基于CoDeSys的電動公鐵兩用牽引車控制系統(tǒng)設(shè)計

許 萬，趙國棟，趙大興，李 炯

XU Wan, ZHAO Guo-dong, ZHAO Da-xing, LI Jiong

（湖北工業(yè)大學 機械工程學院，武漢 430068）

0 引言

公鐵兩用牽引車也稱陸軌兩用牽引車，是鐵路運輸?shù)妮o助動力車輛，是一種既能在公路、站臺等普通路面上行走，又能在標準軌距的鐵路上運行，像調(diào)車機車一樣進行牽引作業(yè)的特種工程車輛[1]。一般在調(diào)車作業(yè)過程中，大批量的調(diào)車作業(yè)主要由調(diào)車機車來完成，而小批量的調(diào)車作業(yè)更多的采用公鐵兩用牽引車。對于小批量的調(diào)車作業(yè)，公鐵兩用牽引車調(diào)車效率更高，成本更低，維護保養(yǎng)更方便，適用于鐵路檢修站段、工礦企業(yè)、小型貨場等場合的調(diào)車牽引作業(yè)[2]。

傳統(tǒng)的公鐵兩用牽引車大多為內(nèi)燃機驅(qū)動，噪聲大、尾氣重，不適用于封閉的環(huán)境[3]；以電動叉車為基礎(chǔ)改造而來的公鐵兩用牽引車，機械結(jié)構(gòu)設(shè)計不夠合理，控制系統(tǒng)安全可靠性不高[4]；液壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)向，無法實現(xiàn)反饋，難以實現(xiàn)快速準確的轉(zhuǎn)向要求；采用驅(qū)動橋，差速器轉(zhuǎn)向，牽引車機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本偏高[5～7]。

本文設(shè)計的新型公鐵兩用牽引車以電能作為驅(qū)動，噪聲小、無尾氣，節(jié)能環(huán)保能在室內(nèi)、隧道等封閉環(huán)境下工作[8]；使用雙舵輪驅(qū)動轉(zhuǎn)向單元，簡化牽引車的機械結(jié)構(gòu)，提高能量轉(zhuǎn)換效率；液壓系統(tǒng)控制導(dǎo)向輪實現(xiàn)公路模式與鐵路模式的快速轉(zhuǎn)換。引入CAN總線通訊技術(shù)，采用CANopen通訊協(xié)議，以CoDeSys V2.3作為軟件程序開發(fā)環(huán)境，進行控制系統(tǒng)程序設(shè)計。實現(xiàn)牽引車縱向、橫向平移，對角線平移，圓周轉(zhuǎn)向，橡膠輪手動調(diào)直、自動調(diào)直，無級變速，行車途中的自動剎車，橡膠輪調(diào)直和轉(zhuǎn)向角度的準確，保證牽引車自由行走，快速到達指定現(xiàn)場進行調(diào)車牽引作業(yè)。行車途中自動剎車功能，防止溜車危險，確保牽引車作業(yè)安全可靠。整車控制系統(tǒng)穩(wěn)定、準確，提高了牽引車自動化程度，動力性能與適用性能。

1 公鐵兩用牽引車結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 公鐵兩用牽引車結(jié)構(gòu)

公鐵兩用牽引車機械結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括底盤，車架，驅(qū)動轉(zhuǎn)向單元，液壓單元，控制單元。驅(qū)動轉(zhuǎn)向單元由行走電機，減速箱，轉(zhuǎn)向電機，轉(zhuǎn)向直齒輪副，橡膠輪組成。液壓單元由油泵電機，齒輪油泵，電磁換向閥，萬向輪，前導(dǎo)向輪，后導(dǎo)向輪組成?？刂茊卧绍囕d無線接收器，手持無線遙控器組成。牽引車的傳動配置方式為：驅(qū)動輪與轉(zhuǎn)向輪合一，橡膠輪既是驅(qū)動輪也是轉(zhuǎn)向輪。轉(zhuǎn)向方式為：雙舵輪轉(zhuǎn)向方式。

