基于CAN總線的動(dòng)車組集裝器自動(dòng)裝卸系統(tǒng)

佘鵬，呂文俊，劉文龍

（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島266111；2.湖北韻生航天科技有限公司，湖北 襄陽(yáng)441021）

1 引言

隨著國(guó)內(nèi)物流運(yùn)輸需求的不斷提升和高速鐵路運(yùn)輸里程的快速增長(zhǎng)，給鐵路快捷貨物運(yùn)輸系統(tǒng)帶來了新的巨大的市場(chǎng)潛力[1]。國(guó)外對(duì)貨物快捷運(yùn)輸研究較早，法國(guó)主要為Sernam200包裹列車和TGV郵專列。德國(guó)采用客貨分時(shí)段混行，城際包裹運(yùn)送業(yè)務(wù)采用DBSgss-y703型4列車（一種專用的集裝箱列車）。北美、澳大利亞鐵路快捷貨車主要為120km/h速度級(jí)，主要車輛為：雙層集裝箱車、單層集裝箱車、馱背運(yùn)輸車，如美國(guó)的Thrall-TA型5單元單層關(guān)節(jié)式集裝箱平車、Lopac II型雙層關(guān)節(jié)集裝箱平車[1]。目前，國(guó)內(nèi)在鐵路快捷運(yùn)輸方面，主要以普列為主，裝載方式由列車外部設(shè)備或人工將物品或貨物裝載到列車車廂，再通過人工將需要固定的貨物固定好。列車本身不具有集裝器的自動(dòng)裝卸功能，普遍機(jī)械化、自動(dòng)化程度不高。近年來，隨著動(dòng)車組運(yùn)營(yíng)的日益成熟及集裝器的標(biāo)準(zhǔn)化，動(dòng)車組以其運(yùn)行速度快、周轉(zhuǎn)效率高的特點(diǎn)，作為快捷貨運(yùn)的新興力量正在成為趨勢(shì)。

2 CAN總線概述

CAN（Controller Area Network，CAN）是ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議。1986年，德國(guó)電氣商博世公司開發(fā)出面向汽車的CAN通信協(xié)議。此后CAN通過ISO 11898及ISO 11519進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，在歐洲已是汽車網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議[2]。CAN的高性能和可靠性已被認(rèn)同，并被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面?，F(xiàn)場(chǎng)總線是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持[2]。

3 自動(dòng)裝卸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于動(dòng)車組實(shí)現(xiàn)集裝器的自動(dòng)裝卸，首先要滿足集裝器的標(biāo)準(zhǔn)化，這里以航空LD3集裝器和特種貨運(yùn)集裝器為對(duì)象，設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)裝卸系統(tǒng)，能夠完成集裝器的自動(dòng)裝卸。系統(tǒng)包括支撐單元、電動(dòng)導(dǎo)向單元、電動(dòng)傳輸單元、電動(dòng)鎖定單元及中央控制單元。支撐單元作為集裝器傳送過程中的支撐，需要采用滾動(dòng)摩擦的形式，減小集裝器在傳送過程中的阻力。電動(dòng)導(dǎo)向單元實(shí)現(xiàn)集裝器運(yùn)行及轉(zhuǎn)向過程的導(dǎo)向，電動(dòng)傳輸單元為集裝器傳送提供傳輸動(dòng)力。為適應(yīng)不同重量的集裝器，電動(dòng)傳輸單元采用摩擦的形式提供動(dòng)力。電動(dòng)鎖定單元將傳送到位的集裝器牢牢地固定在車廂內(nèi)。中央控制單元控制各單元部件協(xié)調(diào)工作，共同完成集裝器傳送任務(wù)。

3.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用CAN總線結(jié)構(gòu)的數(shù)字化控制方法，利用CAN總線具有數(shù)據(jù)傳輸速度快、數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x遠(yuǎn)、抗外界干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。CAN總線控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。手持終端通過無線或有線與主控箱相連，給主控系統(tǒng)下達(dá)操作指令，主控系統(tǒng)通過總線與所有的電氣部件相連，根據(jù)下達(dá)的操作指令，給相應(yīng)的電氣部件發(fā)送工作指令，電氣部件根據(jù)工作指令進(jìn)行工作，共同作用完成集裝器的裝載和卸載功能。電動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)裝置的電氣系統(tǒng)PDU、電動(dòng)導(dǎo)向部件、電動(dòng)鎖定部件作為系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，掛接在CAN總線上，每個(gè)電氣部件分配相應(yīng)的地址，中控通過總線對(duì)其訪問和控制。

圖1 CAN總線控制結(jié)構(gòu)圖

3.3 自動(dòng)裝卸邏輯設(shè)計(jì)

對(duì)集裝器在車廂內(nèi)的裝載過程進(jìn)行研究，采用流水裝載結(jié)構(gòu)，保證了集裝器裝載的效率。同時(shí)配合傳感器感知集裝器的位置，保證集裝器裝載過程中的安全性。系統(tǒng)的裝載和卸載邏輯如圖2和圖3所示。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)系統(tǒng)的工作原理，將電動(dòng)傳輸單元、電動(dòng)鎖定單元、電動(dòng)導(dǎo)向單元、支撐單元及中央控制單元按照集裝器的尺寸進(jìn)行組合布置，組合成為一套完整的自動(dòng)裝卸系統(tǒng)。經(jīng)過測(cè)試，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)集裝器的自動(dòng)裝載和自動(dòng)卸載功能，可以在3min內(nèi)完成一節(jié)車廂的裝載或卸載，各工作單元安裝更換簡(jiǎn)便，工作可靠。

圖2 裝載邏輯流程

圖3 卸載邏輯流程

4 結(jié)語(yǔ)

基于CAN總線的控制系統(tǒng)能夠滿足自動(dòng)裝卸系統(tǒng)的控制要求，能夠可靠地實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)控制單元間的通信，能夠?qū)崿F(xiàn)航空LD3集裝器和特種貨運(yùn)集裝器的自動(dòng)裝卸?？s短了動(dòng)車組停站時(shí)間，減少了集裝器裝卸對(duì)人員的需求，提高了快捷貨運(yùn)的運(yùn)營(yíng)效率。