２０１０年第６期 ２０１０年１１月１０日 机 ＿ｊ！Ｆ 电 传 动 ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＤＲＩＶＥ ＦＯＲ ＬＯＣＯＭＯＴＩＶＥＳ 周年专栏 作者简介：龚军（１９７０－）． 摘要：简要介绍了动力稳定车网络控制系统的研究开发背景，着重对以ＣＡＮ总线为基础的男・高级工程师，主要从事 ＷＤ．３２０型动力稳定车网络控制系统的组成、功能进行了阐述，并对分布式作业控制模式和关键通信譬鼍工程机械 气系统与 参数进行了分析计算。 专栽 信网络等方面的技 关键词：网络控制；ＣＡＮ总线；动力稳定车；模块；分布式作业；通信参数 中图分类号：Ｕ２７３；ＴＰ３９３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００－１２８Ｘ（２０１０）０６—００４８—０３ ’…… Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｔｏ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｔｒａｃｋ Ｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇ Ｖｅｈｉｃｌｅ ＧＯＮＧ Ｊｕｎ ，ＣＨＥＮ ＰｉＩｌｇ－ｓｏｎｇＩ＇ （１．Ｚｈｕｚｈｏｕ Ｔｉｍｓ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｚｈｕｚｈｏｕ，Ｈｕｎａｎ ４ １ ２００７，Ｃｈｉｎａ； ２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ ＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ，Ｓｉｃｈｕａｎ６１００３１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｄｙｎａｍｉｃ ｔｒａｃｋ ｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇ ｖｅｈｉｃｌｅ， ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ＣＡＮ ｂｕｓ—ｂａｓｅｄ ｎｅｔｗｏｒｋ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ＷＤ一３２０ ｄｙｎａｍｉｌ ｔｒａｃｋ ｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇ ｖｃｈｉｃｌｅ。Ｔｈｅ ｍｏｄｅ ｏｆ ｄｉｓｔｉｂｕｔｒｅｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｋｅｙ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｗｅｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｎｅｔｗｏｒｋ ｃｏｎｔｒｏｌ；ＣＡＮ－Ｂｕｓ；ｄｙｎａｍｉｃ ｔｒａｃｋ ｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇ ｖｅｈｉｃｌｅ；ｍｏｄｅｌ；ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ；ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ０ 引言 动力稳定车（简称稳定车）是集机、电、液、气和微 机控制于一体的白行式大型铁路线路机械，通过其作 随着用户对控制网络的开放性、性价比等要求的 提高及基于网络的远程诊断与维护等新需求的提出， 各种通信网络类型在车载控制系统中得到了应用。