1引言 為確保性能可靠，鐵路內(nèi)燃機(jī)車用柴油機(jī)每次大修后需進(jìn)入柴油機(jī)試驗(yàn)站進(jìn)行臺架試驗(yàn)，經(jīng)驗(yàn)收合格后方可裝車運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)臺架試驗(yàn)自動控制的主要困難是：一、程序復(fù)雜，步驟繁多，邏輯關(guān)系復(fù)雜，各種條件相互關(guān)聯(lián)；二、所測參數(shù)種類眾多，整個(gè)試驗(yàn)過程需檢測溫度參數(shù)33種，壓力參數(shù)51種，轉(zhuǎn)速3種，電流4種，電壓4種，流量2種，共計(jì)97種，報(bào)警種類82種；三、現(xiàn)場環(huán)境惡劣，高溫潮濕，主發(fā)電機(jī)等其它各種電機(jī)的電磁干擾強(qiáng)（最高電壓770V，最大電流4800A），機(jī)械震動大，這些都對控制設(shè)備的抗干擾性和可靠性提出了較高要求。 基于這種情況，并結(jié)合錦州機(jī)務(wù)段的實(shí)際情況，我們開發(fā)了一種基于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)SHCAN2000的柴油機(jī)試驗(yàn)站自動測試系統(tǒng)，解決了上述問題，并通過FIX組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)了以下幾項(xiàng)基本功能：①、自動控制試驗(yàn)過程；自動采集全部數(shù)據(jù)，并對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理；自動進(jìn)行故障報(bào)警，對報(bào)警記錄進(jìn)行保存；②、開通網(wǎng)絡(luò)接口，接入企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)；③、根據(jù)現(xiàn)場提供的基本性能參數(shù)和所采集數(shù)據(jù)，對試驗(yàn)柴油機(jī)進(jìn)行質(zhì)量評定；④、根據(jù)故障報(bào)警所示信息，進(jìn)行初步的自診斷，以方便查找故障處所。 2系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) 2.1柴油機(jī)試驗(yàn)站結(jié)構(gòu) 錦州機(jī)務(wù)段16V240ZJ型柴油機(jī)試驗(yàn)站主要由柴油機(jī)、11個(gè)各種電機(jī)及其它控制設(shè)備組成（如圖1所示），采用“SHCAN2000型現(xiàn)場控制系統(tǒng)” 2．2SHCAN2000分布式控制系統(tǒng) （1）SHCAN2000的硬件體系 本系統(tǒng)控制部分采用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，對大修柴油機(jī)的運(yùn)行性能進(jìn)行監(jiān)測，由于采用FCS進(jìn)行監(jiān)控，與以往測試方案相比，其突出特點(diǎn)為高可靠性和方便的擴(kuò)充能力，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。 系統(tǒng)配置2套工業(yè)PC機(jī)同時(shí)監(jiān)測試驗(yàn)柴油機(jī)的全部運(yùn)行參數(shù)及設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，每臺上位機(jī)都可以獨(dú)立地構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控操作站，且互不干擾，不分主次、三重冗余，互為熱備份。若用戶對于生產(chǎn)、管理方面提出新的要求需對上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)充，只需拉一根雙絞線即可實(shí)現(xiàn)，對系統(tǒng)原配置無需任何改動，從而滿足了建立全廠控制一管理一體化的需要。 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)自動關(guān)閉功能，保證了信號傳輸?shù)目煽啃裕哂休^強(qiáng)的抗干擾能力。在柴油機(jī)試驗(yàn)站現(xiàn)場高溫、油水和強(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。 （2）SHCAN2000的軟件體系  SHCAN2000系統(tǒng)選用美國Intellution公司的漢化FIX DMACS作為組態(tài)軟件完成人機(jī)界面（MMI）和數(shù)據(jù)的操作管理，軟件操作平臺采用Windows 2000，通過自行開發(fā)的網(wǎng)卡和I／O驅(qū)動程序（SHCANIO）實(shí)現(xiàn)FIX與SHCAN智能測控組件的連接，從而形成功能強(qiáng)大的系統(tǒng)。 