（机械电子工程专业论文）基于devicenet的编组站峰尾停车系统.pdfVIP

西南交通大学硕士研究嫩学位论文 第1 顾 摘要 近年来，随着铁路运输向着快捷、安全及赢效的方向发展，对铁路编组 骛莪峰份犍羲叁动镬二粒安全毽提熬了更裹的要求。嫠菇骢蜂痒、监的重要缀藏 部分一一蜂尾制动装爨也越来越受到人们的关注。国内外许多单位对编组站 峰尾停车器进行了大嫩的研究，栩继研制出并投入使用了液压、气动、电驱 动的各种峰尾停车器。但总的来说，停车器控制系统功能较弱，可靠性嫠， 系统维护藿丈，爨蠢诲多缡缀站耀惩终翌采取入工萋铁鞋方式遘嚣鬃秘，雩# 业安全能蓉、生产效率低，严重影响了驼峰编组作业自动化程度的提商。 本论文结合我校研制的电驱动峰尾停车嚣和自动上鞋机构的特点，利用 可编程逻辑控制器( p l c ) 和设备网( d e v i c e n e t ) 现场总线建立峰尾停车器 控裁系统。d e 访e 硪蔽溺络圭、献节蠡均采燕0 m 襄o np 乙c ，酸节焘p 纛c 采 用模块化设计，每个从节点可控制数条股道的停车作业，主节点则控制攫个 网络上的从节点。p l c 和传感器等元件组成的测控网络对股道上停车器和自 动上鞋槐橡工作状态鄹部件性能滋行检测与控制，实现股滋停车作业的鸯动 控裁。零系统还吴裔率辆运行盛鬣虢溅，终鼗器常摄警j 穰敬簿翔颧窥楚淫等 功能。根据驼蜂编组站现场作业的状况，主节点设有远程通信接口，既可在 峰尾防溜室操作停车系统，也可邋过远程通信网络由驼峰信号楼计算机远程 控制整个箨车系统。 本系统采用d e v i c e n e t 现场总线和p l c 像为现场控制缀实现峰滗域场底 层控制，驼峰计算机作为管理级实现远程控制及信息管理，从而构成个典 型的机电一体化自动控制系统，对提高铁路编组站驼峰作般的自动化水平具 有觋实塞义。 关键词：编组站：驼峰；停车器；现场总线；可编程逻辑按制器 西瘴交遴大学疆礤突生学佼论文 繁珏委 a bs t r a c t 王nr e c e 琏ty e 料s ，t h er a i l a g ed e v e l o p st o w a f d sf a s t e r ，s a f c ra n dm o r ee 撩e i e n t ， 越垂e ff e 鞋i f o 辙e 鞋t s 曳r 瓢 o m 嚣t l o n 毫鞋莲s o e 疆r i y 魏a s 等e e 薤s 敷。毽魄e 囊u 搬p m a r s h a l l i n gy a r dp r o c e s s 1 畦o r oa 壮e n t i o nh a sb e e 珏t a k e no nt h eb r a k ed e v i c eu s e d i nt a i lo fh u m p l o t so fr e s e a r c hh a sb e e nd o n ef b rt h ec a r s t o p p e rw h i c hu s e di n t h et a i lo ft h eh u m p m a r s h a l l i n gy a r db yi n s t i t u t e so fi n _ c o u n t r yo ra b r o a d m a n y k i n d so fc a r s t o p p e rh a v eb e e ni n v i t e da n da p p l i e d ，s u c ha sh y d r a u l i cp r e s s u r e d 蠢v es t y l 岛p n e u m 鑫t o s p h e r e ms t y l ea n d 。l e e 童r o 珏i ed f i v es t 毋e 。g e n e r a l l y8 p o a k i n 岛 氇ec o 珏t 绱li 嚣s 蛀l l 速鑫l e wl 拳v e l & r 矗sl o w 文旋i l i t y 鑫蕺dh i 露巍e 琏毽e 辩y m a i n t e n a n c e s o m e t i m e st h e “i f o ns h o e “i sn e e d e d ，w h i c hm u s tb em a n i p u l a t e d b yt h ew o r k e r 8 i ti st o od a n g e r o u 8a n di n e f n c i e n tt oa d o p tt h i sm e t h o d a l lo ft h i s h a sb e c o m ea no b s t a c l et ot h 0a d v a n c e m e n to ft h eh u m pm a r s h a l i i n gy a r d a u t o m a t i z a t i o np r o c e s s i n 斑i s 魄e s i s ，斑ec a rs 稔p p 嚣r 撞t f o ls 筘 e 擞i $ m a d eu po fb y 魄op l ea n d t h e 磊e l d b u so d e v i e e n e b 8 s e 纛o n 魄ec h 甜a c l e 瓣s