就 业迅速提高线路的横向阻力和道床的整体稳定性，线 路维修作业完成后可放宽列车限速运行的限定条件。 为此，国内外铁路都十分重视道床稳定机械的研究。 欧洲的许多国家采用轨道动力稳定车对线路进行动力 稳定已有一定历史。 目前铁路车载通信网络应用情况而言，相应存在不同 类型网络的实用产品：如ＩＥＣ ＴＣＮ、ＡＲＣＮＥＴ、Ｌｏｎｗｏｒｋｓ 和ＣＡＮ等。由于ＣＡＮ总线具有突出的可靠性、实时性 和灵活性等优点，在丁程机械行业的发展方兴未艾。 大型养路机械网络控制平台采用了ＣＡＮ总线做为其车 载控制网络。 我国１９８４年首次引进奥地利ＰＬＡＳＳＥＲ公司生产的 ＤＧＳ．６２型动力稳定车，１９９６年国产化的ＷＤ一３２０动力稳 １ 稳定车网络控制系统组成 基于ＣＡＮ总线的稳定车网络控制系统由４类基础 模块构成：人机接口模块、数字量输出模块、数字量输 定车通过工业性考核开始组织生产，并替代进口车。 但在多年实际的生产和运用实践中，传统的ＷＤ．３２０轨 道动力稳定车电气系统暴露出了一些问题，如系统调 入模块和模拟量输入模块。每个模块都有一定控制功 能和职责，具体的控制动作（模拟量、开关量输入输 出）由底层模块完成，系统的人机交互显示和操控Ｆｈ 试维护麻烦、抗干扰能力差以及现场使用时常反映系 统上位机下位机通信不好、系统死机等。因此，搭建一 套新的可靠高效系统，是动力稳定车电气系统开发所 面临的紧迫要求。 收稿日期：２００９—０６—０１；收修改稿日期：２０１０—０６—１ ８ －——人机接口模块完成。针ＸＣＷＤ．３２０型稳定车，网络控制 系统总共包含２１个模块（如图１），其中人机接口模块４ 个，数字量输出模块８个，数字量输入模块６个，模块量 输入模块３个。动力稳定车网络控制系统的开发基于闰 ４８－—— 第６期 龚 军，陈平松：网络控制技术在动力稳定车上的应用 内首套自主研发并拥有完全知识产权的大型养路机械 通用网络控制平台。 实现，因此只在该模块中存储了对稳定头相关的逻辑 算法，作业ｔ￣Ｊ１４模块只需要从网络上获取相应的控制 信号，再经过逻辑运算后控制输 出即可。如前稳定头左移信号 ＱＬ３Ａ＝ｌＬ ，只需从网 络上取得ＩＬ、２Ｍ、２Ｎ、３４这４个信 号就可通过逻辑算式计算出当 前ＱＬ３Ａ应当输出的信号。 ２．２．２电液伺服闭环控制 轨道均匀的下沉量是由稳 定装置的振动和两侧的垂直油 缸施加一定的下压力产生的，下 沉量的大小由下压力的大小来 决定，而下压力的大小靠数字量 输出模块通过信号转换板驱动 电液比例阀来实现控制。由于伺 服阀具有精度高、响应快、驱动 图ｌ ＷＤ３２０稳定车网络控制系统组成 电流小等特点，其伺服电流与通 过阀的流量成正比，因此伺服系 统常应用在对精度要求较高的 大型养路机械电气系统的输出控制中。 ２稳定车网络控制系统的功能及原理 ２．１ 作业原理 稳定车左右下沉量的控制为一个不超调的目标值 控制。对于这种控制，从理论上来说采用比例和微分 调节是一种比较理想的控制方式。