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1 引言
目前，我国铁路大部分厂、段的电机试验台，主要采用手工操作控制试验、人工读表记录试验数据；自动化程度比较低。这种手工试验存在明显的缺陷：工作效率低，劳动强度比较大，试验精度不高，而且试验数据的可靠性往往受到人为因素的影响。随着牵引电机试验要求的提高，现有的试验台人工控制已不能满足要求了，迫切需要实现自动控制和计算机管理。
实现牵引电机试验台自动控制的主要困难是：(1)电机试验流程复杂，步骤繁多，逻辑关系归纳困难；(2)牵引电机试验状态多变，在不同试验状态下控制参数不同，难以达到理想的控制效果；(3)牵引电机和试验电源是高电压、大电流设备，电磁干扰强，机械震动大，对控制设备的抗干扰性和可靠性要求较高。
基于这种情况，我们设计采用基于现场总线控制系统SHCAN2000的电机试验台自动测试系统，解决了以上问题，可以自动完成牵引电机的全部检查试验。实现了试验流程的自动控制、自动完成；试验数据的自动采集和自动记录；安全报警、自动保护和历史记录；试验报表的自动生成和管理等。
2 系统体系结构
2.1 牵引电机试验台线路
试验台线路如图1所示。 （图片） 其中，试验线路开关(约30个)的组合决定不同试验项目和不同试验方式。在试验过程中，若要根据不同试验项目、不同步骤控制开关的动作。试验累计500步左右，相应开关组合也有500个状态。
线路机、升压机是由可控硅整流实现的可控电压源、电流源。由控制系统调节单元的动态输出作为线路机和升压机的给定，可控硅触发电路闭环自动调节输出，控制牵引电机的工作点(电压、电流、转速)。削磁机是由IGBT实现的恒流源，当削磁电路投入时，会自动跟踪被试电机电枢电流，控制主磁极电流保持在一个固定的削磁率上。
2.2 SHCAN2000分布式控制系统
现场总线控制系统是信息数字化、控制分散化、标准统一全开放的新一代工业自动化控制系统，它有控制精度高、系统可靠性强、成本低廉等优点。其中控制彻底分散是现场总线控制系统具有的突出特点，它给用户带来的实质优点是：由高度智能的现场设备来分散地完成DCS控制器的功能，弱化甚至省去了集中控制器的层次，降低了设备和布线费用，使控制风险彻底分散，提高系统控制的自治性和可靠性。
本系统控制部分结构如图2所示。（图片） 我们设计并采用的SHCAN2000分布式控制系统采用三层体系结构，即操作站——CAN总结网络(双绞线)——现场智能测控单元。操作站由工业PC机加网卡组成；网卡的功能是完成RS-232C与CAN总线之间的协议转换，实现工业PC机与CAN总线的连接。操作站采用Windows2000操作系统，工控软件采用美国Intellution公司的FIX6-15，建立友好的人机界面，实现系统监控和管理功能。
SHCAN2000型系统的总线通信标准采用CAN2.0B。CAN总线的短桢结构、CRC校验以及错误节点自动关闭功能，保证了信号传输的可靠性，具有较强的抗干扰能力。在电机试验台现场强电磁干扰下，从未出现通信故障，证明了CAN总线通信的高可靠性。
在SHCAN2000控制系统中，现场智能测控单元作为控制系统的核心，完成全部控制功能；通过CAN总线实现设备之间的信息共享，以及现场和上位机之间的通信，包括控制信息、设备状态和实时数据的传送。完全由现场测控单元实现对电机试验流程的全部控制，是系统实现的一个难点。
SHCAN2000现场智能测控单元采用了由实时多任务操作系统、实时监控软件、任务级组态软件、实时数据库构成的现场智能测控仪表软件组件集成技术[2]。并开发了下载与调试程序，支持在线组态和模拟调试，大大方便了系统的设计、调试。
3 系统功能实现
本电机试验台测试系统能够自动完成ZD-106、ZD-109、QDR-410型号牵引电机的全部出厂试验和部分型式试验。下面结合试验流程特点，按系统功能实现的过程来进行介绍。
3.1 系统模型分析
试验项目繁多，流程复杂。根据我们分析，每一个试验项目的步骤从五步到二十步不等，有的试验项目还有不同试验方式，累计试验步骤近五百步。面对如此复杂的试验流程，为了清晰地描述电机试验的控制过程，首先要归纳出系统的数学模型。
牵引电机试验流程的控制包含开关量的逻辑控制和电机工作点的闭环调节，两者紧密结合。为了清楚地分析电机试验过程中不同状态下的控制内容，我们将电机试验按控制逻辑分成了若干步骤，依试验项目不同，步骤数目也不同，最多的试验项目(换向试验达20步之多。限于篇幅，只列出速度特性试验(M1正转、满磁场)部分流程表格。（图片） 分析试验流程中的控制关系。一方面，在不同的试验项目以及每一个试验项目的不同试验步骤，每个开关都具备一个确定的状态逻辑，电机工作点的调节内容也由试验步骤的状态决定；另一方面，每一个试验步骤的切换逻辑由二十个线路开关的状态逻辑和电机工作状态标志运算决定。这样，开关、步骤之间相互制约，建立起逻辑上的互锁关系，试验流程的开关量部分的框架就这样建立起来了。模拟量调节内容依据试验步骤标志，由分支程序选择不同的闭环调节。当被控量达到给定值时，会产生标志位，满足步骤切换逻辑，试验进行下一步。这样试验流程就会依次自动进行下去。试验步骤、线路开关、模拟量调节三者关系可以概括为：试验步骤决定线路开关的状态和模拟量调节内容，线路开关的状态和模拟量标志位又是试验步骤切换的逻辑条件。如下图示。（图片） 步骤逻辑和开关逻辑的数学表达式可以概括如下(其中Step(N)代表试验第N步，K代表开关，Logic代表组合逻辑，Ex代表试验项目，Flag代表各个试验状态标志)：（图片） 其中，“步骤切换条件”是由线路开关、电机工作标志位的组合逻辑构成。由此，试验步骤与开关构成了“互锁”并且步骤逻辑自身可以“自锁”。
