技术领域本实用新型涉及铁路工程机械领域，尤其是涉及一种基于两级CAN网络的大型养路机械网络控制系统。
背景技术：
作为铁路养路工程机械的核心技术领域，铁路大型养路机械电气系统担负着全车的各种作业及辅助控制任务，是整车的大脑，直接指挥各种作业、走行及制动等动作。从电气控制而言，它涉及到模拟控制、数字控制、计算机软件、硬件，以及电气控制、激光技术等多个方面。在现有技术中，与本实用新型申请最接近的为本申请人与株洲南车时代电气股份有限公司于2012年03月14日申请，并于2014年04月23日公告，公告号为CN102650878B的发明专利《一种大型养路机械分布式控制系统及其设计方法》。该发明专利中的大型养路机械分布式控制系统采用了基于一级网络控制系统的网络结构，如附图1所示。在附图1中，一级网络控制系统采用了底层模块1到底层模块n的n个底层模块，以及从显示模块1到显示模块m的m个显示模块，且各个模块之间采用现场总线进行互联。底层模块包括电源模块、脉冲识别模块、网关模块和数字量输入模块、模拟量输入模块、数字量输出模块等网络控制模块。如附图2所示，为一级网络控制系统的构成原理图。现有技术中的大型养路机械电气系统网络控制系统大多采用分布式一级网络结构，其主要具有以下技术缺陷：(1)现有控制系统由于系统网络结构一经构建而成，就无法根据需要在不更改通信网络的情况下进行输入输出点扩充，而只能通过增加体积较大且成本较高的网络控制模块数量来扩展输入输出点，从而导致了产品缺乏灵活性，且成本较高；(2)现有控制系统随着网络控制模块数量的增加，系统网络结构也发生了改变，使得网络控制模块的底层软件需要做较多修改，系统网络结构的二次构建和售后服务变得非常繁琐，造成研发与售后成本的大幅增加；(3)现有控制系统中网络控制模块的一部分接口功能只在扩展传感器、电子发动机调速器时使用，而大部分时间并没有投入使用，导致模块的硬件能力没有得到充分的发挥。
技术实现要素：
有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种大型养路机械网络控制系统，能够解决现有大型养路机械网络控制系统存在的系统扩展输入输出点成本较高、系统网络结构二次构建复杂和硬件性价比不高的技术问题。为了实现上述实用新型目的，本实用新型具体提供了一种大型养路机械网络控制系统的技术实现方案，一种大型养路机械网络控制系统，包括：1～n个的底层模块，1～t个的网络模块，以及1～m个的显示模块，各个模块之间通过现场总线网络实现互联。所述底层模块包括电源模块、脉冲识别模块、主数字量输入模块、网关模块、主模拟量输入模块、主数字量输出模块、数字量输入扩展模块、模拟量输入扩展模块和数字量输出扩展模块。所述电源模块、脉冲识别模块、显示模块、主数字量输入模块、网关模块、主模拟量输入模块和主数字量输出模块组成通信主干网。所述数字量输入扩展模块、模拟量输入扩展模块、数字量输出扩展模块和网络模块组成通信I/O子网。所述通信I/O子网由所述主数字量输入模块、网关模块、主模拟量输入模块、主数字量输出模块中的任意一种或几种模块进行扩展。优选的，所述电源模块采用隔离电源，为所述现场总线网络上的5～6个所述底层模块提供直流电源。所述脉冲识别模块产生同步脉冲信号，使所述现场总线网络中的模块实现自动识别。所述显示模块采用触摸屏作为人机交互接口，并能存储数据。优选的，所述主数字量输入模块包括8个通道输入信号接口，每个通道能采集2路外部高低电平信号，并通过CAN1通信接口实现基于现场总线的通信主干网数据交换，通过CAN2通信接口扩展基于现场总线的通信I/O子网，通过RS232通信接口连接基于RS232通信协议的外部设备，并能向所述外部设备提供具有短路保护功能的可控直流现场工作电源。优选的，所述网关模块为所述现场总线网络提供中继，用于扩充所述通信主干网的通信距离或扩充所述通信I/O子网，在所述通信主干网中每多出16个所述底层模块增加1个所述网关模块。