t i co ft h ee a rs t o 聱芬e ra n 矗 a u t o m a t i cs h o ed e v i c e t h eo m r o n sp l ca r eu s e d 彝st h em a s t e rn o d ea n ds l a 、r e n o d ei nt h ed e v i c e n e t ，t h es l a v en o d ei sd e s i g n e da sam o d u l e ，o n e8 l a v en o d e c o n t r 0 1 ss e v e r a lr a i l w a y s ，a n dt h em a s t e rn o d ec o n t r 0 1 sa 1 1t h es l a v en o d e si nt h e n e t t h e8 t a t ea n dp e r f o r m a 珏c eo ft h ec a rs t o p p e ra r 激a u t o f n a t i cs h o ed o v i c ea r e d 盛e c 据d 鑫壬堇de o 毪t l l o db yt h e 鑫聪l o m a t i ce 强t ls y s t e me o m p o s o db yt 圭l e p l c s ，s e n s o f 8a n do t 圭l e fe l e l n e n t s 。 畦a n vf h n c t i o 稿sh a v eb e e nr e 8 l i z e di nt 圭l i s s y s t e m ，s u c h a sv e h i c l ep o s i t i o na u t o m a t i c a l l yd e t o c t ，a b n o r mp r o c o s sa l a r m ， m a l f u n c t i o ne s t i m a t i o n ， m a l f u n c t i o nm a n a g e m e n te t c o n er e m o t ei n t e r f a c ei s d e s i g n e do nt h em a s t e rn o d e ，s ot h es y s t e mc a nb em a n i p u l a t e di nt h ec u d d yo n 童量l e 主a i lo ft h eh 翻哆l 牲矧淑a l l i n gy 鑫r d ，i ta i s oc a 珏b em a n i p u l a t e db yt h ec o m p u e f 蘧l 矗e 蠡搬鞋e o 建t f o lr o o 壬珏。珏墩e 囊e 矗do f 黾珏m p 琳鑫f 8 瓤a l l 曩gy 砖 t h e 矗e l d b u 8o fd e v i e e n e t 魏觳dp l ca r ed e s i g i l e da st h ec o n t r o ll e v e lt o r e a l i z e1 0 c a l ec o n t r o l ，a n dt h ec o m p u t e ri nt h eh u n l p c o n t r 0 1 r o o mi sd o s i g n e da s 恤e m a n a g o m e n t 1 e v e l t or e a l i z er e m o 诧c o n t r 0 1 a n di n f o r m a t i o n m a n a g e m e n t t h i ss y s t e mi sat y p i cm e c h a t r o n i ca u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m ，a n di t 蓓南交邋大学硕士磅究生攀位论文第l 珏页 羹a s 鑫p r 8 g t i c a ls i g 珏i 蠢e 强c e 如r 氟瓤p f o v 主n g 氇e 鑫稿协l 建葚t i o nl e v e lo f h u 娃l po p e r a t i o n p r o c e s s k e yw o r d 8 ：m a r s h a l l i n gy a r d ； h u m p ；c a r _ s t o p p e r ；f i e l d b u s ； p f o g r a m m a b l 毒l o g i e a lc o t r o n e r 西南交通查兰塑主堕窒皇兰鱼笙奎一皇坠j ! ；l 一 第1 章绪论 暑蒯鐾慧妻嚣篓姜芸蹇譬鬈? 警翟磊薯凳篓簧霎簧尝器麦菁晶蓦薹曩亨募奎 熹銎考至蓑荒詈篙蓍誓主篙嚣鬈嚣淼茹# 釜i 2 翥篓差差颦薯亲嚣温篙嵩磊冀芝雯裳嘉萎嚣嚣攀淼篆蓍辜 物列车解体、集结和编组作业用的调车线( 又称编组线j 保调牛利。牛军函千 列进鬟譬篓簇墓嚣薹翼辜篙辈墨易翥昙曩器萼嘉羞凳釜晶调车线路设施。它 县、缉囊尝嚣篥黧霎妻兰喜嚣盖薏? 娶裹蓑簧主馨墨纂尝瑟蓑亍篙蓊辜鬟蔷善 詈爨譬嚣辈篙竺誓凳_ 喜器要譬袅羹警差蓑毳莲翟暑1 1 贝蓑籍窭? 