1 引言 可編程邏輯控制器(PLC—Programmable Logic Controller)，簡稱可編程控制器，它是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)和自動控制技術(shù)發(fā)展而來的一種新型工業(yè)控制裝置。它問世于20世紀(jì)60年代，到現(xiàn)在仍保持旺盛的發(fā)展勢頭。它具有體積小、功能豐富、配置靈活、適應(yīng)惡劣環(huán)境、抗干擾性強(qiáng)、可靠性高、編程方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于電力、機(jī)械、冶金、化工、輕紡等各個(gè)工業(yè)過程自動控制中。它不僅可以取代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，還可構(gòu)成復(fù)雜的過程控制網(wǎng)絡(luò)。 現(xiàn)場總線技術(shù)是20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來的，它是目前自動化領(lǐng)域中的一個(gè)熱點(diǎn)，是新一代控制系統(tǒng)的發(fā)展方向，它綜合了數(shù)字通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能儀表等多種技術(shù)手段，從根本上突破了傳統(tǒng)的“點(diǎn)對點(diǎn)”式的模擬信號或數(shù)字—模擬信號控制的局限性，構(gòu)成一種全分散、全數(shù)字化、多變量、多節(jié)點(diǎn)的通信與控制系統(tǒng)。現(xiàn)場總線則是連接現(xiàn)場智能設(shè)備和自動化控制設(shè)備的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，其基礎(chǔ)是數(shù)字智能現(xiàn)場裝置。分散在各個(gè)現(xiàn)場的數(shù)字智能現(xiàn)場裝置通過現(xiàn)場總線連為一體，并與控制室中的控制器和監(jiān)視器一起構(gòu)成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS—Fieldbus Control System）。 現(xiàn)場總線技術(shù)實(shí)際上是采用串行數(shù)據(jù)傳輸和連接方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的并聯(lián)信號傳輸和連接方式的方法，它依次實(shí)現(xiàn)了控制層和現(xiàn)場總線設(shè)備層之間的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)在保證傳輸實(shí)時(shí)性的情況下實(shí)現(xiàn)信息的可靠性和開放性。一般的現(xiàn)場總線具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）布線簡單；（2）開放性；（3）實(shí)時(shí)性；（4）可靠性；（5）高效診斷；（6）硬件靈活。 目前，國際上各種各樣的現(xiàn)場總線有很多種，統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)尚未建立。其中有較強(qiáng)實(shí)力和影響的有： FF（Foundation Fieldbus 基金會現(xiàn)場總線）、HART（Highway Addressable Remote Transducer）、CAN（Controller Area Network 控制器局域網(wǎng)）、Profibus（Process Field Bus 過程現(xiàn)場總線）、INTERBUS、LonWorks（Local Operating Network 局部操作網(wǎng)絡(luò)）、WorldFIP、MODBus、DeviceNet、ControlNet 、ASi（Actuator Sensor Interface 執(zhí)行器傳感器接口）等。 基于PPC工業(yè)計(jì)算機(jī)、PLC及現(xiàn)場總線的電氣控制系統(tǒng)在工業(yè)自動化領(lǐng)域，如冶金、電力、石化、礦山、水泥、水處理、乳品飲料、啤酒罐裝、煙草加工、機(jī)械裝配、產(chǎn)品包裝等已得到廣泛的應(yīng)用，但是在鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械電氣控制系統(tǒng)中還沒有廣泛應(yīng)用。本文根據(jù)鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出一種基于PPC工業(yè)計(jì)算機(jī)、PLC及INTERBUS現(xiàn)場總線的鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。 2 現(xiàn)狀 養(yǎng)路機(jī)械化是實(shí)現(xiàn)鐵路維修養(yǎng)護(hù)現(xiàn)代化、保證鐵路不間斷運(yùn)輸和行車安全的重要技術(shù)手段。為適應(yīng)鐵路快速、重載以及軌道結(jié)構(gòu)重型化的技術(shù)發(fā)展要求，發(fā)達(dá)國家鐵路相繼采用大型養(yǎng)路機(jī)械進(jìn)行鐵路線路維護(hù)，到上世紀(jì)80年代末，已基本形成以大型養(yǎng)路機(jī)械為主要作業(yè)手段的格局。而此時(shí)，我國還在依靠手工、小型機(jī)械和非標(biāo)準(zhǔn)自制設(shè)備進(jìn)行線路維護(hù)，作業(yè)質(zhì)量差、效率低，特別是在繁忙干線，線路維護(hù)與運(yùn)營的矛盾尤其突出。 