GMC16A型鋼軌打磨列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)研究

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)絡控制系統(tǒng)的硬件布置和軟件設計功能。最后對現(xiàn)車控制系統(tǒng)運用情況進行總結。

關鍵詞：鋼軌打磨列車;網(wǎng)絡控制系統(tǒng);GMC16A型

中圖分類號：U216.65? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ?文章編號：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，原鐵道部通過技術引進與合作生產(chǎn)的形式引進了兩種96磨頭鋼軌打磨車，RR96M和RMS96。瑞士SPENO公司的RR96M的國內型號定為GMC-96B，由中車北京二七機車有限公司（下稱“二七公司”）引進生產(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型打磨列車的技術基礎上，于2013年自主設計制造的地鐵短編組16磨頭打磨列車，兼具正線和道岔打磨功能。作為最早實現(xiàn)完全國產(chǎn)化設計生產(chǎn)的打磨列車之一，該車結構緊湊，功能全面，其網(wǎng)絡控制系統(tǒng)具有很強的代表性。

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8頭打磨小車。兩節(jié)車結構基本成中心對稱、功能相同。

本車網(wǎng)絡控制系統(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。牽引和作業(yè)系統(tǒng)相對獨立的形式，能夠有效降低系統(tǒng)設計難度，提高系統(tǒng)安全性。全車網(wǎng)絡拓撲如圖2所示。

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

2.1 牽引控制系統(tǒng)構成

牽引控制系統(tǒng)安裝于司機室牽引控制B柜，并通過總線中繼器采集打磨控制D柜中的遠程IO模塊信號。

牽引控制主機是整個控制系統(tǒng)的核心，主要組成包括1臺CPU基本單元，1臺觸摸屏，1個 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)動機控制器和行車恒速控制器通訊，負責采集發(fā)動機運行狀態(tài)并對作業(yè)工況下列車走行低恒速進行控制。總線中繼模塊的與總線接收模塊組合使用，采集和控制接入遠程PLC的功能模塊數(shù)據(jù)。遠程PLC功能模塊安裝在D柜，用于采集和控制距司機室較遠的IO功能模塊。

2.2 打磨作業(yè)控制系統(tǒng)構成

作業(yè)控制系統(tǒng)包括1套控制系統(tǒng)主機和1套控制系統(tǒng)從機，分別安裝于司機室打磨控制A柜和遠端打磨控制D柜，通過以太網(wǎng)交換機進行通訊，共同構成打磨作業(yè)控制系統(tǒng)。

打磨作業(yè)控制主機安裝在A柜，包括1臺CPU基本單元，1臺觸摸屏和若干IO模塊。打磨作業(yè)控制從機安裝在D柜，包括1臺CPU基本單元，1個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)氣動閥島建立通訊，對打磨作業(yè)氣動機構進行控制。

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總線進行了硬件形式上的連接。但事實上，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現(xiàn)的，例如方向、控權、工況、以及緊急狀態(tài)信號等。在CAN通訊網(wǎng)絡中，牽引控制系統(tǒng)為作業(yè)控制屏提供了一個有關發(fā)電機運行參數(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，這種設計理念如今看來相對保守，有一定的局限性。

3 系統(tǒng)軟件功能分析

網(wǎng)絡控制系統(tǒng)主要有基本邏輯控制、開環(huán)控制、動態(tài)閉環(huán)控制、數(shù)據(jù)記錄與處理、安全連鎖、報警機制、通訊管理以及信息維護等軟件功能構成。其中邏輯控制是系統(tǒng)主體，動態(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)繼電器實現(xiàn)控制功能。因此直到現(xiàn)

