現(xiàn)場總線式調速控制系統(tǒng)的結構及原理

王勝軍

（哈爾濱鐵路局減速頂調速系統(tǒng)研究中心，黑龍江 哈爾濱 15000066）

1 引言

現(xiàn)場總線式溜放車輛調速控制系統(tǒng)在駝峰調車場從溜放部分到調車線內采用可控減速頂+普通減速頂調速設備，通過自動控制調速設備最終實現(xiàn)溜放車輛安全連掛。原則上在駝峰溜放部分至股道頭部大頂群區(qū)段采用可控減速頂，在打靶區(qū)后的連掛區(qū)內采用普通減速頂，在調車場尾部停車區(qū)采用停車頂，形成較為完整的連續(xù)式調速控制系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)簡介

從1976年起，哈爾濱鐵路局減速頂調速系統(tǒng)研究中心就開始了利用計算機進行實時控制技術的研究，主要應用于對鐵路編組站的駝峰調速設備進行自動控制，如減速器、可控減速頂、加速頂?shù)鹊取?/p>

現(xiàn)場總線式調速控制系統(tǒng)通過通訊技術對溜放車輛實時跟蹤控制，它根據(jù)溜放鉤車的重量、長度、速度、股道內的空閑長度、可控頂?shù)闹苿幽芰σ约败囕v的走行阻力等參數(shù)實時控制，使可控頂分別處于制動或不制動二種狀態(tài)，最終實現(xiàn)鉤車之間的安全連掛。圖1所示為微機可控頂調速系統(tǒng)的設備布置圖。

該系統(tǒng)克服了駝峰全減速頂和股道全減速頂調速系統(tǒng)中存在的對任何類型的溜放車輛都會制動減速的不足，同時連續(xù)式控制方式也可避免點式控制中局部故障會導致整個系統(tǒng)癱瘓的重大隱患問題。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對不同溜放阻力的車輛進行有區(qū)別的調速。由于可控頂調速系統(tǒng)屬于連續(xù)式調速方式，所以在系統(tǒng)的安全可靠性上要比點式調速系統(tǒng)要高。

另外，現(xiàn)場總線式調速控制系統(tǒng)在現(xiàn)場施工時對正常運輸?shù)母蓴_很小，對施工線路的施工占用時間較短，因而能將對車站日常調車作業(yè)的影響減至最小。

近年來，哈爾濱鐵路局減速頂調速系統(tǒng)研究中心的調速控制系統(tǒng)又將神經元網絡、專家系統(tǒng)等應用于調車場的調速領域，采用現(xiàn)場總線、實時嵌入式系統(tǒng)，使系統(tǒng)的實時性、穩(wěn)定性、可靠性得到增強。并能隨時根據(jù)外界環(huán)境和執(zhí)行機構的動態(tài)特性，自動調整和優(yōu)化系統(tǒng)的控制參數(shù)，提高調速的效果，同時，可節(jié)約設備和電纜等工程投資，具有較高的性能價格比。

圖1 微機可控頂調速系統(tǒng)設備布置圖

3 現(xiàn)場總線式調速控制系統(tǒng)的結構及原理

目前鐵路編組站調速系統(tǒng)的自動化、半自動化研究與開發(fā)，大多是采用集中式或是分散式控制方式，如美國通用信號公司的YARDS、美國聯(lián)合信號公司的DDC和德國西門子公司的MSR、英國的Dowty公司、南非和中國的鐵科院及通號公司等。而哈爾濱鐵路局減速頂調速系統(tǒng)研究中心的現(xiàn)場總線式調速控制系統(tǒng)將神經元網絡、專家系統(tǒng)應用于駝峰調車場的調速領域，采用現(xiàn)場總線、嵌入式結構，使系統(tǒng)的實時性、穩(wěn)定性、可靠性增強，并能根據(jù)外界環(huán)境和執(zhí)行機構的動態(tài)特性，自動調整優(yōu)化系統(tǒng)的控制參數(shù)，提高了調速效果，同時可節(jié)約設備、電纜等工程投資。該系統(tǒng)采用全數(shù)字通信，具有開放式、全分布、可互操作性及現(xiàn)場環(huán)境適應性等特點，形成了從測控設備到監(jiān)控計算機的全數(shù)字通信網絡。順應了控制網絡的發(fā)展要求，改變了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結構，形成了新型的網絡集成全分布系統(tǒng)。如圖2所示，為一種現(xiàn)場總線式調速控制系統(tǒng)的拓撲結構圖。

