CN103336494B - 基于WinPac控制器的机车控制系统及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于WinPac控制器的机车控制系统，包括WinPac控制器、信号输入模块、信号输出模块、励磁控制模块以及HMI模块。所述的信号输入模块、信号输出模块、励磁控制模块和HMI模块均分别与WinPac控制器的CPU电连接。基于WinPac控制器的机车控制系统的实现方法，主要包括机车数字量和模拟量的输入检测与机车逻辑控制运算处理线程，机车控制系统根据逻辑控制运算结果进行机车故障判断，再根据故障报警进一步判断该故障是否影响机车正常牵引；通过控制柴油机调速来维持机车恒功控制输出。与现有技术相比，本发明具备强大的数据处理和逻辑运算能力，保证机车控制系统运行的高速性、实时性，并满足机车运动控制、信息传输和网络通讯等需求。

Description

基于WinPac控制器的机车控制系统及实现方法

技术领域

本发明涉及机车控制领域，尤其是涉及一种基于WinPac控制器的机车控制系统。

本发明还涉及一种基于WinPac控制器的机车控制系统的实现方法。

背景技术

现有的机车控制系统尤其是内燃直流调车机车的微机控制系统一般是基于单片机或者PLC技术进行控制，其中，单片机数据处理能力强，但逻辑运算能力弱；而PLC逻辑运算能力强，但也有数据处理能力弱、通讯方式较少等缺点。而WinPac技术是基于Windows CE5.0操作系统和RISC平台的工控技术，其将单片机、PLC这两种技术的优势方面结合起来，形成强大的数据处理和逻辑运算能力，而且具有多种通讯方式等优点，不论是数据采集、运动控制、信息传输、网络通讯等，都能比较容易地轻松实现。所以基于WinPac技术的机车微机控制系统，具有经济性好、运用灵活、功能强大、适用范围广泛等优点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有技术存在的问题，提供一种数据处理和逻辑运算能力强、具有多种通讯方式的基于WinPac控制器的机车控制系统及实现方法，满足机车运行中数据采集、运动控制、信息传输、网络通讯等需求。

本发明要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：基于WinPac控制器的机车控制系统，包括用于机车数字信号、模拟信号和频率信号采集的信号输入模块、用于机车数字信号输出的信号输出模块、用于机车主发恒功控制的励磁控制模块以及用于系统信息的显示、存储及输入输出的HMI模块和WinPac控制器；所述的信号输入模块的输出端口与WinPac控制器的输入端口相互连接，所述的信号输出模块、励磁控制模块和HMI模块的输入端口分别与WinPac控制器的输出端口相互连接。

进一步地，所述的信号输入模块包括数字量输入模块、模拟量输入模块和频率量输入模块，并且所述的数字量输入模块用于机车数字量信号的采集，所述的模拟量输入模块用于机车传感器信号的采集，所述的频率量输入模块用于频率脉冲信号的采集。

进一步地，所述的数字量输入模块、模拟量输入模块和频率量输入模块均通过WinPac控制器下面的背板总线分别与WinPac控制器的CPU电连接。

进一步地，所述的数字量输入模块至少为一个，所述的模拟量输入模块至少为一个。

进一步地，所述的信号输出模块是至少一个数字量输出模块，其输出的数字控制信号通过固态继电器放大处理后输出到执行元件。

进一步地，所述的HMI模块与WinPac控制器之间是以Modbus RTU通讯方式相互通信。

上述的基于WinPac控制器的机车控制系统的实现方法，主要包括如下步骤：S1)机车控制系统的上电自检与初始化；S2)机车控制系统起用通讯线程；S3)机车控制系统起用频率量检测与数据处理线程；S4)机车数字量和模拟量的输入检测与机车逻辑控制运算处理线程；S5)机车控制系统根据逻辑控制运算结果进行机车故障判断，如果出现故障，控制系统进行故障诊断与报警；S6)机车控制系统根据故障报警进一步判断该故障是否影响机车正常牵引，如果没有发生牵引故障，机车控制系统将维持机车恒功控制输出；S7)重复上述的S4至S6步骤。

进一步地，所述的S5)步骤中，机车控制系统根据逻辑控制运算结果进行机车故障判断时，如果没有发生故障，机车控制系统的逻辑控制输出信号控制柴油机调速，维持机车恒功控制输出，机车控制系统重新进行机车数字量和模拟量的输入检测与机车逻辑控制运算处理线程。

