（电气工程专业论文）列车试验器微控系统的研制.pdf

j e 塞銮逼鑫堂童些亟堂僮盈塞量s ! 基i a b s t r a c t a b s t r a c t ：t om e e tt h er e q u i r e m e n ta n dt h es i t ec o n d i t i o no ft h ed i s a s s e m b l e a n da s s e m b l et r a i nb r a k i n gt e s t , an c wt y p et r a i nb r a k i n gt e s te q u i p m e n tc o n t r o l l e db y i n d u s t r i a lp cw a sd e v e l o p e dt oc o l l e c ta n dp r o c e s st h ed a t a t h ee q u i p m e n td e v e l o p e d 丽mh i 曲r e l i a b i l i t ya n dp e r f o r m a n c ec a nd i s p l a ya n d o u t p u tt h ed a t ai ng r a p h i ca n dt a b l ef o r m s t h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h ee q u i p m e n ta l e3a n a l o g ss i g n a la c q u i r i n gc h a n n e l sw i m l l i g hp r e c i s i o na n dc o s tp e r f o r m a n c e t h eh a r dw o r ki si n c l u d i n gt h ef o l l o w i n g ： c o n c e p t u a ld e s i g n i n ga n ds t u d y i n g , s e l e c t i n gs e n s o r , d e s i g n i n gt h ep l a t ea n dt h e i n t e r f a c eo ft h ec i r c u i t , s e l e c t i n gt h ed a t aa c q u i s i t i o nc a r d , d e v e l o p i n gt h ed a t a a c q u i s i t i o n s o f t - w a r ew h i c hh a s g o o du n i v e r s a l i t y , e x p a n d a b i l i t y a n ds y s t e m m a i n t a i n a b i l i t y t h em a n - m a c h i n ei n t e r a c t i o na n dd a t ap r o c e s s i n gi s c a r r i e db yt h e i i l d u s t r i a lp c d a t ac a nb ec o l l e c t e db yt h ee q u i p m e n ti nh i g h - s p e e d 1 h ee q u i p m e n th a sh i 【曲 e f f i c i e n c ya n da c c u r a c y t h ef u n c t i o nt h a te a c hc h a n n e lc a nb ea d j u s t e do n - l i n e d e c r e a s e st h eh a r d w a r es c a l ea n dm a k e sac o m p a c t e ds t r u c t u r e m a n ya n t i i n t e r f e r e n c e d e s i g nm e t h o d sa r ee m p l o y e di n c l u d i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r es u c ha ss o m ek e y t e c h n i q u e si na c q u i s i t i o no fh a r d w a r es e l f - d i a g n o s i sw h i c hm a d et h ee q u i p m e n tm o r e r e l i a b l ea n da c c u r a t e n o w , t e s t i n ga n dd e b u g g i n go ft h et r a i nb r a k i n gt e s te q u i p m e