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(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的硬件布置和軟件設(shè)計(jì)功能。最后對(duì)現(xiàn)車控制系統(tǒng)運(yùn)用情況進(jìn)行總結(jié)。

關(guān)鍵詞：鋼軌打磨列車;網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng);GMC16A型

中圖分類號(hào)：U216.65? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：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(shù)引進(jìn)與合作生產(chǎn)的形式引進(jìn)了兩種96磨頭鋼軌打磨車，RR96M和RMS96。瑞士SPENO公司的RR96M的國內(nèi)型號(hào)定為GMC-96B，由中車北京二七機(jī)車有限公司（下稱“二七公司”）引進(jìn)生產(chǎn)，目前主要用于正線非道岔區(qū)域打磨作業(yè)，作業(yè)效果良好，是國鐵鋼軌打磨列車的主型產(chǎn)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(shù)基礎(chǔ)上，于2013年自主設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)完全國產(chǎn)化設(shè)計(jì)生產(chǎn)的打磨列車之一，該車結(jié)構(gòu)緊湊，功能全面，其網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的代表性。

2 系統(tǒng)硬件分析

GMC16A型鋼軌打磨列車由A1車、A2車兩節(jié)車編組而成，每節(jié)車上裝有1個(gè)8頭打磨小車。兩節(jié)車結(jié)構(gòu)基本成中心對(duì)稱、功能相同。

本車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)由牽引控制系統(tǒng)和打磨作業(yè)控制系統(tǒng)組成，主控單元均是貝加萊X20系列PLC主機(jī)。牽引和作業(yè)系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立的形式，能夠有效降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度，提高系統(tǒng)安全性。全車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2所示。

系統(tǒng)列車級(jí)總線采用以太網(wǎng)，車輛級(jí)總線由以太網(wǎng)，X2X link，CAN等多種形式構(gòu)成。下面以單節(jié)車為例，對(duì)牽引控制和打磨作業(yè)控制的兩套系統(tǒng)硬件構(gòu)成進(jìn)行說明介紹。

2.1 牽引控制系統(tǒng)構(gòu)成

牽引控制系統(tǒng)安裝于司機(jī)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(yuǎn)程IO模塊信號(hào)。

牽引控制主機(jī)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，主要組成包括1臺(tái)CPU基本單元，1臺(tái)觸摸屏，1個(gè) 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(shù)字量與模擬量的IO模塊。

其中，CAN通信模塊用于與發(fā)動(dòng)機(jī)控制器和行車恒速控制器通訊，負(fù)責(zé)采集發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)并對(duì)作業(yè)工況下列車走行低恒速進(jìn)行控制?？偩€中繼模塊的與總線接收模塊組合使用，采集和控制接入遠(yuǎn)程PLC的功能模塊數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程PLC功能模塊安裝在D柜，用于采集和控制距司機(jī)室較遠(yuǎn)的IO功能模塊。

2.2 打磨作業(yè)控制系統(tǒng)構(gòu)成

作業(yè)控制系統(tǒng)包括1套控制系統(tǒng)主機(jī)和1套控制系統(tǒng)從機(jī)，分別安裝于司機(jī)室打磨控制A柜和遠(yuǎn)端打磨控制D柜，通過以太網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行通訊，共同構(gòu)成打磨作業(yè)控制系統(tǒng)。

打磨作業(yè)控制主機(jī)安裝在A柜，包括1臺(tái)CPU基本單元，1臺(tái)觸摸屏和若干IO模塊。打磨作業(yè)控制從機(jī)安裝在D柜，包括1臺(tái)CPU基本單元，1個(gè)CAN通信模塊，以及若干IO模塊。其中，CAN通信模塊用于與作業(yè)氣動(dòng)閥島建立通訊，對(duì)打磨作業(yè)氣動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。

2.3 數(shù)據(jù)交互說明

牽引控制系統(tǒng)與作業(yè)控制系統(tǒng)分別通過繼電器、以太網(wǎng)和CAN總線進(jìn)行了硬件形式上的連接。但事實(shí)上，系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸主要是通過以繼電器為主的外圍硬線電路實(shí)現(xiàn)的，例如方向、控權(quán)、工況、以及緊急狀態(tài)信號(hào)等。在CAN通訊網(wǎng)絡(luò)中，牽引控制系統(tǒng)為作業(yè)控制屏提供了一個(gè)有關(guān)發(fā)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)的數(shù)據(jù)包。除此之外，兩套系統(tǒng)間并沒有其他數(shù)據(jù)互通，這種設(shè)計(jì)理念如今看來相對(duì)保守，有一定的局限性。