因为ＰＤ调节器的调 节效果较好，被调量的动态偏差较小，稳态偏差也不 动力稳定车的工作是模拟列车运行时对轨道产生 的压力和振动等综合作用，其Ｔ作原理是在激振器使 轨排产生水平振动的同时，再由稳定装置的垂直油缸 对每条钢轨自动施加必要的下压力，轨道在水平振动 力和垂直下压力的共同作用下，道碴重新排列达到密 大，调节过程结束快。但是，微分作用对干扰的反应很 灵敏，容易造成调节机构的误动。因此，为了确保作业 的精度，系统对左、右下沉动作的控制还是采用了经 典理论中的ＰＩＤ闭环控制模式，只是系统中比例调节器 的比重相对较少，控制框图如图２所示。 预给定 实，并使轨道有控制地均匀下沉。在作业前，首先将 单、双弦测量系统中的各测量小车降落到钢轨上，并 给各测量小车和中间测量小车的测量杆施加垂直载 荷，将单弦测量系统中的３个测量小车同一侧的走行轮 顶紧基准钢轨的内侧，张紧单弦和双弦。然后，再将稳 定装置降落到钢轨上，使稳定装置与轨排成为一个整 体，使动力稳定车处于作业状态。在作业时，由一台液 压马达同时驱动２套稳定装置的２个激振器，使激振器 和轨道产生强烈的同步水平振动。轨道在水平振动力 的作用下，道碴重新排列和密实。与此同时，稳定装置 罔２ 电液伺服闭环控制框图 离散的ＰＩＤ表达式积分用累加求和近似得： ＇的垂直油缸分别给予两侧钢轨施加向下的压力，使轨 道均匀下沉，并达到预定的下沉量。 ２．２控制模式 ２．２．１分布式控制 ｅ（ｒ）ｄｆ：∑Ｋ Ｐ（ｆ）７’： ∑Ｋ Ｐ（ｆ） （１） ｏ微分用一阶差分近似得： —ｄｅ（ｔ） ｅ（ｋ）－ｅ（ｋ－１） ———ｒ ２、 、 网络控制系统采用分布式控制方式，根据模块和 输入输出部件的实际空间分布对逻辑控制进行设计和 划分。这样每个输出模块都只需存储一部分逻辑算式， 且只进行对应执行机构的逻辑运算。通过网络将所有 ｄｆ 式中：卜——采样周期；七——采样序号，七＝０，１，２，…； ｅ（ｋ）——系统在第ｋ次采样时刻的偏差值；ｅ（七一１） 系统在第七一１次采样时刻的偏差值。 “ （Ｐ＋ ＋ （３） 控制模块的功能整合成一个完整的整车作业逻辑。 例如，控制稳定头左右移及旁通的作业由Ｊｌ４模块 机 车 电 传 动 将式（１）和式（２）代入式（３），则可得到离散的ＰＩＤ 表达式： 个 作温度、工作时间、通道的信号（模拟量或数字量以及 输出通道的电流值以及通道短路情况等）、模拟量模块 内部的±１０ Ｖ电压以及数字量输入输出模块的工作电 源等。每个模块的诊断数据单独作为１帧进行发送。 为保证系统数据的实时性，所有模块每１０ ｍｓ向总 （ ）＝Ｋ ｛ （ ）＋ ∑Ｐ／ｉ（ｆ）＋等［Ｐ（庀）一Ｐ（七一１）】｝＋材。（４） ＝０ 上式计算复杂，浪费内存。考虑到第ｋ一１次采样时 有： ｕ（Ｏｋ－ｋ １１）＋ ）＝ ｛Ｐ（七一１）＋ ∑ＰＪ・ （ｆ）＋ ［和 （』 Ｐ（七一１）一Ｐ（ ） 一２）］）｝ ＋ ｉ＝０线上发送一次控制数据，诊断数据则每秒发送１次。系 统采用扩展帧的数据格式，假设数据的长度为ｌ ５６位， 那么，单个模拟量输入模块每秒的数据量为（忽略帧 与帧之间的问隔进行近似计算，填充位按２８位来近似 计算，以下同）： ２帧Ｘ １５６位／帧×Ｉｓ／１０ｍｓ＋ｌ帧×１５６位，帧＝３ｌ ３５６位 （５） 两式相减，得： （七）一甜（七一１）＝ＫＰ｛Ｐ（七）一Ｐ（七一１）＋÷Ｐ（七）＋ １， 单个数字量输入模块每秒的数据量（假设平均每 个数字量输入模块含一个频率量）约为： １帧Ｘ １５６位／帧Ｘ ｌｓ／１０ｍｓ＋１帧×１５６位／帧＝１５ ７５６位 单个数字量输出模块每秒的数据量约为： １帧Ｘ １５６位／帧Ｘ ｌｓ／１０ｍｓ＋ｌ帧×１５６位／帧＝１５ ７５６位 人机交互模块的控制数据域主要包括在作业过程 中人为通过显示界面或键盘输入的作业参数。