在，列車的功能需求大多是對開關信號的控制，開關信號控制通過基本邏輯控制實現(xiàn)。這部分功能可以概括為：（1）控權轉換：系統(tǒng)操作控制權為本車控制或它車控制。本車控制時，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）工況轉換：在行車系統(tǒng)中選擇作業(yè)工況與運行工況。運行工況下，列車高速運行，自運行最高速度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)同低恒速控制器對作業(yè)車速進行高精度控制，速度表顯示范圍變?yōu)?-20km/h。（3）送電及負載控制：發(fā)電機組啟動后，當主電路輸出電壓與頻率在合理范圍內時，系統(tǒng)允許用戶通過屏幕控制接入負載。（4）作業(yè)預置：作業(yè)工況狀態(tài)下，系統(tǒng)開始實時檢測作業(yè)裝置各部件運行狀態(tài)信息，當滿足作業(yè)條件時可手動選擇作業(yè)預置功能。該功能啟動后系統(tǒng)通過采集各行程開關信號以及發(fā)送各油缸電磁閥開關信號，依序自動完成打磨小車解鎖、下降、置于作業(yè)位等一系列動作，簡化用戶操作流程。（5）仿真模式：為滿足在車輛靜態(tài)調試以及檢修需求，系統(tǒng)設置專門的仿真模式。該模式用于列車無車速條件下，在車上控制屏對打磨小車的各個油缸、氣缸和打磨電機角度偏轉、升降進行動作試驗。出于安全考慮，該模式下禁止打磨電機啟動。（6）正線打磨模式：該模式區(qū)別于操作相對復雜的道岔打磨模式，是作業(yè)工況下的缺省狀態(tài)?！白鳂I(yè)預置”完成后，直接手動設定或選擇相應的打磨電機角度編組，即可開始進行正線打磨作業(yè)。（7）道岔打磨模式：“作業(yè)預置”完成之后，如要進行道岔打磨作業(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定的數(shù)據(jù)相對較多，如作業(yè)前設定橫移機構工作方式、作業(yè)過程中手動選擇道岔區(qū)域各點等。（8）牽引預置：與作業(yè)預置相對應。打磨作業(yè)完畢后，啟動牽引預置功能，系統(tǒng)如可依序自動執(zhí)行打磨小車上升、置于作業(yè)位、鎖緊等動作。進而完成收車，以進行牽引操作。（9）外部控制盒動作控制：打磨列車外部控制盒可以控制打磨小車、電機、各油缸的基本常用動作，外部控權鎖定時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，一個任務是列車數(shù)據(jù)管理方面一般要求記錄部分行車必要信息，如記錄運行里程和柴油機運行時間。

另一個重要任務是在進行作業(yè)時實現(xiàn)打磨電機定點下降和提升功能。定點下降指打磨列車開始工作時，將首兩臺電機下降到軌面作業(yè)的點記為作業(yè)起始點，通過進一步數(shù)據(jù)處理與動作控制，力求整車所有打磨電機在該點完成下降到軌面的動作進行打磨作業(yè)。同理，定點提升是指在作業(yè)完成同時，整車打磨電機能夠于同一作業(yè)終止點執(zhí)行提升動作。一次打磨作業(yè)執(zhí)行完畢后，系統(tǒng)同時計算得出此次打磨作業(yè)里程并累加記錄。

簡單的說，作業(yè)起始點和終止點的記錄是通過對開關信號的記錄和列車實際速度的實時檢測計算處理得出。但這種數(shù)據(jù)粗算的精度很差，想要將起落點誤差縮小到相對理想的范圍，在程序設計中要結合考慮的外部因素還有很多。如不同打磨電機、不同角度設置的下降時間，搖籃框不同角度偏轉的時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)點誤差不高于2m，道岔作業(yè)誤差應不高于0.5m。這就說明，打磨電機定點下降和提升是一個控制精度要求相對較高的過程，這也是衡量打磨列車作業(yè)質量的一條重要標準。

3.3 開環(huán)控制

網(wǎng)絡控制系統(tǒng)負責列車運行速度設定與給出，即對走行液壓系統(tǒng)輸出速度預設值信號。這是個開環(huán)控制過程。

高速運行工況下，系統(tǒng)采集司控器方向和速度設定信號，并在列車啟動條件滿足時，轉發(fā)速度設定信號給走行液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)相關閥組會根據(jù)電信號自適應調節(jié)液壓泵和馬達的對應排量，實現(xiàn)車速控制。這過程中的自適應調節(jié)主要由液壓系統(tǒng)實現(xiàn)。

打磨作業(yè)工況下，列車必須實現(xiàn)±0.5km/h的高精度列車速度控制，液壓系統(tǒng)調節(jié)速度和精度都難以滿足。本車在網(wǎng)絡控制系統(tǒng)以外單獨設置了對液壓系統(tǒng)的閉環(huán)控制器，即“恒速控制器”，負責提高對液壓系統(tǒng)排量控制精度和靈敏度。

