S7－300在多組移動式架車機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

黃 喆

（中鐵工程設(shè)計院有限公司軌道交通分院，北京 100038）

1 課題的提出

多組移動式架車機(jī)是目前我國城市軌道交通系統(tǒng)各個車輛段中為檢修電客車和工程車托起除轉(zhuǎn)向架外的車體及以上部分到一定的高度，便于將車體底部的行走總成部分解體和更換的必不可少的專用檢修設(shè)備，多組移動式架車機(jī)是以4臺為一組，多組成套使用的設(shè)備。

一般電客車和工程車車體常重達(dá)幾十噸甚至上百噸，架車作業(yè)升程多在1.4～2 m之間，同時架車點距地面最高可達(dá)2.2 m。架車作業(yè)過程中，由于每臺架車機(jī)電機(jī)的電氣性能不可能完全一致，電客車車體重量分布也不可能絕對平衡，因此，各臺架車機(jī)的運(yùn)行速度有快有慢，造成在架升過程中各個架車機(jī)的升降高度不可能完全一致，電客車車體有可能產(chǎn)生破壞性的車體變形，甚至當(dāng)高度差達(dá)到一定值時，車體就有傾覆的危險。因此，在保障作業(yè)中各個架車機(jī)的同步運(yùn)行就成為一個非常重要的安全問題。

老式架車機(jī)多為單組4臺架車機(jī)同步升降，其控制系統(tǒng)在硬件方面多沿用單片機(jī)作為主要控制器構(gòu)成控制系統(tǒng)，這樣的控制系統(tǒng)雖然造價低，但存在開發(fā)周期長，穩(wěn)定性和可靠性差，工程師和工人現(xiàn)場維護(hù)不方便，可替換性差的缺點，容易造成誤動作等現(xiàn)象，嚴(yán)重時有可能導(dǎo)致由于設(shè)備失靈而產(chǎn)生的設(shè)備、車輛及人員安全方面的重大事故；雖然也有用PLC作為主控器的，但對于老式架車機(jī)其系統(tǒng)要求較低，只需控制4臺架車機(jī)的同步升降，控制精度要求較低，系統(tǒng)響應(yīng)時間較長，操作不靈活等問題。

2 工藝要求及參數(shù)設(shè)置

2.1 工藝要求

中華人民共和國鐵道部 2000年 10月 24日頒發(fā)了 TB/T 1686－2000行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)中第3.8.2條中規(guī)定：為保證每組架車機(jī)安全作業(yè)，應(yīng)同時配置架車機(jī)同步控制裝置，該裝置應(yīng)具有運(yùn)行高度顯示、超差自動調(diào)整、超限自動停機(jī)報警等功能。標(biāo)準(zhǔn)中第4.2.3.2條中規(guī)定：同步試驗應(yīng)成組進(jìn)行，試驗內(nèi)容包括高度顯示功能正確，當(dāng)4臺架車機(jī)中任意兩點高程差達(dá)8 mm時，系統(tǒng)自動調(diào)整；當(dāng)任意兩點高程差大12 mm時，系統(tǒng)自動停機(jī)并鎖定，同時報警。

2.2 參數(shù)設(shè)置

2.2.1 已知參數(shù)

鼠籠型三相異步電機(jī)：額定轉(zhuǎn)速Ne＝1 440 rpm，傳動比約為n＝83.3，升程h＝12 mm/r，額定功率Pe＝4 kW，額定電流Ie＝9.6 A。

單臺架車機(jī)：額定負(fù)載Te＝16 t，最大負(fù)載T max＝Te×1.1＝17.6，最高升程Hmax＝1 600 mm。

2.2.2 計算參數(shù)

（1）每秒鐘減速機(jī)輸出轉(zhuǎn)速N j＝Ne÷n÷60≈0.2881 r/s，每秒鐘升程Hs＝N j×H≈3.45 mm/s，最高升程所需時間T＝H÷Hs≈463.76＝7.7 min。8 mm 高差所需時間 t＝8÷Hs≈2.319＝2 319 ms。

