GMC16A型钢轨打磨列车网络控制系统研究

于明凯 陈留金 张松

摘  要：文章简要介绍GMC16A型钢轨打磨列车，研究了本车网络控制系统的硬件布置和软件设计功能。最后对现车控制系统运用情况进行总结。

关键词：钢轨打磨列车;网络控制系统;GMC16A型

中图分类号：U216.65      文獻标志码：A             文章编号：2095-2945（2019）17-0049-03

Abstract： In this paper， the GMC16A rail grinding train is briefly introduced， and the hardware layout and software design function of the network control system are studied. Finally， the application of the existing vehicle control system is summarized.

Keywords： rail grinding train; network control system; GMC16A

1 概述

十一五期间，原铁道部通过技术引进与合作生产的形式引进了两种96磨头钢轨打磨车，RR96M和RMS96。瑞士SPENO公司的RR96M的国内型号定为GMC-96B，由中车北京二七机车有限公司（下称“二七公司”）引进生产，目前主要用于正线非道岔区域打磨作业，作业效果良好，是国铁钢轨打磨列车的主型产品。

GMC16A型钢轨打磨列车（如图1）是二七公司在GMC-96B型打磨列车的技术基础上，于2013年自主设计制造的地铁短编组16磨头打磨列车，兼具正线和道岔打磨功能。作为最早实现完全国产化设计生产的打磨列车之一，该车结构紧凑，功能全面，其网络控制系统具有很强的代表性。

2 系统硬件分析

GMC16A型钢轨打磨列车由A1车、A2车两节车编组而成，每节车上装有1个8头打磨小车。两节车结构基本成中心对称、功能相同。

本车网络控制系统由牵引控制系统和打磨作业控制系统组成，主控单元均是贝加莱X20系列PLC主机。牵引和作业系统相对独立的形式，能够有效降低系统设计难度，提高系统安全性。全车网络拓扑如图2所示。

系统列车级总线采用以太网，车辆级总线由以太网，X2X link，CAN等多种形式构成。下面以单节车为例，对牵引控制和打磨作业控制的两套系统硬件构成进行说明介绍。

2.1 牵引控制系统构成

牵引控制系统安装于司机室牵引控制B柜，并通过总线中继器采集打磨控制D柜中的远程IO模块信号。

牵引控制主机是整个控制系统的核心，主要组成包括1台CPU基本单元，1台触摸屏，1个 CAN通信模块，1组总线中继与接收模块，以及若干用于采集数字量与模拟量的IO模块。

其中，CAN通信模块用于与发动机控制器和行车恒速控制器通讯，负责采集发动机运行状态并对作业工况下列车走行低恒速进行控制。总线中继模块的与总线接收模块组合使用，采集和控制接入远程PLC的功能模块数据。远程PLC功能模块安装在D柜，用于采集和控制距司机室较远的IO功能模块。

2.2 打磨作业控制系统构成

作业控制系统包括1套控制系统主机和1套控制系统从机，分别安装于司机室打磨控制A柜和远端打磨控制D柜，通过以太网交换机进行通讯，共同构成打磨作业控制系统。

打磨作业控制主机安装在A柜，包括1台CPU基本单元，1台触摸屏和若干IO模块。打磨作业控制从机安装在D柜，包括1台CPU基本单元，1个CAN通信模块，以及若干IO模块。其中，CAN通信模块用于与作业气动阀岛建立通讯，对打磨作业气动机构进行控制。

2.3 数据交互说明

牵引控制系统与作业控制系统分别通过继电器、以太网和CAN总线进行了硬件形式上的连接。但事实上，系统之间的数据传输主要是通过以继电器为主的外围硬线电路实现的，例如方向、控权、工况、以及紧急状态信号等。在CAN通讯网络中，牵引控制系统为作业控制屏提供了一个有关发电机运行参数的数据包。除此之外，两套系统间并没有其他数据互通，这种设计理念如今看来相对保守，有一定的局限性。

3 系统软件功能分析

网络控制系统主要有基本逻辑控制、开环控制、动态闭环控制、数据记录与处理、安全连锁、报警机制、通讯管理以及信息维护等软件功能构成。其中逻辑控制是系统主体，动态闭环控制是系统核心。

