1引言 為確保性能可靠，鐵路內燃機車用柴油機每次大修后需進入柴油機試驗站進行臺架試驗，經驗收合格后方可裝車運行。實現柴油機臺架試驗自動控制的主要困難是：一、程序復雜，步驟繁多，邏輯關系復雜，各種條件相互關聯；二、所測參數種類眾多，整個試驗過程需檢測溫度參數33種，壓力參數51種，轉速3種，電流4種，電壓4種，流量2種，共計97種，報警種類82種；三、現場環境惡劣，高溫潮濕，主發電機等其它各種電機的電磁干擾強（最高電壓770V，最大電流4800A），機械震動大，這些都對控制設備的抗干擾性和可靠性提出了較高要求。 基于這種情況，并結合錦州機務段的實際情況，我們開發了一種基于現場總線控制系統結構SHCAN2000的柴油機試驗站自動測試系統，解決了上述問題，并通過FIX組態軟件實現了以下幾項基本功能：①、自動控制試驗過程；自動采集全部數據，并對采集到的數據進行管理；自動進行故障報警，對報警記錄進行保存；②、開通網絡接口，接入企業內部局域網；③、根據現場提供的基本性能參數和所采集數據，對試驗柴油機進行質量評定；④、根據故障報警所示信息，進行初步的自診斷，以方便查找故障處所。 2系統體系結構 2.1柴油機試驗站結構 錦州機務段16V240ZJ型柴油機試驗站主要由柴油機、11個各種電機及其它控制設備組成（如圖1所示），采用“SHCAN2000型現場控制系統” 2．2SHCAN2000分布式控制系統 （1）SHCAN2000的硬件體系 本系統控制部分采用現場總線控制系統，對大修柴油機的運行性能進行監測，由于采用FCS進行監控，與以往測試方案相比，其突出特點為高可靠性和方便的擴充能力，系統結構如圖2所示。 系統配置2套工業PC機同時監測試驗柴油機的全部運行參數及設備的運轉狀況，每臺上位機都可以獨立地構成整個系統的監控操作站，且互不干擾，不分主次、三重冗余，互為熱備份。若用戶對于生產、管理方面提出新的要求需對上位機系統進行擴充，只需拉一根雙絞線即可實現，對系統原配置無需任何改動，從而滿足了建立全廠控制一管理一體化的需要。 SHCAN2000型系統的總線通信標準采用CAN2．0B。CAN總線的短楨結構、CRC校驗以及錯誤節點自動關閉功能，保證了信號傳輸的可靠性，具有較強的抗干擾能力。在柴油機試驗站現場高溫、油水和強電磁干擾下，從未出現通信故障，證明了CAN總線通信的高可靠性。 （2）SHCAN2000的軟件體系  SHCAN2000系統選用美國Intellution公司的漢化FIX DMACS作為組態軟件完成人機界面（MMI）和數據的操作管理，軟件操作平臺采用Windows 2000，通過自行開發的網卡和I／O驅動程序（SHCANIO）實現FIX與SHCAN智能測控組件的連接，從而形成功能強大的系統。 SHCAN2000系統中的軟件包括兩大部分： ①運行在監控站PC上的FIX DMACS、I／O驅動、SHCAN2000下載與調試程序（SHCANCFG）。 ②運行在SHCAN智能測控組件中的SHCAN組態軟件部分。SHCAN2000軟件結構如圖3所示： 3系統功能實現 3.1歸納數學模型 本柴油機測控系統能夠自動完成16V240ZJB/C型柴油機的全部出廠試驗。整個試驗共包括三類工況：①、磨合試驗工況（包括19種試驗工況）；②、調整檢查試驗工況（包括13種試驗工況）；③驗收試驗工況（包括13種試驗工況）。整個試驗流程復雜，項目繁多，每種工況又包括多個小項，需控制的開關量眾多，最多達30多個。累計試驗65小時。面對如此復雜的試驗流程，為了清晰地描述柴油機試驗的控制過程，我們首先歸納出系統的數學模型。 柴油機試驗流程的控制包含開關量的邏輯控制和柴油機轉速的閉環調節，兩者緊密結合，各工況的切換主要以計時為基準同時又要兼顧不同級別的82種報警而采取不同的應急措施。為了清楚地分析柴油機試驗過程中不同狀態下的控制內容，我們將柴油機試驗按控制邏輯分解成若干步驟，依試驗項目不同，步驟數目也不同。限于篇幅，只列出調整試驗部分流程表格。 通過以上流程圖，我們分析試驗流程中的控制關系。一方面，在不同的試驗項目以及每一個試驗項目的不同試驗步驟，每個開關都具備一個確定的狀態邏輯，柴油機功率的調節內容也由相應的試驗步驟決定；另一方面，每一個試驗步驟的切換邏輯由32個線路開關的狀態邏輯和柴油機工作狀態標志位決定。