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現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統在牽引電機試驗臺的應用
作者：
時(shí)間：2013-02-27
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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牽引電機試驗流程的控制包含開(kāi)關(guān)量的邏輯控制和電機工作點(diǎn)的閉環(huán)調節，兩者緊密結合。為了清楚地分析電機試驗過(guò)程中不同狀態(tài)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(mǎn)磁場(chǎng))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(gè)試驗項目的不同試驗步驟，每個(gè)開(kāi)關(guān)都具備一個(gè)確定的狀態(tài)邏輯，電機工作點(diǎn)的調節內容也由試驗步驟的狀態(tài)決定；另一方面，每一個(gè)試驗步驟的切換邏輯由二十個(gè)線(xiàn)路開(kāi)關(guān)的狀態(tài)邏輯和電機工作狀態(tài)標志運算決定。這樣，開(kāi)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(kāi)關(guān)量部分的框架就這樣建立起來(lái)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(huán)調節。當被控量達到給定值時(shí)，會(huì )產(chǎn)生標志位，滿(mǎn)足步驟切換邏輯，試驗進(jìn)行下一步。這樣試驗流程就會(huì )依次自動(dòng)進(jìn)行下去。試驗步驟、線(xiàn)路開(kāi)關(guān)、模擬量調節三者關(guān)系可以概括為：試驗步驟決定線(xiàn)路開(kāi)關(guān)的狀態(tài)和模擬量調節內容，線(xiàn)路開(kāi)關(guān)的狀態(tài)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(kāi)關(guān)邏輯的數學(xué)表達式可以概括如下(其中Step(N)代表試驗第N步，K代表開(kāi)關(guān)，Logic代表組合邏輯，Ex代表試驗項目，Flag代表各個(gè)試驗狀態(tài)標志)： 
其中，“步驟切換條件”是由線(xiàn)路開(kāi)關(guān)、電機工作標志位的組合邏輯構成。由此，試驗步驟與開(kāi)關(guān)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(guān)系的方法能夠把開(kāi)關(guān)量連鎖控制與模擬量調節結合起來(lái)。在工業(yè)生產(chǎn)現場(chǎng)大量存在一種控制方式，包含開(kāi)關(guān)量邏輯控制和模擬量閉環(huán)調節，二者要求同樣嚴格，不分主次(例如化工行業(yè)化學(xué)反應過(guò)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(chǎng)總線(xiàn)條件下系統功能實(shí)現
電機試驗過(guò)程中，各設備關(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(gè)設備，作為一個(gè)整體進(jìn)行控制。而控制分散在現場(chǎng)，所以各個(gè)測控單元的信息必須是開(kāi)放的、可以與其他單元共享。CAN總線(xiàn)的多主性通信方式使網(wǎng)絡(luò )上節點(diǎn)之間可自由通信。SHCAN2000現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統中提供了CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和現場(chǎng)智能測控單元構成的分布式實(shí)時(shí)數據庫，實(shí)現了自由、開(kāi)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(tài)，對于其他單元都是可見(jiàn)的，從而使試驗臺的整體控制成為可能。
由現場(chǎng)功能不同方面，SHCAN2000現場(chǎng)控制單元可按以下組態(tài)方案實(shí)現[6]：
(1)通信功能
通信包括現場(chǎng)與上位機的通信、現場(chǎng)單元之間的通信。為了實(shí)現控制信息共享，在現場(chǎng)單元分布式實(shí)時(shí)數據庫中，每個(gè)設備的控制信息都通過(guò)CAN總線(xiàn)同地址映射到相同地址單元，實(shí)現了最大范圍的信息共享。例如，需要訪(fǎng)問(wèn)電機工作點(diǎn)電流是否達到給定值標志位，各控制單元只需訪(fǎng)問(wèn)本地數據庫的S10N10單元即可。
現場(chǎng)單元與上位機以及現場(chǎng)各個(gè)單元之間的通信由模塊實(shí)現，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(shí)現
控制功能包括開(kāi)關(guān)量控制、工作點(diǎn)調節和流程的控制。
開(kāi)關(guān)量控制通過(guò)開(kāi)關(guān)量運算模塊，實(shí)現步驟切換邏輯運算和開(kāi)關(guān)狀態(tài)邏輯運算。
電機工作點(diǎn)調節根據試驗步驟狀態(tài)，用分支程序模塊來(lái)選擇PID運算模塊的SP、PV，完成電機在不同工作點(diǎn)下電壓、電流、轉速的調節。此外，由于電機在不同工作狀態(tài)(起動(dòng)、制停、不同工作點(diǎn))時(shí)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(shí)，高低值監視模塊產(chǎn)生一個(gè)開(kāi)關(guān)量，參加步驟切換邏輯運算；計數器模塊、定時(shí)器模塊控制工作點(diǎn)切換和延時(shí)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(shí)現系統的監控和管理。
監控界面由模擬試驗線(xiàn)路、虛擬儀表和操作按鈕組成。試驗員可以通過(guò)模擬試驗線(xiàn)路觀(guān)察電路開(kāi)關(guān)狀態(tài)；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(tài)；操作按鈕控制電機試驗項目和試驗流程。
FIX與現場(chǎng)的數據交換由自行開(kāi)發(fā)的I/O驅動(dòng)程序——現場(chǎng)測控單元的通信模塊，來(lái)完成現場(chǎng)實(shí)時(shí)數據的“上傳”和上位機組態(tài)數據、控制命令的“下達”。
電機電壓、電流、轉速的越限保護動(dòng)作由現場(chǎng)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(fā)生時(shí)間，越限值，操作者等)，以備查詢(xún)、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(lái)的對系統組態(tài)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(tài)軟件調用Microsoft Office Excel電子表格軟件實(shí)現的[6]。試驗完畢后，FIX調用Excel中用VBA編寫(xiě)的宏READ()，來(lái)完成自動(dòng)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(yǔ)
本文提出的牽引電機試驗臺現場(chǎng)總線(xiàn)系統已在鐵道部戚墅堰機車(chē)車(chē)輛廠(chǎng)得到了成功的應用。實(shí)踐證明，現場(chǎng)總線(xiàn)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(yōu)點(diǎn)，有良好的借鑒作用和推廣應用價(jià)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(ài)進(jìn)，等.現場(chǎng)智能測控儀表軟件組件集成技術(shù)的研究[J] .儀器儀表學(xué)報，2001年第3期，269-276
[3] 牽引電機大綱[S] .鐵道部戚墅堰機車(chē)車(chē)輛廠(chǎng)
[4] 陳曉俠，等.CAN總線(xiàn)間歇控制系統的研究[J] .大連鐵道學(xué)院學(xué)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(tài)使用手冊”[S] .大連鐵道學(xué)院三合儀表開(kāi)發(fā)公司，1999
[6] [美] Mark Dodge等著(zhù)，詹津明，等譯.Microsoft Excel 97使用大會(huì )[M] .清華大學(xué)出版社，1998年12月(end)
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