3.4 動態(tài)閉環(huán)控制

打磨過程中的電機下壓壓力控制通過開環(huán)控制和閉環(huán)調節(jié)控制相結合的方式實現(xiàn)，以動態(tài)閉環(huán)控制為主。目前國內的控制算法都基于恒功率PID控制方式。

打磨電機的作業(yè)壓力通過三個量控制，電機重力在垂直方向的分量G'，設定工作壓F+和設定背壓F-，他們之間的關系是F=F+-（F-+G'）。作業(yè)閉環(huán)調節(jié)過程中，設定背壓F-和G'為固定值，主要動態(tài)改變F+的輸出值。工作原理是：首先輸出預設工作壓控制電流值，對應輸出打磨電機工作壓F+。即時采集打磨電機工作時的電機反饋電流，根據(jù)打磨電機實際電流反饋值與電流設定值，得出誤差值并進行調節(jié)，經(jīng)過CPU處理并實時改變工作壓控制電流值，實現(xiàn)對F+的動態(tài)調節(jié)。

打磨下壓力控制是打磨列車控制的核心重點和難點，因為機構作業(yè)環(huán)境相對惡劣，影響作業(yè)效果的因素多且復雜，設計控制要素也很難概括和總結。一般通過公式計算得到PID控制算法的參考參數(shù)或初值，在車輛實際調試和運用中再通過大量試驗和測試中得到動態(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，所設計的動態(tài)閉環(huán)控制方案也不同。

3.5 安全連鎖與報警

安全連鎖功能的設計一般是與邏輯控制功能設計同時進行的，其目的是當機械機構和部件運行狀態(tài)出現(xiàn)異常時，控制屏與蜂鳴器發(fā)出報警，并禁止對應具有安全隱患的車輛控制功能執(zhí)行。避免車輛故障擴大，影響行車及作業(yè)安全。

GMC16A型鋼軌打磨車共設置4個等級的報警，可以讓操作者對全車狀態(tài)有整體把握。

（1）警告級報警主要起到提示、警示作用，并不會引起安全連鎖或執(zhí)行任何動作。一般有控權錯誤，膨脹水箱液位偏低等等。（2）連鎖級報警能夠引起安全連鎖，會執(zhí)行相應的卸載動作或切斷使能。如供電系統(tǒng)異常，此時系統(tǒng)限制相關用電器加載。（3）停車級報警出現(xiàn)在行車安全相關的機構運行異常時，此時列車牽引控制功能卸載并禁止加載，同時施加制動使列車安全停車。如走行馬達轉速異常、液壓壓力異常等。（4）停機級報警在系統(tǒng)中故障等級最高，此時發(fā)動機強制卸載并禁止加載，并施加急停。故障原因包括滅火啟動，柴油機水溫、進氣溫度異常等，一般是嚴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現(xiàn)兩種功能：一是全車網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)轉發(fā)和CAN通訊單元數(shù)據(jù)處理;其二主要是單車運行模式。

單車模式是列車應急功能的一種。當兩車通訊出現(xiàn)故障，或單節(jié)車出現(xiàn)故障時，需要另一車單車單獨運行完成作業(yè)或駛離作業(yè)區(qū)間。此時，取得控權車設置為單車模式，不處理它車除車齒箱外的運行狀態(tài)信息，僅依靠控權車的動力和控制系統(tǒng)實現(xiàn)列車運行或作業(yè)。

3.7 信息維護功能

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

4 結束語

GMC16A型鋼軌打磨列車在實際作業(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)絡控制系統(tǒng)硬件設計經(jīng)典，軟件功能完備，對國產(chǎn)化網(wǎng)絡控制系統(tǒng)設計開發(fā)具有很強的借鑒意義。

參考文獻：

[1]陳留金，苗素云.GMC96_B型鋼軌打磨列車動力車電氣系統(tǒng)開發(fā)研制[J].裝備制造技術，2016（11）：122-124.

[2]王坤.地鐵鋼軌打磨列車道岔打磨控制系統(tǒng)自主化研制[J].軌道交通裝備與技術，2016（05）：28-30.