n th a v eb e e nf i n i s h e d a n di th a sb e e nu s e dw o n d e r f u l l ya tt h r e es i t e sw i t hi t sp r o v e dp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：t r a i nb r a k i n gt e s te q u i p m e n t ； s e l f - d i a g n o s i s ；i n d u s t r i a lp c c i , a s s n o ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：张建阳导师签名：张维戈 签字日期：2 0 0 7 年1 0 月2 7 日签字日期：2 0 0 7 年1 1 月6 日 独创眭声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：张建阳签字日期：2 0 0 7 年1 1 月2 7 日 致谢 本论文的工作是在我的导师张维戈老师的悉心指导下完成的，张维戈老师严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 张维戈老师对我的关心和指导。 南车四方股份技术中心的马云双主任悉心指导我完成了相关的调研工作，在 学习上和工作上都给予了我很大的关心和帮助，在此向马云双主任表示衷心的谢 意。 济南西车辆段刘希新段长对于我的研究工作和论文也提出了许多的宝贵意 见，在此表示衷心的感谢。 在调查研究工作及撰写论文期间，我单位技术科和各车间的同事们对我论文 中的原始数据积累给予了热情支持和帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的爱人和家人，他们的理解和支持使我能够专心完成我的学业 和进行研究撰写完成论文。 j 塞銮垣太堂童些亟堂僮监塞绪i 金 1绪论 1 1 铁路列车试验器的原理、应用及现状 第六次大面积提速调图的实施，为铁路现代化建设事业开辟了新的发展空间。 目前铁路发展的重点任务之一就是大力推进技术装备现代化，坚持采用“先进、 成熟、经济、适用、可靠”的技术方针，按照“标准化、系列化、模块化、信息 化”的要求，立足国产化，引进先进技术，增强自主创新能力，加快技术装备现 代化。 铁路运用部门的试验、检测装备相继经历了机械、电气、电子等几个阶段， 随着铁道部对试验检测设备现代化的要求，微控设备以操作方便准确、消除人为 因素、数据便于保存管理等优点而得到广泛推广应用，研发列车试验器的微控系 统正是基于上述优越性。 列车试验器是货车车辆段对货物列车进行制动试验所必须的制动设备。它通 过对列车管的充排风控制列车的制动、保压和缓解作用，从而检验列车的制动性 能。铁道部的铁路货车运用维修规程对列车制动机试验做出了规定：主要列 检所对解体、编组的列车到达后及始发前，必须施行制动机全部试验。到达列车 所在站须在列车制动机试验结束后，再进行排风作业。主要列检所对中转列车， 区段列检对有调中转列车制动机施行一次全部试验。区段列检所对无调中转列车 施行简略试验。 列车试验的原理见图1 1 ( 中间的连线为压力风管) 图1 1 列车试验的原理图 长期以来，列车制动试验是由列检人员手动操作j z 一7 型手动制动阀完成。手 动操作造成列检人员检车劳动强度大，人工读取压力表数值不准确，往往会留下 不安全的隐患，直接影响到作业的效率、质量和安全，而随着我国铁路第六次大 面积提速调图的实现，现有的列车试验器不能满足长大列车制动试验的需要，因 此急需对列车试验器进行自动化微控升级改造，改造后的系统必须要适应长大列 车试风需要，与列车尾部风压仪联网，制动试验的同时实现对列车尾部风压的监 控。 韭虚銮通太堂童些亟堂僮垃塞缝i 金 国外的制动系统试验技术比较成熟，手段也比较先进，列车上均配有自动化 监测系统，可在线进行实时监测。在车辆的设计上，制动装置最大限度的采用模 块化和标准化，包括电子、电气、气动和机械等部分，同时预留出端子和接口， 便于使用。法国t g v 列车上配有自动监测设施，在列车启动之前，司机通过车载 微机对整列车的制动系统进行发车前的性能试验。有一套专用的程序指示司机应 进行的各种试验项目并显示试验结果，当司机给出制动或缓解指令后，系统可提 供数据使司机了解各个转向架制动或缓解状态。 微控列车试验器是机、电、气结合的机电一体化设备，针对目前现场的实际 情况而设计完成的，在列车试验时进行制动数据的采集、处理与判断。它以高性 能、高可靠性的工业p c 为基础，是利用p c 机软硬件平台的强大功能构建的数据 采集处理系统。 1 2车辆制动机列车试验办法( 参照t b t 2 5 5 5 9 5 ) 1 2 1主题内容与适用范围 本标准规定了铁道车辆制动机进行列车制动试验的种类，场所、要求和方法。 本标准适用于车辆制动机的列车制动性能试验( 以下简称“列车试验”) 1 2 2 试验种类及试验场所 列车试验分全部试验和简略试验和持续一定时间的全部试验。