上世紀(jì)80年代初期，我國從奧地利普拉塞—陶依爾公司引進(jìn)了先進(jìn)的大型養(yǎng)路機(jī)械制造技術(shù)，確立了大型養(yǎng)路機(jī)械的發(fā)展采取“技術(shù)引進(jìn)—消化、吸收—國產(chǎn)化生產(chǎn)—開發(fā)、創(chuàng)新”的途徑。通過20多年的引進(jìn)技術(shù)和國產(chǎn)化生產(chǎn)，我們學(xué)習(xí)了國外大型養(yǎng)路機(jī)械的先進(jìn)技術(shù)，更新了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)觀念，拓寬了開發(fā)思路，增強(qiáng)了開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品的能力。 隨著鐵路的跨越式發(fā)展和市場競爭的加劇，加快推進(jìn)大型養(yǎng)路機(jī)械引進(jìn)、消化、吸收國外先進(jìn)技術(shù)的進(jìn)程，加快具有自主知識產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品的研發(fā)，加快新產(chǎn)品開發(fā)速度，發(fā)展核心技術(shù)，創(chuàng)新和超越已經(jīng)成為現(xiàn)階段工作的重中之重，已經(jīng)刻不容緩。 鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械是集機(jī)械、液壓、氣動、電氣、計(jì)算機(jī)、激光等技術(shù)于一體的鐵路專用機(jī)械。按功能分有以下系列：清篩機(jī)、搗固車、配碴車、穩(wěn)定車、鋼軌打磨車、鋼軌探傷車、軌道檢測車、架線車、焊軌車、道岔鋪換機(jī)組等。對于不同功能的鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械電氣控制系統(tǒng)來說，其本質(zhì)的區(qū)別在于作業(yè)監(jiān)視控制系統(tǒng)。到目前為止，我國的清篩機(jī)、搗固車、配碴車、穩(wěn)定車等鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械的技術(shù)主要是在引進(jìn)、消化吸收奧地利普拉塞—陶依爾公司鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它屬于模擬集中式控制系統(tǒng)，它主要由以下子系統(tǒng)組成： （1）整車電源子系統(tǒng)； （2）柴油機(jī)監(jiān)視控制子系統(tǒng)； （3）高速走行監(jiān)視控制子系統(tǒng)； （4）作業(yè)監(jiān)視控制子系統(tǒng)； （5）輔助設(shè)備子系統(tǒng)：包括照明、通話、取暖及空調(diào)等。 其中作業(yè)監(jiān)視控制子系統(tǒng)是各類鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械電氣控制系統(tǒng)的核心，它完成作業(yè)機(jī)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)視、完成作業(yè)機(jī)構(gòu)動作的控制。不同功能的鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械，其作業(yè)監(jiān)視控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度有著很大的差別。如清篩機(jī)和配碴車，它的作業(yè)監(jiān)視控制系統(tǒng)比較簡單。而搗固車、穩(wěn)定車、鋼軌打磨車、鋼軌探傷車、軌道檢測車、架線車等，它們的作業(yè)監(jiān)視控制子系統(tǒng)就比較復(fù)雜。下面以穩(wěn)定車的作業(yè)監(jiān)視控制子系統(tǒng)為例作一介紹，它由以下部分組成： （1）計(jì)算機(jī)控制部分：由上位機(jī)控制板、鍵盤、顯示器構(gòu)成； （2）程序控制部分：由下位機(jī)控制板、I/O板、功率輸出板組成的微機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成； （3）模擬量控制部：由A/D轉(zhuǎn)換板、D/A轉(zhuǎn)換板、頻率測量板、各種功能的模擬控制板構(gòu)成； （4）測量部分：由左、右抄平傳感器，加速度傳感器，振頻傳感器等構(gòu)成； （5）軌道參數(shù)記錄部分：由記錄儀、前、后電子擺，正矢傳感器，測量輪等構(gòu)成。 普拉塞—陶依爾公司的模擬集中式控制系統(tǒng)的特點(diǎn)如下： （1）各子系統(tǒng)的監(jiān)視部分都使用模擬儀表或數(shù)字顯示器或指示及報(bào)警燈； （2）功能復(fù)雜機(jī)型作業(yè)監(jiān)視控制子系統(tǒng)的控制部分都使用插裝式模擬電路板和由插裝式電路板組成的微機(jī)系統(tǒng)； （3）作業(yè)監(jiān)視控制子系統(tǒng)中各I/O信號的接線方式均為“終端（開關(guān)、傳感器/電磁閥、繼電器）—作業(yè)主控制柜”或“終端元件（開關(guān)、傳感器/電磁閥、繼電器）—中間過渡箱—多芯電纜—作業(yè)主控制柜”的傳統(tǒng)接線方式（如圖1）； （4）軌道參數(shù)記錄系統(tǒng)為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，與微機(jī)及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)沒有通訊和數(shù)據(jù)交換。 