圖1 公鐵兩用牽引車機械結(jié)構(gòu)圖

1.2 公鐵兩用牽引車工作原理

在公路模式下，通過控制車載液壓單元，降下從動萬向輪，使得萬向輪與地面接圖1公鐵兩用牽引車機械結(jié)構(gòu)圖觸，起到支撐作用，同時升起兩側(cè)鐵軌前導(dǎo)向輪、后導(dǎo)向輪，牽引車運動狀態(tài)如圖2所示，(a)～(c)兩側(cè)橡膠輪速度均為V1，(d)兩側(cè)橡膠輪速度V1、V2大小相等，方向相反。(a)兩側(cè)橡膠輪調(diào)直，行走電機驅(qū)動兩側(cè)橡膠輪，牽引車縱向平移。(b)兩側(cè)橡膠輪左轉(zhuǎn)角度小于90°，轉(zhuǎn)向電機驅(qū)動轉(zhuǎn)向直齒輪副，左右兩側(cè)橡膠輪轉(zhuǎn)過相同的方向和角度，行走電機驅(qū)動兩側(cè)的橡膠輪，牽引車對角線平移。(c)兩側(cè)橡膠輪左轉(zhuǎn)到90°，行走電機驅(qū)動兩側(cè)橡膠輪，牽引車左右橫向平移，實現(xiàn)軌道跟換的功能。(d)兩側(cè)橡膠輪調(diào)直,行走電機驅(qū)動兩側(cè)橡膠輪，牽引車原地圓周轉(zhuǎn)向，實現(xiàn)在狹小空間的調(diào)度功能。(b)左右橡膠輪轉(zhuǎn)過一定角度，可以對左右橡膠輪分別手動調(diào)直復(fù)位。

圖2 牽引車運動狀態(tài)圖

在鐵路模式下，通過控制車載液壓系統(tǒng)，升起從動萬向輪，同時降下兩側(cè)的鐵軌前導(dǎo)向輪，后導(dǎo)向輪，使得前后導(dǎo)向輪嵌入軌道，起到導(dǎo)向作用，防止牽引車脫軌。此時兩側(cè)橡膠輪分別自動調(diào)直，完成牽引車在鐵軌上的復(fù)軌。行走電機驅(qū)動兩側(cè)的橡膠輪以相同的速度在鐵軌上運行，此時牽引車的對角線轉(zhuǎn)向，圓周轉(zhuǎn)向功能被鎖定，牽引車只能沿著鐵軌行走，實現(xiàn)牽引功能，最大牽引負載為100噸。

以上兩種模式實現(xiàn)了牽引車縱向平移，橫向平移，對角線平移，圓周轉(zhuǎn)向，橡膠輪的手動調(diào)直復(fù)位，橡膠輪在鐵軌上自動調(diào)直復(fù)軌。保證了牽引車能自由行走，快速到達指定現(xiàn)場進行調(diào)車牽引作業(yè)。

2 公鐵兩用牽引車控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)硬件總體設(shè)計

控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，細線箭頭表示控制信號連接，黑色粗線箭頭表示電氣連接，灰色粗線箭頭表示機械連接。公鐵兩用牽引車控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要包括總控制單元，輔助控制單元，電源控制單元，驅(qū)動單元，液壓輔助單元。

總控制單元實現(xiàn)對整個車載系統(tǒng)的控制。輔助控制單元主要包括手持遙控器，車載接收器，狀態(tài)顯示燈，起到人機交互的功能，實現(xiàn)對牽引車的遠程遙控，使得對牽引車的操作更安全，更方便。電源控制單元主要由蓄電池，蓄電池管理單元組成，為牽引車提供動力，同時對蓄電池起到欠壓保護，對整車控制系統(tǒng)起到低壓保護。驅(qū)動單元主要由左右行走電機，左右轉(zhuǎn)向電機，左右驅(qū)動轉(zhuǎn)向機構(gòu)，左右橡膠輪組成，實現(xiàn)牽引車在公路上的自由行走和鐵路上的牽引。液壓輔助單元主要包括油泵電機，齒輪油泵，電池換向閥，萬向輪，前導(dǎo)向輪，后導(dǎo)向輪，實現(xiàn)牽引車公路模式，鐵路模式的轉(zhuǎn)換，輔助完成牽引車的自由行走和牽引功能。

2.2 控制系統(tǒng)主要硬件選型

1）主控制器:選用專用的車載可編程控制器（PLC），IFM公司的通用系列CR0020可編程控制器。包含兩個CAN通訊接口，支持CANopen、SAE J1939通訊協(xié)議。共40個輸入輸出，支持開關(guān)量、模擬量輸入輸出，脈沖量輸入、PWM輸出、電流控制輸出。