列车试验在主 要列检所、区段列检所、一般列检所进行。 1 2 3 试验要求 1 2 3 1 全部试验：下列情况须进行全部试验： ( 1 ) 主要列检所对解体列车到达后，编组列车发车前，无调车作业的中转列 车，可施行一次。 ( 2 ) 区段列检所和一般列检所对始发和有调车作业的中转列车。 ( 3 ) 列检所对运行途中车辆自动制动机发生故障的到达列车。 1 _ 2 3 2 简略试验：下列情况须进行简略试验 ( 1 ) 区段列检所和一般列检所对无调车作业的中转列车。 2 j e 塞窑适太堂童些亟堂僮j 金塞绪论 ( 2 ) 更换机车或乘务组。 ( 3 ) 列车风管有分离情况时。 ( 4 ) 列车停留超过2 0 m i n 。 1 2 3 3 持续一定时间的全部试验 在线路坡度超过5 ，长度为8 k m 及其以上时，线路坡度超过1 2 ，长度为 5 k m 及其以上时，线路坡度超过2 0 ，长度为2 k m 及其以上的长大坡道区间车站， 须进行持续一定时间的全部试验。 1 2 4 试验方法 1 2 4 1 全部实验 在列车尾部最后一辆车上安装试验用压力表，列车制动管( 以下简称“制动 管”) 压力达到规定压力( 5 0 0 k p a 或6 0 0 k p a ) ，列车尾部车辆压力表与试验压力表 的压力差不得超过2 0 k p a ； ( 1 ) 漏泄试验 制动管压力达到定压时，将自动制动阀手把置于保压位或关闭第一辆车的折 角塞门，保压1r a i n 制动管压力下降不得超过2 0 k p a 。 ( 2 ) 感度试验 制动管压力达到定压时，将自动制动阔手把置于常用制动位，减压5 0 k p a ( 货 物列车编组6 0 辆以上时为7 0 k p a ) ，全列车须发生制动作用，并在1m i n 内不得发 生自然缓解。然后将自动制动阀移至运转位充风缓解，全列车须在1m i l l 内缓解完 毕。 ( 3 ) 安定试验 制动管压力达到定压时，自动制动阀手把置于常用制动位，减压1 4 0 k p a ( y i j 车 主管压力为6 0 0k p a 时减压1 7 0 k p a ) ，不得发生紧急制动，并确认制动缸活塞行程 符合规定； 1 2 4 2 持续一定时间的保压试验( 在长大坡道前方的列检所或制动检修所进行) 制动管压力达到定压时，自动制动阀手把置于常用制动位，减压1 0 0 1 4 0 k p a ， 压力为6 0 0 k p a 时城压1 7 0 k p a ，移保压位保压，3 s m i n 内不碍发生自然缓解。 1 2 4 3 简略试验 制动管压力达到定压时，机车自动制动阀手把移至常用制动位，减压1 0 0 k p a ， 由列车后部检车员确认最后一辆车发生制动作用，然后向司机显示缓解信号并确 认缓解作用正常。 j e 哀窑适太兰主些亟堂僮途塞绪硷 1 3 本论文研究的工作 1 3 1采集系统方案论证及总体设计 针对列车试验器在制动性能上要求和特点，确定以p l c 实时采集并处理各通 道的数据，根据设定的工况和判据相应的电磁阀的动作，实现系统的闭环，完成 各试验项； 系统在气路结构上使用电磁阀配合相应风路的阀座取代j z 一7 大闸；控制上使 用上位机集中控制各台大闸进行试验；管理上使用计算机对数据进行信息化管理， 能够打印试风试验记录结果与试验过程的全程风压曲线图，试验全过程由微机控 制；操作上取代手动操作传统j z 一7 型大闸，现场只需使用对讲机发送试验代码， 就可实现所有制动试验的操作。 1 3 2 各制动部件的设计和选型 列车试验器的空气制动部件是列车试验的最终执行部分，各微控指令经电子、 电气部件执行后都要由空气制动部件来实施，才能完成列车试验，其功能的完善 和性能的好坏与否直接影响到列车试验的结果。 1 3 3 系统软硬件的设计 系统硬件主要为监控上位机和从站控制柜的设计，包括a d 转换、解码板、 可编程控制器、串口通信等，以及相关联的传感器的选用、试验；监控程序是根 据铁道部相关技术规范定制的软件。该程序通过p l c 通讯模块( 2 3 2 b d ) 达到上位 机程序与p l c 之间进行数据交互，一方面控制试验的进程；另一方面处理采集到 的风压数据，自动判断试验情况，并通过语音系统播送试验合格与否，记录试验 数据，控制整个试验流程，该部分是系统的指挥中心。 i 3 4 系统调试 软硬件设计完毕后，按各自的要求分别测试，软硬件的系统联调：联调通过 后立即安装在样机上，按各制动工况进行整台列车试验器的试验、调试，检验各 参数能否满足列车制动试验办法的要求。 4 j e 基銮道友堂主些亟堂焦缝塞基奎厘堡厘丕缝筮短 2 基本原理及系统分析 2 1 微控列车试验器的原理 2 1 1 空气列车试验器 我国铁路的运用车辆采用自动式系统制动，即通过机车的制动控制器使列车 管增压则车辆缓解、列车管减压则车辆制动。列车管既为列车制动系统提供制动 用风源，同时又是制动过程中最重要的控制信号，列车试验器就是模拟机车的制 动控制器，通过控制列车管压力的增减，实现列车的缓解或制动作用，检验列车 的制动性能。 2 1 2 微控列车试验器的原理 微控列车试验器与空气列车试验器的作用原理在空气制动方面是一样的。