這樣開關、步驟之間相互制約，建立起邏輯上的互鎖關系，試驗流程的開關量部分的框架就這樣建立起來了。模擬量調節內容依據試驗步驟標志，由分支程序選擇不同的閉環調節。當被控量達到給定值時，會產生標志位，滿足步驟切換邏輯，試驗進行下一步。這樣試驗流程就會依次自動進行下去。由于所測柴油機型號不同，切換的條件和報警值不同，因此每次試驗開始前，都要進行柴油機型號、增壓器型號、測速電機型號的選擇。若遇特殊情況，可隨時切換到總手動進行人工干預。步驟邏輯和工況切換條件的數學表達式可以概括如下（其中Step（N）代表第N種試驗工況，Step（M）代表某種工況的第M步驟，Step（M,N）代表M工況下第N步，work代表手動或自動模式，Type代表柴油機型號）。 在這里工況的切換主要以計時為主，輔以各開關量和報警級別來實現。它們不分主次，相輔相成，試驗步驟與開關“互鎖”，并且步驟邏輯自身可以“自鎖”。這種按步驟歸納邏輯關系的方法能夠把開關量連鎖控制與模擬量調節結合起來。在工業生產現場大量存在一種控制方式，包含開關量邏輯控制和模擬量閉環調節，二者要求同樣嚴格，不分主次。 3．2現場總線條件下系統功能實現 柴油機試驗過程中，各設備關系緊密，需要共同配合完成試驗流程，試驗臺的控制必須兼顧各個設備，作為一個整體進行控制。而控制分散在現場，所以各個測控單元的信息必須是開放的、可以與其他單元共享。CAN總線的多主性通信方式使網絡上節點之間可自由通信。SHCAN2000現場總線控制系統中提供了CAN總線網絡和現場智能測控單元構成的分布式實時數據庫，實現了自由、開放的通信方式，使得系統內任何單元的測控數據和設備狀態，對于其他單元都是可見的，從而使試驗臺的整體控制成為可能。依據現場功能的不同方面，SHCAN2000現場控制單元可按以下組態方案實現： （1）通信功能  通信包括現場與上位機的通信、現場單元之間的通信。為了實現控制信息共享，在現場單元分布式實時數據庫中，每個設備的控制信息都通過CAN總線同地址映射到相同地址單元，實現了最大范圍的信息共享。例如，需要訪問柴油機功率是否達到給定值標志位，各控制單元只需訪問本地數據庫的S17N10單元即可。現場單元與上位機以及現場各個單元之間的通信由模塊實現,且有分頻器模塊控制通信速率，使CAN網絡不致阻塞。 （2）控制功能實現 控制功能包括開關量控制、工作點調節和流程的控制。開關量控制通過開關量運算模塊，實現步驟切換邏輯運算和開關狀態邏輯運算。柴油機轉速的控制采用閉環控制，并設置前饋控制，以達到精確控制轉速的目的，減少中間繼電器的動作頻次，延長使用周期；同時還可根據需要進行人工干預。在試驗進行中，根據檢測到的油水溫和設定的上下限報警值，自動調節三個熱交換器閥門的開度，使柴油機工作在正常的油水溫下。 3．3上位機監控管理軟件 上位機的監控管理軟件采用美國Intellution公司Fix6．15,實現系統的監控和管理。監控界面由模擬試驗線路、虛擬儀表和操作按鈕組成。試驗員可以通過模擬試驗線路觀察電路開關狀態；試驗主畫面顯示當前所屬工況、進程、主要的監視參數、各開關狀態、各種按鈕及所發生的報警；溫度總覽畫面顯示全部的溫度參數；壓力總覽畫面顯示全部壓力參數，其它總覽畫面顯示電流、電壓、流量、轉速等參數，不同畫面間通過虛擬按鈕可任意切換。FIX與現場的數據交換由自行開發的I／O驅動程序——現場測控單元的通信模塊來完成現場實時數據的“上傳”和上位機組態數據、控制命令的“下達”。柴油機發電機組的溫度、壓力、電壓、電流、轉速的超限保護動作由現場智能測控模塊完成，一旦發生報警，在發出燈光和聲音報警信號的同時，自動采取相應的應急措施并自動彈出對話框，提示相應的檢查項目，同時上位機保留這些報警事件的歷史紀錄（發生時間，超標準限值，操作者等），以備查詢、參考。本系統中不同的操作權限具有不同口令保護，使試驗操作員和系統工程師權限不同，各司其職，消除由操作員誤操作帶來的對系統組態功能的破壞。作為試驗的最終結果，試驗報表系統是由FIX組態軟件調用Microsoft Office Excel電子表格軟件自動生成報表，同時長期保留整個試驗過程歷史數據庫。 4結束語 本文提出的柴油機試驗臺現場總線系統已在沈陽鐵路局錦州機務段得到了成功的應用。實踐證明，現場總線控制系統對于柴油機試驗臺這樣典型的強實時控制項目具有工作可靠、控制精度高、設計靈活、功能完備等優點，有良好的借鑒作用和推廣應用價值。