进一步地，所述的S6)步骤中，如果机车控制系统根据故障报警进一步判断出发生了影响机车正常牵引的牵引故障，机车控制系统将进行机车卸载保护，并输出逻辑控制输出信号来控制柴油机调速，维持机车恒功控制输出，机车控制系统重新进行机车数字量和模拟量的输入检测与机车逻辑控制运算处理线程。

进一步地，所述的机车恒功控制输出是输出幅值电压为24V、占空比为10％-99％的PWM波。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用基于WinPac控制器的主机具有8个功能模块插槽，可以根据机车实际控制需求灵活配置功能模块，满足不同用户的需求；主机采用主频为520MHz的CPU，且自带4个RS485/RS232接口、1个VGA接口、1个USB接口，支持C/C++/VC/VB编程语言，使得本发明的控制系统具备强大的数据处理和逻辑运算能力，同时也具有RS485/232、Modbus RTU、CAN、MVB、工业以太网、无线网络等多种通讯方式，可以实现多个设备之间的相互通讯；其中的每一数字量输入模块具有采集32路数字量的功能，每一模拟量输入模块具有采集8路模拟量的功能，每一频率量输入模块具有采集8路频率量的功能，可以为本发明的控制系统提供机车运行中大量的数据采集需求；从而能够保证机车控制系统运行的高速性、实时性，并满足机车运行中运动控制、信息传输和网络通讯等需求。

附图说明

图1为本发明一种基于WinPac控制器的机车控制系统的拓扑图。

图2为本发明基于WinPac控制器的机车控制系统的实现方法的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

一种基于WinPac控制器的机车控制系统，包括WinPac控制器、信号输入模块、信号输出模块以及励磁控制模块和HMI模块；所述的信号输入模块的输出端口与WinPac控制器的输入端口相互连接，所述的信号输出模块、励磁控制模块和HMI模块的输入端口分别与WinPac控制器的输出端口相互连接。其中，所述的WinPac控制器主机是控制系统的核心部分。所述的信号输入模块包括至少一个数字量输入模块、至少一个模拟量输入模块和频率量输入模块，并且数字量输入模块用于机车数字量信号的采集，模拟量输入模块用于机车传感器模拟信号的采集，频率量输入模块用于机车速度、柴油机转速等频率脉冲信号的采集。所述的信号输出模块是至少一个数字量输出模块，用于机车数字信号的输出，其输出的数字控制信号通过固态继电器放大处理后输出到执行元件。所述的励磁控制模块通过与之连接的励磁驱动模块直接控制主发电机励磁，从而实现机车主发恒功控制。所述的HMI模块用于系统信息的显示、存储及输入输出，所有的机车故障诊断与报警等信息均可以通过HMI模块提供给用户。

为了方便理解本发明的技术方案，现以DF12型内燃直流调车机车为平台进行说明。所选用的WinPac控制器主机采用主频为520MHz的CPU，具有8个功能模块插槽，并且WinPac控制器主机自带4个RS485/RS232接口、1个VGA接口、1个USB接口，支持C/C++/VC/VB编程语言，是控制系统的核心部分。由于每个数字量输入模块具有采集32路数字量的功能，如果需要采集更多的数字量，例如50路数字量，可以增加一个数字量输入模块与WinPac控制器电连接；由于每个模拟量输入模块具有采集8路模拟量的功能，如果需要采集更多的模拟量，例如10路模拟量，可以增加一个模拟量输入模块与WinPac控制器电连接；由于每个数字量输出模块具有输出32路数字量的功能，如果需要输出更多的数字量，例如50路数字量，可以增加一个数字量输出模块与WinPac控制器电连接。如图1所示，根据DF12型内燃直流调车机车的控制要求及特点，由于所述的WinPac控制器主机最多可以带8个功能模块，因此，机车控制系统配置了2个数字量输入模块、2个数字量输出模块、2个模拟量输入模块以及1个频率量输入模块和1个励磁控制模块。其中的每个功能模块均是通过直接插接的方式安装在主机上，主机的CPU通过功能模块插槽下面的背板总线直接防问每个功能模块，各个功能模块在主机CPU的协调下共同完成机车的控制功能。

其中，上述的数字量输入模块在主机单元的协调控制下，将整个机车的数字量信号采集到机车WinPac控制器，本系统采用高电平输入有效的方式。

上述的模拟量输入模块在主机单元的协调控制下，负责采集机车牵引电流、电压、柴油机水温、油温等模拟信号，将整个机车的模拟量信号采集到机车WinPac控制器，为机车整体控制、机车保护、故障诊断、数据实时显示提供数据支持。