SHCAN2000系統(tǒng)中的軟件包括兩大部分： ①運(yùn)行在監(jiān)控站PC上的FIX DMACS、I／O驅(qū)動、SHCAN2000下載與調(diào)試程序（SHCANCFG）。 ②運(yùn)行在SHCAN智能測控組件中的SHCAN組態(tài)軟件部分。SHCAN2000軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示： 3系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn) 3.1歸納數(shù)學(xué)模型 本柴油機(jī)測控系統(tǒng)能夠自動完成16V240ZJB/C型柴油機(jī)的全部出廠試驗(yàn)。整個(gè)試驗(yàn)共包括三類工況：①、磨合試驗(yàn)工況（包括19種試驗(yàn)工況）；②、調(diào)整檢查試驗(yàn)工況（包括13種試驗(yàn)工況）；③驗(yàn)收試驗(yàn)工況（包括13種試驗(yàn)工況）。整個(gè)試驗(yàn)流程復(fù)雜，項(xiàng)目繁多，每種工況又包括多個(gè)小項(xiàng)，需控制的開關(guān)量眾多，最多達(dá)30多個(gè)。累計(jì)試驗(yàn)65小時(shí)。面對如此復(fù)雜的試驗(yàn)流程，為了清晰地描述柴油機(jī)試驗(yàn)的控制過程，我們首先歸納出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。 柴油機(jī)試驗(yàn)流程的控制包含開關(guān)量的邏輯控制和柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)調(diào)節(jié)，兩者緊密結(jié)合，各工況的切換主要以計(jì)時(shí)為基準(zhǔn)同時(shí)又要兼顧不同級別的82種報(bào)警而采取不同的應(yīng)急措施。為了清楚地分析柴油機(jī)試驗(yàn)過程中不同狀態(tài)下的控制內(nèi)容，我們將柴油機(jī)試驗(yàn)按控制邏輯分解成若干步驟，依試驗(yàn)項(xiàng)目不同，步驟數(shù)目也不同。限于篇幅，只列出調(diào)整試驗(yàn)部分流程表格。 通過以上流程圖，我們分析試驗(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，柴油機(jī)功率的調(diào)節(jié)內(nèi)容也由相應(yīng)的試驗(yàn)步驟決定；另一方面，每一個(gè)試驗(yàn)步驟的切換邏輯由32個(gè)線路開關(guān)的狀態(tài)邏輯和柴油機(jī)工作狀態(tài)標(biāo)志位決定。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)流程就會依次自動進(jìn)行下去。由于所測柴油機(jī)型號不同，切換的條件和報(bào)警值不同，因此每次試驗(yàn)開始前，都要進(jìn)行柴油機(jī)型號、增壓器型號、測速電機(jī)型號的選擇。若遇特殊情況，可隨時(shí)切換到總手動進(jìn)行人工干預(yù)。步驟邏輯和工況切換條件的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以概括如下（其中Step（N）代表第N種試驗(yàn)工況，Step（M）代表某種工況的第M步驟，Step（M,N）代表M工況下第N步，work代表手動或自動模式，Type代表柴油機(jī)型號）。 在這里工況的切換主要以計(jì)時(shí)為主，輔以各開關(guān)量和報(bào)警級別來實(shí)現(xiàn)。它們不分主次，相輔相成，試驗(yàn)步驟與開關(guān)“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。 3．2現(xiàn)場總線條件下系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn) 柴油機(jī)試驗(yàn)過程中，各設(shè)備關(guān)系緊密，需要共同配合完成試驗(yàn)流程，試驗(yàn)臺的控制必須兼顧各個(gè)設(shè)備，作為一個(gè)整體進(jìn)行控制。而控制分散在現(xiàn)場，所以各個(gè)測控單元的信息必須是開放的、可以與其他單元共享。CAN總線的多主性通信方式使網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)之間可自由通信。SHCAN2000現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中提供了CAN總線網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場智能測控單元構(gòu)成的分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了自由、開放的通信方式，使得系統(tǒng)內(nèi)任何單元的測控?cái)?shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)，對于其他單元都是可見的，從而使試驗(yàn)臺的整體控制成為可能。