集中控制的轨道工程车电控系统的制作方法

本发明涉及工程车技术领域，特别涉及一种集中控制的轨道工程车电控系统。

背景技术：

轨道工程车是一类特殊的铁路工程机械，主要用于新建线路的各类施工作业和既有线路的检修养护作业。具体的，所述轨道工程车包括用于牵引的轨道车、用于作业的各类轨道作业车以及牵引和作业组合的各种轨道车辆，主要用于新建线路的各类施工作业和既有线路的检修养护作业。

轨道工程车电控系统的主要作用是控制机车走行及控制车载作业设备。请参考图1，其为现有的分散控制的轨道工程车电控系统的结构示意图。如图1所示，所述分散控制的轨道工程车电控系统包括一组plc控制器，每个plc控制器直接与被控对象(所述被控对象包括车载显示屏、变速箱、发动机、司机控制器、工程机械1、工程机械2及工程机械n，n为大于2的整数)连接并控制其工作，每个plc控制器内的控制程序单独编写，独立运行，需要协同工作的plc控制器之间在软件上存在耦合的控制逻辑，在硬件上采用总线或硬线连接以实现数据交换。总而言之，分散控制的轨道工程车电控系统不是一个单独的控制器及控制程序，而是一组plc控制器及内含的控制程序的集合。

开发分散控制的轨道工程车电控系统时，首先要根据被控对象的工作环境、控制需求指标选择合适的plc控制器，随后根据目标轨道工程车的工作内容进行任务分解，提取出每个被控对象的控制逻辑，从而编写对应的plc控制器的控制程序，单独调通后再进行联合调试。

但是，分散控制的轨道工程车电控系统在实际开发应用中暴露出以下三点缺陷：

1)硬件实现成本高。分散控制的轨道工程车电控系统硬件由多个plc控制器组成，每个plc仅控制对应的设备。plc控制器作为一种可编程设备，其价格较高，而轨道工程车的机车设备和工程机械增加时所需要的plc控制器数量也随之增加，成本直线上升。

2)电控系统软件结构过于离散。分散控制的轨道工程车电控系统的软件被拆分为各个独立开发的plc程序，独立运行于各自的plc控制器之上，仅通过总线或硬线进行数据交换会导致以下问题：

问题1：电控系统的软件开发困难。轨道工程车的一些作业任务较为复杂，需要多设备协同工作，各个独立运行的plc控制程序的控制逻辑之间实际存在较多的耦合关系。这使得开发人员在电控系统软件开发时不仅要明确该型轨道工程车的完整控制需求，更要合理地将需求分解到每个plc控制器，并对各个存在协同关系的plc控制器之间耦合的控制逻辑正确地解耦合，才能得到最终单个plc控制器的控制逻辑，进而编写其控制程序，开发过程的前期难度较大。

问题2：电控系统的软件功能调整时的开发、测试工作量大。如上所述，分散控制的电控系统软件中，当复杂作业任务需要进行一些功能调整、升级或其中某个设备因故需要修改控制逻辑时，开发人员需要调整所有与之存在耦合关系的控制器的控制逻辑，重新编写它们的控制程序并重新测试，工作量过大。

问题3：版本控制复杂。分散控制的电控系统中，一种型号的轨道工程车对应数十份plc控制程序，每个程序的版本正确才能确保整车的功能正常，某个plc控制器的程序需要升级到指定版本时，所有与之存在耦合关系的plc控制程序都需要逐一升级到对应版本，这个过程既复杂又容易出错，带来巨大的升级、维护成本。

3)电控系统的硬件软件独立性低，代码复用率低。由于plc控制器直接与被控设备相连，控制软件依赖于硬件，因此当plc型号更换或设备型号更换造成控制逻辑变动或数据接口不一致时，需要重新编写这部分控制软件。

针对现有技术中分散控制的轨道工程车电控系统存在的缺陷，本领域技术人员一直在寻找解决的方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种集中控制的轨道工程车电控系统，以弥补现有技术中分散控制的轨道工程车电控系统存在的缺陷。。

