大型养路机械电气系统控制方案研究.pdf

中国新技术新产品2024 NO.3（上）-24-高 新 技 术现代铁路具有高密度、高速度、大质量以及重型轨道结构特征，对铁路养路的要求更高，其中大型养路机械具有重要作用，其电气控制系统的组成、设计及作业原理与控制效果、总体效能存在密切联系。目前，大型养路机械电气系统大都具有模拟系统和一位机数字逻辑控制系统，难以满足实际工作要求，需要使用现代集散式控制系统、CAN 总线技术进行改进，进而设计新系统方案。1 大型养路机械电气系统问题分析大型养路机械广泛应用于铁路养路施工和维护领域，由于广泛应用自动化和机械化技术，因此其电气控制系统能提高施工效率、降低人力成本并保障养路作业的质量和安全等，在进行养路工作过程中具有控制、监测和保护等功能，能确保施工和维护工作安全、高效并准确进行。然而，由于铁路现代化程度、性能要求的不断增加，大型养路机械的工作强度越来越大，再加上传统电气控制系统的自动化程度不够高，无法提供足够的安全保障，都使传统模拟系统和单一位数控制系统难以满足现代化工作中的实际要求。因此，大型养路机械需要搭配合适的先进电气系统控制方案才能提高机械设备的竞争力。目前，大型养路机械电气系统控制中主要存在控制策略和算法不足、先进的控制系统和传感器技术应用力度不大等问题，如何实现自动化、智能化、高效化控制成为目前机械电气系统控制的重点解决问题。2 养路机械电气系统设计思路本文研究的思路如下。首先，明确养路机械的目标与任务，分析基于CAN网络的电气控制系统所需的功能和性能指标。其次，设计出总体方案，构建大型养路机械电气系统控制方案的层次结构模型，明确各层次间的关系和指标体系。最后，参考相关行业标准和先进技术，设计出相应的硬件、软件和大型养路机械电气系统控制方案（如图 1 所示）。3 大型养路机械电气系统控制方案3.1 方案设计前期准备3.1.1 项目概况某公司负责一条总长 2000km 的国家铁路线的养护工作，旗下拥有用于轨道维护的大型养路机械。由于该线路每天都有大量客运和货运列车通行，对轨道的养护要求非常高。但公司使用的旧型养路机械已经无法满足现代化的工作需求，亟需优化控制系统，并对大型养路机械电气控制系统进行创新设计。3.1.2 总体方案设计3.1.2.1 硬件设计在控制系统硬件组态设计中，需要根据大型养路机械特点、功能需求和技术选型结果等设计集散式控制系统的硬件架构。其间需要根据系统功能需求设计合适的数字量输入、模拟量输入和输出板块，确保硬件设计在信号稳定性、抗干扰能力、采样频率、精度、驱动能力等方面能更好地满足电气系统的控制要求。3.1.2.2 软件设计针对大型养路机械的控制需求，本文选择 PID 控制，同时考虑系统的动态响应、稳定性以及对各种不确定因素的适应能力，设计适合的控制算法。实际控制过程中会有来自传感器的噪声和干扰信号的影响，可以设计合适的数字滤波算法并进行参数调整和性能优化。同时，集散式控制系统汇总的各控制节点间通常需要进行数据传输和通信，应确定适当的通信速率，并充分考虑代码的可靠性、可维护性和可扩展性，以确保系统在运行过程中能够满足实际工作需求。大型养路机械电气系统控制方案研究宗梁（山东华邦建设集团有限公司，山东 潍坊 262500）摘 要：本文旨在探索大型养路机械电气系统的控制方案，以提高其效率和可靠性。研究采用理论分析与试验验证相结合的方法，通过对养路机械的电气系统进行优化，提出了一种高效、稳定的控制方案。试验结果表明，本文提出的控制方案在提高养路机械工作效率和稳定性方面具有显著优势，可促使各部件完成实时数据传输、协调以及信息交换目标，实现对养路机械的高效、精确控制。通过该研究，研究人员可以更好地了解并改进大型养路机械电气系统，进一步提升道路养护工作效率。关键词：大型养路机械；控制系统；电气系统；CAN 总线中图分类号：U216文献标志码：A图 1 本文研究思路明确养路机械的目标与任务选择基于CAN网络 的电气控制系统明确功能和性能指标构建层次模型设计总体方案设计硬件、软件明确关系和指标体系参考行业标准和先进技术中国新技术新产品2024 NO.3（上）-25-高 新 技 术3.2 案例分析该公司为提升养路机械性能与效率，满足日常轨道养护需求和发展需要，对大型养路机械电气控制系统进行创新设计。3.2.1 基于 CAN 的大型养路机械控制系统总体方案设计大型养路机械电气系统选择集散式控制系统由 n 个显示模块和（x+y+z）个底层模块组成，采用分散控制方式和CAN 总线网络结构。