现场总线控制系统应用在柴油机试验站

1引言 
    为确保性能可靠，铁路内燃机车用柴油机每次大修后需进入柴油机试验站进行台架试验，经验收合格后方可装车运行。实现柴油机台架试验自动控制的主要困难是：一、程序复杂，步骤繁多，逻辑关系复杂，各种条件相互关联；二、所测参数种类众多，整个试验过程需检测温度参数33种，压力参数51种，转速3种，电流4种，电压4种，流量2种，共计97种，报警种类82种；三、现场环境恶劣，高温潮湿，主发电机等其它各种电机的电磁干扰强（zui高电压770V，zui大电流4800A），机械震动大，这些都对控制设备的抗干扰性和可靠性提出了较高要求。
    基于这种情况，并结合锦州机务段的实际情况，我们开发了一种基于现场总线控制系统结构SHCAN2000的柴油机试验站自动测试系统，解决了上述问题，并通过FIX组态软件实现了以下几项基本功能：①、自动控制试验过程；自动采集全部数据，并对采集到的数据进行管理；自动进行故障报警，对报警记录进行保存；②、开通网络接口，接入企业内部局域网；③、根据现场提供的基本性能参数和所采集数据，对试验柴油机进行质量评定；④、根据故障报警所示信息，进行初步的自诊断，以方便查找故障处所。
    2系统体系结构
    2.1柴油机试验站结构
    锦州机务段16V240ZJ型柴油机试验站主要由柴油机、11个各种电机及其它控制设备组成（如图1所示），采用“SHCAN2000型现场控制系统”

    2．2SHCAN2000分布式控制系统
    （1）SHCAN2000的硬件体系 
    本系统控制部分采用现场总线控制系统，对大修柴油机的运行性能进行监测，由于采用FCS进行监控，与以往测试方案相比，其突出特点为高可靠性和方便的扩充能力\。 
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    系统配置2套工业PC机同时监测试验柴油机的全部运行参数及设备的运转状况，每台上位机都可以独立地构成整个系统的监控操作站，且互不干扰，不分主次、三重冗余，互为热备份。若用户对于生产、管理方面提出新的要求需对上位机系统进行扩充，只需拉一根双绞线即可实现，对系统原配置无需任何改动，从而满足了建立全厂控制一管理一体化的需要。
    SHCAN2000型系统的总线通信标准采用CAN2．0B。CAN总线的短桢结构、CRC校验以及错误节点自动关闭功能，保证了信号传输的可靠性，具有较强的抗*力。在柴油机试验站现场高温、油水和强电磁干扰下，从未出现通信故障，证明了CAN总线通信的高可靠性。
    （2）SHCAN2000的软件体系
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    SHCAN2000系统选用美国Inlution公司的汉化FIX DMACS作为组态软件完成人机界面（MMI）和数据的操作管理，软件操作平台采用Windows 2000，通过自行开发的网卡和I／O驱动程序（SHCANIO）实现FIX与SHCAN智能测控组件的连接，从而形成功能强大的系统。
    SHCAN2000系统中的软件包括两大部分：
    ①运行在监控站PC上的FIX DMACS、I／O驱动、SHCAN2000下载与调试程序（SHCANCFG）。
    ②运行在SHCAN智能测控组件中的SHCAN组态软件部分。SHCAN2000软件结构如图3所示：

    3系统功能实现
    3.1归纳数学模型
    本柴油机测控系统能够自动完成16V240ZJB/C型柴油机的全部出厂试验。整个试验共包括三类工况：①、磨合试验工况（包括19种试验工况）；②、调整检查试验工况（包括13种试验工况）；③验收试验工况（包括13种试验工况）。整个试验流程复杂，项目繁多，每种工况又包括多个小项，需控制的开关量众多，zui多达30多个。累计试验65小时。面对如此复杂的试验流程，为了清晰地描述柴油机试验的控制过程，我们首先归纳出系统的数学模型。

    柴油机试验流程的控制包含开关量的逻辑控制和柴油机转速的闭环调节，两者紧密结合，各工况的切换主要以计时为基准同时又要兼顾不同级别的82种报警而采取不同的应急措施。为了清楚地分析柴油机试验过程中不同状态下的控制内容，我们将柴油机试验按控制逻辑分解成若干步骤，依试验项目不同，步骤数目也不同。限于篇幅，只列出调整试验部分流程表格。
    通过以上流程图，我们分析试验流程中的控制关系。一方面，在不同的试验项目以及每一个试验项目的不同试验步骤，每个开关都具备一个确定的状态逻辑，柴油机功率的调节内容也由相应的试验步骤决定；另一方面，每一个试验步骤的切换逻辑由32个线路开关的状态逻辑和柴油机工作状态标志位决定。这样开关、步骤之间相互制约，建立起逻辑上的互锁关系，试验流程的开关量部分的框架就这样建立起来了。模拟量调节内容依据试验步骤标志，由分支程序选择不同的闭环调节。当被控量达到给定值时，会产生标志位，满足步骤切换逻辑，试验进行下一步。这样试验流程就会依次自动进行下去。由于所测柴油机型号不同，切换的条件和报警值不同，因此每次试验开始前，都要进行柴油机型号、增压器型号、测速电机型号的选择。若遇特殊情况，可随时切换到总手动进行人工干预。步骤逻辑和工况切换条件的数学表达式可以概括如下（其中Step（N）代表第N种试验工况，Step（M）代表某种工况的第M步骤，Step（M,N）代表M工况下第N步，work代表手动或自动模式，Type代表柴油机型号）。

