發布日期：2022-04-27 點擊率：70
1 引言
目前，我國鐵路大部分廠、段的電機試驗臺，主要采用手工操作控制試驗、人工讀表記錄試驗數據；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，勞動強度比較大，試驗精度不高，而且試驗數據的可靠性往往受到人為因素的影響。隨著牽引電機試驗要求的提高，現有的試驗臺人工控制已不能滿足要求了，迫切需要實現自動控制和計算機管理。
實現牽引電機試驗臺自動控制的主要困難是：(1)電機試驗流程復雜，步驟繁多，邏輯關系歸納困難；(2)牽引電機試驗狀態多變，在不同試驗狀態下控制參數不同，難以達到理想的控制效果；(3)牽引電機和試驗電源是高電壓、大電流設備，電磁干擾強，機械震動大，對控制設備的抗干擾性和可靠性要求較高。
基于這種情況，我們設計采用基于現場總線控制系統SHCAN2000的電機試驗臺自動測試系統，解決了以上問題，可以自動完成牽引電機的全部檢查試驗。實現了試驗流程的自動控制、自動完成；試驗數據的自動采集和自動記錄；安全報警、自動保護和歷史記錄；試驗報表的自動生成和管理等。
2 系統體系結構
2.1 牽引電機試驗臺線路
試驗臺線路如圖1所示。
其中，試驗線路開關(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，若要根據不同試驗項目、不同步驟控制開關的動作。試驗累計500步左右，相應開關組合也有500個狀態。
線路機、升壓機是由可控硅整流實現的可控電壓源、電流源。由控制系統調節單元的動態輸出作為線路機和升壓機的給定，可控硅觸發電路閉環自動調節輸出，控制牽引電機的工作點(電壓、電流、轉速)。削磁機是由IGBT實現的恒流源，當削磁電路投入時，會自動跟蹤被試電機電樞電流，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
現場總線控制系統是信息數字化、控制分散化、標準統一全開放的新一代工業自動化控制系統，它有控制精度高、系統可靠性強、成本低廉等優點。其中控制徹底分散是現場總線控制系統具有的突出特點，它給用戶帶來的實質優點是：由高度智能的現場設備來分散地完成DCS控制器的功能，弱化甚至省去了集中控制器的層次，降低了設備和布線費用，使控制風險徹底分散，提高系統控制的自治性和可靠性。
本系統控制部分結構如圖2所示。
我們設計并采用的SHCAN2000分布式控制系統采用三層體系結構，即操作站——CAN總結網絡(雙絞線)——現場智能測控單元。操作站由工業PC機加網卡組成；網卡的功能是完成RS-232C與CAN總線之間的協議轉換，實現工業PC機與CAN總線的連接。操作站采用Windows2000操作系統，工控軟件采用美國Intellution公司的FIX6-15，建立友好的人機界面，實現系統監控和管理功能。
SHCAN2000型系統的總線通信標準采用CAN2.0B。CAN總線的短楨結構、CRC校驗以及錯誤節點自動關閉功能，保證了信號傳輸的可靠性，具有較強的抗干擾能力。在電機試驗臺現場強電磁干擾下，從未出現通信故障，證明了CAN總線通信的高可靠性。
在SHCAN2000控制系統中，現場智能測控單元作為控制系統的核心，完成全部控制功能；通過CAN總線實現設備之間的信息共享，以及現場和上位機之間的通信，包括控制信息、設備狀態和實時數據的傳送。完全由現場測控單元實現對電機試驗流程的全部控制，是系統實現的一個難點。
SHCAN2000現場智能測控單元采用了由實時多任務操作系統、實時監控軟件、任務級組態軟件、實時數據庫構成的現場智能測控儀表軟件組件集成技術[2]。并開發了下載與調試程序，支持在線組態和模擬調試，大大方便了系統的設計、調試。
3 系統功能實現
本電機試驗臺測試系統能夠自動完成ZD-106、ZD-109、QDR-410型號牽引電機的全部出廠試驗和部分型式試驗。下面結合試驗流程特點，按系統功能實現的過程來進行介紹。
3.1 系統模型分析
試驗項目繁多，流程復雜。根據我們分析，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。面對如此復雜的試驗流程，為了清晰地描述電機試驗的控制過程，首先要歸納出系統的數學模型。
牽引電機試驗流程的控制包含開關量的邏輯控制和電機工作點的閉環調節，兩者緊密結合。為了清楚地分析電機試驗過程中不同狀態下的控制內容，我們將電機試驗按控制邏輯分成了若干步驟，依試驗項目不同，步驟數目也不同，最多的試驗項目(換向試驗達20步之多。限于篇幅，只列出速度特性試驗(M1正轉、滿磁場)部分流程表格。
分析試驗流程中的控制關系。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，每個開關都具備一個確定的狀態邏輯，電機工作點的調節內容也由試驗步驟的狀態決定；另一方面，每一個試驗步驟的切換邏輯由二十個線路開關的狀態邏輯和電機工作狀態標志運算決定。這樣，開關、步驟之間相互制約，建立起邏輯上的互鎖關系，試驗流程的開關量部分的框架就這樣建立起來了。模擬量調節內容依據試驗步驟標志，由分支程序選擇不同的閉環調節。當被控量達到給定值時，會產生標志位，滿足步驟切換邏輯，試驗進行下一步。這樣試驗流程就會依次自動進行下去。試驗步驟、線路開關、模擬量調節三者關系可以概括為：試驗步驟決定線路開關的狀態和模擬量調節內容，線路開關的狀態和模擬量標志位又是試驗步驟切換的邏輯條件。如下圖示。