3 系統(tǒng)軟件功能分析

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)主要有基本邏輯控制、開環(huán)控制、動(dòng)態(tài)閉環(huán)控制、數(shù)據(jù)記錄與處理、安全連鎖、報(bào)警機(jī)制、通訊管理以及信息維護(hù)等軟件功能構(gòu)成。其中邏輯控制是系統(tǒng)主體，動(dòng)態(tài)閉環(huán)控制是系統(tǒng)核心。

3.1 基本邏輯控制

列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，是人們希望通過控制器（電路板等）代替?zhèn)鹘y(tǒng)繼電器實(shí)現(xiàn)控制功能。因此直到現(xiàn)

在，列車的功能需求大多是對(duì)開關(guān)信號(hào)的控制，開關(guān)信號(hào)控制通過基本邏輯控制實(shí)現(xiàn)。這部分功能可以概括為：（1）控權(quán)轉(zhuǎn)換：系統(tǒng)操作控制權(quán)為本車控制或它車控制。本車控制時(shí)，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(zhuǎn)換：在行車系統(tǒng)中選擇作業(yè)工況與運(yùn)行工況。運(yùn)行工況下，列車高速運(yùn)行，自運(yùn)行最高速度80km/h。作業(yè)工況下，允許打磨作業(yè)系統(tǒng)加載和操作，本系統(tǒng)協(xié)同低恒速控制器對(duì)作業(yè)車速進(jìn)行高精度控制，速度表顯示范圍變?yōu)?-20km/h。（3）送電及負(fù)載控制：發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)后，當(dāng)主電路輸出電壓與頻率在合理范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)允許用戶通過屏幕控制接入負(fù)載。（4）作業(yè)預(yù)置：作業(yè)工況狀態(tài)下，系統(tǒng)開始實(shí)時(shí)檢測(cè)作業(yè)裝置各部件運(yùn)行狀態(tài)信息，當(dāng)滿足作業(yè)條件時(shí)可手動(dòng)選擇作業(yè)預(yù)置功能。該功能啟動(dòng)后系統(tǒng)通過采集各行程開關(guān)信號(hào)以及發(fā)送各油缸電磁閥開關(guān)信號(hào)，依序自動(dòng)完成打磨小車解鎖、下降、置于作業(yè)位等一系列動(dòng)作，簡化用戶操作流程。（5）仿真模式：為滿足在車輛靜態(tài)調(diào)試以及檢修需求，系統(tǒng)設(shè)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(duì)打磨小車的各個(gè)油缸、氣缸和打磨電機(jī)角度偏轉(zhuǎn)、升降進(jìn)行動(dòng)作試驗(yàn)。出于安全考慮，該模式下禁止打磨電機(jī)啟動(dòng)。（6）正線打磨模式：該模式區(qū)別于操作相對(duì)復(fù)雜的道岔打磨模式，是作業(yè)工況下的缺省狀態(tài)?！白鳂I(yè)預(yù)置”完成后，直接手動(dòng)設(shè)定或選擇相應(yīng)的打磨電機(jī)角度編組，即可開始進(jìn)行正線打磨作業(yè)。（7）道岔打磨模式：“作業(yè)預(yù)置”完成之后，如要進(jìn)行道岔打磨作業(yè)則需要將作業(yè)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(shè)定的數(shù)據(jù)相對(duì)較多，如作業(yè)前設(shè)定橫移機(jī)構(gòu)工作方式、作業(yè)過程中手動(dòng)選擇道岔區(qū)域各點(diǎn)等。（8）牽引預(yù)置：與作業(yè)預(yù)置相對(duì)應(yīng)。打磨作業(yè)完畢后，啟動(dòng)牽引預(yù)置功能，系統(tǒng)如可依序自動(dòng)執(zhí)行打磨小車上升、置于作業(yè)位、鎖緊等動(dòng)作。進(jìn)而完成收車，以進(jìn)行牽引操作。（9）外部控制盒動(dòng)作控制：打磨列車外部控制盒可以控制打磨小車、電機(jī)、各油缸的基本常用動(dòng)作，外部控權(quán)鎖定時(shí)打磨控制屏操作無效。