圖1：傳統(tǒng)的接線方式 普拉塞—陶依爾公司的模擬集中式控制系統(tǒng)存在以下不足： （1）監(jiān)視儀表、指示及報(bào)警燈安裝位置分散；模擬儀表信號僅用作顯示而未進(jìn)入過程控制； （2）插裝式電路板的抗振性能、抗沖擊性能、防塵性能均不好；模擬電路板的調(diào)整（如?！?”、標(biāo)定）由多個(gè)電位器來完成，比較復(fù)雜；控制系統(tǒng)中采用模擬量對傳輸及控制信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換、傳遞，其精度差、受干擾信號影響大，因而整個(gè)控制系統(tǒng)的控制效果及系統(tǒng)穩(wěn)定性都較差； （3）集中控制模式使得作業(yè)主控制柜體積較大；I/O信號傳統(tǒng)的接線方式，使作業(yè)主控制柜中有大量連接電纜，使斷點(diǎn)和接點(diǎn)增加而增加故障點(diǎn)，使檢修和維護(hù)變得復(fù)雜。 3 系統(tǒng)要求 針對上面列舉的不足，有必要設(shè)計(jì)一種新的電氣控制系統(tǒng)，它應(yīng)滿足以下要求。 3.1 基本要求 新的大型養(yǎng)路機(jī)械電氣控制系統(tǒng)應(yīng)具有統(tǒng)一的顯示、指示及報(bào)警，具有過程控制功能；具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，具有較好的抗振性能、抗沖擊性能、防塵性能，能經(jīng)受高溫、高濕的環(huán)境。 3.2 具體要求 新的鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械電氣控制系統(tǒng)主要針對柴油機(jī)監(jiān)視控制子系統(tǒng)、高速走行監(jiān)視控制子系統(tǒng)、作業(yè)監(jiān)視控制子系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，而對于整車電源子系統(tǒng)和輔助設(shè)備子系統(tǒng)，它們都是點(diǎn)對點(diǎn)的簡單控制，不作重新設(shè)計(jì)。下面詳細(xì)介紹這三個(gè)子系統(tǒng)的各種輸入輸出信號。 3.2.1 柴油機(jī)監(jiān)視控制子系統(tǒng) 3.2.1.1 柴油機(jī)監(jiān)視部分 輸入DI信號：油壓開關(guān)信號、缸蓋溫度（水溫）開關(guān)信號、空氣濾清器開關(guān)信號、直流發(fā)電機(jī)發(fā)電狀態(tài)開關(guān)信號等； 輸入AI信號：轉(zhuǎn)速傳感器信號、油壓傳感器信號、缸蓋溫度（水溫）傳感器信號、電瓶電壓信號、柴油油位傳感器信號等； 輸出DO信號：預(yù)熱指示信號等； 3.2.1.2 柴油機(jī)控制部分 輸入DI信號：怠速位感應(yīng)開關(guān)信號、高速走行位感應(yīng)開關(guān)信號、作業(yè)位感應(yīng)開關(guān)信號等。 輸出DO信號：油門電機(jī)驅(qū)動信號等； 3.2.2 高速走行監(jiān)視控制子系統(tǒng)（靜液壓傳動模式） 3.2.2.1 高速走行監(jiān)視部分 輸入DI信號：各軸掛、脫擋感應(yīng)開關(guān)信號等； 輸入AI信號：速度—里程傳感器信號等； 3.2.2.2 高速走行控制部分 輸入DI信號：掛擋開關(guān)信號，點(diǎn)動掛擋開關(guān)信號，向前、向后走行開關(guān)信號，走行手柄位置信號等。 輸入AI信號：走行手柄電位器信號等。 輸出DO信號：向前、向后閥驅(qū)動信號，掛擋閥驅(qū)動信號等。 輸出AO信號：走行泵比例閥驅(qū)動信號等。 3.2.3 作業(yè)監(jiān)視控制子系統(tǒng)（以新型穩(wěn)定車為例） 輸入DI信號：各種開關(guān)、行程開關(guān)、感應(yīng)開關(guān)信號共125個(gè)； 輸入AI信號：左、右抄平傳感器信號，前、后電子擺信號，正矢傳感器信號，測量輪信號，加速度傳感器信號，振頻傳感器信號共7個(gè)； 輸出DO信號：各種開關(guān)電磁閥驅(qū)動信號共82個(gè)； 輸出AO信號：比例電磁閥驅(qū)動信號共4個(gè)。 4 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.1 INTERBUS現(xiàn)場總線簡介 INTERBUS現(xiàn)場總線于1984年推出，其主要技術(shù)開發(fā)者為德國的Phoenix Contact公司。INTERBUS現(xiàn)場總線采用非常獨(dú)特的集總幀傳輸協(xié)議，有效數(shù)據(jù)傳輸率高達(dá)52%，具備強(qiáng)大的故障診斷功能；采用雙絞線無中繼器傳輸距離長達(dá)12.8公里；單主站可連接最多達(dá)255個(gè)從站；掃描8192個(gè)I/O點(diǎn)的時(shí)間僅為7.8毫秒（500Kbps）。由于該總線的快速發(fā)展和廣泛使用，INTERBUS 已先后成為DIN19258德國標(biāo)準(zhǔn)、EN50254歐洲標(biāo)準(zhǔn)、IEC61158現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)和中國機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10308.8所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線。INTERBUS在全球有1000多家總線設(shè)備生產(chǎn)商，