优选的，所述主模拟量输入模块包括8个通道输入信号接口，用于采集模拟量输入信号，并通过CAN1通信接口实现基于现场总线的通信主干网数据交换，通过CAN2通信接口扩展基于现场总线的通信I/O子网，通过RS232通信接口连接基于RS232通信协议的外部设备，并能向所述外部设备提供直流现场工作电源。优选的，所述主数字量输出模块包括8个通道输出信号接口，能输出具有实时电流监测和过流保护功能的高电平信号或PWM脉冲信号，并通过CAN1通信接口实现基于现场总线的通信主干网数据交换，通过CAN2通信接口扩展基于现场总线的通信I/O子网，通过RS232通信接口连接基于RS232通信协议的外部设备。优选的，所述大型养路机械网络控制系统还包括网络始端电阻和网络终端电阻，所述网络始端电阻与位于网络始端的模块相连，所述网络终端电阻与位于网络终端的模块相连，所述网络始端电阻、网络终端电阻用于为现场总线网络消除信号反射。优选的，所述数字量输入扩展模块包括8个通道输入信号接口，每个通道能采集2路外部高低电平信号，通过CAN通信接口实现基于现场总线的通信I/O子网数据交换，并能向外部设备提供具有过流保护功能的可控直流现场工作电源。优选的，所述模拟量输入扩展模块包括8个通道输入信号接口，用于采集模拟量输入信号，通过CAN通信接口实现基于现场总线的通信I/O子网数据交换，并能向外部设备提供具有过流保护功能的可控直流现场工作电源。优选的，所述数字量输出扩展模块包括8个通道输出信号接口，能输出具有实时电流监测和过流保护功能的高电平信号或PWM脉冲信号，并通过CAN通信接口实现基于现场总线的通信I/O子网数据交换，并能向外部设备提供具有过流保护功能的可控直流现场工作电源。通过实施上述本实用新型提供的大型养路机械网络控制系统的技术方案，具有如下有益效果：(1)本实用新型由于扩展了网络控制模块，使得两级现场总线网络增加了扩展模块功能，即可以根据需要随时对网络控制模块的输入输出点进行方便的扩展；(2)本实用新型两级CAN总线网络的通信主干网网络结构保持稳定不变，节点的增减可仅对通信I/O子网进行，避免了主网络的软件修改，降低了厂家和用户的服务及维护成本；(3)本实用新型由于一方面主网络控制模块的两路CAN总线通信接口都投入使用，另一方面扩展网络控制模块裁剪了部分功能而仅保留主要功能，并把控制策略、算术、逻辑等复杂运算都集中在与该模块所在I/O子网连接的主网络控制模块中进行，使得主、扩展网络控制模块的硬件能力都得到充分发挥，无硬件资源闲置浪费；(4)本实用新型由于既有尺寸较大、配置较强的主网络控制模块，又有尺寸小、配置经济适用的扩展网络控制模块，使得两级CAN总线网络可以根据大型养路机械功能需要进行主、扩展网络控制模块的合理优化搭配，在充分满足需求的同时降低了产品使用的一次投入成本。附图说明为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的实施例。图1是现有技术大型养路机械一级网络控制系统网络的系统结构框图；图2是现有技术大型养路机械一级网络控制系统网络的系统结构组成示意图；图3是本实用新型大型养路机械网络控制系统一种具体实施方式的结构原理示意图；图4是本实用新型大型养路机械网络控制系统一种具体实施方式的系统结构框图；图5是本实用新型大型养路机械网络控制系统一种具体实施方式的系统结构组成示意图；图6是本实用新型大型养路机械网络控制系统另一种具体实施方式的系统结构组成示意图；图中：1-底层模块，2-网络模块，101-电源模块，102-脉冲识别模块，103-显示模块，104-主数字量输入模块，105-网关模块，106-主模拟量输入模块，107-主数字量输出模块，108-网络始端电阻，109-网络终端电阻，110-数字量输入扩展模块，111-模拟量输入扩展模块，112-数字量输出扩展模块。