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1.   引言：

        為確保性能可靠和安全運(yùn)輸，鐵路內(nèi)燃機(jī)車用柴油機(jī)每次新造出廠前或大修后必須進(jìn)入柴油機(jī)試驗(yàn)站進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，經(jīng)驗(yàn)收合格后方可裝車運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)自動(dòng)控制與數(shù)據(jù)采集的主要困難是：邏輯關(guān)系復(fù)雜，步驟繁多，各種條件相互關(guān)聯(lián)；所測(cè)參數(shù)種類眾多。怎樣設(shè)計(jì)出一種有效的控制系統(tǒng)和合理的控制方案是解決問題的關(guān)鍵。因此，采用基于CAN總線技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控系統(tǒng)，無論從實(shí)時(shí)性，可靠性，還是通信距離上都滿足柴油機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)的需要。

         CAN總線屬于總線式串行通信網(wǎng)絡(luò)，由于采用了許多新技術(shù)及其獨(dú)特的設(shè)計(jì)于一般通信總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。其特點(diǎn)可概括如下：CAN總線以多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任意節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活，且無須占地址等節(jié)點(diǎn)信息，利用這一特點(diǎn)可方便地構(gòu)成多機(jī)備份系統(tǒng)。CAN總線網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息分不同的優(yōu)先級(jí)，可滿足不同的實(shí)時(shí)要求，高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)最多可在34μs內(nèi)得到傳輸。CAN采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)出信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)地退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省總線沖突仲裁時(shí)間，尤其是在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下也不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓的情況。CAN總線只需通過報(bào)文濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接受數(shù)據(jù)，無需專門的“調(diào)度”。CAN總線的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10Km(速率5Kbps以下)；通信速率最高可達(dá)1Mbps（此時(shí)通信距離最長(zhǎng)為40 m）。.CAN總線上的節(jié)點(diǎn)主要取決于總線驅(qū)動(dòng)電路，目前可達(dá)110個(gè)；報(bào)文標(biāo)識(shí)符可達(dá)2032種，而擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符幾乎不受限制。采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低，具有極好檢錯(cuò)效果。CAN總線的每幀信息都有CRC校驗(yàn)及其它檢錯(cuò)措施，保證了數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低。CAN總線的通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。CAN總線節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出的功能，以使總線上的其它節(jié)點(diǎn)的操作不受影響。

        1. 本系統(tǒng)采用兩層體系結(jié)構(gòu)，即操作站―現(xiàn)場(chǎng)智能單元。操作站由工控機(jī)加上網(wǎng)卡組成，網(wǎng)卡的功能是完成RS-232C與CAN總線之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)工業(yè)PC機(jī)與CAN總線的連接。現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備（現(xiàn)場(chǎng)控制單元）具有“功能全分散”的特點(diǎn)，使現(xiàn)場(chǎng)控制單元成了控制系統(tǒng)的核心。CAN總線控制節(jié)點(diǎn)由微處理器，CAN總線控制器及CAN接口電路組成。現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)“功能全分散”的特點(diǎn)，使現(xiàn)場(chǎng)控制單元成了控制系統(tǒng)的核心。我們采用了自行開發(fā)的SHCAN2000型現(xiàn)場(chǎng)控制單元采用了由實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)、實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件、任務(wù)級(jí)組態(tài)軟件、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫等構(gòu)成的現(xiàn)場(chǎng)智能測(cè)控儀表軟件組件集成技術(shù)，支持在線組態(tài)。由于現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)之一是將控制功能徹底分散到現(xiàn)場(chǎng)，因此在現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)控制單元就成了系統(tǒng)的核心部件。SHCAN2000系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)控制單元將PLC和回路調(diào)節(jié)器的全部功能有機(jī)的溶為一體：用于順序控制可取代PLC；用于連續(xù)控制可替換回路調(diào)節(jié)器和DCS；用于間歇過程工業(yè)則可替代DCS與PLC的復(fù)雜組合；并使所有的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)都有一個(gè)簡(jiǎn)單、統(tǒng)一的解決方案。SHCAN2000型現(xiàn)場(chǎng)控制單元的硬件結(jié)構(gòu)如圖2-6所示。其中CAN驅(qū)動(dòng)器82C250和CAN控制器SJA1000完成CAN總線通信，其余的采集和控制單元由Philips公司的微處理器芯片P80C552單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成。

 圖3 SHCAN2000型現(xiàn)場(chǎng)控制單元軟件結(jié)構(gòu)