上述的频率量输入模块具有采集8路频率量的功能，其在主机单元的协调控制下，主要负责采集机车速度、柴油机转速、通风机转速、电机转速等频率脉冲信号，将整个机车的频率脉冲信号采集到机车WinPac控制器，为机车整体控制、机车保护、故障诊断、数据实时显示提供数据支持。

上述的数字量输出模块在主机单元的协调控制下，将数字量输入模块采集到的数据，通过WinPac控制器的逻辑运算后，将逻辑运算结果即机车的逻辑控制信号输出到一体化固态继电器，通过固态继电器放大处理后再输出到接触器、中间继电器、电控阀等电气元件执行相应的电气动作，实现机车的逻辑控制功能，本系统采用低电平输出有效的方式。

上述的励磁控制模块在主机单元的协调控制下，将各个模块所采集到的数据进行综合的运算处理，再通过与之连接的励磁驱动模块来控制主发电机励磁，从而实现机车主发恒功控制功能，本控制系统是通过输出占空比从10％-99％变化的PWM波来控制主发电机励磁电流的大小，从而达到主发恒功控制的要求。

上述的HMI模块主要是机车显示屏，在主机CPU单元的协调控制下，HMI模块与WinPac控制器之间以Modbus RTU通讯方式相互通信；主机单元与机车显示屏的ModbusRTU通讯功能是以通讯线程的方式实现的，在该方式下，只需要将主机单元与机车显示屏的通讯线(三芯屏蔽线)连接好，并启动通讯线程后就能自动地实现通讯功能。HMI模块主要用于系统信息的显示、存储及输入输出，所有的机车故障诊断与报警等信息均可以通过HMI模块提供给用户。

如图2所示，上述的基于WinPac控制器的机车控制系统的实现方法，具体而言：

首先，机车控制系统的上电自检与初始化，系统上电后自动对硬件自检，判定各个功能模块插接位置以及各个模块工作状态是否正常。如果出现故障，则系统及时报警提示，根据报警排除故障后，系统重新进行自检；当系统自检正常后，开始系统的初始化。如果初始化不成功，则系统报警；如果初始化成功，则系统转入起用通讯线程。

然后，机车控制系统起用频率量检测与数据处理线程。频率量的采集是以线程的方式实现数据采集的，这种方式的优点在于可以高速的采集大量的机车频率量数据，再对机车数据进行处理，去掉尖峰、毛刺数据，使得到的数据更加平滑、稳定，更加有利于机车的控制，解决为了机车数据稳定性而采集大量数据进行处理所带来的机车控制实时差的问题，从而解决机车数据实时性与稳定性的矛盾。

进一步地，机车控制系统进入到机车数字量和模拟量的输入检测与机车逻辑控制运算处理线程。由数字量输入模块负责机车数字量信号的采集，这些数字量信号主要包括柴油机滑油压力、柴油机水温、柴油机机差示压力、主电路接地、主发过流、列车管风压低、低水位等数字量信号，所有这些数字量信号被输入到WinPac控制器主机中进行分析处理。由模拟量输入模块负责采集机车传感器信号，这些模拟量信号主要包括牵引电动机过流、主发电机励磁电流过流、柴油机油温等，所有这些模拟量信号被输入到WinPac控制器主机中进行分析处理。

紧接着，机车控制系统的WinPac控制器主机对接收到的由数字量输入模块采集的数字量信号和由模拟量输入模块采集的模拟量信号进行逻辑运算，机车控制系统根据逻辑控制运算结果进行机车故障判断，如果出现故障，控制系统进行故障诊断与报警；如果没有发生故障，机车控制系统的逻辑控制输出信号控制柴油机调速，维持机车恒功控制输出，机车控制系统重新进行机车数字量和模拟量的输入检测与机车逻辑控制运算处理线程。由于机车恒功控制输出是由柴油机转速控制调整，因此，控制系统对柴油机是否超速的监测与报警非常重要，通常情况下，柴油机标准转速为1000转/分，为保证机车恒功控制输出的稳定，当柴油机转速超过1050转/分，控制系统提示故障报警信息，并将该信息以Modbus RTU通讯方式输出到机车显示屏，机车操作人员可以通过机车显示屏查看该报警信息，并作出相应处理。

机车控制系统接收到故障报警信息后，根据故障报警进一步判断该故障是否影响机车正常牵引，如果没有发生牵引故障，机车控制系统将维持机车恒功控制输出；如果发生了影响机车正常牵引的牵引故障，机车控制系统将进行机车卸载保护，并输出逻辑控制输出信号来控制柴油机调速，维持机车恒功控制输出。其中，机车恒功控制输出是输出幅值电压为24V、占空比为10％-99％的PWM波。机车控制系统重新进行机车数字量和模拟量的输入检测与机车逻辑控制运算处理线程。