具体实施方式为了引用和清楚起见，将下文中使用的技术名词、简写或缩写记载如下：MAIM：主模拟量输入模块(MasterAnalogInputModule)的简称，是两级现场总线网络通信的一种通用模块；MDIM：主数字量输入模块(MasterDigitalInputModule)的简称，是两级现场总线网络通信的一种通用模块；MDOM：主数字量输出模块(MasterDigitalOutputModule)的简称，是两级现场总线网络通信的一种通用模块；EAIM：模拟量输入扩展模块(ExpandedAnalogInputModule)的简称，是两级现场总线网络通信的一种通用模块；EDIM：数字量输入扩展模块(ExpandedDigitalInputModule)的简称，是两级现场总线网络通信的一种通用模块；EDOM：数字量输出扩展模块(ExpandedDigitalOutputModule)的简称，是两级现场总线网络通信的一种通用模块；PM：电源模块(PowerModule)的简称，是一种为网络上的其它非电模块提供电源的模块；DM：显示模块(DisplayModule)的简称，是一种基于嵌入式操作系统编程的人机交互模块；GM：网关模块(GatewayModule)的简称，是一种用于扩充网络的通信距离或扩充子网的通用模块；CAN：控制局域网(ControlAreaNetwork)的简称，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络；RS232：美国电子工业协会制定的一种串行物理接口标准；NS：网络传感器(NetworkSensor)的简称，是一种支持CAN通讯协议的传感器；EMR：电子发动机调速器(ElectronicMotorRegulator)的简称，一般用于发动机速度与喷油量的控制、运行工况监控、通讯和诊断等；现场总线：一种工业数据总线，是自动化领域中底层数据通信网络。为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。如附图3至附图6所示，给出了本实用新型大型养路机械网络控制系统的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。如附图3、4和5所示，一种大型养路机械网络控制系统的具体实施例，包括：1～n个的底层模块1，1～t个的网络模块2，以及1～m个的显示模块103，各个模块之间通过现场总线(CAN总线)网络实现互联，其中，n、t和m均为正整数。底层模块1包括电源模块101、脉冲识别模块102、网关模块105和主数字量输入模块104、主模拟量输入模块106、主数字量输出模块107等主网络控制模块，以及数字量输入扩展模块110、模拟量输入扩展模块111和数字量输出扩展模块112等扩展网络控制模块。网络模块2包括网络传感器(NS)和电子发动机调速器(EMR)等支持CAN总线通信的第三方设备。电源模块101、脉冲识别模块102、显示模块103、主数字量输入模块104、网关模块105、主模拟量输入模块106和主数字量输出模块107组成通信主干网。数字量输入扩展模块110、模拟量输入扩展模块111、数字量输出扩展模块112和网络模块2组成通信I/O子网。通信I/O子网由主数字量输入模块104、网关模块105、主模拟量输入模块106、主数字量输出模块107中的任意一种或几种模块进行扩展。电源模块101采用隔离电源，为现场总线网络上的5～6个底层模块1提供+24V直流电源。脉冲识别模块102产生50Hz的同步脉冲信号，使现场总线网络中的模块实现自动识别。显示模块(DM)103采用触摸屏作为系统的人机交互接口，并能存储数据。主数字量输入模块(MDIM)104包括8个通道输入信号接口，每个通道能采集2路外部高低电平信号，支持可视化编程技术，并通过CAN1通信接口实现基于CAN总线的主干网数据交换，通过CAN2通信接口扩展基于CAN总线的通信I/O子网，通过RS232通信接口连接基于RS232通信协议的外部设备，并能向外部设备提供具有短路保护功能的可控+24V直流现场工作电源。网关模块(GM)105为CAN总线网络提供中继，用于扩充通信主干网的通信距离或扩充通信I/O子网，在通信主干网中每多出16个底层模块1增加1个网关模块105。