圖3 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

圖4 控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

2）驅(qū)動轉(zhuǎn)向單元：選用KORDEL公司的驅(qū)動轉(zhuǎn)向單元，減速箱行走單元的總傳動比i=22.78，轉(zhuǎn)向單元的總傳動比i=350.27。行走電機，轉(zhuǎn)向電機均為三相交流異步電機，磁極對數(shù)均為p=2。行走電機選用的型號為KM A 132/4-150/3～50V/O，額定電壓50VAC，額定功率5KW，自帶剎車制動器，轉(zhuǎn)向電機選用的型號為KMA 80/4-60/3～50V/O，額定電壓50VAC，額定功率0.4KW。內(nèi)置溫度傳感器，可實現(xiàn)對電機溫度的反饋。

3）行走電機、轉(zhuǎn)向電機驅(qū)動器：均選用ZAPI公司的AC系列驅(qū)動器，行走電機驅(qū)動器型號為ACE2，轉(zhuǎn)向電機驅(qū)動器型號為AC-X。ACE2、AC-X驅(qū)動器都內(nèi)置三相交流異步電機逆變器，CAN通訊接口，速度增量編碼器?？蓪⑿铍姵?0V直流電轉(zhuǎn)換為50V三相交流電，支持CANopen通訊協(xié)議，可實現(xiàn)電機的速度反饋，同時可對電機的加速度進行設(shè)置。

4）絕對值編碼器：選用Baumer公司的多圈總線通訊系列編碼器，型號GXLMS.2205 P 32。一個CAN 總線通訊接口，支持CANopen通訊協(xié)議，單圈分辨率為13位，多圈分辨率為16位，總分辨率為29位。直徑12mm的盲孔安裝在轉(zhuǎn)向電機尾端輸出軸上，實現(xiàn)對橡膠輪轉(zhuǎn)向角度的實時反饋。

3 公鐵兩用牽引車控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)軟件總體設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示?？刂葡到y(tǒng)軟件主要由可編程控制器（PLC），CAN總線模塊，行走模塊，轉(zhuǎn)向調(diào)直模塊，液壓模塊組成。整車各模塊之間通過CAN總線進行通訊，采用CANopen通訊協(xié)議。可編程控制器（PLC）作為CAN總線上的唯一主控制器，左右行走電機驅(qū)動器，左右轉(zhuǎn)向電機驅(qū)動器，左右絕對值編碼器均作為從機，組成主從通訊模型?？删幊炭刂破鳎≒LC）同時控制油泵電機、電磁換向閥。

圖5 控制系統(tǒng)程序流程圖

表1 行走電機和轉(zhuǎn)向電機的理論速度值與實際速度值

表2 左編碼器和右編碼器的理論位置值與實際位置值

3.2 軟件系統(tǒng)的程序設(shè)計

CR0020可編程控制器(PLC)程序流程如圖5所示。IFM公司CR0020可編程控制器(PLC)的程序設(shè)計，以德國3S公司的CoDeSys V2.3作為開發(fā)平臺。CoDeSys支持IEC61131-3標準中的六種編程語言，主要分為兩類：文本語言和圖形語言。文本語言包括指令表(IL)、結(jié)構(gòu)化文本(ST)；圖形語言包括梯形圖(LD)、功能塊圖(FBD)、順序功能圖(SFC)、連續(xù)功能圖(CFC)。CR0020可編程控制器（PLC）程序使用功能塊圖(FBD)和結(jié)構(gòu)化文本(ST)兩種語言相結(jié)合。主程序與各子程序之間形成模塊化的結(jié)構(gòu)，使得整個程序更簡潔，更靈活。

程序初始化，完成可編程控制器(PLC)輸入輸出端口配置，打開手持遙控器面板，頻閃燈開啟，車載喇叭鳴笛5秒，松開剎車制動器，牽引車進入待機模式。初始化CAN總線，設(shè)置CAN總線的傳輸速率為250kbit/s。進入圓周轉(zhuǎn)向模式，牽引車只能進行圓周轉(zhuǎn)向；進入平移行走，對角線轉(zhuǎn)向，調(diào)直，液壓系統(tǒng)開啟模式，牽引車可以平移行走，對角線轉(zhuǎn)向，手動調(diào)直，自動調(diào)直，同時開啟液壓系統(tǒng)。進入對角線轉(zhuǎn)向模式，牽引車橡膠輪只能對角線轉(zhuǎn)向，不能調(diào)直；進入調(diào)直模式，牽引車橡膠輪只能調(diào)直，不能對角線轉(zhuǎn)向。進入橡膠輪手動調(diào)直模式，牽引車橡膠輪只能手動調(diào)直，不能自動調(diào)直；進入橡膠輪自動調(diào)直模式，牽引車橡膠輪只能自動調(diào)直，不能手動調(diào)直。