圖2 現(xiàn)場總線式調速控制系統(tǒng)拓撲結構圖

3.1 控制系統(tǒng)的硬件組成

1.控制對象—可控減速頂、加速頂、停車頂。

2.實時、高效、靈活的嵌入式控制機。

采用嵌入式系統(tǒng)作為系統(tǒng)的控制核心，主要由嵌入式處理器、相關支撐硬件和嵌入式軟件系統(tǒng)組成，它是集軟、硬件于一體的可獨立工作的“器件”。它具有以下4個特點：

圖3 室內控制機柜

圖4 室外控制單元

⑴對實時多任務有很強的支持能力，能完成多任務并且有較短的中斷響應時間；

⑵具有功能很強的存儲區(qū)保護功能，系統(tǒng)的軟件結構已經模塊化，利于軟件診斷；

⑶可擴展的微處理器結構，具有迅速擴展的性能；

⑷具有低功耗的經濟性和環(huán)保性。

總體看來，嵌入式系統(tǒng)具有方便靈活、性能價格比高、嵌入性強等特點，可以嵌入到現(xiàn)有工業(yè)控制系統(tǒng)中。從軟件角度來看，系統(tǒng)具有所需的配置要求較低、系統(tǒng)專業(yè)性和實時性較強等特點，具有極其廣闊的應用前景。

3.集多種功能為一體的監(jiān)控機

監(jiān)控機一方面能以圖形化的形式動態(tài)顯示現(xiàn)場工況，在室內監(jiān)測外部設備如測重機、控制機、各類傳感器和執(zhí)行電源板等設備的工作狀態(tài)。在特殊情況下，也可通過監(jiān)控機手動參與控制。

另一方面，該機具有圖形化的統(tǒng)計分析功能，以圖表等形式顯示鉤車速度曲線，并和難易行車速度曲線相對比，以便分析改進調速效果。還可對歷史數(shù)據(jù)及溜放情況進行匯總，便于故障處理。對外部設備出現(xiàn)的故障能及時給出語音及圖形報警，同時可動態(tài)分析減速頂工作狀態(tài)及車輛溜放速度預測，為峰頂變速推峰提供依據(jù)。

圖5 監(jiān)控機

圖6 監(jiān)控界面

4.控制電源、傳感設備、現(xiàn)場總線

可控頂控制電源采用無觸點供電和單片機控制，并以現(xiàn)場總線形式通訊，具有負載工況反饋功能。該控制電源按多路輸出模板化結構設計，一路電源發(fā)生故障不影響其它路電源的輸出，因此提高了系統(tǒng)的可靠性。

傳感設備種類很少，僅有無源非接觸式測速傳感器、硅力敏應變片式測重傳感器、軌道電路，沒有復雜的雷達測速和測長等設備，即使在道岔手動條件下也能實現(xiàn)自動調速控制。由于傳感器設備的種類少，結構原理簡單，維護人員很容易掌握設備的結構原理，并進行系統(tǒng)維護。

圖7 室內執(zhí)行電源柜

圖8 室外執(zhí)行電源箱

圖9 測速傳感器

圖10 測重傳感器

圖11 軌道電路箱

本系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線通訊方式，它綜合了數(shù)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(tǒng)的“點對點”式的模擬信號或數(shù)字一模擬信號控制的局限性，構成一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、互連、多變量、多接點的通信與控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場儀器的數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場總線傳到控制設備上，現(xiàn)場總線還可通過網關和企業(yè)的上級管理網絡相連，以便企業(yè)管理者掌握第一手資料，為決策提供依據(jù)。操作員可在控制室實現(xiàn)遠程監(jiān)控、設定或調整現(xiàn)場設備的運行參數(shù)，還能借助現(xiàn)場設備的自診斷功能對故障進行定位和診斷。系統(tǒng)可使用雙絞線、同軸電纜、光纜和無線等方式傳送數(shù)據(jù)，靈活高效。

