1 引言

目前，我國鐵路大部分廠、段的電機試驗臺，主要采用手工操作控制試驗、人工讀表記錄試驗數據；自動化程度比較低。這種手工試驗存在明顯的缺陷：工作效率低，勞動強度比較大，試驗精度不高，而且試驗數據的可靠性往往受到人為因素的影響。隨著牽引電機試驗要求的提高，現有的試驗臺人工控制已不能滿足要求了，迫切需要實現自動控制和計算機管理。

實現牽引電機試驗臺自動控制的主要困難是：(1)電機試驗流程復雜，步驟繁多，邏輯關系歸納困難；(2)牽引電機試驗狀態多變，在不同試驗狀態下控制參數不同，難以達到理想的控制效果；(3)牽引電機和試驗電源是高電壓、大電流設備，電磁干擾強，機械震動大，對控制設備的抗干擾性和可靠性要求較高。

基于這種情況，我們設計采用基于現場總線控制系統SHCAN2000的電機試驗臺自動測試系統，解決了以上問題，可以自動完成牽引電機的全部檢查試驗。實現了試驗流程的自動控制、自動完成；試驗數據的自動采集和自動記錄；安全報警、自動保護和歷史記錄；試驗報表的自動生成和管理等。

2 系統體系結構

2.1 牽引電機試驗臺線路

試驗臺線路如圖1所示。

其中，試驗線路開關(約30個)的組合決定不同試驗項目和不同試驗方式。在試驗過程中，若要根據不同試驗項目、不同步驟控制開關的動作。試驗累計500步左右，相應開關組合也有500個狀態。

線路機、升壓機是由可控硅整流實現的可控電壓源、電流源。由控制系統調節單元的動態輸出作為線路機和升壓機的給定，可控硅觸發電路閉環自動調節輸出，控制牽引電機的工作點(電壓、電流、轉速)。削磁機是由IGBT實現的恒流源，當削磁電路投入時，會自動跟蹤被試電機電樞電流，控制主磁極電流保持在一個固定的削磁率上。

2.2 SHCAN2000分布式控制系統

現場總線控制系統是信息數字化、控制分散化、標準統一全開放的新一代工業自動化控制系統，它有控制精度高、系統可靠性強、成本低廉等優點。其中控制徹底分散是現場總線控制系統具有的突出特點，它給用戶帶來的實質優點是：由高度智能的現場設備來分散地完成DCS控制器的功能，弱化甚至省去了集中控制器的層次，降低了設備和布線費用，使控制風險徹底分散，提高系統控制的自治性和可靠性。

本系統控制部分結構如圖2所示。

我們設計并采用的SHCAN2000分布式控制系統采用三層體系結構，即操作站——CAN總結網絡(雙絞線)——現場智能測控單元。操作站由工業PC機加網卡組成；網卡的功能是完成RS-232C與CAN總線之間的協議轉換，實現工業PC機與CAN總線的連接。操作站采用Windows2000操作系統，工控軟件采用美國Intellution公司的FIX6-15，建立友好的人機界面，實現系統監控和管理功能。

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。在電機試驗臺現場強電磁干擾下，從未出現通信故障，證明了CAN總線通信的高可靠性。

在SHCAN2000控制系統中，現場智能測控單元作為控制系統的核心，完成全部控制功能；通過CAN總線實現設備之間的信息共享，以及現場和上位機之間的通信，包括控制信息、設備狀態和實時數據的傳送。完全由現場測控單元實現對電機試驗流程的全部控制，是系統實現的一個難點。

SHCAN2000現場智能測控單元采用了由實時多任務操作系統、實時監控軟件、任務級組態軟件、實時數據庫構成的現場智能測控儀表軟件組件集成技術[2]。并開發了下載與調試程序，支持在線組態和模擬調試，大大方便了系統的設計、調試。

3 系統功能實現

本電機試驗臺測試系統能夠自動完成ZD-106、ZD-109、QDR-410型號牽引電機的全部出廠試驗和部分型式試驗。下面結合試驗流程特點，按系統功能實現的過程來進行介紹。

3.1 系統模型分析

試驗項目繁多，流程復雜。根據我們分析，每一個試驗項目的步驟從五步到二十步不等，有的試驗項目還有不同試驗方式，累計試驗步驟近五百步。面對如此復雜的試驗流程，為了清晰地描述電機試驗的控制過程，首先要歸納出系統的數學模型。

牽引電機試驗流程的控制包含開關量的邏輯控制和電機工作點的閉環調節，兩者緊密結合。為了清楚地分析電機試驗過程中不同狀態下的控制內容，我們將電機試驗按控制邏輯分成了若干步驟，依試驗項目不同，步驟數目也不同，最多的試驗項目(換向試驗達20步之多。限于篇幅，只列出速度特性試驗(M1正轉、滿磁場)部分流程表格。

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，電機工作點的調節內容也由試驗步驟的狀態決定；另一方面，每一個試驗步驟的切換邏輯由二十個線路開關的狀態邏輯和電機工作狀態標志運算決定。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。試驗步驟、線路開關、模擬量調節三者關系可以概括為：試驗步驟決定線路開關的狀態和模擬量調節內容，線路開關的狀態和模擬量標志位又是試驗步驟切換的邏輯條件。如下圖示。

步驟邏輯和開關邏輯的數學表達式可以概括如下(其中Step(N)代表試驗第N步，K代表開關，Logic代表組合邏輯，Ex代表試驗項目，Flag代表各個試驗狀態標志)：

其中，“步驟切換條件”是由線路開關、電機工作標志位的組合邏輯構成。由此，試驗步驟與開關構成了“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(例如化工行業化學反應過程的控制等)。對于這樣流程的控制，這種處理方法具有一定的普遍意義[4]。