该数据 （６） ［ｅ（ｋ）－２Ｐ（七一１）＋ｅ（ｋ－２）１｝ ¨ ｌ＋Ｐ（１＋ ＋ 孕 ¨）＋Ｋｅ了Ｔｏ ＿１）＝ ｕ（ｋ一１）＋ａｏｅ（ｋ）－ａ．ｅ（ｋ－１）＋０２ｅ（ｋ一２） 只有在参数发生变化时才向网络上发送数据，平时不 发送数据，故可近似忽略不计。 如前所述，稳定车上共用到２１个模块即２１个节点， 式中：ａ０＝Ｋｐ（１＋ Ｔ＋等 （１＋ ；ａ２＝Ｋｐ－７ －。 模拟量输入模块３个、数字量输入模块６个、数字量输 式（６）是本系统设计中ＰＩＤ控制的计算式。 出模块８个以及人机交互模块４个。在忽略人机交互模 系统中采样周期丁取值２０ ｍｓ，其他参数依据现场 伺服阀和液压系统的实际情况确定，并根据确定好的 比例增益、积分时间常数和微分时间常数，计算出ａ 、 ａ．和ａ 。然后通过人机交互模块中相应的参数设置界 面对其进行设置并发送至底层模块保存和应用。同时， 根据线路的不同特性，可通过人工调节预给定参数适 当调整系统中的 参数。 块和不考虑传输距离的情况下，满足系统的最小通信 速率应为： ３ｌ ３５６×３＋１５ ７５６ Ｘ ６＋１５ ７５６ Ｘ ８＝３１４ ６５２（ｂｐｓ） 但是，ＣＡＮ—ｂｕｓ通信速率与传输距离存在一定的关 系，两者的关系如表１所示。 表１ ＧＡＮ通信速率与传输距离的关系 位速率／ｋｂｐｓ １０００ ５００ ２５０ １２５ １００ ５０ ２０ １０ ５ 最大距离，ｍ ４Ｏ １３０ ２７０ ５３０ ６２０ １ ３００ ３ ３００ ６ ７００ １０ ０１３０ ３数据通信速率 ＣＡＮ通信报文传输的数据帧由７个域组成：帧起 始、仲裁域、控制域、数据域、ＣＲＣ域、应答域和帧结束 域。ＣＡＮ２．０总线规范又定义了２种不同的数据格式（标 稳定车通信线的平均长度在１．５ ｍ左右，故整个网 络的总长度为：２１ Ｘ １．５ ｌｒｌ ３２ ｍ。 按照表１中的关系，其波特率可达ｌＭｂｐｓ，完全满 足系统通信速率要求。 准帧和扩展帧），其主要区别在于仲裁域中标识符的长 度不同，含有ｌ １位标识符的帧为标准帧，含有２９位标识 符的帧为扩展帧。ＣＡＮ总线的标准数据帧的长度是 ４４～１０８位，而扩展数据帧的长度是６４～１２８位。根据数 据流代码的不同，标准数据帧可以插入２３位填充位， 扩展数据帧可以插入２８位填充位。因此，标准数据帧 最长为１３１位，扩展数据帧最长为ｌ５６位。 系统在正常］二作状态下数据域中的数据主要有模 拟量输入模块８个通道的采样值（８个１６位的模拟量）、 ４总结 稳定车网络控制系统实现了模块化设计理念和分 布式网络控制，使系统具有相对更强的抗干扰能力和 更高的可靠性。ｆ｝１于模块产品的简统化，实现了部件的 通用性，使生产、维护、调试更加方便简捷。ＣＡＮ网络 控制技术在动力稳定车上的应用，在国内乃至世界卜 尚属首例。目前，该系统已经开始进行装车工业考核。 参考文献： ［１］赵凤德．动力稳定车［Ｍ］．北京：中冈铁道出版社．１９９５． ［２］苏奎峰，吕 强，常天庆，张永秀．ＴＭＳ３２０Ｘ２８ｌＸＤＳＰ原理 及ｃ程序开发［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版｝十，２００８． 数字量输入模块１６个通道的采样值（包括对频率量的 采样，最多４个字节）、数字量输出模块８个通道的输出 值（共８个字节）和人机交互模块的控制数据以及各模 块的Ｔ作状态诊断数据。诊断数据主要包括模块的Ｔ
