多机牵引无线同步操控系统的研究
2010-01-08朱家欣
朱家欣
多机牵引无线同步操控系统的研究
朱家欣
南昌铁路局福州机务段
1 概述
当前我国实现重载运输的途径主要有两种：一是采用大轴重、大功率机车牵引货物列车，如现在大量投入使用的和谐型电力机车（HXD系列）、和谐型内燃机车（HXN系列），主要用于东部繁忙铁路干线运输;二是在站（场）线有效长度符合一定条件时，增加列车编组，采用多台机车固定或无线重联进行牵引。
多机牵引无线同步控制系统以其优良的系统特点在我国重载铁路运输中得到了一定的应用。目前国内使用的多机牵引无线同步控制系统多为美国GE公司的Locotrol系统，但其应用条件与我国铁路现状有着巨大的差异。基于此，本文结合南昌铁路局项目“多机牵引无线同步操纵系统”，以SS4G电力机车为研究对象，对符合我国实际应用要求的多机牵引无线同步控制系统进行了研究，给出了试验结果。
2 多机牵引系统的主要功能
2.1 作为主控牵引机车的车载设备,能正确采集本机车的状态信息,向从控牵引机车车载设备发送操纵指令信号，并根据本列车的其它机车反馈的运行信息控制全列车的运行。
2.2 作为从控牵引机车的车载设备, 能通过无线通道正确接收主控牵引机车车载设备发送的操纵指令信号, 控制机车按要求运行。
2.3 车载设备具备通用性, 只需作简单的操作即可实现作为主控牵引机车或从控牵引机车功能切换。
2.4 当列车在不同坡度的线路上运行时,控制系统可以根据不同地形条件, 由主控机车司机采用不同的操纵方法分别控制主控机车及被控机车的工况，即异步操纵功能。
3 多机牵引无线同步操控系统方案设计与实现
3.1 系统总体结构
图1 系统控制结构图
3.1.1无线通信控制单元
无线通信控制单元集整个系统控制、无线传输控制于一体，是系统的核心单元，主要负责把各采集单元的数据通过无线发送，并接受对方无线传输过来的数据。
3.1.2模拟量输入单元
模拟量输入单元主要采集机车司机控制器的级位电压信号，然后通过无线通信控制单元发送到从控机车，用于机车速度控制。
3.1.3开关量输入单元
开关量输入单元主要采集机车的110V控制信号，然后通过无线通信控制单元发送到从控机车，用于机车同步控制。
3.1.4过分相保护单元
过分相保护单元通过检测电网电压和机车速度、距离来判断从控机车是否过了分相区，保护机车安全运行。
3.1.5控制输出单元
当机车为主控机车时控制输出单元不工作，为从控机车时，控制输出单元接收无线通信控制单元的信号并对机车进行控制。
3.1.6显示单元
对机车的状态和故障进行显示。
3.2 系统无线控制原理
3.2.1开关量无线控制
机车无线控制的开关量（以主断分为例介绍）控制方式如图2。
图2 机车无线控制时开关量控制方式
在主控机车司机按键400SK合上后，4QFF得电。开关量输入板采集到4QFF两端110V电压信号，此信号通过无线传输到从控机车装置的控制单元，控制输出板驱动继电器导通，从而从控机车相应4QFF也得电工作。
3.2.2模拟量无线控制
主控机车的采集单元采集到电位器A输出的给定电压，经AD转换后数字量无线传输到从控机车的车载装置，再经控制模块的DA转换成模拟量送入特性形成电路。
4 机车状态信号采集电路设计与实现
4.1 信号采集电路的硬件设计
4.1.1多通道巡回采集电路设计
为确保A/D转换精度，设置采样/保持电路实现采样电路特别是快速动态信号采样准确。模拟开关ADG506A实现对16路模拟量分时采集，输入的16个模拟量由模数转换器分时采样。
4.1.2转换接口电路设计
选用ADS1674为数据采集模块的模数转换芯片，经过ADS1674进行AD转换后，0～10V的模拟信号转化为12位的数字量，存放在两个8位的RAM寄存器中，因此，AD的分辩率为：10/4095=2.441mV。
4.2 CAN总线接口电路
数据采集模块以及数据处理模块芯片均采用P87C591单片机， CAN总线收发器采用飞利浦公司的PCA82C250，它是连接CAN控制器和物理总线之间的接口，提供了对总线的差动发动和接收能力。总线通信的接通信方式采用查询式发送，中断式接收。
5 信号无线传输与控制电路的设计与实现
5.1 控制量与状态量的传输方案
由于本系统无线通信中只允许使用1个通道传输所有控制量和状态量。而RS-485无线通信是异步半双工的，在同一时刻，只允许一节点发，另一节点收，也就是说数据流是单向流动的，在一定的一个时间周期内，一个节点为发送数据，对应的另一节点为接收数据；在一定的另一个时间周期内，将数据的流向反向，发送数据的节点变成接收数据，接收数据的节点变成发送数据。然后，再切换到初始状态，周而复始地循环这种状态。