但 是微控列车试验器通过加装电磁阀等电气部件替代了原有的空气手柄( 如h 6 或 j z - 7 的自阀手柄) ，通过加装传感器和2 4 v d c 电源，在人机交互的情况下，可以采 集、处理列车管的压力。压力传感器将所检测的压力数值反馈给上位机，上位机 根据采集回来的数据判断试验结果、控制流程，输出音频信号到电台，并在试验 过程中保存试验结果，留以存档。与此同时，语音系统通过对讲机与现场操作人 员进行交互，实时播放试验过程的情况，并告知现场检车人员各项试验的试验过 程。试风系统原理如图2 1 所示： 2 2 微控系统的要求 微控列车试验器数据采集处理系统( 以下简称系统) 主要针对列车制动试验 研制的，它的试验工况主要分为全列试验、制动感度、安定保压试验、简略试验 等。测试信号种类为气体压力、直流电流、电压。系统要求如下： 测量数据要求实时、准确、干扰少，精度要求为5 ( 包括传感器误差、 信号调理电路误差等) 。 试验时间、列车车次及编组状况、试验检验的班组人员、试验数据、试验 结果均可以保存并做显示、打印输出等后期处理。 控制软件有方便的人机界面。系统能实时显示列车管和总风压的变化曲线， j t 塞銮道太堂童些亟堂僮盈塞基奎厦垄厘丕缝筮握 显示方式可设，各特征参数可标定和修正并对采集数据进行存储。试验数 据可根据需要选择曲线或报表形式经打印机输出。 图2 1 微控列车试验器试风原理图 2 3 微控部分拟实现的功能 微控部分拟实现如下功能： 试验工况的设定和保存； 自动或人工有选择的分步试验； 实现对电磁阀和中继阀的控制； 制动试验各数据的采集处理； 对试验结果做出正确判断； 存储、查询、打印试验工况、试验数据和试验结果。 2 4 微控部分软硬件的设计思路及技术关键 微控部分的软硬件按以下思路进行设计： 实现从气路接口到传感器、a d 转换、p l c ，中继阀、电磁阀、模拟j z 一7 大 闸、气路接口的闭环控制。 6 j 基窑垣盔堂童些亟堂焦监塞基奎厦堡盈丕缠筮堑 适应现场的工作环境，满足现场的作业要求。 其技术关键为： 满足系统要求的采样精度、速度和分辨率； 在满足各要求的情况下进行适当的软件滤波 2 5 系统组成 本系统主要由监控上位机、风管路、从站控制柜、无线收发装置四大部分组 成。各部分安装位置及从属关系如图2 2 所示： 2 2 微控列车试验器各部分安装位置及从属关系 2 5 1 监控上位机部分 它由工控机、显示器、p l c 通讯模块、列尾通讯装置( 接收主机) 、主站控制柜 等组成。 监控上位机主要用于运行上位机监控程序。该程序提供语音功能支持、显示 试风风压、显示记录作业过程、数据管理等功能。 监控程序是根据铁道部相关技术规范定制的软件。该程序通过p l c 通讯模块 ( 2 3 2 b d ) 达到上位机程序与p l c 之间进行数据交互，一方面控制试验的进程；另 一方面处理采集到的风压数据，自动判断试验情况，并通过语音系统播送试验合 格与否，记录试验数据，控制整个试验流程，该部分是系统的指挥中心。 主站控制柜：安装有c c l i n k 主站通讯模块，担当起监控上位机与各执行器 的数据通讯功能。 垫塞銮亟厶髦童些亟堂焦逾塞基奎厘型巫丕筮筮赶 2 5 2 风管路部分 它由油水分离器、中继阀、电磁阀、比例阀、压力传感器等元器件组成( 见 图2 3 ) 。该部分通过各个电磁阀之间相应地配合动作，从而模拟出j z 一7 大闸各 个手把位的功能。 大闸 图2 3 列车试验器的管路原理图 该部分是实现各种制动试验项目的主要执行部件。 2 5 3 无线收发装置 无线收发装置则由“电台对讲系统”小系统组成。电台对讲系统由对讲机、 电台、调制解调制器组成。系统组成及流程如图2 4 所示。 首先，现场作业人员通过对讲机根据试验内容人为编码，按发射键“d i a l ” 发送编码，经电台接收后，再通过调制解调器将该编码解码，然后通过上位机串 行口将数据传送至上位机程序进行处理。由上位机程序根据该编码进行相应试验 控制并播放语音。播放语音的音频信号同时通过电台传送至对讲机，将试验信息 与现场作业人员进行信息上的交互。 j e 塞銮垣太兰童业亟堂焦途塞基奎厦墨厘丕统筮扭 图2 3 无线收发装置组成及流程图 无线收发装置是系统的作业控制信息交互的重要组成部分。 2 5 4 从站控制柜 从站控制柜是试风系统安装在现场的主要设备，是系统的主要动作控制、执 行的部分。从站控制柜主要完成接收上位机指令，控制各台大闸进行遥控或手动 试验的功能。 从站控制柜内部由p l c 单元模块、风管路、p l c 联网通讯模块和各种电压类型 的电源电路组成。在系统p l c 联网通讯上是采用c c _ l i n k 模块将多台从站控制柜 内的p l c 联接成网，各个从站之间在物理结构上相互独立，可单独进行单个闸柜 的电控试风，也可通过c c _ l i n k 获取来自主站p l c 的指令，通过该指令进行遥控 试风。 2 6 系统要求检测的参数及其特点 下面对各试验工况及所需检测的参数分别作详细分析： 2 6 1 全列漏泄 全列泄露试验的目的是检查全列车制动系统的漏泄是否合格。 