主模拟量输入模块(MAIM)106包括8个通道输入信号接口，用于采集±10.000V以内的模拟量输入信号，支持可视化编程技术，并通过CAN1通信接口实现基于CAN总线的主干网数据交换，通过CAN2通信接口扩展基于CAN总线的通信I/O子网，通过RS232通信接口连接基于RS232通信协议的外部设备。除此之外，每个通道都能向外部设备提供±10.000V现场工作电源，其中7～8通道可实现±10.000V或±15.000V现场工作电源信号输出。主数字量输出模块(MDOM)107包括8个通道输出信号接口，支持可视化编程技术，能输出具有实时电流监测和过流保护功能的+24V高电平信号或PWM脉冲信号，并通过CAN1通信接口实现基于CAN总线的主干网数据交换，通过CAN2通信接口扩展基于CAN总线的通信I/O子网，通过RS232通信接口连接基于RS232通信协议的外部设备。大型养路机械网络控制系统还包括网络始端电阻108和网络终端电阻109，网络始端电阻108与位于网络始端的模块相连，网络终端电阻109与位于网络终端的模块相连。网络始端电阻108、网络终端电阻109都为120欧姆的电阻，用于为现场总线网络消除信号反射。数字量输入扩展模块(EDIM)110包括8个通道输入信号接口，每个通道能采集2路外部高低电平信号，通过CAN通信接口实现基于CAN总线的通信I/O子网数据交换，并能向外部设备提供具有过流保护功能的可控+24V直流现场工作电源。模拟量输入扩展模块(EAIM)111包括8个通道输入信号接口，用于采集±10.000V以内的模拟量输入信号，通过CAN通信接口实现基于CAN总线的通信I/O子网数据交换，并能向外部设备提供具有过流保护功能的可控+24V直流现场工作电源。数字量输出扩展模块(EDOM)112包括8个通道输出信号接口，能输出具有实时电流监测和过流保护功能的+24V高电平信号或PWM脉冲信号，并通过CAN通信接口实现基于CAN总线的通信I/O子网数据交换，并能向外部设备提供具有过流保护功能的可控+24V直流现场工作电源。扩展网络控制模块除了能从主网络控制模块上进行扩展外，还可以直接从网关模块105或支持CAN通讯的设备上进行扩展。由网关模块105、扩展网络控制模块和显示模块103可以构成一个简单网络控制系统，如附图6所示。该系统能实现采集数据和控制设备等功能，且结构简单、成本低廉，可用于小型网络产品或远程子网扩充。一种基于上述系统的大型养路机械网络控制系统设计方法的具体实施例，包括以下步骤：S101：根据所要应用的车型控制功能罗列出大型养路机械网络控制系统中包括数字量输出信号、数字量输入信号、模拟量输入信号在内的输入/输出信号种类和数量；S102：根据信号种类和数量与信号用途配置系统中显示模块103、主数字量输入模块104、主数字量输出模块107、主模拟量输入模块106、数字量输入扩展模块110、数字量输出扩展模块112、模拟量输入扩展模块111的数量；S103：根据系统中显示模块103、主数字量输入模块104、主数字量输出模块107、主模拟量输入模块106、数字量输入扩展模块110、数字量输出扩展模块112、模拟量输入扩展模块111的具体数量配置电源模块101的数量；S104：根据系统中显示模块103、主数字量输入模块104、主数字量输出模块107、主模拟量输入模块106、电源模块101的具体数量配置网关模块105的数量；S105：将系统中的数字量输入信号分配至主数字量输入模块104或数字量输入扩展模块110中，将系统中的数字量输出信号分配至主数字量输出模块107或数字量输出扩展模块112中，将系统中的模拟量输入信号分配至主模拟量输入模块106或模拟量输入扩展模块111中；S106：将系统中的仪表显示信号、报警显示信号分配至显示模块103中；S107：编写主数字量输入模块104、主数字量输出模块107、主模拟量输入模块106的应用程序，实现各种输入/输出的逻辑关系；S108：编写显示模块103的顶层应用程序，实现仪表信号和报警信号的显示；S109：编写显示模块103的底层应用程序，实现对主数字量输入模块104、主数字量输出模块107、主模拟量输入模块106、数字量输入扩展模块110、数字量输出扩展模块112和模拟量输入扩展模块111的控制和诊断操作。