5.2 两种数据量传输的最佳时间周期匹配分析
5.2.1传输时间周期的确定
从控机车发回状态量的数据量及所用时间分析
（1）数据量分析
从控机车发回的数据量包括两个采集板采集的数据，即：采集板1采集的14路0～10V模拟量显示数据，共需4帧数据；采集板2采集的36路开关量数据，共需1帧数据。
（2）所用时间分析
从控机车发回的数据量共有5帧CAN扩展帧格式数据，CAN总线采用125Kbit/s的速率，发送5帧数据到无线通信模块的传输共需时间为：
T状态量can =（ 5*13*8）/125000
= 4.16 ms
无线数传模块的通信波特率为：19200bit/s，故无线通信传输模块再通过RS-485将这5帧数据无线发送的时间：
T状态量rs485 = （ 5*13*8）/ 19200
= 27.08 ms
RS-485无线通信握手所用时间存在不确定因素,所以通信握手所用时间为：
30ms < T握手 < 300ms
计算时取100ms
由于CAN发送数据的速度快，而RS-485转发数据的速度慢，故当CAN发送完一帧数据后作 100ms ～ 200 ms的延时，记为：Tdelay = 150ms
系统采集数据及其他处理时间大约为：
T采集 = 50 ms
所以，可以得出从控机车采集板发出状态量，到主控机车显示板收到状态量所用时间大约为：
T状态量 = T采集 + T状态量can * 2 + T状态量rs485 * 2 + T握手 + Tdelay *5
= 50 ms + 4.16 ms* 2 + 27.08 ms* 2 + 100ms + 150ms*5
= 962.48 ms
当状态量发完，主控机车无线通信模块重新变成发送状态，从控机车无线通信模块重新变成接收状态，需要重新进行通信握手，故完成状态切换总共所需时间为：
T总 = T状态量 + T握手
= 962.48 ms + 100ms
= 1062.48 ms
5.2.2最佳时间周期匹配分析
由以上的时间分析可以得出，当从控车无线通信模块向回发数据到主控车完成接收显示，耗时最大也就1秒，故时间周期Ｔ2取１秒。在这1 秒钟内主控机车要是发生控制动作，控制指令无法发到从控机车，就会丢失控制动作。解决此问题的办法有两种：
① 不作处理，自动更新控制指令。
② 保存１秒内的控制数据，当状态切换完成后，将保存的控制指令再重新无线发送。
首先分析１秒钟之内，采集板１会产生多少控制数据：
采集数据的时间周期为：T采集＋Tdelay＝200 ms
故１秒钟内会产生５帧数据，即６５个字节
发送这６５个字节到从控机车无线通信模块需时间：
T采集 + T状态量can * 2+T状态量rs485 * 2 + T握手
=2*（６５＊８）/125000 + 2*（６５＊８）/19200 + 100 ms
=8.32 ms + 54.17 ms + 100 ms
=162.49 ms
由以上分析，初步取时间周期Ｔ1= 2 S ，也即2秒钟刷新一次显示屏。
5.2.3方案的实现方法
在主控机车无线通信程序中，利用定时器T0 定时中断程序，做一个2S的定时中断程序，不论主控和从控车相互转换，始终都由主控车端完成定时器T0 定时中断程序，有利于数据传输方向切换时间的同步性。
5.3 无线数传模块的选择
经过实验比较及测试，选择抗干扰能力强、检错纠错能力强的STR-35工业级低功率无线数传模块，采用基于GFSK 的调制方式，高效前向纠错信道编码技术，提高了数据抗突发干扰和随机干扰的能力。
6 结论
多机牵引无线同步操控系统于2009年7月16日，在南昌铁路局福州机务段邵武运用车间配属机车SS4-0536、SS4-0537上进行了运行试验。
通过试验，可以得出如下结论：
6.1 对机车的控制方案完全可行，目前的控制方案能满足机车的控制要求。
6.2 无线通信能满足现场要求。在前后两台车重联的情况下，通信能力可靠。
多机牵引无线操控系统于2009年7月16日起在福州机务段邵武运用车间投入试运用，经测试达到预期功能要求，随后投入运用考核，并于2010年3月23日通过了南昌铁路局科委组织的技术鉴定。
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