。姜薹誓瑟 嚣磊秦竺鬻；喜纛耄望羹嘉翥妻盖子嚣芏盘黧趸嘉瓣q 峰顶。1 8 7 6 年德国斯毕道夫编组站建成7 世界上弟一脞觊| i | 辈。亩炎批专1 l = 数爵蔷的要求不尽相同，但基本原理相同。图卜1 是纵列式驼峰的平、纵横 一一 嚣褰交通大拳领疆究生学位论文繁2 贾 驼峰线路中的主要设备有调车机车、调速设备，信号和通信设备等。按 灌放爨车嚣酶接懿方式黢漳哥努灸逡耱： 1 非机械化驼峰：溜放速度幽线路坡度进行控制，用人工操作铁赣或手 闸对调车场中的车辆控制速度； 2 穰藏诧我选；滚敞速度壶人工搡缀瓣车辆减逮设备逶行控翻，调车场 中由人或机械操纵的铁赣进行速度控制； 3 半自动化驼峰：利用半自动控制机来控制实现速度调节； 4 自动化驼峰：利用计算机控制车辆的溜放速度和调节在调车场的车速。 世界上第一座机械化驼峰于1 9 2 4 年在美国吉布森编组站建成。中国最早 的机械化驼峰于1 9 4 3 年在苏家屯车站建成。1 9 8 5 年在南翔编组站开始应用 电子计算机控制调车。 驼峰作业过程包括：调车机车将车列牵引至峰顶，人工摘开车钩，车组 利用重力加速度而脱离车列，自由溜向指定股道，经加速坡、中间坡和道岔 坡溜放至调车场中，并在峰尾制动区被铁鞋或停车器制动，等待调车机车牵 至发车场发车。文献 2 中介绍了驼峰作业的过程，如图卜2 所示。 列车到达 作业结束 开通推送进路 开放预推信号 解体作r ：= 厂一 预推待解体i业开始l 调机按要求速度i1 人工摘钩 车到达峰顶r r _ 推送待解体车列广1 解散车列 输入解体 作业计划 根据角翠体计划 控制溜放进路 控制溜放车组速 度，保持必要间隔 一列车解体 控制车组在编l 作业结束 组线上的速度r _ 一 图1 2 驼峰作业过程 一列车出发 编组列车牵l 作业结束 出至出发场 利用驼峰可使车辆自动溜放，解体作业连续、编组效率高，劳动强度低 因此驼峰编组作业已成为当代铁路编组作业的主要方式。 西南爻递犬学硕士研究生学位论文第3 页 2 国内外峰尾停车器及其控隶| j 系统 峰尾停车控制是驼峰作北的一个重要环节。车辆从驼峰峰顶溜放，经过 加速坡、中间坡速度调节装嚣调节后，以一定的遮度进入制动区，披制动后 车辆等待调车撬莩牵出发攀。在蜂遑割动区实现黠淫藏车辆戆有效潮动，可 使车赣谬放在编组线预定佼鬟，防止摆邻灌藏线上车辘在编缝线怒帮发生擦 碰，造成黼车等事故，同时也防止车辆溜出警冲标进入发车线造成车辆追尾 等重大事敝。实现对峰尾停馨的有效控制，可以充分利用编组线长度，提高 驼峰作业效率，使编组作业安全可靠，。 多年来，我国对编组站调速系统自动化研究较多，但对峰尾停车器的研 究翥瘦弱羧少，瑷场太多後鼹手阚、铁鞋裁动等臻绫熬澍动作业方式，安全 性差，势麓强度大，制动效聚差，置对车轮秘铁虢的磨损较大。尤其在天气 状况不好( 雨雪或潮湿天气) 或晚间作业时，徽容易造成制动失效成人身伤 害等重大赘全事故。因此，张鸵峰其它部分自动化程度得到不同程艘提高后， 峰尾防溜制动已严重限制了编缀站整体作业能力和自动化程度的掇商，成为 编组站现代化改造豹瓶颈。 荛了镄藤改交遐嚣荐车秘动静落蓐方式，懑两骞许多荤位投入戮瀵逗箨 车器静磷制，已经研制出井投入使用多种类型的蜂麾停车器。其骥动方式有 风压式、液压式和机械式等。风压式停车器需酉已备风动减速器，建造风动力 系统及相j 陂的管沟管道等；液压式停车器则需骤液压站，较长的输油管等设 备。9 0 年代初，沈阳铁路局蠢林科技研究所研制出了t t k 一9 2 型液压式峰尾 可控停车骚，基在诲多驻峰缡缀站投入馊瘸，嚣缒残豹蜂尾箨攀嚣系统在裁 囊效率秘爨麓纯控裁等方瑟瑟缀有了缀太鲍褥窝。僵滚压式蠢气嚣式簿车器 初期就要较大的投入，运营馒用中动力系统还需簧较大的维修量。能否用电 动式停率嚣替代风压式和油服式来解决上述弊端，多年来许多国寨都投入一 定精力作了大量的尝试和探索。具有代表性的日本横滨编组站l 4 型宜线电机 停车器，荧国的非重力弹簧必板式和杠杼输入斌停车器，以及德麟嚣丹制的大 毫藏蘩磁力式箨车器，都先蠢投入了应臻。1 9 8 5 年我国鞍钢疆蠲试麓一台丈 功率壹线魄机带动搐教靛蘩力式停车器，毽困缓冲、重复稍动等液术问题未 得到有效解决，未能投入使用。2 0 世8 0 年代初，西安铁路运输职工大学研 制t j d 烈电动车辆停车器，铁道科学研究院研制的t b z ki i t 型峰尾停车器 都采用电动式驱动机构，并先后都投入了使用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 近几年来，我国驼峰编组站峰尾制动水平已经得到了一定程度的提高， 但峰尾停车器控制系统都还比较简单。通常采用较简单的继电器控制系统， 检测和控制信号较少，控制电路硬件接线很复杂，系统拓展和改造十分不方 便，还不能与驼峰信号楼驼峰计算机控制系统进行直接通信，峰尾要设防溜 室对停车器进行控制，且防溜室通常只能通过电话等方式与驼峰信息楼进行 通信。停车器系统的控制操作只能由防溜员在尾部防溜室进行，有时还必须 采取铁鞋制动等措施，自动化程度还不高。因此随着驼峰自动化程度的提高， 峰尾停车器的安全可靠性和自动化程度都应该得到提高，这不仅有利于提高 驼峰编组的效率，适应现代化铁路作业的要求，减轻工人的劳动强度，更有 利于铁路作业的安全性，从而产生更大的经济效益和社会效益。 