步驟邏輯和開關邏輯的數學表達式可以概括如下(其中Step(N)代表試驗第N步，K代表開關，Logic代表組合邏輯，Ex代表試驗項目，Flag代表各個試驗狀態標志)：
其中，“步驟切換條件”是由線路開關、電機工作標志位的組合邏輯構成。由此，試驗步驟與開關構成了“互鎖”并且步驟邏輯自身可以“自鎖”。
這種按步驟歸納邏輯關系的方法能夠把開關量連鎖控制與模擬量調節結合起來。在工業生產現場大量存在一種控制方式，包含開關量邏輯控制和模擬量閉環調節，二者要求同樣嚴格，不分主次(例如化工行業化學反應過程的控制等)。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 現場總線條件下系統功能實現
電機試驗過程中，各設備關系緊密，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備，作為一個整體進行控制。而控制分散在現場，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絡上節點之間可自由通信。SHCAN2000現場總線控制系統中提供了CAN總線網絡和現場智能測控單元構成的分布式實時數據庫，實現了自由、開放的通信方式，使得系統內任何單元的測控數據和設備狀態，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。
由現場功能不同方面，SHCAN2000現場控制單元可按以下組態方案實現[6]：
(1)通信功能
通信包括現場與上位機的通信、現場單元之間的通信。為了實現控制信息共享，在現場單元分布式實時數據庫中，每個設備的控制信息都通過CAN總線同地址映射到相同地址單元，實現了最大范圍的信息共享。例如，需要訪問電機工作點電流是否達到給定值標志位，各控制單元只需訪問本地數據庫的S10N10單元即可。
現場單元與上位機以及現場各個單元之間的通信由模塊實現，且有分頻器模塊控制通信速率，使CAN網絡不致阻塞。
(2)控制功能實現
控制功能包括開關量控制、工作點調節和流程的控制。
開關量控制通過開關量運算模塊，實現步驟切換邏輯運算和開關狀態邏輯運算。
電機工作點調節根據試驗步驟狀態，用分支程序模塊來選擇PID運算模塊的SP、PV，完成電機在不同工作點下電壓、電流、轉速的調節。此外，由于電機在不同工作狀態(起動、制停、不同工作點)時控制模型的參數不同，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(分段PID)，達到理想的控制效果。
當被控量達到預先設定值時，高低值監視模塊產生一個開關量，參加步驟切換邏輯運算；計數器模塊、定時器模塊控制工作點切換和延時等流程控制。
3.3 上位機監控管理軟件
上位機的監控管理軟件采用美國Intellutin公司FIX 615，實現系統的監控和管理。
監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狀態；虛擬儀表顯示電機電壓、電流、轉速、溫度等參數；試驗步驟指示燈顯示當前試驗狀態；操作按鈕控制電機試驗項目和試驗流程。
FIX與現場的數據交換由自行開發的I/O驅動程序——現場測控單元的通信模塊，來完成現場實時數據的“上傳”和上位機組態數據、控制命令的“下達”。
電機電壓、電流、轉速的越限保護動作由現場智能測控模塊完成，但上位機保留這些報警事件的歷史紀錄(發生時間，越限值，操作者等)，以備查詢、參考。
本系統中不同的操作權限具有不同口令保護，使試驗操作員和系統工程師權限不同，各司其職，消除由操作員誤操作帶來的對系統組態功能的破壞。
作為試驗的最終結果，試驗報表系統是由FIX組態軟件調用Microsoft Office Excel電子表格軟件實現的[6]。試驗完畢后，FIX調用Excel中用VBA編寫的宏READ()，來完成自動將試驗數據文件到Excel表格的格式轉換，形成最終試驗報表。并按照電機編號和試驗項目作為文件名將試驗數據存檔以備檢索。
4 結束語
本文提出的牽引電機試驗臺現場總線系統已在鐵道部戚墅堰機車車輛廠得到了成功的應用。實踐證明，現場總線控制系統對于牽引電機試驗臺這樣典型大功率電氣設備的控制具有工作可靠、控制精度高、設計靈活、功能完備等優點，有良好的借鑒作用和推廣應用價值。
參考文獻
[1] 牽引電機[M] .西南交大電機系編中國鐵道出版社，1981年4月
[2] 袁愛進，等.現場智能測控儀表軟件組件集成技術的研究[J] .儀器儀表學報，2001年第3期，269-276
[3] 牽引電機大綱[S] .鐵道部戚墅堰機車車輛廠
[4] 陳曉俠，等.CAN總線間歇控制系統的研究[J] .大連鐵道學院學報，2001年第2期，52-55
[5] “SHCAN2000分布控制系統智能測控組件系統組態使用手冊”[S] .大連鐵道學院三合儀表開發公司，1999
[6] [美] Mark Dodge等著，詹津明，等譯.Microsoft Excel 97使用大會[M] .清華大學出版社，1998年12月
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