2.1.2柴油機控制部分
輸入DI信號：怠速位感應開關信號、高速走行位感應開關信號、作業位感應開關信號等。
3.2.2高速走行監視控制子系統（靜液壓傳動模式）
3.2.2.1高速走行監視部分
輸入DI信號：各軸掛、脫擋感應開關信號等；
3.2.2.2高速走行控制部分
輸入DI信號：掛擋開關信號，點動掛擋開關信號，向前、向后走行開關信號，走行手柄位置信號等。
3.2.3作業監視控制子系統（以新型穩定車為例）
輸入DI信號：各種開關、行程開關、感應開關信號共125個；
4系統設計
今天，作為現場總線、PC-Based、工業以太網技術的先導，菲尼克斯又率先提出了Fieldbus+Ethernet這一新型自動化方案，構造了完善的工業企業管理控制網絡。
INTERBUS總線包括遠程總線網絡和本地總線網絡，兩種網絡傳送相同的信號但電平不同。遠程總線網絡用于遠距離數據傳送，采用RS-485傳輸，遠程網絡采用全雙工方式進行通訊，通訊速率為500kb/s。本地總線網絡連接到遠程網絡上，網絡上的總線終端BT（BUSTerminal）上的BK模塊負責將遠程網絡數據轉換為本地網絡數據。INTERBUS總線上的主要設備有總線終端BT（BUSTerminal）上的BK模塊、I/O模塊和安裝在PC或PLC等上位主設備中的總線控制板。總線控制板是INTERBUS總線上的主設備，用于實現協議的控制、錯誤的診斷、組態的存儲等功能。I/O模塊實現在總線控制板和傳感器/執行器之間的接收和數據傳輸，可處理的數據類型包括機械制造和流程工業的所有標準信號。
INTERBUS的主要應用在汽車、造紙、煙草、印刷、倉儲、船舶、食品、冶金、木材、紡織、化工等行業。歐洲汽車工業80%的車身廠和焊接車間，均采用INTERBUS系統的控制方案。在上海大眾的帕薩特生產線、一汽大眾的Audi A6生產線上、紅塔集團玉溪卷煙廠新的生產線，均全面采用了INTERBUS作控制方案。
4.2 系統網絡結構
根據鐵路大型養路機械控制系統的特點，基于PPC工業控制計算機、PLC及現場總線INTERBUS的鐵路大型養路機械控電器制系統的系統網絡結構如圖2所示，它分為兩層：監控層和現場控制層。
4.2.1 監控層
監控層由高速以太網Ethernet、PPC工業控制計算機、TP觸摸屏顯示器以及連接在PPC上的打印機組成。監控層主要完成以下功能：
現場控制層由主站（PLC控制器、總線分支模塊、本地I/O），現場總線，從站（總線藕合器BK、遠程I/O）和現場設備四部分組成。主站安裝于作業室內，從站的數量根據實際需要而定，它分布于車體的不同位置。現場控制層主要完成以下功能：（1）各種輸入信號的采集；（2）各種控制信號的輸出；（3）各種信號的處理；（4）與監控層的通訊。
4.3 系統硬件配置
本系統是基于Phoenix Contact公司的自動化產品配置而成的。主要配置如下：
4.4 系統軟件配置
系統軟件配置包括Windows NT操作系統、IBS OPC SERVER、Diag+故障診斷軟件、軌道參數記錄及打印程序、上位機監控軟件Visu+、下位機編程軟件PC WORX 5。
4.4.1 上位機監控軟件
本系統采用Visu+作為上位監控軟件。對于過程的組態，所有的Phoenix Contact公司的HMI設備均使用強大的組態軟件Visu+，它除了完全的SCADA功能（例如：操作與監控、趨勢圖、報警信息等）之外，同時還提供諸如：數據采集、記錄、配方管理、數據庫連接、企業資源計劃系統（ERP）連接等。Visu+軟件的開發接口設計清晰、操作直觀、所有的組態畫面元素能夠輕松的通過鼠標點擊或拖拽實現。
4.4.2 IBS OPC SERVER軟件
OPC適用于可視化的標準運行階段接口。通過INTERBUS OPC服務器，這個接口可以用于INTERBUS主站和PC WORX編程控制系統、PC接口和嵌入式解決方案中。通過這種方式，可以簡單地與使用OPC客戶端的可視化軟件相連接，如Genesis 32，Visu+等
4.4.3 Diag+故障診斷軟件
INTERBUS提供了操作舒適的全面診斷功能，并且Diag+軟件工具完全支持這些功能。通過Diag+，可以實現簡單而全面的診斷，也可以實現基本的INTERBUS功能。Diag+可以作為獨立的診斷工具來操作，也可以作為ActiveX組件將INTERBUS診斷集成在設備和系統的可視化軟件中。圖形化設計使得診斷功能可采用低分辨率顯示，因此也適用于小型手持診斷設備。這些診斷可以通過INTERBUS主站上的任意接口（以太網、V.24和ISA/PCI總線）來完成。這樣，通過一個INTERBUS主站，就可以從任何位置對控制系統網絡中的每個控制系統實現診斷。這意味著INTERBUS系統的診斷變得更加簡便和通用。
4.4.4 下位機編程軟件配置
本系統采用PC WORX 5作為下位機編程軟件。下位機編程軟件PC WORX 5為控制系統提供了一個現代化開發工具。當PC WORX 5連接到現場總線的控制系統上時，它不僅提供了符合IEC 61131-3標準和IEC 61131-5標準的方便編程工具，還可方便進行INTERBUS組態。PC WORX 5還包括對INTERBUS的簡易診斷。
4.4.5 軌道參數記錄及打印程序
軌道參數記錄及打印程序是為實現鐵路大型養路機械電氣控制系統中傳統記錄儀功能而開發的一個專用程序。它可以實現軌道參數的記錄、查詢、分析及打印。
在當今科學技術迅猛發展的時代，各種新技術、新產品、新的控制理念不斷涌現。鐵路大型養路機械產品電氣控制系統的設計思路也應跟上科技發展的步伐，采用新的設計理念和目前世界上比較先進的控制技術。
過去，總線在鐵路大型養路機械電氣控制系統中已經有成功的應用。如在普拉塞—陶依爾公司生產的CEM 100型架線車上全套使用RS-485工業總線控制系統；在CMG-16型道岔打磨車上使用以RS-485工業總線為主、結合Profibus-DP現場總線的控制系統；在CPH型道岔鋪換機組上使用以“無線發射器+無線接收器+ CANBUS總線+PLC”的“一對多”控制系統；以“PLC+本地I/O”組成的程序控制系統，也在D0832搗固車上使用，經過半年多的試驗，獲得成功。
現在，工業計算機技術、PLC技術、現場總線技術、網絡技術均獲得了極大的發展和廣泛的應用。本文提出的基于PPC工業計算機、PLC及INTERBUS現場總線的鐵路大型養路機械電氣控制系統，它集成了柴油機監視控制、高速走行監視控制、作業監視控制等，它實現了集中監視、集中處理、分散控制，在鐵路大型養路機械上則是一種新的設計和嘗試。它應用于作業工況最差的穩定車上，將全面檢驗系統的各項指標：可靠性、穩定性、抗沖擊性能、經受高溫、高濕的能力，特別是抗頻率振動性能力。如果該套控制系統在新型穩定車上的應用獲得成功，那么，它的設計理念和方法在鐵路大型養路機械上全面推廣使用便成為可能；它作為一種完全不同于普拉塞—陶依爾公司鐵路大型養路機械產品電氣控制系統的設計理念和方法，將成為今后具有自主知識產權新產品開發的新的模式和方向。