3.1 基本逻辑控制

列车网络控制系统的出现，是人们希望通过控制器（电路板等）代替传统继电器实现控制功能。因此直到现

在，列车的功能需求大多是对开关信号的控制，开关信号控制通过基本逻辑控制实现。这部分功能可以概括为：（1）控权转换：系统操作控制权为本车控制或它车控制。本车控制时，本车显示屏上能够操作控制，本车司控器和显示屏有效，他车显示屏仅有显示和查询功能，司控器无效。（2）工况转换：在行车系统中选择作业工况与运行工况。运行工况下，列车高速运行，自运行最高速度80km/h。作业工况下，允许打磨作业系统加载和操作，本系统协同低恒速控制器对作业车速进行高精度控制，速度表显示范围变为0-20km/h。（3）送电及负载控制：发电机组启动后，当主电路输出电压与频率在合理范围内时，系统允许用户通过屏幕控制接入负载。（4）作业预置：作业工况状态下，系统开始实时检测作业装置各部件运行状态信息，当满足作业条件时可手动选择作业预置功能。该功能启动后系统通过采集各行程开关信号以及发送各油缸电磁阀开关信号，依序自动完成打磨小车解锁、下降、置于作业位等一系列动作，简化用户操作流程。（5）仿真模式：为满足在车辆静态调试以及检修需求，系统设置专门的仿真模式。该模式用于列车无车速条件下，在车上控制屏对打磨小车的各个油缸、气缸和打磨电机角度偏转、升降进行动作试验。出于安全考虑，该模式下禁止打磨电机启动。（6）正线打磨模式：该模式区别于操作相对复杂的道岔打磨模式，是作业工况下的缺省状态。“作业预置”完成后，直接手动设定或选择相应的打磨电机角度编组，即可开始进行正线打磨作业。（7）道岔打磨模式：“作业预置”完成之后，如要进行道岔打磨作业则需要将作业模式由“正线模式”切换到“道岔模式”。与正线模式相比，道岔打磨需要操作者设定的数据相对较多，如作业前设定横移机构工作方式、作业过程中手动选择道岔区域各点等。（8）牵引预置：与作业预置相对应。打磨作业完毕后，启动牵引预置功能，系统如可依序自动执行打磨小车上升、置于作业位、锁紧等动作。进而完成收车，以进行牵引操作。（9）外部控制盒动作控制：打磨列车外部控制盒可以控制打磨小车、电机、各油缸的基本常用动作，外部控权锁定时打磨控制屏操作无效。

3.2 数据记录与处理

数据记录与处理功能主要用以执行两方面任务，一个任务是列车数据管理方面一般要求记录部分行车必要信息，如记录运行里程和柴油机运行时间。

另一个重要任務是在进行作业时实现打磨电机定点下降和提升功能。定点下降指打磨列车开始工作时，将首两台电机下降到轨面作业的点记为作业起始点，通过进一步数据处理与动作控制，力求整车所有打磨电机在该点完成下降到轨面的动作进行打磨作业。同理，定点提升是指在作业完成同时，整车打磨电机能够于同一作业终止点执行提升动作。一次打磨作业执行完毕后，系统同时计算得出此次打磨作业里程并累加记录。

简单的说，作业起始点和终止点的记录是通过对开关信号的记录和列车实际速度的实时检测计算处理得出。但这种数据粗算的精度很差，想要将起落点误差缩小到相对理想的范围，在程序设计中要结合考虑的外部因素还有很多。如不同打磨电机、不同角度设置的下降时间，摇篮框不同角度偏转的时间以及其他必要延迟等等。

最新TB3520-2018中规定打磨列车所有磨头下降到钢轨作业点误差不高于2m，道岔作业误差应不高于0.5m。这就说明，打磨电机定点下降和提升是一个控制精度要求相对较高的过程，这也是衡量打磨列车作业质量的一条重要标准。