3.2 數(shù)據(jù)記錄與處理

數(shù)據(jù)記錄與處理功能主要用以執(zhí)行兩方面任務(wù)，一個(gè)任務(wù)是列車數(shù)據(jù)管理方面一般要求記錄部分行車必要信息，如記錄運(yùn)行里程和柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)間。

另一個(gè)重要任務(wù)是在進(jìn)行作業(yè)時(shí)實(shí)現(xiàn)打磨電機(jī)定點(diǎn)下降和提升功能。定點(diǎn)下降指打磨列車開始工作時(shí)，將首兩臺(tái)電機(jī)下降到軌面作業(yè)的點(diǎn)記為作業(yè)起始點(diǎn)，通過進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理與動(dòng)作控制，力求整車所有打磨電機(jī)在該點(diǎn)完成下降到軌面的動(dòng)作進(jìn)行打磨作業(yè)。同理，定點(diǎn)提升是指在作業(yè)完成同時(shí)，整車打磨電機(jī)能夠于同一作業(yè)終止點(diǎn)執(zhí)行提升動(dòng)作。一次打磨作業(yè)執(zhí)行完畢后，系統(tǒng)同時(shí)計(jì)算得出此次打磨作業(yè)里程并累加記錄。

簡單的說，作業(yè)起始點(diǎn)和終止點(diǎn)的記錄是通過對(duì)開關(guān)信號(hào)的記錄和列車實(shí)際速度的實(shí)時(shí)檢測(cè)計(jì)算處理得出。但這種數(shù)據(jù)粗算的精度很差，想要將起落點(diǎn)誤差縮小到相對(duì)理想的范圍，在程序設(shè)計(jì)中要結(jié)合考慮的外部因素還有很多。如不同打磨電機(jī)、不同角度設(shè)置的下降時(shí)間，搖籃框不同角度偏轉(zhuǎn)的時(shí)間以及其他必要延遲等等。

最新TB3520-2018中規(guī)定打磨列車所有磨頭下降到鋼軌作業(yè)點(diǎn)誤差不高于2m，道岔作業(yè)誤差應(yīng)不高于0.5m。這就說明，打磨電機(jī)定點(diǎn)下降和提升是一個(gè)控制精度要求相對(duì)較高的過程，這也是衡量打磨列車作業(yè)質(zhì)量的一條重要標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 開環(huán)控制

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)列車運(yùn)行速度設(shè)定與給出，即對(duì)走行液壓系統(tǒng)輸出速度預(yù)設(shè)值信號(hào)。這是個(gè)開環(huán)控制過程。

高速運(yùn)行工況下，系統(tǒng)采集司控器方向和速度設(shè)定信號(hào)，并在列車啟動(dòng)條件滿足時(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)速度設(shè)定信號(hào)給走行液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)相關(guān)閥組會(huì)根據(jù)電信號(hào)自適應(yīng)調(diào)節(jié)液壓泵和馬達(dá)的對(duì)應(yīng)排量，實(shí)現(xiàn)車速控制。這過程中的自適應(yīng)調(diào)節(jié)主要由液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

打磨作業(yè)工況下，列車必須實(shí)現(xiàn)±0.5km/h的高精度列車速度控制，液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度和精度都難以滿足。本車在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)以外單獨(dú)設(shè)置了對(duì)液壓系統(tǒng)的閉環(huán)控制器，即“恒速控制器”，負(fù)責(zé)提高對(duì)液壓系統(tǒng)排量控制精度和靈敏度。

3.4 動(dòng)態(tài)閉環(huán)控制

打磨過程中的電機(jī)下壓壓力控制通過開環(huán)控制和閉環(huán)調(diào)節(jié)控制相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)，以動(dòng)態(tài)閉環(huán)控制為主。目前國內(nèi)的控制算法都基于恒功率PID控制方式。