        監(jiān)控站要進(jìn)行柴油機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)分成磨合，調(diào)整，驗(yàn)收三個(gè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)要求柴油機(jī)在一定的轉(zhuǎn)速和功率條件下運(yùn)轉(zhuǎn)一定的時(shí)間之后測(cè)試柴油機(jī)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)檢查柴油機(jī)的各項(xiàng)性能，同時(shí)調(diào)節(jié)進(jìn)入柴油機(jī)的燃油溫度和冷卻水溫度。當(dāng)出現(xiàn)異常情況是系統(tǒng)會(huì)在界面中顯示報(bào)警并通過聲光信號(hào)提醒實(shí)驗(yàn)人員，同時(shí)還要完成質(zhì)量平定，和實(shí)驗(yàn)記錄的功能。對(duì)于實(shí)驗(yàn)過程的監(jiān)控我們應(yīng)用上位機(jī)直觀、友好的人機(jī)界面是系統(tǒng)功能的一個(gè)重要體現(xiàn)。隨著計(jì)算機(jī)和軟件技術(shù)的發(fā)展，上位機(jī)的界面設(shè)計(jì)變得越來越方便、直觀。在設(shè)計(jì)上位機(jī)監(jiān)控界面時(shí)，我們采用FIX軟件的畫圖程序（DRAW）,借助于畫圖程序的強(qiáng)大功能，實(shí)現(xiàn)了柴油機(jī)試驗(yàn)臺(tái)線路狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示、柴油機(jī)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和柴油機(jī)試驗(yàn)當(dāng)前步驟狀態(tài)顯示，使試驗(yàn)員能全面、直觀地監(jiān)控柴油機(jī)試驗(yàn)全過程。監(jiān)控界面由模擬試驗(yàn)線路、虛擬儀表和操作按鈕組成。試驗(yàn)員可以通過模擬試驗(yàn)線路觀察電路開關(guān)狀態(tài)；虛擬儀表顯示柴油機(jī)主發(fā)機(jī)組的電壓、電流、轉(zhuǎn)速、溫度、壓力等參數(shù)；試驗(yàn)步驟指示燈顯示當(dāng)前試驗(yàn)狀態(tài)；操作按鈕控制柴油機(jī)試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)流程。整個(gè)監(jiān)控界面形象直觀，易于操作。為了設(shè)計(jì)出直觀、形象的監(jiān)控界面，采用了動(dòng)態(tài)顯示技術(shù)。試驗(yàn)線路的開關(guān)狀態(tài)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)動(dòng)態(tài)顯示；各種壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、電流、電壓等參數(shù)通過虛擬儀表動(dòng)態(tài)顯示；柴油機(jī)試驗(yàn)的當(dāng)前步驟通過虛擬指示燈動(dòng)態(tài)顯示。動(dòng)態(tài)顯示技術(shù)的原理如下：監(jiān)控界面上幾何圖形的大小、位置、顏色、旋轉(zhuǎn)角度以及可見性等并不是固定不變的，而是由FIX過程數(shù)據(jù)庫中對(duì)應(yīng)點(diǎn)所決定的。例如：試驗(yàn)步驟N指示燈的可見性由數(shù)據(jù)庫中對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)步驟。對(duì)于系統(tǒng)的控制功能我們運(yùn)用功能強(qiáng)大的軟件模塊庫，將控制功能通過功能模塊組態(tài)的形式按找系統(tǒng)的要求組織起來下載到現(xiàn)場(chǎng)智能單元中，這樣現(xiàn)場(chǎng)智能單元就會(huì)根據(jù)分配給各自的任務(wù)完成系統(tǒng)的功能。并利用他們之間的通訊功能將整個(gè)系統(tǒng)統(tǒng)一連接起來達(dá)到時(shí)實(shí)多任務(wù)要求實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制功能。

        本課題的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)是分析了間歇控制的特點(diǎn)和難點(diǎn)，研究基于現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)間歇控制的方法。具體論述了采用現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)試驗(yàn)的自動(dòng)控制，包括試驗(yàn)流程的自動(dòng)控制、試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和管理、友好的人機(jī)接口等，并討論了上位機(jī)操作站和現(xiàn)場(chǎng)控制單元的功能組態(tài)實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)了柴油機(jī)試驗(yàn)過程的全自動(dòng)，且試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)全部控制功能由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控儀表完成，充分體現(xiàn)了控制全分散這一發(fā)展趨勢(shì), 較好地完成了柴油機(jī)試驗(yàn)臺(tái)計(jì)算機(jī)改造項(xiàng)目。

[1]鐵道部大連機(jī)車車輛工廠．東風(fēng)4型燃機(jī)車．大連理工大學(xué)出版社，大連，1998年8月

[2]鄒家龍．淺談機(jī)車柴油機(jī)試驗(yàn)站的設(shè)計(jì)． 柴油機(jī)． 1998.2：33～37

[3]陽憲惠．現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用．清華大學(xué)出版社．1999．

[4]劉雙剛等．間歇生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制．機(jī)電工程．2000年第17卷第3期：94~96

[5]袁愛進(jìn)等.現(xiàn)場(chǎng)智能測(cè)控儀表軟件集成技術(shù)的研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào).2001，3：269-276

[6]袁愛進(jìn) .MDCS2001微型集散控制系統(tǒng)手冊(cè) 

[7]袁愛進(jìn)．嵌入式聰明設(shè)備控制器（OSDC）．2000

[8] 袁愛進(jìn)等．現(xiàn)場(chǎng)智能測(cè)控儀表軟件集成技術(shù)的研究．儀器儀表學(xué)報(bào)，2001

[9]SHCAN2000分布控制系統(tǒng)智能測(cè)控組件系統(tǒng)組態(tài)使用手冊(cè)．大連三合儀表開發(fā)公司．

[10] SHCAN2000分布控制系統(tǒng) 系統(tǒng)設(shè)置及下載調(diào)試程序使用手冊(cè)．大連三合儀表開發(fā)公司．