本实用新型上述具体实施例以CAN总线作为现场通信总线为例对技术方案进行介绍，但也可以FF、Lonworks、DeviceNet、PROFIBUS、HART、CC-Link、WorldFIP、INTERBUS等其它现场总线作为通信总线完成本实用新型技术方案。本实用新型上述具体实施例提出了一种由主干网和I/O子网组成的基于两级CAN网络的大型养路机械网络控制系统，实现了对大型养路机械走行、作业功能的分散控制。其中，主干网由主网络控制模块、电源模块101、脉冲识别模块102、网关模块105等组成。I/O子网由扩展网络控制模块、网络模块2等组成。本实用新型大型养路机械网络控制系统由于既有尺寸较大且配置强大的主网络控制模块，又有尺寸小且配置经济适用的扩展网络控制模块，解决了现有技术采用一级网络结构只能通过增加成本较高且体积较大的模拟量输入、数字量输入、数字量输出等网络控制模块来扩展系统输入输出点数量，不能就现有网络控制模块进行输入输出点扩展的技术问题。本实用新型由于两级网络结构，解决了现有技术随着网络控制模块数量的增加导致通讯网络结构发生改变而造成网络控制模块底层软件需要做较多修改，系统网络结构二次构建和售后服务变得繁琐等技术问题。本实用新型由于有能通过现有接口进行扩展的主网络控制模块，解决了现有技术中网络控制模块一部分接口功能没有得到使用而导致模块硬件能力没有得到充分发挥的技术问题。本实用新型基于两级CAN网络的大型养路机械网络控制系统具有抗干扰能力强、响应速度快、成本较低、硬件利用率高、系统配置灵活、通用性高等优点，适用于大型养路机械领域的所有车型。此外，主数字量输入模块104、主数字量输出模块107、主模拟量输入模块106等主网络控制模块支持可视化编程技术，并可扩展基于CAN总线的通信I/O子网，因此具有功能扩展性高的特点。由于数字量输入扩展模块110、数字量输出扩展模块112、模拟量输入扩展模块111与网络传感器、电子发动机调速器等网络模块2构建成的通信I/O子网由主数字量输入模块104、主数字量输出模块107、主模拟量输入模块106等主网络控制模块扩展，通信I/O子网中的数据经过了主网络控制模块的过滤，因此减少了通信主干网中的数据流量，降低了通信主干网的总线占有率，提高了系统的响应时间。通过实施本实用新型具体实施例描述的大型养路机械网络控制系统的技术方案，能够产生如下技术效果：(1)本实用新型具体实施例描述的大型养路机械网络控制系统由于扩展了网络控制模块，使得两级现场总线网络增加了扩展模块功能，即可以根据需要随时对网络控制模块的输入输出点进行方便的扩展；(2)本实用新型具体实施例描述的大型养路机械网络控制系统采用两级CAN总线网络结构，通信主干网网络结构保持稳定不变，节点的增减可仅对通信I/O子网进行，避免了主网络的软件修改，降低了厂家和用户的服务及维护成本；(3)本实用新型具体实施例描述的大型养路机械网络控制系统由于一方面主网络控制模块的两路CAN总线通信接口都投入使用，另一方面扩展网络控制模块裁剪了部分功能而仅保留主要功能，并把控制策略、算术、逻辑等复杂运算都集中在与该模块所在I/O子网连接的主网络控制模块中进行，使得主、扩展网络控制模块的硬件能力都得到充分发挥，无硬件资源闲置浪费；(4)本实用新型具体实施例描述的大型养路机械网络控制系统由于既有尺寸较大、配置较强的主网络控制模块，又有尺寸小、配置经济适用的扩展网络控制模块，使得两级CAN总线网络可以根据大型养路机械功能需要进行主、扩展网络控制模块的合理优化搭配，在充分满足需求的同时降低了产品使用的一次投入成本。本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制。虽然本实用新型已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本实用新型。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围。