3.3 开环控制

网络控制系统负责列车运行速度设定与给出，即对走行液压系统输出速度预设值信号。这是个开环控制过程。

高速运行工况下，系统采集司控器方向和速度设定信号，并在列车启动条件满足时，转发速度设定信号给走行液压系统。液压系统相关阀组会根据电信号自适应调节液压泵和马达的对应排量，实现车速控制。这过程中的自适应调节主要由液压系统实现。

打磨作业工况下，列车必须实现±0.5km/h的高精度列车速度控制，液压系统调节速度和精度都难以满足。本车在网络控制系统以外单独设置了对液压系统的闭环控制器，即“恒速控制器”，负责提高对液压系统排量控制精度和灵敏度。

3.4 动态闭环控制

打磨过程中的电机下压压力控制通过开环控制和闭环调节控制相结合的方式实现，以动态闭环控制为主。目前国内的控制算法都基于恒功率PID控制方式。

打磨电机的作业压力通过三个量控制，电机重力在垂直方向的分量G'，设定工作压F+和设定背压F-，他们之间的关系是F=F+-（F-+G'）。作业闭环调节过程中，设定背压F-和G'为固定值，主要动态改变F+的输出值。工作原理是：首先输出预设工作压控制电流值，对应输出打磨电机工作压F+。即时采集打磨电机工作时的电机反馈电流，根据打磨电机实际电流反馈值与电流设定值，得出误差值并进行调节，经过CPU处理并实时改变工作压控制电流值，实现对F+的动态调节。

打磨下压力控制是打磨列车控制的核心重点和难点，因为机构作业环境相对恶劣，影响作业效果的因素多且复杂，设计控制要素也很难概括和总结。一般通过公式计算得到PID控制算法的参考参数或初值，在车辆实际调试和运用中再通过大量试验和测试中得到动态PID算法最终参数。因此不同的作业需求，不同的线路条件，所设计的动态闭环控制方案也不同。

3.5 安全连锁与报警

安全连锁功能的设计一般是与逻辑控制功能设计同时进行的，其目的是当机械机构和部件运行状态出现异常时，控制屏与蜂鸣器发出报警，并禁止对应具有安全隐患的车辆控制功能执行。避免车辆故障扩大，影响行车及作业安全。

GMC16A型钢轨打磨车共设置4个等级的报警，可以让操作者对全车状态有整体把握。

（1）警告级报警主要起到提示、警示作用，并不会引起安全连锁或执行任何动作。一般有控权错误，膨胀水箱液位偏低等等。（2）连锁级报警能够引起安全连锁，会执行相应的卸载动作或切断使能。如供电系统异常，此时系统限制相关用电器加载。（3）停车级报警出现在行车安全相关的机构运行异常时，此时列车牵引控制功能卸载并禁止加载，同时施加制动使列车安全停车。如走行马达转速异常、液压压力异常等。（4）停机级报警在系统中故障等级最高，此时发动机强制卸载并禁止加载，并施加急停。故障原因包括灭火启动，柴油机水温、进气温度异常等，一般是严重影响行车安全的情况发生造成。

3.6 通讯管理功能

GMC16A型钢轨打磨列车通讯管理实现两种功能：一是全车网络的数据转发和CAN通讯单元数据处理;其二主要是单车运行模式。

单车模式是列车应急功能的一种。当两车通讯出现故障，或单节车出现故障时，需要另一车单车单独运行完成作业或驶离作业区间。此时，取得控权车设置为单车模式，不处理它车除车齿箱外的运行状态信息，仅依靠控权车的动力和控制系统实现列车运行或作业。

3.7 信息维护功能

系统支持用户进行轮径设置;清除累积量和故障履历;导出行车和作业数据与记录。

4 结束语

GMC16A型钢轨打磨列车在实际作业中本车表现尚可，能够满足现阶段用户的基本使用需求。本车网络控制系统硬件设计经典，软件功能完备，对国产化网络控制系统设计开发具有很强的借鉴意义。

参考文献：

[1]陈留金，苗素云.GMC96_B型钢轨打磨列车动力车电气系统开发研制[J].装备制造技术，2016（11）：122-124.

[2]王坤.地铁钢轨打磨列车道岔打磨控制系统自主化研制[J].轨道交通装备与技术，2016（05）：28-30.