通過改變?nèi)喈惒诫姍C的輸入頻率，可對行走電機進行無極調(diào)速，因牽引車的特殊的工作環(huán)境，將牽引車的平移速度設(shè)定為兩檔，低檔速度3km/h，高檔速度5km/h。在行車途中，將兩側(cè)的行走電機轉(zhuǎn)速設(shè)定為0，此時左右兩側(cè)橡膠輪停止運行，牽引車自動剎車。左右絕對值編碼器對左右兩側(cè)橡膠輪轉(zhuǎn)向的角度實時反饋，保證兩側(cè)橡膠輪調(diào)直復(fù)位，轉(zhuǎn)向角度的準確。

4 測試結(jié)果分析

牽引車在公路模式空載狀態(tài)下，以低檔速度行走，通過對程序在線登陸運行監(jiān)控，或者利用監(jiān)控軟件EC2112CANmonitor對CAN總線進行監(jiān)控，可得到左右行走電機，左右轉(zhuǎn)向電機的設(shè)定理論速度與實際反饋速度，測試結(jié)果如表1所示，左右絕對值編碼器轉(zhuǎn)向角度的理論設(shè)定值與實際反饋值，測試結(jié)果如表2所示。

從表1中得出，由于三相交流異步電機存在轉(zhuǎn)差率，使得行走電機和轉(zhuǎn)向電機的實際反饋速度比理論設(shè)定速度降低了1.6%，而左右行走電機速度相同，左右轉(zhuǎn)向電機速度相同，保證牽引車左右橡膠輪協(xié)調(diào)一致，實現(xiàn)自由行走。

從表2中得出，由于左右轉(zhuǎn)向機構(gòu)安裝誤差的存在，控制系統(tǒng)本身存在延時滯后誤差，使得左右編碼器理論設(shè)定位置與實際位置存在2°～3°的誤差，但這并不影響牽引車的作業(yè)，左右橡膠輪之間的實際位置誤差在1°左右，保證左右橡膠輪轉(zhuǎn)向角度的一致，滿足牽引車自由行走和牽引功能的要求。

5 結(jié)論

完成了電動公鐵兩用牽引車控制系統(tǒng)的硬件平臺搭建，利用CAN總線技術(shù)，運用CANopen協(xié)議，以CoDeSys V2.3為開發(fā)平臺，完成了軟件程序的設(shè)計以及整車控制系統(tǒng)的調(diào)試。牽引車實現(xiàn)了縱向平移，橫向平移，對角線平移，圓周轉(zhuǎn)向，橡膠輪手動調(diào)直、自動調(diào)直，無級變速，行車途中自動剎車，橡膠輪調(diào)直和轉(zhuǎn)向角度的準確，最終實現(xiàn)了牽引車自由行走和牽引功能。電動公鐵兩用牽引車控制系統(tǒng)安全可靠，操作方便，達到了預(yù)期的效果。

[1]倪志偉,鄭松林,杜月鑫.陸軌兩用車設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)研究[J].機械制造,2007,45(516):15-17.

[2]侯廣慧.GQ045型公鐵兩用牽引車液壓傳動及控制設(shè)計[J].液壓與氣動,2014,(4):25-27.

[3]朱詩順,陳虹睿,朱道偉,駱素君.混合動力公鐵牽引車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配與整車性能仿真[J].四川兵工學報,2014,35(8):86-89.

[4]段曉,郭明果,時洪光.一種公鐵兩用軌道牽引車方案的設(shè)計[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2011,24(1):208-209.

[5]余小波,左永博.新型蓄電池公鐵兩用車概述[J].裝備制造技術(shù),2013,(4):129-130.

[6]韓曉峰.鐵路公路兩用牽引車電子差速器設(shè)計研究[J].電子測試,2013,(3):42-45.

[7]李勇,毛永文,張寶霞.LGTD200Y型公鐵兩用電動牽引車轉(zhuǎn)向控制策略[J].2014,33(4):155-159.

[8]裴磊.純電動公鐵兩用牽引車整車控制系統(tǒng)研制[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2010:4-7.