每个模块都有特定的控制功能和职责，所有模块都会连接到 CAN 总线上以实现数据通信，并根据不同现场状况和需求进行配置、增减（如图 2 所示）。目前，CAN-BUS 是应用最广的现场总线国际标准之一，模拟量输入、数字量输入和输出的每个板块中具均有一个 CAN 总线接口电路，用于整个网络和各模块的数据通信。CAN 总线系统电路由 DSP 微控制器、CAN 收发器以及高光电耦合隔离器 3 个部分构成，可以更好地实现各节点间的电气隔离1。显示模块主要负责系统的协调和部分逻辑运算，任意一个显示模块都是独立的个体，都可被设定为系统主机，自成一个系统，主机发生故障时能够及时切换，确保系统的运算速度和正常运行。除此之外，显示模块还拥有工作数据输入输出、系统故障诊断、通信以及数据管理等主要功能，而在数据传输选择中，采用 CAN 总线进行数据传输可以增强其抗干扰能力，保证系统的作业精度。底层模块主要负责模拟量、数字量输入和输出等具体动作，主要完成各种装置、参数的驱动和采集，大都采用全封闭灌胶形态，能够提高系统的电磁兼容性能和抗震性2。驱动装置包括各种阀、继电器和照明灯等，在底层模块中主要服务于行车装置和作业装置的驱动。3.2.2 控制系统硬件组态3.2.2.1 数字量输入大型养路机械感应开关、行程开关较分散，单个数字模块设计为 16 通道输入，能同时采集 16 个输入信号。在该模块中，以 DSP 处理器的通用输入、输出接口 CPIO 作为输入通道，通过计数器或定时器方式由 DSP 对信号进行频率或周期的测量。在数字量输入模块中，采取光耦隔离、输入保护等技术措施，防止外部错误信号输入的同时还可以直接将输入模块的接线端子接至外部机械节点和电子数字传感器上，将其快速转换为 CPU 内部的信号电平。对于数量较多且相对集中的开关或按钮输入信号，应用键盘板进行信号输入处理，并采用多个数字量输入模块采集。3.2.2.2 模拟量输入大型养路机械的模拟量输入信号相对分散，单个输入模块采用 8 通道，每通道采样频率可达 250kbit/s。模拟量主要包括电位器输入的施工参数、各种传感器的反馈检测信号，具体信号输入范围为-10V+10V，在输入范围内绝对偏差 5mV，电位器输入的模拟量信号保证在-10V+10V，可不做其他处理，直接送至模拟量输入模块通道3。此外，为保证模拟量输入效果和具体信号的精确度，需要根据信号数量和分布情况确定合理的模块数量和安装位置。3.2.2.3 数字量输出板块大型养路机械电气控制系统有大量的开关量输出，负责将控制信号转换为执行机构所需的电信号，以对机械设备各图 2 系统总体框架图 3 输出模块系统功能组合图模块电源系统输出通道CPU最小系统通信模块模拟量输入模块1数字量输入模块1数字量输出模块1数字量输出模块2数字量输出模块z数字量输入模块2数字量输入模块y模拟量输入模块2模拟量输入模块x电源模块显示模块1 显示模块2 CAN BUS显示模块n 中国新技术新产品2024 NO.3（上）-26-高 新 技 术执行机构进行精确控制（如图 3 所示）。数字量输出使用继电器、固态继电器或开关型晶体管等器件实现，使用时需要根据电流、电压的负载能力、寿命和响应速度等因素选择合适的输出设备。数字量输出接口标准有 TTL、RS-485 等，在此阶段还应注意输出信号的电气隔离和保护，才能确保安全性和可靠性。模拟量输出控制精度要求非常高，需要输出的开关量和模拟量的比例基本接近，甚至超过101，通常使用电压信号或模拟电流信号进行控制，可精确控制低压执行机构。选择输出设备时，根据实际需求和执行机构的电气属性，选择数字模拟转换器或可调电源。3.2.3 大型养路机械电气控制系统软件3.2.3.1 控制算法在大型养路机械中，模拟量控制主要是对铁路轨道的几何参数进行控制。由于系统采用集散式控制，因此在系统不同板块中，模拟量控制分别通过 CAN 网络构成回路并形成闭环。目前最常用的是 PID 反馈控制算法。该算法根据每个采样时刻的系统误差，利用比例、积分和微分进行计算，得到相应的控制量，从而实现对系统的精确控制。在离散的PID 控制器中，积分项采用累加求和的近似方法实现，如公式（1）所示。()()()1000dkkiie tte i T Te i=（1）式中：表示误差的积分项；e（t）表示当前时刻的误差；dt表示时间微元；e（i）表示误差的累积量；T 表示采样周期；k 表示采样序号。使用一阶差分，逼近表示微分操作，如公式（2）所示。