为解决上述技术问题，本发明提供一种集中控制的轨道工程车电控系统，所述集中控制的轨道工程车电控系统包括：一i/o模块组和一plc控制器，所述i/o模块组包括多个i/o模块，所述多个i/o模块中至少一个i/o模块与一被控设备连接；每个i/o模块采集与其连接的被控设备的状态信息，并将所述状态信息转换成数据帧后传输给所述plc控制器，或者将所述plc控制器发送来的数据帧转换成控制信号后传输给与其连接的被控设备。

可选的，在所述的集中控制的轨道工程车电控系统中，每个i/o模块包括：mcu、与所述mcu连接的编址开关、总线接口和输入/输出接口，所述编址开关为每个i/o模块设置唯一地址；所述mcu通过输入接口采集被控设备的状态信息，并将所述状态信息转换成数据帧后通过所述总线接口传输给所述plc控制器，或者所述mcu通过总线接口接收所述plc控制器发送来的数据帧转换成控制信号后通过所述输出接口传输给被控设备。

可选的，在所述的集中控制的轨道工程车电控系统中，所述总线接口包括：can接口、mvb接口、rs485接口及ethercat接口。

可选的，在所述的集中控制的轨道工程车电控系统中，所述输入/输出接口包括：通信接口、数字量输入/输出接口和模拟量输入/输出接口。

可选的，在所述的集中控制的轨道工程车电控系统中，所述plc控制器包括：codesys功能库、分别与所述codesys功能库连接的存储有轨道工程车控制程序的存储介质和被控设备抽象层、嵌入式操作系统(eos)、分别与所述嵌入式操作系统连接的硬件平台、codesysruntime中间件和i/o模块映射存储层，所述i/o模块映射存储层与所述被控设备抽象层连接，所述硬件平台通过总线接口与所有i/o模块连接。

可选的，在所述的集中控制的轨道工程车电控系统中，所述i/o模块映射存储层包括输入缓冲区和输出缓冲区，所述i/o模块映射存储层解析由所述i/o模块通过所述总线接口发送来的数据帧，并将其存入输入缓冲区的指定位置，或者将输出缓冲区指定位置的数据封装成数据帧后交由嵌入式操作系统的总线数据收发服务。

可选的，在所述的集中控制的轨道工程车电控系统中，所述被控设备抽象层中构建有虚拟被控设备，所述虚拟被控设备根据所述i/o模块映射存储层中存储的数据和被控设备的输出数据构建。

可选的，在所述的集中控制的轨道工程车电控系统中，所述codesys功能库用于为存储于存储介质的有轨道工程车控制程序读取所述被控设备抽象层中虚拟被控设备提供接口，并为运行轨道工程车控制程序后将运行结果写入所述被控设备抽象层提供接口。

可选的，在所述的集中控制的轨道工程车电控系统中，所述被控设备包括车载显示屏、变速箱、发动机、司机控制器及工程机械。

在本发明所提供的集中控制的轨道工程车电控系统中，所述集中控制的轨道工程车电控系统包括一i/o模块组和一plc控制器，所述i/o模块组包括多个i/o模块，所述多个i/o模块中至少一个i/o模块与一被控设备连接；每个i/o模块采集与其连接的被控设备的状态信息，并将所述状态信息转换成数据帧后传输给所述plc控制器，或者将所述plc控制器发送来的数据帧转换成控制信号后传输给与其连接的被控设备。本发明的电控系统的构造涉及一i/o模块组和一plc控制器，i/o模块相对plc控制器而言功能简单，造价低廉，因此，相比分散控制的轨道工程车电控系统需要一组plc控制器而言，有效降低电控系统的硬件成本。

另一方面，由于储有轨道工程车控制程序的存储介质被设置于唯一的所述plc控制器中，因此轨道工程车控制程序是一个整体，无需做控制需求的分解，从而有效避免出现将轨道工程车控制程序分解拆分时存在的问题。

另一方面，电控系统软件(即轨道工程车控制程序)的硬件无关性高。电控系统软件实际上是运行在codesysruntime建立的软plc控制器上的，因此底层嵌入式操作系统控制的硬件平台的变动对电控系统软件不造成影响，而电控系统软件对被控设备的访问是基于设备抽象层的虚拟设备的，被控设备实体的变更造成数据接口有较大变化时，只需要修改设备抽象层的输入数据转换关系即可。