3.2 控制系統(tǒng)的軟件組成

控制系統(tǒng)和測重系統(tǒng)的軟件平臺是一個流行世界的完全可擴展的嵌入式實時操作系統(tǒng)，納秒級實時控制，支持多處理器、文件管理、TCP/IP通訊，圖形界面、JAVA、HTTP等。程序采用分層模塊化結構設計，分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)分析處理層、執(zhí)行控制處理層。各子模塊任務明確，提高了程序的可讀性與可維護性，具有靈活的功能擴充裝配功能。系統(tǒng)軟件全部采用固化方式裝入存儲器中，具有較高的抗干擾能力，因此程序運用相當可靠。

監(jiān)控機系統(tǒng)的軟件采用WindowsXP環(huán)境，面向對象的編程語言，具有多進程和多線程技術，以及數(shù)據(jù)庫檢索功能?？蓜討B(tài)顯示車輛在各個控制點的速度、重量等級、各個控制點控制信息和測重機、電源、負載報警等?？筛鶕?jù)需要檢索控制系統(tǒng)相關控制參數(shù)及現(xiàn)場車輛溜放情況等，同時能以圖表等形式進行顯示或打印。

3.3 控制原理

該系統(tǒng)是由計算機控制系統(tǒng)、可控減速頂、普通減速頂?shù)冉M成。其中控制系統(tǒng)包括測重機、控制計算機、控制電源、手動作業(yè)及監(jiān)測平臺、執(zhí)行電源柜及控制電纜等硬件設備組成。測重和測速傳感器得到的車輛信息傳遞給控制計算機，通過軟件系統(tǒng)的判斷與計算，發(fā)出指令控制可控頂對車輛進行調速控制，實現(xiàn)對溜放車輛的速度進行實時自動化調速。圖12是控制系統(tǒng)結構框圖。

圖12 控制系統(tǒng)結構框圖

系統(tǒng)采用神經元網絡建模及參數(shù)優(yōu)化，并把專家系統(tǒng)引入到調速控制領域。由于傳統(tǒng)的車輛溜放過程模型是把車組看成質點，阻力作為各種因素組合來體現(xiàn)，使得速度控制難以精確,已有的各種駝峰調速系統(tǒng)所共同依據(jù)的溜放過程模型為

式中：v1為溜放車組的初速(m/s), v2為溜放車組的末速(m/s),g為考慮車輛轉動慣量后的重力加速度（m/s2）,l為車輛溜放距離(m),w為車輛的走行阻力(N/kN),i為線路的坡度值(‰)。而車輛溜放過程是一個非常復雜的過程,受到眾多的因素影響,如氣候因素、車輛本身的因素、環(huán)境因素等。把諸因素用阻力來表達,使得阻力的構成極其復雜?，F(xiàn)行的控制系統(tǒng)一般為開環(huán),因而使現(xiàn)行的車輛溜放過程模型存在難以克服的缺陷。近年來神經網絡研究得到普遍重視和迅速發(fā)展,這是由于神經網絡的信息處理原理是建立在模式聯(lián)想基礎上的，通過自組織和自學習的神經網絡具有很強的模式變換能力。神經網絡與傳統(tǒng)的模式識別相比有如下幾個特點：能識別帶有噪聲或變形的輸入模式；具有很強的自適應能力,通過對樣本的學習,能掌握模式變換的內在規(guī)律；能夠把識別處理與若干預處理融合在一起進行，識別速度快。利用神經網絡構成系統(tǒng)的閉合,即構成閉環(huán)反饋系統(tǒng),使系統(tǒng)具有自適應和自學習的能力。而具有自適應能力和非線性處理能力的人工神經網絡，特別是多層感知器網絡，適于復雜建模，并且通常優(yōu)越于其它建模技術。網絡輸出節(jié)點只有一個，即控制時間的估計值，神經網絡根據(jù)已估計的控制時間和車輛走行參數(shù)來預測過程輸出變量。上述神經網絡在使用之前必須進行離線訓練，多層感知器型神經網絡最常用的訓練算法為BP算法，但該算法具有容易陷入局部最小的缺點。而模擬退火算法則可以跳出局部最優(yōu)的陷阱，找到全局(或近似)最優(yōu)解。將兩種算法結合起來，可充分發(fā)揮兩者的優(yōu)點。經過訓練后的神經網絡還可用于在線優(yōu)化。