（2）電機(jī)編碼器每轉(zhuǎn)所對應(yīng)時間Tr＝60÷Ne≈0.0417 s，一個脈沖周期為Tp＝Tr÷100≈0.42 ms。

（3）PLC最大系統(tǒng)掃描周期50 ms，一個掃描周期架車機(jī)高程為：0.05×Hs≈0.13 mm。

（4）單組4臺高差大于3 mm時開始調(diào)整，小于1 mm時停止調(diào)整；相鄰兩組高差大于4 mm時開始調(diào)整，小于2 mm時停止調(diào)整；相鄰三組高差大于5 mm時開始調(diào)整，小于3 mm時停止調(diào)整；相鄰四組高差大于6 mm時開始調(diào)整，小于3 mm時停止調(diào)整；相鄰五組高差大于7 mm時開始調(diào)整，小于3 mm時停止調(diào)整；相鄰六組高差大于8 mm時開始調(diào)整，小于3 mm時停止調(diào)整。

在上述參數(shù)中通過計算發(fā)現(xiàn)，PLC系統(tǒng)在一個掃描周期內(nèi)架車機(jī)的高程約為0.13 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于架車機(jī)的調(diào)整高度范圍（3～8 mm）。所以，控制系統(tǒng)的響應(yīng)時間完全可以滿足對架車機(jī)的控制精度要求。

3 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

多組架車機(jī)同步控制，其根本目的是控制架車作業(yè)的各臺架車機(jī)同步運(yùn)行，使各臺架車機(jī)基本處于同一水平面內(nèi)，讓車體可以平穩(wěn)的升降，保障作業(yè)的安全可靠。

同步控制系統(tǒng)主要有檢測電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)的編碼器，完成同步控制和數(shù)據(jù)采集的S7－300系列PLC，用來顯示各個架車機(jī)高程、高差、故障信息的TA177A觸摸屏等構(gòu)成。系統(tǒng)配置框架圖見圖1。

由斷路器、接觸器、熱繼等電器元件完成架車機(jī)升降動作、安全互鎖、過載保護(hù)、缺相保護(hù)等功能。

3.1 編碼器

此系統(tǒng)中，架車機(jī)托架的上升、下降直線運(yùn)動是由斜齒輪減速機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換而成；因此，我們通過編碼器檢測減速機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)動角度位移，并通過PLC將此角度位移轉(zhuǎn)換成架車機(jī)托架的直線位移。

3.2 S7－300系列PLC編程控制器（CPU 315－2DP）

在本套多組移動式架車機(jī)同步控制系統(tǒng)中，選用的是西門子S7－300系列PLC，由于其擁有較強(qiáng)大的運(yùn)算能力，優(yōu)異的模塊擴(kuò)展性，較短的系統(tǒng)響應(yīng)時間，緊湊的設(shè)計及強(qiáng)大的指令集，同時其支持多種程勛編輯語言（語句表STL、梯形圖LAD、功能塊圖FBD）并可互相轉(zhuǎn)，使得此系列PLC幾乎完美地滿足了中等規(guī)模的控制要求，此外，其豐富的CPU模塊和數(shù)據(jù)采集模塊使其在解決用戶的工業(yè)自動化問題時，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。

最重要的是這個系列的PLC已經(jīng)大量地應(yīng)用在各行各業(yè)的自動化控制系統(tǒng)中，經(jīng)歷了長時間的實際應(yīng)用的考驗，具有優(yōu)異的可靠性、易于維修維護(hù)性、對使用環(huán)境的要求較低、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點。

在本系統(tǒng)中，S7－300通過數(shù)字量輸入模塊和高速計數(shù)模塊采集各個傳感器及操作按鈕的信號，通過CPU模塊進(jìn)行邏輯運(yùn)算，并將高程、高差、故障信息等傳遞給TP177A觸摸屏顯示器上。

圖1 系統(tǒng)配置框架圖

3.3 ET－200遠(yuǎn)程IO模塊

ET－200遠(yuǎn)程IO模塊是西門子推出的針對PLC實現(xiàn)遠(yuǎn)距離現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時采集的模塊。