另一方面，版本管理简单。同一型号的轨道工程车仅存在一个控制系统软件，版本管理、升级工作量少且安全。

附图说明

图1是现有的分散控制的轨道工程车电控系统的结构示意图；

图2是本发明一实施例中集中控制的轨道工程车电控系统的结构示意图；

图3是本发明一实施例中i/o模块的构成示意图；

图4是本发明一实施例中plc控制器的构成示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的集中控制的轨道工程车电控系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

遍及说明书和权利要求书使用了表示特定系统组件的某些术语。如本领域的技术人员将理解的，不同公司可能用不同的名称来表示一组件。本文不期望在名称不同但功能相同的组件之间进行区分。在说明书和权利要求书中，术语“包括”和“包含”按开放式的方式使用，且因此应被解释为“包括，但不限于…”。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

另外，以下说明内容的各个实施例分别具有一或多个技术特征，然此并不意味着使用本发明者必需同时实施任一实施例中的所有技术特征，或仅能分开实施不同实施例中的一部或全部技术特征。换句话说，在实施为可能的前提下，本领域技术人员可依据本发明的公开内容，并视设计规范或实作需求，选择性地实施任一实施例中部分或全部的技术特征，或者选择性地实施多个实施例中部分或全部的技术特征的组合，借此增加本发明实施时的弹性。

为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明，然而，本发明可以用不同的形式实现，不应认为只是局限在所述的实施例。

请参考图2，其为本发明的集中控制的轨道工程车电控系统的结构示意图。如图2所示，所述集中控制的轨道工程车电控系统包括：一i/o模块组和一plc控制器，所述i/o模块组包括多个i/o模块，所述多个i/o模块中至少一个i/o模块与一被控设备连接；每个i/o模块采集与其连接的被控设备的状态信息，并将所述状态信息转换成数据帧后传输给所述plc控制器，或者将所述plc控制器发送来的数据帧转换成控制信号后传输给与其连接的被控设备。本实施例中，i/o模块组通过can总线或mvb总线与plc控制器建立通信，所述被控设备包括车载显示屏、变速箱、发动机、司机控制器、工程机械1、工程机械2、…工程机械m，m为大于2的整数；所述i/o模块组具体包括i/o模块1、i/o模块2、i/o模块3、i/o模块4、i/o模块5、i/o模块6、…i/o模块m+4。

具体的，所述plc控制器作为集中控制的轨道工程车电控系统的控制中枢，仅需一个即可。在所述plc控制器上运行有轨道工程车控制程序，它通过总线接收i/o模块发来的数据帧，解析成具体的输入信号，进行逻辑运算后将输出信号封装成数据帧，通过总线发送给指定的i/o模块。

请参考图3，其为本实施例中i/o模块的构成示意图。如图3所示，每个i/o模块包括：mcu、与所述mcu连接的编址开关、总线接口和输入/输出接口，所述编址开关为每个i/o模块设置唯一地址；所述mcu通过输入接口采集被控设备的状态信息，并将所述状态信息转换成数据帧后通过所述总线接口传输给所述plc控制器(即完成控制数据采集过程)，或者所述mcu通过总线接口接收所述plc控制器发送来的数据帧转换成控制信号后通过所述输出接口传输给被控设备(即完成被控设备控制过程)。由此可见，i/o模块相当于plc控制器的输入输出电路，i/o模块本身并不做任何逻辑处理，通常一个被控设备只需要一个i/o模块，某些被控设备输入输出的信号数量较多时，可以多个i/o模块堆叠使用。基于本发明i/o模块的设计可以有效涵盖轨道工程车上常见设备的信号制式。

请继续参考图3，所述总线接口包括：can接口、mvb(多功能车辆总线)接口、rs485接口及ethercat(以太网控制自动化技术)接口。所述输入/输出接口包括：通信接口、数字量输入/输出接口和模拟量输入/输出接口，即所述输入接口包括：通信接口、数字量输入接口和模拟量输入接口；其中，通信端口包括can接口、mvb接口、rs485接口及ethercat接口；数字量输入接口包括继电器输入接口和频率输入接口；模拟量输入接口包括模拟电压输入接口和模拟电流输入接口；所述输出接口包括：通信接口、数字量输出接口和模拟量输出接口；其中，通信端口包括can接口、mvb接口、rs485接口及ethercat接口；数字量输出接口包括继电器输出接口和pwm输出接口；模拟量输出接口包括模拟电压输出接口和模拟电流输出接口。

