基于PLC的變頻牽引機(jī)車智能控制系統(tǒng)

孫志洪，王 騫，張立秀

(1.中鐵隧道裝備制造有限公司，鄭州 450003;2.武漢工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430064)

0 引言

隨著變頻牽引機(jī)車越來越廣泛地應(yīng)用于地鐵隧道的工程施工［1］，其控制系統(tǒng)正不斷地得到發(fā)展和完善［2］。大多數(shù)機(jī)車的控制系統(tǒng)基本上都可以通過對(duì)變頻器的多段速控制來滿足用戶的使用需求［3］。但是，目前多數(shù)機(jī)車都采用單片機(jī)組成的控制系統(tǒng)［4］，通過自行加工的電路板實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制，由若干數(shù)碼顯示表顯示運(yùn)行參數(shù)［5－6］。整個(gè)系統(tǒng)不但運(yùn)行速度慢、功能單一、操作界面信息量小，而且系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可維護(hù)性、可擴(kuò)展性較差，使用過程中出現(xiàn)故障時(shí)，在問題的排查、維修等方面都存在一定的弊端。

本系統(tǒng)采用PLC作為控制系統(tǒng)的核心，以觸摸屏作為人機(jī)界面，不但擴(kuò)展了機(jī)車智能控制等各方面的功能，而且使操作界面更加方便、豐富和美觀，系統(tǒng)的可擴(kuò)展、可維護(hù)等性能得到顯著改善。

1 控制系統(tǒng)構(gòu)成與通訊

機(jī)車控制系統(tǒng)主要由Siemens S7－200 224XP PLC、TP177Micro觸摸屏、MD380變頻器3部分組成，見圖1。

圖1 機(jī)車控制系統(tǒng)構(gòu)成示意圖Fig.1 Structure of locomotives control system

Siemens S7－200 224XP PLC配置了2個(gè)串行通訊口。其中Port 1口為PPI通訊口，用于PLC與TP177Micro觸摸屏通訊，并在設(shè)備調(diào)試時(shí)用于PLC程序的下載及監(jiān)控［7］;Port 0口為Modbus自由口，此口連接于MD380變頻器的Modbus通訊卡，通過編寫PLC程序采用Modbus RTU協(xié)議與這些設(shè)備進(jìn)行總線通訊［8］。

PLC通過Modbus通訊實(shí)現(xiàn)與變頻器的數(shù)據(jù)交換，將變頻器的運(yùn)行頻率、電流及母線電壓等參數(shù)讀入PLC，并將扭矩限幅、頻率限制等控制參數(shù)傳入變頻器，從而實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)變頻器的監(jiān)視與控制。同時(shí)，PLC通過通訊將變頻器的工作狀態(tài)和故障信息采集處理后傳送至觸摸屏。

機(jī)車氣路剎車系統(tǒng)由變頻器、空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣罐、壓力繼電器、氣路和剎車氣缸等部件組成?？諝鈮嚎s機(jī)由7.5 kW變頻器在壓力檢測(cè)繼電器信號(hào)的控制下間歇性工作，空氣壓縮機(jī)變頻器參數(shù)設(shè)置為端子控制啟停50 Hz恒頻率運(yùn)行模式。壓力繼電器通過給變頻器端子啟動(dòng)信號(hào)，控制氣罐空氣壓力保持在設(shè)定范圍內(nèi)。與傳統(tǒng)機(jī)車剎車系統(tǒng)不同，氣路剎車控制閥改進(jìn)為繼動(dòng)閥，當(dāng)踩下制動(dòng)踏板時(shí)，制動(dòng)閥的輸出氣壓作為繼動(dòng)閥的控制壓力輸入，在控制壓力作用下將進(jìn)氣閥推開，于是壓縮空氣便由儲(chǔ)氣罐直接通過進(jìn)氣口進(jìn)入制動(dòng)缸，而不用流經(jīng)制動(dòng)閥。這大大縮短了制動(dòng)罐的充氣管路，加速了剎車過程。