试验办法和要求：使缓解电磁阀得电，列车管充风，当列车管压力达到定压 时，试验器置于保压位，保压l m i n 列车管压力下降不得超过2 0 k p a 9 韭塞銮塑友堂童些亟堂缝途塞基奎厘堡厘丕缝岔垣 试验中需测得参数为列车管压力，要求l m i n 内列车管的压力降低不得大于 2 0 k p a 。 2 6 2 空气制动和缓解感度试验 检验列车中每辆车制动机的制动和缓解灵敏度是否合格，即以最小的排风速 度减压5 0 k p a 时可使全列车产生制动作用，充风时可全列缓解；全列列车管在制 动时的漏泄是否合格。 试验办法和要求：列车管压力达到定压时，均衡风缸减压5 0 k p a 后制动电磁 阀失电，全列车必须发生制动作用，保压l m i n 不得发生自然缓解，且制动管压力 下降不得超过2 0 k p a 。然后，将缓解电磁阀得电，全列车在l m i n 内缓解完毕。 试验中需测的参数为列车管压力，要求：( 1 ) 均衡风缸减压不得低于5 0 k p a ； ( 2 ) 全列车发生制动作用( 需人工校核) ；( 3 ) 保压l m j n 内列车管压力降低不得 大于2 0 k p a ；( 4 ) 从缓解开始，全列车在l m i n 内缓解完毕( 需人工校核) 。 2 6 3 空气安定试验 检验制动机的安定性，要求全列车制动机在列车管以常用减压速度下排风不 得发生紧急制动作用。 试验办法和要求：制动管压力达到定压时，均衡风缸减压1 7 0 k p a 后，全歹u 车 不得发生紧急制动作用。 试验中需测的参数为均衡风缸压力和列车管压力，要求：( 1 ) 均衡风缸减压 不得低于1 7 0 k p a ；( 2 ) 全列车不得发生紧急制动作用。 2 6 4 简略试验 对制动机的性能进行简单的试验 试验办法和要求：机车自动制动阀手把移至常用制动位，减压l o o k p a ，确认 最后一辆车发生制动作用，然后置缓解位，并确认缓解作用正常。 试验中需测的参数为列车管压力，要求列车管应减压l o o k p a 。确认尾车发生 制动作用后缓解。 表2 1 中列出待测参数及取值范围 表2 1 待测参数表 o j e 塞銮适右堂皇些亟堂焦迨塞基奎厦堡厘丕缝坌蕴 序号 参数名称 取值范围传感器输出电流范围 模拟信号1总风压力 m 田9 m p a 4 2 0 m a 模拟信号2列车管压力 o 由6 m p a 4 - - 2 0 m a 模拟信号3均衡风缸压力 o 由6 m p a 斗艺0 m a 各路信号均为模拟信号，要求的取值范围不尽相同，而采样周期要求相同， 以能够测出实时变化趋势而不失真为准；实践证明，对于制动压力这样变化并不 迅速的信号以采取不大于5 0 m s 得到一组有效值即可满足现场运用和试验的需要。 2 7 微控系统的分析 本系统采用总线控制方式来实现值班室控制部分对现场的控制。作为包容了 现场总线最新技术的c c l i n k ，其先进的技术性能和特点非常鲜明。 2 7 1开放式现场总线c c l i n k 技术背景和c l p a c c l i n k 是c o n t r o l & c o m m u n i c a t i o nl i n k ( 控制与通信链路系统) 的简称。 即：在工控系统中，可以将控制和信息数据同时以l o m b p s 高速传输的现场网络。 c c l i n k 具有性能卓越、应用广泛、使用简单、节省成本等突出优点。作为开放式 现场总线，c c - l i n k 是唯一起源于亚洲地区的总线系统，c c - l i n k 的技术特点尤其 适合亚洲人的思维习惯。 2 7 2c c l i n k 的通讯原理 c c - l i n k 的底层通讯协议遵循r s 4 8 5 ，具体的通讯方式见图2 4 。 韭塞銮坦太兰童些亟堂焦迨塞基奎愿堡巫丕缝筮趁 图2 ，4c c l i n k 的通信方式 c c - l i n k 提供循环传输和瞬时传输2 种通信方式。一般情况下，c c - l i n k 主要 采用广播一轮询( 循环传输) 的方式进行通讯。具体的方式是：主站将刷新数据 ( r y r w w ) 发送到所有从站，与此同时轮询从站1 ；从站l 对主站的轮询作出响应 ( r x r w r ) ，同时将该响应告知其它从站；然后主站轮询从站2 ( 此时并不发送刷 新数据) ，从站2 给出响应，并将该响应告知其它从站；依此类推，循环往复。 广播一轮询时的数据传输帧格式请参照下图，该方式的数据传输率非常商。 除了广播一轮询方式以外，c c l i n k 也支持主站与本地站、智能设备站之间的瞬时 通讯。从主站向从站的瞬时通讯量为1 5 0 字节数据包，由从站向主站的瞬时通讯 量为3 4 字节数据包。瞬时传输时的数据传输帧格式见图2 5 ，由此可见瞬时传输 不会对广播轮询的循环扫描时间造成影响。 j e 塞銮堡盔墅童些亟堂焦监塞垂奎厦堡厦丕统筮短 图2 5 瞬时传输时的数据传输帧格式 所有主站和从站之间的通讯进程以及协议都由通讯用l s i - - m f p ( m i t s u b i s h i f i e l dn e t w o r kp r o c e s s o r ) 控制，其硬件的设计结构决定了c c l i n k 的高速稳定 的通讯。