打磨電機(jī)的作業(yè)壓力通過三個(gè)量控制，電機(jī)重力在垂直方向的分量G'，設(shè)定工作壓F+和設(shè)定背壓F-，他們之間的關(guān)系是F=F+-（F-+G'）。作業(yè)閉環(huán)調(diào)節(jié)過程中，設(shè)定背壓F-和G'為固定值，主要?jiǎng)討B(tài)改變F+的輸出值。工作原理是：首先輸出預(yù)設(shè)工作壓控制電流值，對(duì)應(yīng)輸出打磨電機(jī)工作壓F+。即時(shí)采集打磨電機(jī)工作時(shí)的電機(jī)反饋電流，根據(jù)打磨電機(jī)實(shí)際電流反饋值與電流設(shè)定值，得出誤差值并進(jìn)行調(diào)節(jié)，經(jīng)過CPU處理并實(shí)時(shí)改變工作壓控制電流值，實(shí)現(xiàn)對(duì)F+的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

打磨下壓力控制是打磨列車控制的核心重點(diǎn)和難點(diǎn)，因?yàn)闄C(jī)構(gòu)作業(yè)環(huán)境相對(duì)惡劣，影響作業(yè)效果的因素多且復(fù)雜，設(shè)計(jì)控制要素也很難概括和總結(jié)。一般通過公式計(jì)算得到PID控制算法的參考參數(shù)或初值，在車輛實(shí)際調(diào)試和運(yùn)用中再通過大量試驗(yàn)和測(cè)試中得到動(dòng)態(tài)PID算法最終參數(shù)。因此不同的作業(yè)需求，不同的線路條件，所設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)閉環(huán)控制方案也不同。

3.5 安全連鎖與報(bào)警

安全連鎖功能的設(shè)計(jì)一般是與邏輯控制功能設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行的，其目的是當(dāng)機(jī)械機(jī)構(gòu)和部件運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)異常時(shí)，控制屏與蜂鳴器發(fā)出報(bào)警，并禁止對(duì)應(yīng)具有安全隱患的車輛控制功能執(zhí)行。避免車輛故障擴(kuò)大，影響行車及作業(yè)安全。

GMC16A型鋼軌打磨車共設(shè)置4個(gè)等級(jí)的報(bào)警，可以讓操作者對(duì)全車狀態(tài)有整體把握。

（1）警告級(jí)報(bào)警主要起到提示、警示作用，并不會(huì)引起安全連鎖或執(zhí)行任何動(dòng)作。一般有控權(quán)錯(cuò)誤，膨脹水箱液位偏低等等。（2）連鎖級(jí)報(bào)警能夠引起安全連鎖，會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的卸載動(dòng)作或切斷使能。如供電系統(tǒng)異常，此時(shí)系統(tǒng)限制相關(guān)用電器加載。（3）停車級(jí)報(bào)警出現(xiàn)在行車安全相關(guān)的機(jī)構(gòu)運(yùn)行異常時(shí)，此時(shí)列車牽引控制功能卸載并禁止加載，同時(shí)施加制動(dòng)使列車安全停車。如走行馬達(dá)轉(zhuǎn)速異常、液壓壓力異常等。（4）停機(jī)級(jí)報(bào)警在系統(tǒng)中故障等級(jí)最高，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)制卸載并禁止加載，并施加急停。故障原因包括滅火啟動(dòng)，柴油機(jī)水溫、進(jìn)氣溫度異常等，一般是嚴(yán)重影響行車安全的情況發(fā)生造成。

3.6 通訊管理功能

GMC16A型鋼軌打磨列車通訊管理實(shí)現(xiàn)兩種功能：一是全車網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和CAN通訊單元數(shù)據(jù)處理;其二主要是單車運(yùn)行模式。

單車模式是列車應(yīng)急功能的一種。當(dāng)兩車通訊出現(xiàn)故障，或單節(jié)車出現(xiàn)故障時(shí)，需要另一車單車單獨(dú)運(yùn)行完成作業(yè)或駛離作業(yè)區(qū)間。此時(shí)，取得控權(quán)車設(shè)置為單車模式，不處理它車除車齒箱外的運(yùn)行狀態(tài)信息，僅依靠控權(quán)車的動(dòng)力和控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行或作業(yè)。

3.7 信息維護(hù)功能

系統(tǒng)支持用戶進(jìn)行輪徑設(shè)置;清除累積量和故障履歷;導(dǎo)出行車和作業(yè)數(shù)據(jù)與記錄。

4 結(jié)束語

GMC16A型鋼軌打磨列車在實(shí)際作業(yè)中本車表現(xiàn)尚可，能夠滿足現(xiàn)階段用戶的基本使用需求。本車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)經(jīng)典，軟件功能完備，對(duì)國產(chǎn)化網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)具有很強(qiáng)的借鑒意義。

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