高效、可靠的優(yōu)化算法是實現(xiàn)在線優(yōu)化的必要條件。本系統(tǒng)可以用于道岔區(qū)，在滿足一定的安全間隔的條件下,盡可能使溜放車輛的間隔減少,以便提高駝峰的解體效率。對于車輛溜放目的制動模型，是使鉤車在減速頂出口處的速度達到預先設定的能保證鉤車安全連掛的速度，其系統(tǒng)控制模型如圖13所示。

圖13 系統(tǒng)控制模型

4 系統(tǒng)功能介紹

4.1 濾波容錯功能

能對測速傳感器和軌道電路的數(shù)據(jù)進行濾波處理，能在混雜的數(shù)據(jù)中提取正確的數(shù)據(jù)，判出鉤車在運行中的丟軸、誤動、故障等錯誤，并能擬補出正確的軸的數(shù)據(jù)和判出鉤車運動方向，同時具有抗干擾性。

4.2 軸重采集處理、信息交換

鉤車各軸經過測重傳感器時的波形信號能記錄下來并進行分析處理，能判斷鉤車運動方向，劃分鉤車重量級別和累計鉤車軸數(shù)，還具有判追鉤等功能。

4.3 溜放間隔調整控制

溜放間隔調速控制的依據(jù)是根據(jù)鉤車的重量級別、運行速度、走行阻力和外界環(huán)境和執(zhí)行機構的性能等，調整易行車的速度，使它的走行速度曲線向難行車的走行曲線靠攏。對難行車中的易行車，當其走行速度超過一定范圍時也要進行適當控制，以求難易行車基本都能以相同速度過岔，達到等間隔控制的目的。

4.4 變速出口（打靶）控制

由軌道電路提供鉤車停留的位置及股道內的存車情況，進行變速或定速調速控制。力求使鉤車溜放距離最遠，并經打靶區(qū)末端的小頂群將車速調整到5km/h以下，與前停留車最終實現(xiàn)安全連掛。

4.5 “讓頭攔尾”

在股道存車位置允許的條件下，對大組車特別是大組空車采取“讓頭攔尾”控制，使其能盡快通過道岔區(qū)，以提高峰頂?shù)耐品逅俣群蜏p少車輛追鉤的可能性。

4.6 機車下峰反牽控制

機車下峰反牽作業(yè)時，系統(tǒng)能控制道岔區(qū)可控頂處于吸下狀態(tài)，這樣可提高機車上、下峰的走行速度。機車進入股道反牽時使可控頂群處于吸下狀態(tài)，可減少反牽阻力，提高反牽速度，減少輪頂磨耗并有利于作業(yè)安全。

4.7 故障處理控制

嵌入式系統(tǒng)具有較高的性價比。系統(tǒng)可采用雙機熱備，當測重傳感器發(fā)生故障時能在后臺監(jiān)控機給出故障報警。控制機對無重量數(shù)據(jù)的鉤車可自行根據(jù)專家系統(tǒng)和歷史數(shù)據(jù)，先進行試探性控制得出車輛速度變化值，然后系統(tǒng)根據(jù)車速、變化值的大小，大體判出該鉤車的重量級別作為控制參數(shù)。同時將判出的級別傳送到下個控制點，保證系統(tǒng)正常運行。

4.8 遠程故障診斷功能

可在異地通過網絡或無線通訊方式實現(xiàn)對現(xiàn)場工況的預診斷，防患于未然。

5 控制系統(tǒng)的特點

5.1 可進行多種方式的優(yōu)化組合

系統(tǒng)由標準化、通用化、系列化的微機和功能模塊組成，為控制級、管理級、操作級三級體系結構，級間采用網絡通信?？刂茩C為專用嵌入式計算機，操作與管理級采用工業(yè)PC機，按控制功能和范圍設定了不同的自動化獨立節(jié)點，故障不擴散。該結構體系使系統(tǒng)具有管理和控制一體化，風險高度分散，并可針對不同編組場和不同功能需求進行多種方式的優(yōu)化組合。