构成图见图2 6 图2 6m f p 构成图 1 3 j e 塞銮重盔堂童些亟圭堂鱼迨塞基奎厦堡丞丕红筮蚯 2 7 3c c l i n k 的卓越性能 一般工业控制领域的网络分为3 到4 个层次，分别是上位的管理层，控制层 和部件层。部件层也可以再细分为设备层和传感器层，c c - l i n k 是一个以设备层为 主的网络，同时也可以覆盖较高层次的控制层和较低层次的传感器层。 2 7 3 1c o - l i n k 的网络结构 现场总线c c l i n k 的一般系统构成如图2 7 所示： 图2 7c c l i n k 系统构成 一般情况下，c c - l i n k 整个一层网络可由1 个主站和6 4 个子站组成，它采用 总线方式通过屏蔽双绞线进行连接。网络中的主站由三菱电机f x 系列以上的p l c 或计算机担当，子站可以是远程i o 模块、特殊功能模块、带有c p u 的p l c 本地 站、人机界面、变频器、伺服系统、机器人以及各种测量仪表、阀门、数控系统 等现场仪表设备。如果需要增强系统的可靠性，可以采用主站和备用主站冗余备 份的网络系统构成方式。采用第三方厂商生产的网关还可以实现从c c l i n k 到a s i 、 s - l i n k 、u n i t - w i r e 等等网络的连接。 2 7 3 2c c l in k 的传输速度和距离 c c l i n k 具有高速的数据传输速度，最高可以达到l o m b p s ，其数据传输速度随 距离的增长而逐渐减慢，传输速度和距离的具体关系如表2 1 所示。 a e 塞銮垣太竺童些亟堂焦迨塞基奎厘堡巫丕缠垃扳 表2 1 传输速度和距离的对应关系 不带中继器 带裁囊l 喏罴 带t 型分支 1 0 1 v l b p s 1 0 0 m4 3 0 0 m 儿o o m 5 m b p s 1 5 0 r n4 4 5 0 m 1 6 5 0 m 25 m b p s 2 0 0 m 4 6 0 0 m2 2 0 0 m 6 2 5 k b p s 6 0 0 m5 8 0 0 m6 6 0 0 m 1 5 6 k b p s 1 2 0 0 m7 6 叩m1 3 2 叩m c c l i n k 的中继器目前有多种：一种为t 型分支中继器a j 6 5 s b t - r p t ，每增加 一个距离延长一倍。一层网络最多可以使用1 0 个。第二种为光中继器a j 6 5 s b t r p s 或a j 6 5 s b t - r p g ，用光缆延长，因此在一些比较容易受干扰的环境可以采用。光中 继器要成对使用，每一对a j 6 5 s b t - r p s 之间的延长距离为1 公里，最多可以使用4 对：每一对a j 6 5 s b t - r p g 之间的延长距离为2 公里，最多可以使用2 对。第三种 为空间光中继器a j 6 5 b t - r p i i o a a j 6 5 b t - r p i 一1 0 b ，采用红外线无线传输的方式， 在布线不方便，或者连接设备位置会移动的场合使用。空间光中继器也必须成对 使用，两者之间的距离不能超过2 0 0 米，还有一些方便接线的中继器和与其他网 络相连的网关和网桥。 c c l i n k 提供了1 1 0 欧姆和1 3 0 欧姆两种终端电阻，用于避免因在总线的距离 较长、传输速度较快的情况下，由于外界环境干扰出现传输信号的奇偶校验出错 等传输质量下降的情况。 2 7 3 3c c - l i n k 实现高速大容量的数据传输 c c - l i n k 提供循环传输和瞬时传输2 种方式的通信。 每个内存站循环传送数据为2 4 字节，其中8 字节( 6 4 位) 用于位数据传送，1 6 字节( 4 点r w r 、4 点r w w ) 用于字传送。一个物理站最大占用4 个内存站，放一 个物理站的循环传送数据为9 6 个字节。 对于c c l i n k 整个网络而言，其循环传输每次链接扫描的最大容量是2 0 4 8 位 和5 1 2 字。 在循环传输数据量不够用的情况下，c c l i n k 提供瞬时传输功能，可将9 6 0 字 节的数据，用指令传送给目标站。 c c l i n k 在连接6 4 个远程i o 站、通信速度为l o m b p s 的情况下，循环通信的链 接扫描时间为3 7 毫秒。稳定快速的通信速度是c c l i n k 的最大优势。 2 7 3 4c c - l i n k 丰富的功能 ( 1 ) 自动刷新功能、预约站功能 c c l i n k 网络数据从网络模块到c p u 是自动刷新完成，不必有专用的刷新指令； 安排预留以后需要挂接的站，可以事先在系统组态时加以设定，当此设备挂接在 韭峦窑重友望童些亟堂焦迨塞基奎返垄拯丕缠筮堑 网络上时，c c l i n k 可以自动识别，并纳入系统的运行，不必重新进行组态，保持 系统的连续工作，方便设计人员设计和调试系统。 ( 2 ) 完善的r a s 功能 r a s 是r e l i a b i l i t y ( 可靠性) 、a v a i l a b i l i t y ( 有效性) 、s e r v i c e a b i l i t y ( 可维护性) 的缩写。例如故障子站自动下线功能、修复后的自动返回功能、站 号重叠检查功能、故障无效站功能、网络链接状态检查功能、自诊断功能等等， 提供了一个可以信赖的网络系统，帮助用户在最短时间内恢复网络系统。 ( 3 ) 互操作性和即插即用功能 c c l i n k 提供给合作厂商描述每种类型产品的数据配置文档。这种文档称为内 存映射表，用来定义控制信号和数据的存储单元( 地址) 。然后，合作厂商按照 这种映射表的规定，进行c c l i n k 兼容性产品的开发工作。以模拟量i 0 开发工 作表为例，在映射表中位数据r x o 被定义为“读准备好信号”，字数据r w r o 被定 义为模拟量数据。由不同的a 公司和b 公司生产的同样类型的产品，在数据的配 置上是完全一样的，用户根本不需要考虑在编程和使用上a 公司与b 公司的不同， 另外，如果用户换用同类型的不同公司的产品，程序基本不用修改。可实现“即 插即用”连接设备 ( 4 ) 循环传送和瞬时传送功能 匝l豳瞻 图2 8 c c l i n k 的通信模式 c c l i n k 的2 种通信的模式：循环通信和瞬时通信。循环通信是数据一直不停 地在网络中传送，数据是安站的不同类型，可以共享的，由c c l i n k 核心芯片m f p 自动完成；瞬时通信是在循环通信地数据量不够用，或需要传送比较大的数据( 最 大9 6 0 字节) ，可以用专用指令实现一对一的通信。 2 7 4 采集信号的分析 j e 塞塞垣左堂童些亟堂僮垃塞基奎厦理盈丕缝筮蚯 从上述需测的参数分析可以看出，试验参数经传感器转换后，最终变成电压 信号，还需要进行滤波、隔离放大等处理，下面对采集信号迸行详细分析。 信号为缓变信号，根据系统要求，它的有效数据为每5 0 m s 一次，即f = o 0 2 k h z ， 由恩奎斯特采样定理( n y q u i s t ) ，在理想的数据采样系统中，为了使采样输出信 号能无失真的复现原输入信号，必须使采样频率至少为输入信号最高有效频率的 两倍，否则会出现频率混迭误差。这是实现无信息损失重现采样数据的必要条件。 实际应用，为保证数据采集精度并剔除干扰的影响，要增加每个周期的采样数， 通常根据数据带宽，在最高频率每周期采样7 1 0 次，即f = o 1 4 0 2k h z ，并在 d 转换前设置低通滤波，消除信号中无用的高频分量，由于本系统是多通道数据 采集系统，分时控制采样，对模拟量的采集中，还要考虑通道的分时、模拟信号 的带宽、光藕的延迟等多方面因素，采集系统得最小采样频率应大于4k h z ，这样 可以满足缓变信号的要求。 试验对漏泄的测试是每分钟2 0k p a 的压力变化，所以对信号要求的分辨率以 十分之一或二十分之一为宜，即l 2k p a ，对应于传感器输出电压变化为= l 2 l 出“1 0 0 0k p a x 5 v = o 0 0 5 田0 1 v ： j e 塞窒堡盔堂童些亟堂焦丝塞丝蕉丕统理性电路途进友塞 3 微控系统硬件电路设计方案 3 1 微控系统的总体设计 3 1 1 微控系统的硬件功能 整个系统的硬件主要分为上位机、c c l i n k 通讯模块、p l c 三个部分。微控系 统硬件结构框图如图3 1 。 本系统上位机在硬件与软件上预留了网络接口，为日后系统作业接入到h m i s 系统做了准备。 幽3 1 微控系统硬件结构框图 j e 塞窑塑盔堂童些亟堂僮控塞邀蕉丕缝堡鲑皇整途让左塞 3 1 2a d 模块：f x 2 n 2 a d 的特性 f x 。- 2 a d 型模拟输入模块用于将两点模拟输入( 电压输入和电流输入) 转换成 1 2 位的数字值，并将这个值输入到可编程控制器中。 ( 1 ) 根据连线方法，模拟输入可在电压输入或电流输入中进行选择。此时假 定设置为两通道公用模拟输入( 电压输入或电流输入) 。 ( 2 ) 两个模拟输入通道可接受的输入为0 - 1 0 vd c ，旷5 vd c ，或4 到2 0 m a 。 使输入特性与两通道相容。 ( 3 ) 模拟到数字的转换特性可以进行调节。 ( 4 ) 此模块占用8 个i o 点，可被分配为输入或输出。 ( 5 ) 使用f r o m ，r o 指令与p l c 进行数据传输。 3 1 3d a 模块：f x 2 n 一2 d a 的特性 f x 矿2 d a 型的模拟输出模块用于将1 2 位的数字值转换成2 点模拟输出( 电压 输出和电流输出) ，并将它们输入到可编程控制器中。 ( 1 ) 根据连线方法，模拟输出可在电压输出或电流输出中进行选择。此时假 定设置为两通道公用模拟输出。 ( 2 ) 两个模拟输出通道可接受的输出为0 - 1 0 vd c ，0 - 5 vd c ，或4 到2 0 i a ( 电 压输出电流输出的混合使用也是可以的。) ( 3 ) 分辨率为2 5 m v 和4 | i a 。 ( 4 ) 数字到模拟的数字转换特性可以进行调整。 ( 5 ) 此模块占用8 个i o 点，可被分配为输入或输出。 ( 6 ) 使用f r o m t 0 指令与p l c 进行数据传输。 3 1 4 传感器及选型 外界的非电参数如空气压力等物理量必须转换成电量才可由计算机进行测 量，这种转换一般可通过敏感元件、传感器、测量仪表来实现。传感器是由敏感 元件及相应的测量电路、传递机构等构成的非电量测量系统的中心元件，适用方 便，精度高，抗干扰能力强，工程应用广泛。虽然传感器的种类、原理、结构不 同，但有一些基本要求是共同的，即：可靠性、动态性能、通用性、静态精度、 抗干扰能力、小体积、低成本、低能耗等，下面将本系统所使用的传感器作具体 韭基銮逼太堂童些亟堂焦丝塞丝撞丕缝堡住电堕邀盐友塞 介绍。 压力测量一般可采用压力仪表或传感器，通常在一个密闭的容器中施加压力， 使其中的弹性元件变形( 产生线位移、角位移、挠度) ，然后通过变换器将它变成 机械量输出或电量输出。例如机车上早期采用的压力传感器，通常以“金属膜片+ 杠杆+ 电位器”的形式构成，但精度、分辨率较低、线形度较差。压力的测量有测 量压强和压力( 气体压力) 两种，系统中为气体压力。 压力传感器主要有应变式和压阻式两种。应变压力变送器是将压力转换成电 阻的变化来实现压力测量的目的，应变电阻的变化和应变得关系为a r r 一( 1 + 2 u ) e ，式中，l l 为材料的泊松系数，e 为应变量。 压阻式压力变送器的原理基于某些晶体材料的压电效应，如石英晶体和压电 陶瓷等，所谓压阻效应是指当沿某一方向对晶体施力时，晶体内部就会产生极化 现象，在其表面便产生正负电荷，撤去外力，则又恢复中性状态。表面电荷量与 外力成正比。 系统在最初的调试中选用了s h y 8 0 0 b f 压力传感器，它是硅应变式压力传感器。 它具有以下特点： 广泛应用于铁路机车压力信号的采集、输出； 灵敏度高i 硅应变式压力传感器的灵敏度比金属应变式压力传感器的灵 敏度系数大5 0 一1 0 0 倍，同时满量程输出可达5 0 5 v ； 测量范围宽；1 0 p a 至1 m ； 频率响应高；不仅可以测量静态压力，还可以检测几十千赫的脉动压力， 由于频响提高，测量动态特性好； 精度高、工作可靠、寿命长； 该传感器在我们所做的针对传感器的对比实验中综合性能较高，但在整个系 统的联调过程中发现这种电压输出型的传感器的抗干扰能力较差，输出信号经处 理后仍会出现干扰，在图形上体现为大量密集的毛刺，毛刺的峰谷值达到2 0 k p a ， 己不能满足系统得要求。 分析干扰产生的原因，有如下几点： 限于试验器的空间，传感器只能选用体积较小的开关电源，而不能选用 输出品质高而体积重量大的线形电源； 传感器的安装位置距电磁阀很近，只有几厘米，大的感性负载在动作时 会形成干扰源； 最重要的，电压输出型传感器本身的抗干扰能力较差。 基于上述分析，我们在其他硬件不变的情况下将电压输出型传感器置换为电 流输出型传感器，在输出端串接精密电阻来获取电压信号，两种型号的传感器均 j 塞窒垣盔堂童些亟堂鱼论室邀撞丕缝毽往皇墅邀进友塞 取得良好的试验效果，输出信号精准、稳定，完全可以满足系统的要求。 最终选用了两线输出4 2 0 m hi ) c 的m p m 4 8 0 型压阻式压力变送器。其测量 部件是一个装有固态压阻压力敏感芯片的带不锈钢隔离膜片的全焊接不锈钢体。 钢体内部灌注硅油，被测压力作用在膜片上通过硅油被传递到敏感芯片上，敏感 芯片通过导线与变送器专用放大电路相连接，利用半导体硅材料压阻效应实现压 力与信号的转换。由于敏感芯片上的惠斯登电桥输出的电信号与作用压力有良好 的线性关系，即实现了对压力的准确测量。其原理见图3 2 。 m p m 4 8 0 型压阻式压力变送器的主要技术性能如下： 测量范围：1 m p a 过载：1 5 倍满量程压力 压力类型：表压或绝压或密封参考压力 过程连接：g 1 2 外螺纹带密封垫 外壳防护：i p 6 3 精确度：0 3 f s 稳定性：0 1 f s 输出信号：4 2 0 2 0 r n hd e 传输方式：两线 l _ a 玎 l和 。 譬两忑剥量辙1 1 5 j a 嗽 从丘 孛船“兰 l1 “i l 太 、每 肇 一。厂= = = ：= = _ ：= l ：竺：l ，“一 l 一 接皇j 。q d r 鼍毡订量 ，一 图3 2 传感器接线原理图 2 1 j e 塞銮适盔堂童些亟堂僮途塞丞筮墼住笪邀让 4系统软件的设计 本系统的使用者是现场的工作人员，具体的说是各货车车辆段列检所班组的 员工，所以设计时更多的考虑软件的方便性，达到界面美观、功能强大、操作方 便。 4 1 软件的开发环境 软件设计是基于w i n d o w s 9 8 x p 2 0 0 0 环境运行，它的程序设计风格是面向对 象，事件驱动的，并以消息的产生、循环和处理为运行机制的。 软件编程采用v i s u a lb a s i c5 0 ( 简称v b ) ，它的“可视性”和“面向对象” 的特征是简化w i n d o w s 程序开发的关键。v b 将许多w i n d o w s 常用