1 3 峰尾停车特点和自动上鞋机构 1 3 1 停车器 现有的液压式等峰尾停车器技术复杂，投资较大，维修过程复杂，制约 了其推广应用。西南交通大学机械学院联合有关单位，经过现场调研和科学 设计与试验，研制出z t 1 型峰尾停车器，该停车器为电驱动型，也可通过专 用手柄人工操作。z b l 型峰尾可控停车器具有安全可靠，操作方便，成本低 廉等特点。 停车器由两根制动轨、六组承臂、驱动机构组成，如图1 3 所示。本停 车器采用可靠的弹簧力制动方案，通过凸轮控制缓解和制动两种状态的切换。 制动力的大小可通过调整弹簧的预压缩量控制。缓解时，由制动弹簧箱内的 凸轮转动使制动弹簧放松；制动时，操作力只需大于回位弹簧力和制动弹簧 箱与底架间摩擦力和即可。因此在电机驱动和人工两种方式所需操作力均较 小，操作方便安全，并且停车器各部分采用模块化设计，互换性好，通用性 强，安装和维修简单。 停车器两个工作状态位置介绍： 制动位：停车器制动时候，电机带动丝杠转动，丝杠带动传动轴使凸轮 推动弹簧压板，压缩弹簧，支承臂撑开使停车器两制动轨间的距离变大。停 车器有制动能力时的实际位置，在驼峰溜放车辆时使用，两根制动轨之间的 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 距离为1 3 6 5 2 m m 。 缓解位：停车器缓解时候，电机带动丝杠转动，丝杠带动传动轴使凸轮 克服死点转动到短轴与弹簧压板接触处，弹簧伸长，支承臂收缩使两制动轨 问的距离变小。停车器失去制动能力时的实际位置，在调车机车进入股道整 理“天窗”【2 1 作业或车辆牵出时使用，停车器两根制动轨之间的距离小于 】3 5 0 m m 。 图1 3z t _ 1 停车器外形图 停车器工作原理：停车器定位为制动位，此时两根制动轨作用面靠弹簧 的张力保持在1 3 6 5 2 m m 的距离，大于两车轮内侧的距离( 1 3 6 3 3 m m ) ，溜 放车辆以不超过停车器制动能力允许的最大速度进入停车器，车轮内侧挤压 两根制动轨而压缩支承臂上的的弹簧，在弹簧力的作用下，制动轨作用面与 车轮内侧面产生摩擦力，迫使溜放车辆减速停车，达到停车防止车辆溜出停 车范围的目的。当被制动的车辆需要牵引、连挂车辆或调车机车需要通过停 车器时，弹簧复位，此时两根制动轨作用面之间的距离小于1 3 5 0 m m ，并且 离开内侧面，摩擦力消失，这时停车器处于缓解位置，机车、车辆可以顺利 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 通过。避免了对车轮的磨损和停车器的磨损。 1 3 2 自动上鞋机构 采用峰尾停车器制动时，当遇到缓行器、减速顶以及停车器出现故障不 能正常发挥作用；单辆空线第一钩溜放速度过大；雨雪天停车器制动轨与车 轮之间的摩擦系数减少而速度过大等特殊情况时，溜出停车器的车辆仍然需 要人工安放铁鞋进行防溜制动。还有当停车器上的车辆由于后续大组重车的 不断串挂，车辆有可能越出停车器，越出的车辆一旦车钩未连挂好或被提开， 就有可能溜逸向尾部，造成事故。因此又研制出z t _ 1 型自动上鞋机构与停车 器配套使用，如图1 4 为安装在轨道上的自动上鞋机构。每股道只在一条铁 轨上安装自动上鞋机构。 图1 - 4z t - 1 型自动上鞋机 自动上鞋机构是利用溜放车辆( 组) 本身的冗余动能和重力，将铁鞋自 露南交通大学硕士错究生学位论文第7 贳 渤安放到铁轨上，最大限度地减轻工人劳动强度。它主要由取能装置、传渤 轴和铁鞋三都分组成。自动上鞋机构掇高了尾部制动的安全性、可靠性和料 学溲。在调车凝车避入黢道牵引发车竣楚整理“天鬻”l 睾韭融，必须人工穆 铁鞋从机褐上欷下，枫车方可鞋颓秘谶入股遭，等佟监完毕梳车开岛股道震， 将铁鞋重新嵌装在机构上。 4 本论文鳃主要研究内容 驼峰编组站按照股道的多少分小魁站、中型站、大型站，小型站一般少 予十股道，中型编缀菇一般有凡段j i 耋，大型编终蛞有且百殿邋。根据驻燎 编缀菇瑗场敞褫、停车嚣援术往麓捂禄，一般每股遴在峰尾院游室附近警渖 标之前，设溉两个停车器和一个自动上鞋机构，通常布置结构如图1 5 所示。 两停车器之间的距离以及自动上鞋机构与警冲标之间的距离根据现场状况而 定。 黧1 5 箨辜嚣稳上赣凝橇蠢藿蓬 铁路佟照中鬣重娶晌簧隶就是安全酉靠。圜照需蚕佟韭设备的运行稳定 幢嚣霹嚣惶镶褰，器对露要求设备熊蠢壤藏瓣缀游犍蠢标。疆螯编缀站麓棱 瓣扩大，辩镰羧遂上箨窜器帮爨动上麓税蝓的盆拣将交褥卡分麓杂。国内躐 肖峰越停事控制部分有的采用继电器控制系统，捻测状态也缀少，控制功熬 较弱，容弱产生事故；肖的采用复杂静液压控稍蒙统，系统庞大，缝修频繁， 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 因此成本高。 针对以上情况结合z t - 1 型停车器和z t - 1 型自动上鞋机构的特点，本论 文采用可编程逻辑控制器( p l c ) 、现场总线d e v i c e n e t ( 设各网) 和计算机 组成分布式控制系统。系统采用模块化的设计，能在各规模编组站上使用。 本论文主要将完成阻下几方面内容： 1 实现对停车器和自动上鞋机构状态实时检测，实现停车器状态自动切 换，停车器驱动机构关键部件的状态检测( 减震器、传动杆) 。 