由于傳統(tǒng)移動式架車機(jī)只控制一組4臺位架車機(jī)，將所有控制系統(tǒng)元器件均放置在操作臺中，而且設(shè)備總功率相對較小，所以操作臺重量和體積都相對較小，可以方便的在車間內(nèi)小范圍移動，但是多組架車機(jī)由于控制系統(tǒng)較大，架車機(jī)數(shù)量多，致使設(shè)備總功率相對較大，如果仍將所有控制系統(tǒng)元器件全部放置到控制臺中會導(dǎo)致控制臺體積和重量過大，這樣仍沿用老式架車機(jī)控制臺設(shè)計方案，則無法滿足現(xiàn)場的實際需要，故選用ET－200遠(yuǎn)程IO模塊，將除了ET－200和TP177A觸摸屏之外所有的控制系統(tǒng)元器件均放置到一個固定電氣柜中，操作臺中只安裝ET－200遠(yuǎn)程IO模塊、TP177A觸摸屏、必要的操作按鈕和指示燈，并通過DP－BUS總線與S7－300PLC系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，這樣有效地減小了操作臺的體積和重量，可以允許操作人員在車間內(nèi)小范圍的移動操作臺，便于使用。

3.4 TP177A觸摸屏和信息顯示界面

TP177A是所有西門子PLC系統(tǒng)的文本顯示和操作界面問題的最佳解決方法。它具有以下特點：①電纜連接簡單多樣，其支持DP－BUS和MPI兩種總線形式，可以方便的與PLC系統(tǒng)進(jìn)行連接；②背光LCD顯示（即使在逆光的條件下也易看清其上顯示的信息）；③提供多種語言形式的菜單和提示，提供多種字符集；④相對于其他型號觸摸屏具有較低廉的價格。其主要用來實現(xiàn)以下功能：①顯示各個架車機(jī)的高程；②顯示故障信息；③為操作機(jī)維修人員迅速的排除故障提供信息支持。

4 系統(tǒng)工作原理和軟件設(shè)計

4.1 工作原理

此系統(tǒng)采用S7－300的8通道高速計數(shù)模塊FM350－2來采集編碼器上的高速脈沖值，作為架車機(jī)運(yùn)行高度的數(shù)據(jù)依據(jù)。同時考慮各個支撐點的實際起始架升高度不可能完全一樣，所以同步運(yùn)行中比較的是相對高程（架車機(jī)起始架升點高度與實際運(yùn)行高度之間的差）。

架車機(jī)同步控制的實質(zhì)是各臺架車機(jī)之間的相對高程差與系統(tǒng)允許高差之間的比較。當(dāng)任意兩臺或者兩組架車機(jī)之間的高程差大于系統(tǒng)允許高差時所有各臺架車機(jī)停機(jī)鎖定并報警，直到人工調(diào)整相對高差到系統(tǒng)允許范圍之內(nèi)。

架車機(jī)是一種安全性要求較高的設(shè)備，傳感器的精度和工作穩(wěn)定性是保證架車機(jī)正常工作的重要因素。因此，編碼器一個脈沖周期對應(yīng)的直線位移約為0.001 5 mm。PLC程序中對各個電器元件及可能發(fā)生的故障，如短路、斷路、過載等進(jìn)行了實時檢測。

4.2 軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)軟件采用西門子的STEP7－V5.4和WINCC flexible進(jìn)行編寫。系統(tǒng)軟件主要由3個系統(tǒng)塊（OB1，BO35，BO100）、多個功能塊（FB，F(xiàn)C）和數(shù)據(jù)塊（DB）等組成，系統(tǒng)塊主要用來初始化系統(tǒng)和調(diào)用各個功能塊，各個功能塊主要用來完成數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行命令的輸出。

5 同步控制系統(tǒng)方案

多組架車機(jī)控制系統(tǒng)的核心要求就是同步控制。

5.1 同步起始架車點的確定

同步運(yùn)行中首先確定的是同步起升點，同步起升點是各個架車機(jī)完全接觸車體時的車體自然高度。同步起升點在一個架升作業(yè)周期中只能確定一次。

自動同步運(yùn)行模式是以架車機(jī)托頭上的接近開關(guān)檢測到的開關(guān)量為依據(jù)，在托頭完全可靠的與車體接觸后，托頭上的接近開關(guān)接通，通過CPU單元進(jìn)行邏輯運(yùn)算之后，各臺架車機(jī)進(jìn)入同步運(yùn)行狀態(tài)中，等待下一步運(yùn)行指令。