()()()d1de te ke ktT （2）式中：e（k）代表离散时间下的误差或偏差，系统在第 k 次采样时刻偏差值为 K=0，1，2，.e（k），系统在第（k-1）次采样时刻的偏差值为 e（k-1）。uKeTe tTetuP?11010dddD （3）式中：TD为微分时间；u 代表控制信号或输出量；KP代表比例增益；de 代表误差的变化率；u0代表初始控制输出或初始控制信号。公式（1）代表离散系统中的比例，公式（2）代表积分部分的计算公式，通过将公式（1）和公式（2）代入公式（3），即可得到离散的 PID 表达式，分别如公式（4）、公式（5）所示。u kKe kTTe iTTe ke kpik?101Du u0 （4）KK TTKK TTPPiDD=1,（5）式中：KP为比例增益；Ki为积分系数；KD为微分系数。择优公式（6）u kK e kKe iKe ke kuPik?iD001 （6）根据公式（6），过去状态与每次输出间存在紧密联系。如果要计算当前时刻的控制量 u（k），不仅要考虑上一时刻的误差 e（k-1）和更早时刻的误差 e（k-2），还必须将历次误差相加，才能更好地反映系统的整体性能和动态特性，实现更精确的控制。k-1 采样时，如公式（7）所示。u kKe kTTe iTTe ke kPik?1112101D?u0 （7）公式（6）与公式（7）相减，即可得到 PID 控制的计算式，如公式（8）所示。u ku kKe ke kTTe kTTe ke ke kP?112121D?u ku kKTTTTe kKTTe kKTPPP?111211DDD DTe ku ka e ka e ka e k?1112012 （8）式中：DDD012121,1,PPPTTTTaKaKaKTTTT=+=+=。确定计算式后，对PID 参数进行介绍。PID 参数包括3个系数，即比例增益 KP、积分时间常数 Ti和微分时间常数 Td。调试比例增益时，将 PID 的 Ti和 Td都设为 0，使其成为纯比例调节。调整 PID 参数时，逐渐增加比例增益 KP的值，并对震荡现象进行实时观察。再记录特定时间的 KP值，并将 PID 的 KP设定为当前值的 50%左右，即可完成比例增益的调整。在此期间，应根据偏差大小产生一个与偏差成正比的输出，用于直接减少偏差，取得最佳的控制效果。进行 PID 控制调试时，一般先确定 KP，然后对 Ti进行调试，调试全过程步骤如下。1）初始设置积分时间常数 Ti时，选取较大数值。2）观察系统反应，如果系统响应过慢或出现超调现象，说明 Ti设置过大。3）逐渐降低 Ti数值，重新观察系统反应，直到系统出现振荡现象。4）当系统出现振荡现象时，停止减少 Ti数值。5）在振荡临界点附近微调 Ti数值，取得理想控制效果时进行记录，并将 PID 的 Ti设定为当前值的 160%左右，即完成积分时间常数 Ti调试。微分时间常数 Td通常设为 0，针对特定的轨道交通工作或连续式作业的捣固车，可根据实际需求进行调试，方法与调试 KP和 Ti相同，而 PID 的 Td取值区间需要小于不振荡时的 30%。确定 KP、Ti和 Td后，便可根据计算公式计算出 PID 控制器中 a0、a1和 a2的具体数值。然后在数字量输出模块的参数设置界面进行相应配置，并将这些参数发送给底层模块最后根据现场使用比例阀和液压系统的实际情况，微调系数a0、a1和 a2，并保存调整后的数值，即可完成算法控制。3.2.3.2 数字滤波在大型养路机械电气控制系统软件中，数字滤波属于信号处理技术，用以提取传感器采集的有效信号，同时抑制不需要的噪声，提高信号质量与可靠性。对于微机控制系统，中国新技术新产品2024 NO.3（上）-27-高 新 技 术使用数字滤波技术并改进数字 PID 控制算式，也能达到改善控制性能、提高控制精度的目的。对于出现的周期干扰、随机脉冲干扰等信号干扰形式，系统会根据可用的 CPU 资源、干扰程度与形式、信号特性选择适当的滤波方法，有效去除干扰，保留有效信号，其中中位值滤波法较常用。中位值滤波法为连续对 n 个数据进行采样，将采样信号按序排列，去掉最大值、最小值，计算（n-2）个数据平均值，将其作为有效值和滤波结果4。该方法能够有效去除脉冲噪声，消除因脉冲干扰引起的采样值偏差和误差。在实际运用中，由于作业装置运动速度较快，对实时性要求较高，读取数据时主要采用 DSP 中断服务函数，模拟量输入模块需要在 A/D 转换芯片完成后在 10ms 内迅速完成 5 次以上的数据转换，并进行采样数据读取。