2 实现编组作业时，对停车器和自动上鞋机构的自动控制。 3 建立分布式控制系统，系统采用模块化设计，使控制系统能够适合在 大、中、小各编组站中使用。 4 提供远程通信和拓展接口，以便于实现驼峰作业的全自动控制。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 第2 章停车系统组成和控制要求 2 1 现场总线的发展 2 0 世纪8 0 年代中期，计算机与计算机网络迅速发展。处于生产过程底 层的测控系统仍采用一对一的联机方式，用电压、电流等模拟信号进行测量 控制，或采用自封闭式的集散系统，难以实现设备之间以及其与外界之间的 信息交换，自动化系统成为“信息孤岛”。要实现整个系统的信息集成和综合 自动化，就必须设计出一种能在工业现场环境运行、性能可靠、造价低廉的 通信系统，形成现场底层网络，完成现场自动化设备之间的多点数字通信， 实现现场底层设备之间以及生产现场与外界的信息交换。现场总线就是在这 种实际需求驱动下应运而生。它作为过程自动化、制造自动化、楼宇、交通 等领域现场智能设备之间的互连通信网络，沟通了生产过程现场控制设备之 间以及其与管理层网络之间的联系，为彻底打破自动化系统的“信息孤岛” 创造条件。 根据国际电工委员会i e c 标准和现场总线基金会f f 的定义：现场总线 是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、具有多分支结构的 通信网络。智能现场设备是指最底层的用于控制、监测、执行和计算的设备， 包括传感器、控制器、智能阀、微处理器和内存等各种类型的仪表产品。根 据现场总线的定义日”，它有以下特点： 1 现场通信网络。现场总线是用于过程以及制造自动化的现场设备或现 场仪表互连的通信网络。 2 现场设各互连。现场设备或现场仪表是指传感器、变送器和执行器等， 这些通过一对一传输线互连，传输线可以使用双绞线、同轴电缆、光纤和电 源线等，并可根据需要因地制宣选择不同类型的传输介质。 3 互操作性。现场设备或现场仪表种类繁多，没有一家制造商可以提供 现场所需的全部设备。用户希望选用各制造商性价比最优的产品，将其集成 在一起。互连就是实现对不同品牌的现场设备或仪表的统一组态，构成用户 所需回路，实现现场总线设备的互操作。只有实现互操作性，用户才能自由 地集成现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o ls v s t e m ，f c s ) 。 地集成现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o ls v s t e m ，f c s ) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 4 分散功能块。f c s 废弃了集散控制系统( d c s ) 的输入输出单元和 控制站，把d c s 控制站的功能分散地分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站。 由于功能块分散在多台现场仪表中，并可以统一组态，用户可灵活选用各种 功能模块，构成所需要的控制系统，实现彻底的分散控制。 5 总线供电。总线供电方式允许仪表直接从总线上摄取能量。对于要求 本征安全的低功耗现场仪表，可采用这种供电方式。所有现场设备都必须严 格遵循安全防爆等标准。 6 开放式互连。现场总线为开放式互连网络，它既可与同层网络互连， 也可与不同层网络连接，还可以实现网络数据库共享。不同制造商的网络互 适十分方便，用户不必在硬件或软件上花太多气力，通过网络对现场设备和 功能块统一组态，把不同厂商的网络和设备融为一体，构成统一的f c s 。 现场总线的发展历史如图2 1 所示。 0 f i b u s i d c v i c ed e s c f l p 如nc o n f i p d e v e l o p e d f o r i a r t s t m d s m m 姗m n s i s pfa 1 1 dw o r l d f i p m e r g et 0f 嘶nt h ef 1 e i d b u s f o u d a t i o n d e v l c 龇t s t a r t e d f u n 甜。砌 l o n w o r k s s p 5 0p h y s i c 址 l a y 盯s t m d 越d n 两砸菇五面 o a y “s 咿4 ； l 生翌! 兰! 图2 1 现场总线的发展历史 c o 呲m n 电t 目前使用比较广泛的现场总线有：速度快、适合工厂自动化、装配流水 线和自动仓库的p r o f i b u s ；智能程度高、实时性强，在过程控制上占优势 的基金会总线( f f ) ；在农业自动化领域有很好前景的p n e t ；适用于物业 领域的l o n w o r k s ；适合于内容简单、通信距离和通信速率适中的c a n 总线 等等。 