室內主要設備構成：執(zhí)行電源柜，控制機柜，電子控制臺，監(jiān)測機，UPS電源，二路電源。

（1）集中控制方式

圖14 集中控制方式圖（設備集中放置在信號樓內）

優(yōu)點：設備集中管理，受環(huán)境因素影響小，維修方便，易于保養(yǎng)。

不足：需要占用一定面積的房間，現(xiàn)場受控設備與執(zhí)行機柜之間的距離較遠，電纜距離長，線路壓降損失較大，電源驅動部件負荷大。

（2）集中管理分散控制方式

圖15 集中與分散組合控制方式圖

優(yōu)點：僅需要占用很少房間面積，主要設備維修方便，易于保養(yǎng)和管理。部分設備分散布置，有利于節(jié)約電纜，減少線路壓降損耗。

缺點：設備分散，維護、保養(yǎng)略為困難。

（3）分散控制方式

圖16 分散控制方式圖

優(yōu)點：無需車站另外提供房間，控制設備在線間安放，與受控設備之間距離較近，節(jié)約電纜，可把線間壓降損失減少到最低限度。

不足：與集中控制方式相比受環(huán)境因素影響較大，維護保養(yǎng)難度也相應增大。

5.2 吸收新技術

控制系統(tǒng)軟件控制模型構造繼承傳統(tǒng)控制理論并與現(xiàn)代控制理論有機結合，將神經元網絡、專家系統(tǒng)網絡技術應用于調速領域，形成獨具特色的采用現(xiàn)場總線的嵌入式自適應調速控制體系。

5.3 與數(shù)據(jù)庫聯(lián)接，數(shù)據(jù)檢索方便快捷

建立在數(shù)據(jù)庫基礎上的歷史數(shù)據(jù)分為永久性概要數(shù)據(jù)和按月更新的詳細數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)可提供各種直觀的表格或圖形統(tǒng)計分析報告，為編組站運營管理和維護管理提供了強有力的支持。此外，系統(tǒng)還提供了基于上述數(shù)據(jù)庫的作業(yè)回放及事件歸類查看功能，為各種故障的分析提供了完備和直觀的資料。

5.4 具有高度的可靠性、自動糾錯、自動導向安全性

完備的基礎測量與執(zhí)行設備故障導向安全，以及故障軟化、故障降級處理功能，對保障作業(yè)安全提供了強有力的支持。

5.5 防止突發(fā)事件影響作業(yè)

關鍵環(huán)節(jié)的處理采用軟、硬件并舉的冗余方式，如雙機冷備、雙機熱備以及關鍵接口的備用等。

5.6 網絡技術的應用

網絡控制技術的應用使得控制邏輯關系變得十分簡捷，摒棄了傳統(tǒng)的控制臺內部復雜的線路層層轉接關系，減少了故障發(fā)生的層次，使故障處理簡捷明了。

5.7 其它特點

新型的電子控制臺及各機柜接口設計采用了符合國際標準先進的工藝、結構及器材，采用了面向對象程序設計語言編制的監(jiān)控平臺更加圖形化、人性化，直觀清晰，具有實時在線分析、打印數(shù)據(jù)，記錄過程全數(shù)據(jù)的功能。

運用專家系統(tǒng)和網絡技術，該系統(tǒng)可根據(jù)用戶的需求，增加遠程故障診斷的功能。

6 主要指標

1.駝峰日均解體能力不小于2000輛，繁忙時每小時解體能力不小于100輛；

2.允許平均推峰速度為5km/h；

3.調車線內5km/h以下的車輛安全連掛率不小于98%；

4.全場集中操縱，直接操作人員僅1人。

7 前景展望

本系統(tǒng)采用神經元控制器、專家系統(tǒng)、實時嵌入式結構、現(xiàn)場總線和自主知識產權的可控減速頂，對溜放車輛實現(xiàn)了有效的間隔控制和目的制動控制。充分利用了神經元的自學功能，在運行中能根據(jù)被控對象的特性以及外界環(huán)境的變化，對神經元的權重值進行在線調整。同時結合專家經驗，使得整個系統(tǒng)具有良好的自適應能力與抗干擾能力。這種控制方法能夠有效地克服傳統(tǒng)控制算法存在的不足，使系統(tǒng)始終保持在最優(yōu)化的工作狀態(tài)，具有較高的可靠性和防止惡性事故發(fā)生的安全措施，保證了作業(yè)的安全。系統(tǒng)還具有動態(tài)性能好、調節(jié)時間短、穩(wěn)態(tài)誤差小等優(yōu)點，在中小型鐵路編組站具有非常廣泛的應用前景。