为保证其实时性，一般需要连续采样 5 次，并对其进行滤波。此外，为避免显示界面值受到干扰，出现闪烁情况，影响系统作业，需要对采集信号采用“多次表决法”进行滤波，即连续采样 10 次，如果有8 次以上显示为 1，该信号为 1，否则就为 0。经过滤波后，再发送给显示模块，便能有效规避干扰。3.2.3.3 通信速率确定速率确定需要用到 CAN 总线数据格式。CAN 总线规范包括标准帧、扩展帧 2 种数据格式，其中CAN 总线消息由如图 4 所示的 4 个部分组成。仲裁区包括 11 位或 29 位标识符，用于识别消息，定义优先级。数据区用于承载消息的实际数据，长度区间为 064位。此外，数据区中还存储了要传输的有效数据，例如传感器信息、控制指令。CRC 校验区用于检测数据传输过程中是否发生了错误的冗余校验码，包括循环冗余校验位。CAN 总线使用循环校验算法对数据区进行计算，并将结果存放于 CRC校验区。帧结束区用于标识一帧消息的结束，是一个以高电平开始并持续至总线空闲状态的时间段，可以为其他节点发送数据信息提供便利。这些部分共同构成了 CAN 总线消息，可以保证数据的可靠传输和通信、控制系统的正常运行。在速率确定阶段，大型养路机械电气控制系统通常对实时性有较高要求，需要明确通信需求、评估通信带宽限制，同时考虑实时性和延迟要求，并进行测试和验证，以保证数据传输效率和系统性能。在模拟量输入模块控制数据域中主要包括 8 个通道的采样值和模块工作状态数据，采用 14 位采样，通道采样数据每 10ms 发送一次，模块工作状态数据实时性要求低，每1s 发送一次5。在数字量输入模块中，其控制数据域包括16 个通道的采样值和模块工作状态数据，以 2 个字节形式发送，频率量分 2 个字节进行发送，具体频率、时间与模拟量输入模块相同。在数字量输出模块中，其控制数据域主要包括 8 个通道的输出值和模块工作状态数据，分 8 个字节一次性发送，状态数据作为第 2 帧发送，数据实时性要求低，每 1s 发送一次。据相关计算与数据显示，在大型养路机械的控制系统中，800kbit/s 的传输速率十分可靠，误码率也比较低，可以满足系统和作业要求。4 结论由于旧型养路机械因技术落后、工作效率较低且能源消耗较多，难以满足现代化轨道养护需要，因此常规的电气控制系统不能满足现代轨道养护的实际需求。本文通过研究大型养路机械电气控制系统方案，验证了模块化计算机网络技术和 CAN 总线的重要作用，提出了符合“分而自治，综合协调”设计原则的大型养路机械电气系统控制方案，主要研究内容和结论如下。1）介绍大型养路机械电气控制系统创新设计要点，提出具体的设计要求和优势作用。2）介绍了大型养路机械控制系统总体方案设计，并分析了显示模块与底层模块的合理配置与作用，使其能够更好地服务控制，满足现代化养护工作需求。3）分析了控制系统硬件组态设计中数字量输入、模拟量输入、数字量输出板块的合理规划与设计。针对新型电气控制系统的性能，需要保证其兼容性和一致性，才能提高控制系统的可靠性和响应能力，实现精确控制。4）介绍了大型养路机械电气控制系统软件设计中的控制算法、数字滤波、通信速率以及实际运算、公式的应用。详细解释了 PID 控制的计算式、数字滤波的使用方式以及 CAN 总线消息的具体构成/性能作用，能够确保系统具有良好的控制性能、抗干扰能力和实时性，满足企业、用户需求，达到大规模养护的预期目标，并为大型养路机械的信息化发展奠定基础。参考文献1 陈强，孙建红，张书晔，等.机载多支路液体冷却系统仿真研究 J.南京航空航天大学学报，2016，48（3）：389-395.2 明显诚，许博.应用 CAN 总线车辆辅助电气系统控制器设计分析 J.机械设计与制造，2021（6）：122-125，129.3 王春梅，吕昌伟，范正日，等.大型养路机械电气系统的安全设计 J.中国安全科学学报，2018，28（增刊2）：84-87.4 刘晓燕.智能电气阀门系统控制优化方法研究 J.科学技术与工程，2013，13（24）：7157-7161.5 程连飞.铁路大型养路机械电气控制系统接地分析 J.机车电传动，2011（4）：41-43.图 4 CAN 总线数据消息CAN总线数据消息定义消息优先级仲裁区标准帧扩展帧数据区CRC校验区帧结束区消息响应标识标识帧消息结束检测数据使用CRC算法存储有效数据承载消息 实际数据