疆南交遗大学矮士错突生学位论文繁 贾 2 2d e v i c e n e t 现场总线概述 p e v i c e n e t 楚一静被广泛应焉静蕊璐总线，它爱壹a l l e n 一融猫l e y 公司 ( r o c k w e l l 自幼化) 开发的种基于c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k ，控制局域网) 技术的开放现场总线标准。它的协议设计简单，实现成本较为低廉，对于最 疯层的理场总线兹系统采说，性能较鼹。d e v i e e n e t 设蚤涉及瓣范围飙嫠单 的光电开关一童到复杂静半导俸制造散中的真空系，对多供鼗鬻提供的同炎 部件具有很好的互换性。d e v i c e n e t 得到众多p l c 制造商的支持，如： r o c k w e l l 、o m r o n 、h i t a c h i 、c u t t e r h a m m e r 、t u r c k 等。 e 矗n 是爨较毫经戆豹税场蕊线，遥赁予工数控翻系统，獒寿逶绩速率 商、可靠性强、连接方便、性价比高等特点。由它构成的控剿器局域网是一 种有效支持分布式控制或蜜时控制的帛行通信网络。c a n 协议充分考虑工业 现场环境的背景，采用了国际标准化缀织的开放系统互连模型( 0 s i ：o d e n s y s t e 臻i n t 8 # c o n r e e t i o n ) ? 墨孛兹3 簇，帮秘瑾蒺( 第l 层) 、数据羲鼹 滕( 第2 层) 和应用层( 籍7 层) ，怒0 s i 的一种简化网络结构。c a n 协议 对数据通信提供三个保证：c a n 采用c r c 校验以及独特的数据倍母表示方式， 并且具有出错识别及自动瀵发功能，绦证数据通信嬲可靠性；c a n 采用露囱 数舞涣懿逶僖方式，霞先缴亳蕊数摄攀鸯砉弱慧线鹣往宠较，绦 歪数据逶傣 的实时性；g a n 采用多主站总线结构，支持多个c p u 互连，备总线节点间阿 随接通信，保证数据通信的灵活性。 d e v i c e n e t 协议规范楚接述舱v i e e n e t 设备之阉实现连接髑数据交换的 一套轿议。鞠v i e e k e t 遵镶e a n 筑范酶定义，c 躲定义了数舞穗鼹层数据传输 的格式，而d e v i c e t 协议则在应用朦定义了传输数据的语法和语意。除第 7 层( 应用层) 外，d e v i c e n e t 规范还对部分第1 层( 收发器) 以及第o 屡 ( 倦输分质) 送行了撰定，燕d e v i e 。n e t 节点豹物理连接据供了标准。 耠e v i c e n e t 协议矮范冠表2 一l 。 袭2 一ld e v i e 州e t 捺议规藏 i s o l a y e r 7 a p p l i c 辑t i o nl a y e r d e v i c e n e ts p e c i f i c a t i o nv o l u m e i i li s o l 8 y 尊r 2 d 珏专8b i n 廷b 8 ￥e r e a n s p e e i f i e a 专i o n2 0 i s o l a y o r lp h y s i g a l s i g n a li n g i s 0 一l & y 尊r l l r & n s c e l v e r d e v i c e n e ts p e c i f i c a i o nv o l u m ei i s o l a y 辞r o t r a n s i l = s s i o n m e d i 蒜 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 d e v i c e n e t 最基本的功能是在设备及其相应的控制器之间进行数据交 换。因此，这种通信是基于面向连接的( 点对点或多点传送) 通讯模型建立 的。d e v i c e n e t 既可以工作在主从模式，也可以工作在多主模式。d e v i c e n e t 的主要技术特点如表2 2 所示。 表2 2d e v i c e n e t 的主要技术特点 网络大小最多6 4 个节点 可选的端对端网络传输速度随网络距离变化 波特率距离 网络长度1 2 5 k b s5 0 0 m 2 5 0 k b s2 5 0 5 0 0 k b s 1 0 0 m 网络模型生产者消费者模型 数据包0 8 字节 总线拓扑结构线性( 干线支线) ，电源和信号在同一电缆中 总线寻址 轮询或状态改变( 基于事件) 系统特性支持设备的热插拔，无需网络断电 d e v i c e n e t 是具有优良施工性能的一种现场网络，覆盖广阔的应用领域。 从传感器层到元件层，直到控制器层。各种控制器件，如p l c 、机器人、传 感器和传动器，能容易地连接到一个单独的网络中。这样就能在设备和生产 线的设计制造、安装、调试、维护等各个制造现场的环节上降低成本，同时 节约时间。通过到主站网络的无缝连接，d e v i c e n e t 正在向各种行业不断扩 展，而且越来越多的公司都发布了应用d e v i c e n e t 技术的产品。 2 3p l cj i 口d e v i c e n e t 网络 很多p l c 制造商都发布了d e v i c e n e t 主站，d e v i c e n e t 正在创建世界上最 大的多厂商环境。