依據(jù)現(xiàn)場功能的不同方面，SHCAN2000現(xiàn)場控制單元可按以下組態(tài)方案實(shí)現(xiàn)： （1）通信功能  通信包括現(xiàn)場與上位機(jī)的通信、現(xiàn)場單元之間的通信。為了實(shí)現(xiàn)控制信息共享，在現(xiàn)場單元分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中，每個(gè)設(shè)備的控制信息都通過CAN總線同地址映射到相同地址單元，實(shí)現(xiàn)了最大范圍的信息共享。例如，需要訪問柴油機(jī)功率是否達(dá)到給定值標(biāo)志位，各控制單元只需訪問本地?cái)?shù)據(jù)庫的S17N10單元即可?，F(xiàn)場單元與上位機(jī)以及現(xiàn)場各個(gè)單元之間的通信由模塊實(shí)現(xiàn),且有分頻器模塊控制通信速率，使CAN網(wǎng)絡(luò)不致阻塞。 （2）控制功能實(shí)現(xiàn) 控制功能包括開關(guān)量控制、工作點(diǎn)調(diào)節(jié)和流程的控制。開關(guān)量控制通過開關(guān)量運(yùn)算模塊，實(shí)現(xiàn)步驟切換邏輯運(yùn)算和開關(guān)狀態(tài)邏輯運(yùn)算。柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的控制采用閉環(huán)控制，并設(shè)置前饋控制，以達(dá)到精確控制轉(zhuǎn)速的目的，減少中間繼電器的動作頻次，延長使用周期；同時(shí)還可根據(jù)需要進(jìn)行人工干預(yù)。在試驗(yàn)進(jìn)行中，根據(jù)檢測到的油水溫和設(shè)定的上下限報(bào)警值，自動調(diào)節(jié)三個(gè)熱交換器閥門的開度，使柴油機(jī)工作在正常的油水溫下。 3．3上位機(jī)監(jiān)控管理軟件 上位機(jī)的監(jiān)控管理軟件采用美國Intellution公司Fix6．15,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)控和管理。監(jiān)控界面由模擬試驗(yàn)線路、虛擬儀表和操作按鈕組成。試驗(yàn)員可以通過模擬試驗(yàn)線路觀察電路開關(guān)狀態(tài)；試驗(yàn)主畫面顯示當(dāng)前所屬工況、進(jìn)程、主要的監(jiān)視參數(shù)、各開關(guān)狀態(tài)、各種按鈕及所發(fā)生的報(bào)警；溫度總覽畫面顯示全部的溫度參數(shù)；壓力總覽畫面顯示全部壓力參數(shù)，其它總覽畫面顯示電流、電壓、流量、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，不同畫面間通過虛擬按鈕可任意切換。FIX與現(xiàn)場的數(shù)據(jù)交換由自行開發(fā)的I／O驅(qū)動程序——現(xiàn)場測控單元的通信模塊來完成現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的“上傳”和上位機(jī)組態(tài)數(shù)據(jù)、控制命令的“下達(dá)”。柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組的溫度、壓力、電壓、電流、轉(zhuǎn)速的超限保護(hù)動作由現(xiàn)場智能測控模塊完成，一旦發(fā)生報(bào)警，在發(fā)出燈光和聲音報(bào)警信號的同時(shí)，自動采取相應(yīng)的應(yīng)急措施并自動彈出對話框，提示相應(yīng)的檢查項(xiàng)目，同時(shí)上位機(jī)保留這些報(bào)警事件的歷史紀(jì)錄（發(fā)生時(shí)間，超標(biāo)準(zhǔn)限值，操作者等），以備查詢、參考。本系統(tǒng)中不同的操作權(quán)限具有不同口令保護(hù)，使試驗(yàn)操作員和系統(tǒng)工程師權(quán)限不同，各司其職，消除由操作員誤操作帶來的對系統(tǒng)組態(tài)功能的破壞。作為試驗(yàn)的最終結(jié)果，試驗(yàn)報(bào)表系統(tǒng)是由FIX組態(tài)軟件調(diào)用Microsoft Office Excel電子表格軟件自動生成報(bào)表，同時(shí)長期保留整個(gè)試驗(yàn)過程歷史數(shù)據(jù)庫。 4結(jié)束語 本文提出的柴油機(jī)試驗(yàn)臺現(xiàn)場總線系統(tǒng)已在沈陽鐵路局錦州機(jī)務(wù)段得到了成功的應(yīng)用。實(shí)踐證明，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)對于柴油機(jī)試驗(yàn)臺這樣典型的強(qiáng)實(shí)時(shí)控制項(xiàng)目具有工作可靠、控制精度高、設(shè)計(jì)靈活、功能完備等優(yōu)點(diǎn)，有良好的借鑒作用和推廣應(yīng)用價(jià)值。