本发明的机车控制系统中各个功能模块在主机CPU的统一管理下，功能明确，相互配合嵌套使用，将机车的各种数据采集到WinPac控制器内部，通过主机CPU对各种数据的处理，实现机车逻辑控制、牵引特性控制、机车保护、故障诊断、数据实时显示、柴油机转速调节、现场总线通讯等功能。具体而言，由于WinPac控制器主机采用主频为520MHz的CPU，可以保证系统运行的高速性、实时性。本系统完全采用模块化设计，可以根据机车实际需求灵活地配置功能模块，满足不同用户的需求。本控制系统具有RS485/232、Modbus RTU、CAN、MVB、工业以太网、无线网络等多种通讯方式，可以实现多个设备之间的相互通讯。本系统采用线程的设计方式，提高了在短时间内采集数据的数量，解决了机车数据实时性与稳定性的矛盾。在机车控制软件方面，采用计算机线程的方式，此方式能让以前一个整体的机车控制程序，分成多个不同的程序主体，各个主体相互协作完成整个机车的控制功能，提高程序代码的运行速度。在机车频率量采集方面也同样采用线程的方式，此方式可以让控制系统快速采集机车外部的数据，然后在机车主机内做大量的数据处理，使得系统对机车的控制更加快速、准确。在机车WinPac控制器主机与机车显示屏通讯方面，采用线程的方式，控制系统与机车显示屏之间以Modbus RTU通讯方式实现相互通讯，此方式可以更好地利用主机CPU主频高的特点，使得通讯速度更加快速。另外，在对机车数据的存储记录，本控制系统可以根据实际需要，配置容量较大的SD卡，使用更加方便、灵活。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于WinPac控制器的机车控制系统，包括

信号输入模块，包括数字量输入模块、模拟量输入模块和频率量输入模块，所述数字量输入模块用于机车数字量信号的采集，所述模拟量输入模块用于机车传感器信号的采集，所述频率量输入模块用于频率信号的采集；

信号输出模块，用于机车数字信号的输出；

励磁控制模块，用于机车主发恒功控制；

HMI模块，用于系统信息的显示、存储及输入输出；

其特征在于：还包括WinPac控制器，所述的信号输入模块的输出端口与WinPac控制器的输入端口相互连接，所述的信号输出模块、励磁控制模块和HMI模块的输入端口分别与WinPac控制器的输出端口相互连接；并且，所述的频率量输入模块是以线程方式实现频率脉冲信号采集的频率量输入模块，所述的信号输出模块是至少一个数字量输出模块，其输出的数字控制信号通过固态继电器放大处理后输出到执行元件。

2.根据权利要求1所述的基于WinPac控制器的机车控制系统，其特征在于：所述的HMI模块与WinPac控制器之间是以Modbus RTU通讯方式相互通信。

3.如权利要求1的基于WinPac控制器的机车控制系统的实现方法，其特征在于：所述的实现方法主要包括如下步骤：

S1)机车控制系统的上电自检与初始化；

S2)机车控制系统起用通讯线程；

S3)机车控制系统起用频率量检测与数据处理线程；

S4)机车数字量和模拟量的输入检测与机车逻辑控制运算处理线程；

S5)机车控制系统根据逻辑控制运算结果进行机车故障判断，如果出现故障，控制系统进行故障诊断与报警；

S6)机车控制系统根据故障报警进一步判断该故障是否影响机车正常牵引，如果没有发生牵引故障，机车控制系统将维持机车恒功控制输出；

S7)重复上述的S4至S6步骤。

4.根据权利要求3所述的基于WinPac控制器的机车控制系统的实现方法，其特征在于：所述的S5)步骤中，机车控制系统根据逻辑控制运算结果进行机车故障判断时，如果没有发生故障，机车控制系统的逻辑控制输出信号控制柴油机调速，维持机车恒功控制输出，机车控制系统重新进行S4步骤。

5.根据权利要求3所述的基于WinPac控制器的机车控制系统的实现方法，其特征在于：所述的S6)步骤中，如果机车控制系统根据故障报警进一步判断出发生了影响机车正常牵引的牵引故障，机车控制系统将进行机车卸载保护，并输出逻辑控制输出信号来控制柴油机调速，维持机车恒功控制输出，机车控制系统重新进行S4步骤。

6.根据权利要求3至5任一项所述的基于WinPac控制器的机车控制系统的实现方法，其特征在于：所述的机车恒功控制输出是输出幅值电压为24V、占空比为10％-99％的PWM波。