这种按步骤归纳逻辑关系的方法能够把开关量连锁控制与模拟量调节结合起来。在工业生产现场大量存在一种控制方式，包含开关量逻辑控制和模拟量闭环调节，二者要求同样严格，不分主次(例如化工行业化学反应过程的控制等)。对于这样流程的控制，这种处理方法具有一定的普遍意义[4]。
3.2 现场总线条件下系统功能实现
电机试验过程中，各设备关系紧密，需要共同配合完成试验流程，试验台的控制必须兼顾各个设备，作为一个整体进行控制。而控制分散在现场，所以各个测控单元的信息必须是开放的、可以与其他单元共享。CAN总线的多主性通信方式使网络上节点之间可自由通信。SHCAN2000现场总线控制系统中提供了CAN总线网络和现场智能测控单元构成的分布式实时数据库，实现了自由、开放的通信方式，使得系统内任何单元的测控数据和设备状态，对于其他单元都是可见的，从而使试验台的整体控制成为可能。
由现场功能不同方面，SHCAN2000现场控制单元可按以下组态方案实现[6]：
(1)通信功能
通信包括现场与上位机的通信、现场单元之间的通信。为了实现控制信息共享，在现场单元分布式实时数据库中，每个设备的控制信息都通过CAN总线同地址映射到相同地址单元，实现了最大范围的信息共享。例如，需要访问电机工作点电流是否达到给定值标志位，各控制单元只需访问本地数据库的S10N10单元即可。
现场单元与上位机以及现场各个单元之间的通信由模块实现，且有分频器模块控制通信速率，使CAN网络不致阻塞。
(2)控制功能实现
控制功能包括开关量控制、工作点调节和流程的控制。
开关量控制通过开关量运算模块，实现步骤切换逻辑运算和开关状态逻辑运算。
电机工作点调节根据试验步骤状态，用分支程序模块来选择PID运算模块的SP、PV，完成电机在不同工作点下电压、电流、转速的调节。此外，由于电机在不同工作状态(起动、制停、不同工作点)时控制模型的参数不同，所以在试验的不同阶段，用分支程序模块选择已整定好的不同的PID参数(分段PID)，达到理想的控制效果。
当被控量达到预先设定值时，高低值监视模块产生一个开关量，参加步骤切换逻辑运算；计数器模块、定时器模块控制工作点切换和延时等流程控制。
3.3 上位机监控管理软件
上位机的监控管理软件采用美国Intellutin公司FIX 615，实现系统的监控和管理。
监控界面由模拟试验线路、虚拟仪表和操作按钮组成。试验员可以通过模拟试验线路观察电路开关状态；虚拟仪表显示电机电压、电流、转速、温度等参数；试验步骤指示灯显示当前试验状态；操作按钮控制电机试验项目和试验流程。
FIX与现场的数据交换由自行开发的I/O驱动程序——现场测控单元的通信模块，来完成现场实时数据的“上传”和上位机组态数据、控制命令的“下达”。
电机电压、电流、转速的越限保护动作由现场智能测控模块完成，但上位机保留这些报警事件的历史纪录(发生时间，越限值，操作者等)，以备查询、参考。
本系统中不同的操作权限具有不同口令保护，使试验操作员和系统工程师权限不同，各司其职，消除由操作员误操作带来的对系统组态功能的破坏。
作为试验的最终结果，试验报表系统是由FIX组态软件调用Microsoft Office Excel电子表格软件实现的[6]。试验完毕后，FIX调用Excel中用VBA编写的宏READ()，来完成自动将试验数据文件到Excel表格的格式转换，形成最终试验报表。并按照电机编号和试验项目作为文件名将试验数据存档以备检索。
4 结束语
本文提出的牵引电机试验台现场总线系统已在铁道部戚墅堰机车车辆厂得到了成功的应用。实践证明，现场总线控制系统对于牵引电机试验台这样典型大功率电气设备的控制具有工作可靠、控制精度高、设计灵活、功能完备等优点，有良好的借鉴作用和推广应用价值。
参考文献
[1] 牵引电机[M] .西南交大电机系编中国铁道出版社，1981年4月
[2] 袁爱进，等.现场智能测控仪表软件组件集成技术的研究[J] .仪器仪表学报，2001年第3期，269-276
[3] 牵引电机大纲[S] .铁道部戚墅堰机车车辆厂
[4] 陈晓侠，等.CAN总线间歇控制系统的研究[J] .大连铁道学院学报，2001年第2期，52-55
[5] “SHCAN2000分布控制系统智能测控组件系统组态使用手册”[S] .大连铁道学院三合仪表开发公司，1999
[6] [美] Mark Dodge等著，詹津明，等译.Microsoft Excel 97使用大会[M] .清华大学出版社，1998年12月
3/14/2006
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