基于EPA协议的制动阀检修集成控制系统设计

罗世民 黄捷洲 黄裕 杨欣欣 邱学文

摘 要：根据铁路货车检修车间生产工艺离散性与设备异构性的特点，提出了基于EPA（Ethernet for Plant Automation）协议的车间数字设备网络集成控制系统的结构体系，并以制动阀检修生产线为例，利用嵌入式技术设计了集成控制网络系统的节点结构和通信协议转换器，完成异构设备间的交互与协同，实现制动阀检修生产线的智能化、网络化控制。

关键词：EPA；集成控制；铁路货车；制动阀；生产线

中图分类号：TP277 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）25-0110-03

Abstract： According to the characteristics of discrete production process and isomerism of equipment in railway freight car repair workshop， the structure system of workshop digital equipment network integrated control system based on EPA （Ethernet for Plant Automation） protocol is put forward， and the brake valve overhaul production line is taken as an example. The node structure and communication protocol converter of the integrated control network system are designed by using embedded technology. The interaction and cooperation between heterogeneous equipment are completed， and the intelligent and networked control of the brake valve overhaul production line is realized.

Keywords： EPA； integrated control； railway freight car； brake valve； production line

1 问题的提出

机车车辆的制动技术决定着铁路向高速、重载等方向发展的关键技术之一，其制动性能不仅影响列车的行车速度、牵引质量等[1]，而且直接影响列车的行车品质和运行安全。货车惯性故障有许多类别，制动配件故障已成为其主要故障之一，尤其是制动阀故障尤为突出，其经常性的发生已经影响到货车安全和运输秩序。中国铁路总公司针对货车典型故障进行了统计，2015-2017年制动阀故障已占货车故障总件数的30～40%[2-3]。

如图1为制动阀类检修工艺流程图[2]。检修流水线主要由阀类外部清洗机、阀类分解工作台、全自动超声波配件清洗机、输送线、制动阀弹簧微控测试仪、研磨台、阀类检修清洗组装台、空重车自动调整装置检修组装台、阀类试验台等设备。现有的铁路机车车辆制动阀目前的检修方式主要为单件式生产，这种方式造成维修专用设备多，通用设备少，每个零件占用一条加工路线。且由于各维修设备品牌不同、通信协议不同，各现场设备网络的互连困难。由于铁路机车车辆检修离散性、异构性、复杂性及高柔性特点，使检修生产数据采集困难，对检修生产过程实施监控困难。

EPA（Real-time Ethernet for Plant Automation）[4-6]是我国自主开发的完全拥有自主知识产权并被国际标准化组织接受和采用的用于控制系统与工业测量的工业以太网标准，为主控器、现场测量、操作机构和主制装置提供了可靠性高、实时性好的通讯网络解决方案。应用EPA技术能有效解决机车车辆检修车间数字设备集成、基于车间数字设备集成控制的工序质量控制与车间数字设备集成控制系统中的信息处理等关键技术，使车间底层信息在纵横两个方向（纵向是指系统各层之间，横向是指在底层各设备之间）上的无缝交互，实现检修企业管控信息系统集成。

2 基于EPA的制动阀检修生产线集成控制系统

2.1 EPA技术

EPA技术其是一种全新的适用于工业现场设备的开放性实时以太网标准，利用穩定、高效、标准的以太网和UDP/IP协议的确定性通信控制策略，针对适用于现场设备的实时性工作搭建了一种全新的标准。该标准被国际电工委员会IEC作为PAS标准（Pulblic Available Specification）予以发布，并被IEC接收为正在制定的国际实时以太网标准IEC61784-2中的实时以太网类型14（Common Profile Family 14， CPF 14），成为我国第一个被国际认可和接收的工业自动化领域的标准[4-6]。

如图2为EPA 控制系统的典型拓扑结构，EPA是一种开放网络技术主要应用于工业现场设备间通信，使用确定性通信调度控制策略和分段化系统拓扑，解决了以太网通信的不确定性问题，使无线局域网、以太网、蓝牙等广泛应用于工业企业管理层、过程监控层网络的COTS（Commercial Off-The-Shelf）技术直接应用于执行机构、变送器、现场控制器、远程I/O等现场设备间的通信。可以实现从底层的现场设备层到上层的控制层、管理层的通信网络平台基于以太网技术的统一。

2.2 基于EPA的制动阀检修生产线集成控制系统设计

2.2.1 网络拓扑结构的设计

如图3为基于EPA工业以太网的铁路机车车辆检修生产控制系统网络拓扑结构。根据检修工艺与设备分布，构建转向架组装工艺生产线、构架检修工艺生产线等九个EPA网络微段， 各网络微段内的数字设备通过EPA网关集成。各网络微段通过EPA网桥与EPA工业以太网络控制层实现通讯，EPA工业以太网络控制层通过基于OPC标准的EPA数据服务器与以以太网管理信息层集成。

2.2.2 数字设备与EPA的通讯接口嵌入式网关的设计

铁路机车车辆检修企业车间的数字设备基本具有串口通讯功能，而EPA协议规定用户层需要采用功能块技术。为了不大规模改变设备的通讯方式，即不对数字设备内部程序进行修改，采用一种嵌入式网关直接读取设备串口通讯接口中的数据，然后进行转发和处理，就可将这些没有EPA协议的设备连接到的工业以太网上，实现与其它EPA设备的通讯。如图4为车间数字设备与EPA的通讯接口嵌入式网关的体系结构，该嵌入式网关的组成部分主要有：串行通讯接口模块、以太网通讯接口模块、微控制器等主要硬件模块。

2.2.3 基于OPC标准的EPA数据服务器的设计

EPA协议的网络控制系统中，具有一种专门的功能模块-EPA数据服务器，可以实现对数据的处理、存储、采集和转发的任务，完成对现场数据信息、控制信息的有效可靠的传输和分发。由于基于EPA的车间数字设备集成控制系统中信息传输要求复杂，EPA数据服务器不能完全满足信息传输要求，需要针对不同的信息传输需求采用了不同的信息传输策略。

如图5为基于OPC标准的EPA数据服务器模块结构。在原有EPA数据服务器功能模块的基础上，增加了OPC接口模块，其主要功能软件模块有：可视化组态模块、设备管理模块、OPC接口模块、XML文件管理模块和数据库服务器等。

3 结束语

论文根据铁路货车检修车间生产工艺离散性与设备异构性的特点， 用EPA技術的设计车间数字设备网络集成控制系统的结构体系，并以制动阀检修生产线为例，利用嵌入式技术设计了集成控制网络系统的节点结构和通信协议转换器。在实验室条件下，完成制动阀检修生产线异构设备间的交互与协同，实现制动阀检修生产线的智能化、网络化控制。

参考文献：

[1]中国铁路总公司.关于印发《制动阀检修研讨会会议纪要》的通知[Z].2014.

[2]王荣胜，陈俟聿.车辆段货车制动阀类检修工艺改进及使用效果分析[J].铁道车辆，2014，3.

[3]雷长志，赵栋，申建利.制动阀检修数字化系统关键技术的研究[J].机电元件，2014，2.

[4]彭赋，樊晓平.基于EPA控制的远程煤矿安全监控系统的研究[J].系统仿真学报，2012，5.

[5]冯冬芹，褚健，金建祥，等.实时工业以太网技术-EPA及其应用解决方案[M].北京：科学出版社，2013，11.

[6]梁庚.工业测控系统实时以太网现场总线技术-EPA原理及应用[M].北京：中国电力出版社，2014，4.