1 引言

目前，我國(guó)鐵路大部分廠、段的電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)，主要采用手工操作控制試驗(yàn)、人工讀表記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)；自動(dòng)化程度比較低。這種手工試驗(yàn)存在明顯的缺陷：工作效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度比較大，試驗(yàn)精度不高，而且試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性往往受到人為因素的影響。隨著牽引電機(jī)試驗(yàn)要求的提高，現(xiàn)有的試驗(yàn)臺(tái)人工控制已不能滿足要求了，迫切需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和計(jì)算機(jī)管理。

實(shí)現(xiàn)牽引電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)控制的主要困難是：(1)電機(jī)試驗(yàn)流程復(fù)雜，步驟繁多，邏輯關(guān)系歸納困難；(2)牽引電機(jī)試驗(yàn)狀態(tài)多變，在不同試驗(yàn)狀態(tài)下控制參數(shù)不同，難以達(dá)到理想的控制效果；(3)牽引電機(jī)和試驗(yàn)電源是高電壓、大電流設(shè)備，電磁干擾強(qiáng)，機(jī)械震動(dòng)大，對(duì)控制設(shè)備的抗干擾性和可靠性要求較高。

基于這種情況，我們?cè)O(shè)計(jì)采用基于現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)SHCAN2000的電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，解決了以上問題，可以自動(dòng)完成牽引電機(jī)的全部檢查試驗(yàn)。實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)流程的自動(dòng)控制、自動(dòng)完成；試驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和自動(dòng)記錄；安全報(bào)警、自動(dòng)保護(hù)和歷史記錄；試驗(yàn)報(bào)表的自動(dòng)生成和管理等。

2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

2.1 牽引電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)線路

試驗(yàn)臺(tái)線路如圖1所示。

其中，試驗(yàn)線路開關(guān)(約30個(gè))的組合決定不同試驗(yàn)項(xiàng)目和不同試驗(yàn)方式。在試驗(yàn)過程中，若要根據(jù)不同試驗(yàn)項(xiàng)目、不同步驟控制開關(guān)的動(dòng)作。試驗(yàn)累計(jì)500步左右，相應(yīng)開關(guān)組合也有500個(gè)狀態(tài)。

線路機(jī)、升壓機(jī)是由可控硅整流實(shí)現(xiàn)的可控電壓源、電流源。由控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)單元的動(dòng)態(tài)輸出作為線路機(jī)和升壓機(jī)的給定，可控硅觸發(fā)電路閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出，控制牽引電機(jī)的工作點(diǎn)(電壓、電流、轉(zhuǎn)速)。削磁機(jī)是由IGBT實(shí)現(xiàn)的恒流源，當(dāng)削磁電路投入時(shí)，會(huì)自動(dòng)跟蹤被試電機(jī)電樞電流，控制主磁極電流保持在一個(gè)固定的削磁率上。

2.2 SHCAN2000分布式控制系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)是信息數(shù)字化、控制分散化、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一全開放的新一代工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，它有控制精度高、系統(tǒng)可靠性強(qiáng)、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。其中控制徹底分散是現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)具有的突出特點(diǎn)，它給用戶帶來的實(shí)質(zhì)優(yōu)點(diǎn)是：由高度智能的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備來分散地完成DCS控制器的功能，弱化甚至省去了集中控制器的層次，降低了設(shè)備和布線費(fèi)用，使控制風(fēng)險(xiǎn)徹底分散，提高系統(tǒng)控制的自治性和可靠性。

本系統(tǒng)控制部分結(jié)構(gòu)如圖2所示。

我們?cè)O(shè)計(jì)并采用的SHCAN2000分布式控制系統(tǒng)采用三層體系結(jié)構(gòu)，即操作站——CAN總結(jié)網(wǎng)絡(luò)(雙絞線)——現(xiàn)場(chǎng)智能測(cè)控單元。操作站由工業(yè)PC機(jī)加網(wǎng)卡組成；網(wǎng)卡的功能是完成RS-232C與CAN總線之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)工業(yè)PC機(jī)與CAN總線的連接。操作站采用Windows2000操作系統(tǒng)，工控軟件采用美國(guó)Intellution公司的FIX6-15，建立友好的人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控和管理功能。

SHCAN2000型系統(tǒng)的總線通信標(biāo)準(zhǔn)采用CAN2.0B。CAN總線的短楨結(jié)構(gòu)、CRC校驗(yàn)以及錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)自動(dòng)關(guān)閉功能，保證了信號(hào)傳輸?shù)目煽啃裕哂休^強(qiáng)的抗干擾能力。在電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)電磁干擾下，從未出現(xiàn)通信故障，證明了CAN總線通信的高可靠性。