架車機(jī)運(yùn)行高度與同步起升點高度之差作為相對高程，在此基礎(chǔ)上，當(dāng)架車機(jī)組中任意兩點相對高差超過系統(tǒng)高程差允許范圍后，系統(tǒng)根據(jù)架車機(jī)的實際運(yùn)行狀態(tài)（上升或下降）自動調(diào)整，直至任意兩臺架車機(jī)的高程差小于系統(tǒng)允許高程差之后停止自動調(diào)整，設(shè)備恢復(fù)到自由運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)高程差超過系統(tǒng)允許的最大值之后，所有架車機(jī)停機(jī)鎖死，同時系統(tǒng)報出故障點和故障參考信息，直至故障排除為止。

5.2 保證高程測量精度的措施

5.2.1 高度計數(shù)器的應(yīng)用

從參數(shù)計算中可知，電機(jī)編碼器一個脈沖周期為0.42 ms，它遠(yuǎn)小于CPU的最大系統(tǒng)掃描周期（50 ms），因此，系統(tǒng)采用FM350－2八通道高速計數(shù)模塊來采集編碼器輸出的碼數(shù)，并將數(shù)據(jù)傳輸給CPU模塊作為計算架車機(jī)升降高度的依據(jù)，并將數(shù)值傳送到程序數(shù)據(jù)塊（DB塊）中保存。

5.2.2 脈沖捕捉功能的設(shè)置

架車機(jī)同步運(yùn)行功能能否實現(xiàn)，從根本上取決于編碼器傳輸給PLC的高速脈沖個數(shù)準(zhǔn)確與否。為保證編碼器傳送的高速脈沖在允許的誤差范圍內(nèi)，我們利用編碼器的零位脈沖信號對其作周期性檢測。

為防止靈位脈沖丟失，我們對零位脈沖數(shù)字量輸入采用了脈沖捕捉功能。FM350－2八通道高速計數(shù)模塊具有的脈沖捕捉功能允許PLC捕捉到連續(xù)時間很短的高電平脈沖或低電平脈沖，當(dāng)一個數(shù)字量輸入設(shè)置程脈沖捕捉時，輸入端的狀態(tài)變化被鎖存并一直保持到下一個CPU系統(tǒng)掃描循環(huán)刷新。用這種方法，一個持續(xù)時間很短的脈沖信號被捕捉到，并保持到CPU模塊讀取該輸入信號，確保信號不丟失。采用此功能確保了PLC丟失高速脈沖的可能性。

5.3 TP177A觸摸屏

在此系統(tǒng)中，TP177A觸摸屏用于顯示各臺架車機(jī)的實時架升高度和操作幫助，以及一旦發(fā)生故障時會顯示詳細(xì)的故障點信息和相關(guān)的參考故障排除方法。

5.4 程序結(jié)構(gòu)優(yōu)化

各個系統(tǒng)塊（OB塊）中根據(jù)輸入的執(zhí)行命令，可以自動的選擇需要調(diào)用的子程序塊（各個功能塊），在某個運(yùn)行時間點中不需要的使用的子程序則不會調(diào)用，這樣大大節(jié)省了系統(tǒng)資源，有效的縮短了系統(tǒng)掃描周期，提高了程序的可靠性和穩(wěn)定性。

6 結(jié)束語

經(jīng)過反復(fù)的試驗、調(diào)試以及近兩年的現(xiàn)場實際使用，證明了此多組移動式架車機(jī)同步控制系統(tǒng)的安全性、可靠性和技術(shù)的先進(jìn)性。通過實踐驗證了控制系統(tǒng)具有操作簡單、維護(hù)方便、人機(jī)界面直觀實用等優(yōu)秀品質(zhì)，設(shè)計符合 TB/T1686－2000標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)已在全國各個地鐵車輛段中推廣使用。

［1］劉鍇.深入淺出西門子S7－300PLC［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

［2］深入淺出西門子WINCC flexible 2008.

［3］伯杰.西門子S7－300/400PLC編程語句表和結(jié)構(gòu)化控制語言描述［M］.北京：人民郵電出版社，2008.

［4］中華人民共和國鐵道部標(biāo)準(zhǔn)（TB/T 1686－2000）.