请参考图4，其为本实施例中plc控制器的构成示意图。如图4所示，所述plc控制器包括：codesys功能库、分别与所述codesys功能库连接的存储有轨道工程车控制程序的存储介质和被控设备抽象层、嵌入式操作系统eos、分别与所述嵌入式操作系统连接的硬件平台、codesysruntime中间件和i/o模块映射存储层，所述i/o模块映射存储层与所述被控设备抽象层连接，所述硬件平台通过总线接口与所有i/o模块连接；其中，所述i/o模块映射存储层包括输入缓冲区和输出缓冲区，所述i/o模块映射存储层解析由所述i/o模块通过所述总线接口发送来的数据帧，并将其存入输入缓冲区的指定位置，或者将输出缓冲区指定位置的数据封装成数据帧后交由嵌入式操作系统的总线数据收发服务。所述被控设备抽象层中构建有虚拟被控设备，所述虚拟被控设备根据所述i/o模块映射存储层中存储的数据和被控设备的输出数据构建；所述codesys功能库用于为存储于存储介质的有轨道工程车控制程序读取所述被控设备抽象层中虚拟被控设备提供接口，并为运行轨道工程车控制程序后将运行结果写入所述被控设备抽象层提供接口。

为了增强电控系统的硬件无关性，plc控制器使用软实现方式，并采用了分层设计思想(即i/o模块映射存储层和被控设备抽象层)。具体的，所述plc控制器基于普通嵌入式平台构建，在嵌入式操作系统上运行codesysruntime中间件，构成一个软plc控制器。同时，在嵌入式平台的存储空间中建立一个i/o模块映射存储层，该层解析i/o模块通过总线发来的数据帧并存入输入缓冲区的指定位置，或将输出缓冲区指定位置的数据封装成数据帧后交由总线数据收发服务。在i/o模块映射存储层上建立设备抽象层，该层依据一定的规则，实现i/o模块映射存储层内数据与被控设备输出数据的相互转换，即将相关数据重新抽象成一个虚拟被控设备。codesys功能库则提供轨道工程车电控系统软件访问设备抽象层中虚拟被控设备输出数据的接口。

例如，在输入刷新阶段，i/o模块映射存储层输入缓冲区内的数据通过设备抽象层转换为被控设备的一组输出，并通过codesys功能库相关接口函数被轨道工程车电控系统软件读取，电控系统软件执行逻辑处理程序后将输出的控制信号通过codesys功能库写入设备抽象层，再转换为指定格式写入i/o模块映射存储层的输出缓冲区，最后通过数据收发服务发送至总线，完成输出刷新过程。

综上，在本发明所提供的集中控制的轨道工程车电控系统中，所述集中控制的轨道工程车电控系统包括一i/o模块组和一plc控制器，所述i/o模块组包括多个i/o模块，所述多个i/o模块中至少一个i/o模块与一被控设备连接；每个i/o模块采集与其连接的被控设备的状态信息，并将所述状态信息转换成数据帧后传输给所述plc控制器，或者将所述plc控制器发送来的数据帧转换成控制信号后传输给与其连接的被控设备。本发明的电控系统的构造涉及一i/o模块组和一plc控制器，i/o模块相对plc控制器而言功能简单，造价低廉，因此，相比分散控制的轨道工程车电控系统需要一组plc控制器而言，有效降低电控系统的硬件成本。

另一方面，由于储有轨道工程车控制程序的存储介质被设置于唯一的所述plc控制器中，因此轨道工程车控制程序是一个整体，无需做控制需求的分解，从而有效避免出现将轨道工程车控制程序分解拆分时存在的问题。

另一方面，电控系统软件(即轨道工程车控制程序)的硬件无关性高。电控系统软件实际上是运行在codesysruntime建立的软plc控制器上的，因此底层嵌入式操作系统控制的硬件平台的变动对电控系统软件不造成影响，而电控系统软件对被控设备的访问是基于设备抽象层的虚拟设备的，被控设备实体的变更造成数据接口有较大变化时，只需要修改设备抽象层的输入数据转换关系即可。

另一方面，版本管理简单。同一型号的轨道工程车仅存在一个控制系统软件，版本管理、升级工作量少且安全。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。