在SHCAN2000控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)智能測(cè)控單元作為控制系統(tǒng)的核心，完成全部控制功能；通過CAN總線實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的信息共享，以及現(xiàn)場(chǎng)和上位機(jī)之間的通信，包括控制信息、設(shè)備狀態(tài)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳送。完全由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控單元實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)試驗(yàn)流程的全部控制，是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的一個(gè)難點(diǎn)。

SHCAN2000現(xiàn)場(chǎng)智能測(cè)控單元采用了由實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)、實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件、任務(wù)級(jí)組態(tài)軟件、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成的現(xiàn)場(chǎng)智能測(cè)控儀表軟件組件集成技術(shù)[2]。并開發(fā)了下載與調(diào)試程序，支持在線組態(tài)和模擬調(diào)試，大大方便了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試。

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

本電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)能夠自動(dòng)完成ZD-106、ZD-109、QDR-410型號(hào)牽引電機(jī)的全部出廠試驗(yàn)和部分型式試驗(yàn)。下面結(jié)合試驗(yàn)流程特點(diǎn)，按系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的過程來進(jìn)行介紹。

3.1 系統(tǒng)模型分析

試驗(yàn)項(xiàng)目繁多，流程復(fù)雜。根據(jù)我們分析，每一個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目的步驟從五步到二十步不等，有的試驗(yàn)項(xiàng)目還有不同試驗(yàn)方式，累計(jì)試驗(yàn)步驟近五百步。面對(duì)如此復(fù)雜的試驗(yàn)流程，為了清晰地描述電機(jī)試驗(yàn)的控制過程，首先要?dú)w納出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。

牽引電機(jī)試驗(yàn)流程的控制包含開關(guān)量的邏輯控制和電機(jī)工作點(diǎn)的閉環(huán)調(diào)節(jié)，兩者緊密結(jié)合。為了清楚地分析電機(jī)試驗(yàn)過程中不同狀態(tài)下的控制內(nèi)容，我們將電機(jī)試驗(yàn)按控制邏輯分成了若干步驟，依試驗(yàn)項(xiàng)目不同，步驟數(shù)目也不同，最多的試驗(yàn)項(xiàng)目(換向試驗(yàn)達(dá)20步之多。限于篇幅，只列出速度特性試驗(yàn)(M1正轉(zhuǎn)、滿磁場(chǎng))部分流程表格。

分析試驗(yàn)流程中的控制關(guān)系。一方面，在不同的試驗(yàn)項(xiàng)目以及每一個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目的不同試驗(yàn)步驟，每個(gè)開關(guān)都具備一個(gè)確定的狀態(tài)邏輯，電機(jī)工作點(diǎn)的調(diào)節(jié)內(nèi)容也由試驗(yàn)步驟的狀態(tài)決定；另一方面，每一個(gè)試驗(yàn)步驟的切換邏輯由二十個(gè)線路開關(guān)的狀態(tài)邏輯和電機(jī)工作狀態(tài)標(biāo)志運(yùn)算決定。這樣，開關(guān)、步驟之間相互制約，建立起邏輯上的互鎖關(guān)系，試驗(yàn)流程的開關(guān)量部分的框架就這樣建立起來了。模擬量調(diào)節(jié)內(nèi)容依據(jù)試驗(yàn)步驟標(biāo)志，由分支程序選擇不同的閉環(huán)調(diào)節(jié)。當(dāng)被控量達(dá)到給定值時(shí)，會(huì)產(chǎn)生標(biāo)志位，滿足步驟切換邏輯，試驗(yàn)進(jìn)行下一步。這樣試驗(yàn)流程就會(huì)依次自動(dòng)進(jìn)行下去。試驗(yàn)步驟、線路開關(guān)、模擬量調(diào)節(jié)三者關(guān)系可以概括為：試驗(yàn)步驟決定線路開關(guān)的狀態(tài)和模擬量調(diào)節(jié)內(nèi)容，線路開關(guān)的狀態(tài)和模擬量標(biāo)志位又是試驗(yàn)步驟切換的邏輯條件。如下圖示。

步驟邏輯和開關(guān)邏輯的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以概括如下(其中Step(N)代表試驗(yàn)第N步，K代表開關(guān)，Logic代表組合邏輯，Ex代表試驗(yàn)項(xiàng)目，F(xiàn)lag代表各個(gè)試驗(yàn)狀態(tài)標(biāo)志)：

其中，“步驟切換條件”是由線路開關(guān)、電機(jī)工作標(biāo)志位的組合邏輯構(gòu)成。由此，試驗(yàn)步驟與開關(guān)構(gòu)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)系的方法能夠把開關(guān)量連鎖控制與模擬量調(diào)節(jié)結(jié)合起來。在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)大量存在一種控制方式，包含開關(guān)量邏輯控制和模擬量閉環(huán)調(diào)節(jié)，二者要求同樣嚴(yán)格，不分主次(例如化工行業(yè)化學(xué)反應(yīng)過程的控制等)。對(duì)于這樣流程的控制，這種處理方法具有一定的普遍意義[4]。