    在这里工况的切换主要以计时为主，辅以各开关量和报警级别来实现。它们不分主次，相辅相成，试验步骤与开关“互锁”，并且步骤逻辑自身可以“自锁”。这种按步骤归纳逻辑关系的方法能够把开关量连锁控制与模拟量调节结合起来。在工业生产现场大量存在一种控制方式，包含开关量逻辑控制和模拟量闭环调节，二者要求同样严格，不分主次。
    3．2现场总线条件下系统功能实现
    柴油机试验过程中，各设备关系紧密，需要共同配合完成试验流程，试验台的控制必须兼顾各个设备，作为一个整体进行控制。而控制分散在现场，所以各个测控单元的信息必须是开放的、可以与其他单元共享。CAN总线的多主性通信方式使网络上节点之间可自由通信。SHCAN2000现场总线控制系统中提供了CAN总线网络和现场智能测控单元构成的分布式实时数据库，实现了自由、开放的通信方式，使得系统内任何单元的测控数据和设备状态，对于其他单元都是可见的，从而使试验台的整体控制成为可能。依据现场功能的不同方面，SHCAN2000现场控制单元可按以下组态方案实现：
    （1）通信功能
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    通信包括现场与上位机的通信、现场单元之间的通信。为了实现控制信息共享，在现场单元分布式实时数据库中，每个设备的控制信息都通过CAN总线同地址映射到相同地址单元，实现了zui大范围的信息共享。例如，需要访问柴油机功率是否达到给定值标志位，各控制单元只需访问本地数据库的S17N10单元即可。现场单元与上位机以及现场各个单元之间的通信由模块实现,且有分频器模块控制通信速率，使CAN网络不致阻塞。
    （2）控制功能实现
    控制功能包括开关量控制、工作点调节和流程的控制。开关量控制通过开关量运算模块，实现步骤切换逻辑运算和开关状态逻辑运算。柴油机转速的控制采用闭环控制，并设置前馈控制，以达到控制转速的目的，减少中间继电器的动作频次，延长使用周期；同时还可根据需要进行人工干预。在试验进行中，根据检测到的油水温和设定的上下限报警值，自动调节三个热交换器阀门的开度，使柴油机工作在正常的油水温下。
    3．3上位机监控管理软件
    上位机的监控管理软件采用美国Inlution公司Fix6．15,实现系统的监控和管理。监控界面由模拟试验线路、虚拟仪表和操作按钮组成。试验员可以通过模拟试验线路观察电路开关状态；试验主画面显示当前所属工况、进程、主要的监视参数、各开关状态、各种按钮及所发生的报警；温度总览画面显示全部的温度参数；压力总览画面显示全部压力参数，其它总览画面显示电流、电压、流量、转速等参数，不同画面间通过虚拟按钮可任意切换。FIX与现场的数据交换由自行开发的I／O驱动程序——现场测控单元的通信模块来完成现场实时数据的“上传”和上位机组态数据、控制命令的“下达”。柴油机发电机组的温度、压力、电压、电流、转速的超限保护动作由现场智能测控模块完成，一旦发生报警，在发出灯光和声音报警信号的同时，自动采取相应的应急措施并自动弹出对话框，提示相应的检查项目，同时上位机保留这些报警事件的历史纪录（发生时间，超标准限值，操作者等），以备查询、参考。本系统中不同的操作权限具有不同口令保护，使试验操作员和系统工程师权限不同，各司其职，消除由操作员误操作带来的对系统组态功能的破坏。作为试验的zui终结果，试验报表系统是由FIX组态软件调用Microsoft Office Excel电子表格软件自动生成报表，同时长期保留整个试验过程历史数据库。
    4结束语
    本文提出的柴油机试验台现场总线系统已在沈阳*锦州机务段得到了成功的应用。实践证明，现场总线控制系统对于柴油机试验台这样典型的强实时控制项目具有工作可靠、控制精度高、设计灵活、功能完备等优点，有良好的借鉴作用和推广应用价值。