d e v i c e n e t 与p l c 相结合的现场控制网络正成为现场控制 中十分流行的控制方式。 西南交通大学颊研究生学位论文 第13 贾 2 3 1p l g 的产生与发展 可缡疆露控翻器( 强 蹩良壤楚疆器兔基秣，综会了诗冀税技术、蠡 穗控裁技术秘逶信技术袋漫起来酌一静迢霜王鼗蠡渗控髓装置。宅其鸯体戳 小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便筹方顾等优点，特别是它 黪霹嘉装豢嬲缝逮空恶劣工作嚣壤。p 0 e 己残必蕊代王延控裁浆三丈支柱 ( p 己c 、穰嚣久帮e a d 怒a m ) 之一，被广泛蘧废瑙予税穰、冶金、张工、 电力和交通筹领域。 在p 比诞生之前，继魄器控制系统澄广泛地缎嗣予工、韭生产的各个领域。 熬邀器控制电鼹逶攀是针对菜一霆宠瓣簇疼或者黛产王慧孬设计滟，它豹接 裂臻鼹遣投设恳隈予逻瓣控锯、定时譬麓单控裂，动作搬彦或篷产工慧茨嫩 变化，就必须进行熏新设计、布线、装配和调试。1 9 6 9 年美国数字设备公司 ( p 裟) 磅粼感世势土第一台可壤疆黪控制嚣。它傻能竞藏逻辚运冀、定辩、 诗熬等颞譬羧裁魂戆，毽与继电嚣控裁攘毙，它哭簧修渡程穿藏可数满足技 溺簧求变爨，医越禳为缠程序滋辑控铡器( 融o g r a l n m 鑫b l el o 嚣i a l c o n t r o l l e r ，p l c ) 。2 0 世纪7 0 年代末麓8 0 年代初，微她理器技术日趋成熟， 馊p l e 的处联速发大大掇磷，增加了许多特殊功能 如浮点运冀、函数运冀、 豢袭等) ，p 瞒不筏霹激避行逻辑控裁，还霹骧对模镞爨避鼍亍接镪。2 巷氆筑 8 0 年代后，随着大规模私趣大规模集成电路的迅猛发展，以1 6 位和3 2 位徽 楚溪器梭袋瓣徽掇鬟二p 德到了壤入鹃缎震，镁之在概念、设诗、毪徐院等 方蕊有了鬟大的突破。p 狐具有了商逮计数、中断技术、p i d 控制等功能，网 辩袋嚣逶僖黥力选褥弱了臻强，这蹙都傻褥p e 静艨臻蘧鋈释镢滚不臻扩大。 2 。3 。2p 的组成与置l 睾王凝 l 。p b e 瓣缝袋 p l e 磷 警主簧由：徽烛瑾器( e p u ) 、存镛嚣、羧入，输滋按罄电路、漱 潆、舞袋接簸、努设接秘菝及缡糕藜等缝臻。辕了辇蘩璧产魏整薅式p l e ， 霹裁多数姻瓢都袋鼹模袋往蘸雅掬，p l e 懿器个部讳帮骧立封装藏搂妖， 通过系统总线连接各个横块成一个系统。p l c 磔佟结构如圈2 * 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 可编程序控制器基本单元 i ， 输 微处理器( c p u ) 输 口一 l 一 入 出 一 铲 接运算器接 口口 厂 电 控制器 电 u 路路n 7 外 存储器 扩外 设展设 接 际习l 用户1 接 盟 口 【程序| i 程序1 口 一 兀 图2 2p l c 硬件简化框图 接触器 指示灯 电磁阀 电源 微处理器：c p u 是p l c 的控制中枢，它由控制器和运算器组成，控制器 是用来统一指挥和控制p l c 工作的部件，运算器则是进行逻辑、算术运算的 部件，c p u 通过地址总线、数据总线和控制总线与其它部分相连接； 存储器：可分为系统程序存储器和用户存储器。系统程序存储器用来固 化各种系统工作程序；用户存储器用来存储用户程序和数据。 输入输出接口电路：又称输入输出模块，p l c 控制系统所采集的输入 信号电平、速率等多种多样，而p l c 的c p u 只能处理标准电平信号，输入 输出模块就是实现电平转换、速度匹配、电气隔离等功能，将外部输入转换 成c p u 可以接受的信号，将c p u 的输出信号变换成所需要的控制信号去驱 动控制对象。为了保证p l c 工作可靠，在输入接口电路中都采用了提高可靠 性的技术措施，如光电隔离、输入保护( 浪涌吸收器、旁路二极管、限流电 阻) 、高频滤波、输入数据缓冲等。常用的输入输出模块有：数字量输入输 出模块、开关量输入输出模块、模拟量输入输出模块、交流信号输入模块 输出模块和智能模块等。 电源：电源是将交流电源转换成供c p u 存储器等所需的直流电源，它的 西南交通大学硕士研究生学位论文 第15 页 好坏直接影响p l c 的功能和可靠性。目前，大多数p l c 采用高质量的开关 式稳压电源，与普通电源相比，p l c 的电源工作稳定性好，抗干扰能力强。 有些机器的电源除了供内部电路使用外，还向外提供2 4 v 直流的稳压电源， 用于外部传感器的需要，避免因外部电源不合格而引起的外部故障。 2 p l c 工作过程 在系统软件的支持下，p l c 对用户程序进行逐条解释，并加以执行，直 到用户程序结束，然后返回到程序的起始又开始新一轮扫描。p l c 这种工作 方式就称为循环扫描。在p l c 接通电源后，为消除各元件状态的随机性，进 行清零或复位处理，检查i o 单元连接是否正确，再执行一段程序，如果执 行的时间不超过规定的时间，则证明p l c 自身是完好的，否则系统关闭。完 成上述操作后，将时间监视定时器复位，才允许开始扫描用户程序。扫描操 作的步骤分为以下几步： ( 1 ) 公共操作。公共操作是在每次扫描程序前又一次自检，若发现故障， 报警显示，并进行故障性质判断。一般性故障，只报警不停机，等待处理； 对于严重故障，停止运行用户程序，切断一切输出。 ( 2 ) i o 状态刷新。包括两种操作：输入状态表内容刷新和按输出状态 表内容刷新输出电路。 ( 3 ) 执行用户程序。包括监视和执行两部分。监视定时器w d t ( 、v a t c h d o g t i m e r ) ，通常所说的“看门狗”，它是用来监视程序执行是否正常。执行用户 程序，用户程序是放在用户程序存储器中的，扫描时，按顺序从零步开始， 逐条解释和执行，直到执行e n d 指令才结束对用户程序扫描。 ( 4 ) 执行外设指令。每次执行完用户程序后，如果外部设备有中断请求， p l c 就进入中断服务程序，服务外部设备命令的操作。如果没有外部设备命 令，则系统会自动进行循环扫描。 2 3 3 p l c 和继电器系统、工业计算机控制系统比较 p l c 系统除了可戬宪戒传统继滚器控翻系统赝美有的全都功髓努，还霹 戬实现模撅量控刳、嚣繇帮翊繇过疆控割、多缀分毒式控制，这是熬电爨控 制系统所光法比拟的。随着微电子技术的进一步发展，p l e 的成本猩降低， 传统的继嗽器控剑系绫被p l c 控剁羝统所取代怒必然懿趋势。p l c 控制系绞 和继魄器投制系统比较如表2 3 所示。 嚣南变通大学硕士硪究生学位论文繁16 贾 表2 ，3p l c 控制系缆和继电器控制系统比较 比较项目继电器控制系统p l c 控谁0 系统 诲多继魄器组残，采蠲接线兹嚣耱控毒l 功麓楚通过编制 控翻臻襞匏实溪 方式来究成控制功靛 的程序来实现瓣 对控制要求变更适应性麓。控制要求变更需重通应性强。只辩修改程序就 的适应性新设计，改变继电器和接线 可以满足控制骚求变更 羧鼷速发 甄。靠撬馥簧动实璜缀抉。嘉擞处遂器照理 w 靠性 差，触点多，故障多离，元件采取筛选等措施 寿命和可扩展性寿命短，扩展困难 辩命长，扩展容易 维护 工作量大，故障不易蠢找 诱囊诊断功能，维护量小 2 0 世纪7 0 年代，出现了采用微处理器的工业控制计算机，它和p l c 共 同推动着传统工业的技术潋造。p l c 与一般的工业控制计算机榴比，还是有 辫较强的优势。p l c 是专为在工业环境下的瘟用i 甄设计靛，具肖良好静皇诊 断功能胃对e p u 等痰部嘏潞迸 亍梭溺，一旦密锾，立静撮警；瓣疆序及有关 数据用电池进行后备，一凰断电或运行停止，有关状态信息不会丢失；采用 冗余技术，对大型p l c 述采用双c p u 构成冗余系统，或者三c p u 构成表决 系绞，使系统懿可靠蛙提舞；p l e 继承了继电器系统鳃基本掺斌鞠习蠼，慕 用了面向控制过程和操俸蠢的逻辑语意，容易学习秘掌握，维护篱便。舅外 p l c 一般都照有模块结构，可以针对不同的对象进行组合和扩展，具有很商 的性价比。 p l c 在王妲控襄l 中获褥了较大豹戏功，袋为王渣控铡中款变滚，嚣诗冀 税在信息处璎方面还是优予p l c 。所以在些自动控制系统中，将两者结会 越来，p l c 做下位机进行现场控制，计算机做上位帆进行信息处理，相辅相 成，构成一个功能较强的完整的控制系统。 2 4 停车系统控制原理和组成 驼峰调车作业时，一般在峰顶平台处设有驼峰信号楼，在驼峰尾部设峰 惩遂岔邀气繁中控裁室，凌漳惩警砖橡黪近设毒爆麓薅淫控利凝。驻峰绩警 楼负责整个驼峰作业，驼峰信号楼根据作业计划及注意事项及时向有关人员 传达任务，并确认有关人员均已理解腐，方可开始作业。峰展邋岔电气集中 控制室负责调车机车牵引车列和列车潞从编组线尾部进入相应殿道时道岔的 疆南交逶大攀磷士簿 究垒拳位论文繁7 页 切换。峰尾防溜控制褒负责编组作业时峰尾停率区域的控制。 莪蟓缡缀蘸从骏蟓售号搂鬓遐郝防澄控制黛豹距离一般在l 至2 公爨， 本系统涉及的停车器洋秘自动上鞋梳构的检灏稍控制信号都寐寅防溜控制童辩 近现场，根据现场的布置不同和嶷际需要，对峰尾停车系统的设计可聚取两 种方式：规模较小、自动化程度不离的编组站( 可能在峰顶不设功能完备的 驼峰信号磺) ，在峰鬻爨淫整裁室瓣峰霆簿车系绞实瑰叁凌控髑；蔑摸较大、 自动纯稷度要求高的编组站，峰麓防溜控制奎和驼峰信号楼可同时实现对峰 尾停车系统自动控制，但驼峰信母楼控制功能优先。 本控制系统采用o m r o n 公铡生产的p l c 、p t ( 可编稷终端) 等，遮过 d e v i c 摄联穆藏褒场撩潮爨络。羧键系统摇鬟懿溪2 3 嚣示。 蚕2 3 漳惩箨车器控瓣系统 本论文主要完成峰尾防溜室控制模块设计，弗为远程通信提供接阴。控 制模块采用p l c 作为现场控制设备，可充分发挥p l e 在工妲现场控制可靠、 浚速等静特点，同嚣薯又胃遥逶d e v i c e n e t 瑰璐慧线实瑷藩戆麓逶信。鬈统中 西南交通大学硕士研究生学位论文 第18 页 各从节点p l c ( c p m 2 a h ) 控制程序采用模块化设计，独立控制几股道上停 车器和自动上鞋机构作业，能根据从节点p l c 的配置设定每个从节点控制的 股道数，根据编组站规模，配置从节点数和主节点的容量。位于峰尾防溜控 制室内的主节点通过d e v i c e n e t 网络与各从节点通信，实现对各从节点的控 制，同时从节点也可以主动向从节点传送各种作业信息。 峰尾防溜控制室操作停车系统采用两种控制方式。一种是操作员根据驼 峰信号楼的指示，从p t 将各种控制命令输入主节点，执行结果反馈信息在 p t 上显示；另