操作臺(tái)控制的檔位、按鈕等信號(hào)也接入PLC的數(shù)字量輸入通道，剎車力檢測(cè)傳感器等信號(hào)接入PLC的模擬量輸入通道。PLC通過Modbus通訊實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，通過數(shù)字量輸出以多段速的控制方式實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的運(yùn)行控制。同時(shí)，PLC采用西門子專用的PPI通訊與TP177Micro人機(jī)界面進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，將豐富、直觀的操作界面呈現(xiàn)給司機(jī)［9］。機(jī)車操作面板如圖2所示。

圖2 操作面板Fig.2 Operation panel

操作臺(tái)除了常用的控制按鈕和檔位操作手柄以外，將報(bào)警指示燈和人機(jī)觸摸屏的界面傾斜布置，以滿足操作人員的舒適度需求，使操作司機(jī)的視線更加開闊。將觸摸屏應(yīng)用于機(jī)車控制系統(tǒng)大大豐富了司機(jī)操作界面的信息量。觸摸屏人機(jī)界面如圖3所示。

圖3 觸摸屏監(jiān)控頁面Fig.3 Monitoring of touch screen

觸摸屏可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示機(jī)車的運(yùn)行方向(前進(jìn)或后退)、行駛速度、當(dāng)前檔位、驅(qū)動(dòng)電流、電壓、扭矩、剎車力和電瓶剩余電量等狀態(tài)信息和機(jī)車運(yùn)行故障信息，尤其是觸摸屏與PLC的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)大的報(bào)警提示功能。PLC、變頻器和其他重要部件的檢測(cè)參數(shù)與狀態(tài)信息都被列為報(bào)警系統(tǒng)監(jiān)視的條目，系統(tǒng)各狀態(tài)與參數(shù)出現(xiàn)異常時(shí)報(bào)警界面將自動(dòng)彈出，并及時(shí)顯示故障的具體內(nèi)容與排除問題的建議，不僅對(duì)司機(jī)的操作起到了很好的提示作用，而且使維修人員對(duì)設(shè)備故障的判斷更加方便。

2 變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

變頻驅(qū)動(dòng)采用1臺(tái)變頻器帶動(dòng)2臺(tái)相同型號(hào)和規(guī)格參數(shù)的電機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)低速大扭矩的起動(dòng)要求，控制模式在自整定后修改為“無傳感器矢量控制”方式，起動(dòng)扭矩得到顯著提升［10］。

通常變頻器的控制主要有3種形式，即面板操作、端子控制及通訊控制。面板控制通常用于變頻器的初始調(diào)試與維修，端子控制及通訊控制通常用于外部控制。由于Modbus串口通訊控制在速度上要略慢于端子控制，變頻器輸入端子通道的數(shù)量有限，而通訊控制則基本上不受硬件資源的限制。綜合考慮2方面的有利因素，本系統(tǒng)在控制方式上將2者相結(jié)合，重要控制功能由端子控制來實(shí)現(xiàn)，輔之以通訊控制，即:機(jī)車行駛的5個(gè)檔位速度設(shè)置于變頻器多段速參數(shù)中，采用變頻器的3個(gè)DI端子實(shí)現(xiàn)多段速控制，另外2個(gè)DI為啟停和正反轉(zhuǎn)控制信號(hào)。同時(shí)，根據(jù)智能控制的需要，機(jī)車控制系統(tǒng)在過載等特殊情況下需要暫時(shí)自動(dòng)減速，如果強(qiáng)制降低速度檔位，不但引起速度的突變，而且造成司機(jī)對(duì)機(jī)車可控性的誤解;因此，本系統(tǒng)采用通過通訊方式修改變頻器的上限頻率參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)車速度的平穩(wěn)過渡。此外，PLC與變頻器的Modbus通訊實(shí)現(xiàn)了電流限幅、力矩限幅、減速時(shí)間等控制參數(shù)的修改，以及變頻器運(yùn)行狀態(tài)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集。由于變頻器傳送至PLC的信息和數(shù)據(jù)量較大，變頻器僅有的一路DO端子輸出不能滿足要求，故所有數(shù)據(jù)都通過串口通訊傳送至PLC。

3 智能控制功能

1)報(bào)警功能。當(dāng)機(jī)車出現(xiàn)故障需要報(bào)警提示時(shí)，系統(tǒng)將啟動(dòng)報(bào)警功能，面板報(bào)警燈閃爍并發(fā)出間斷的報(bào)警聲音，同時(shí)顯示屏將自動(dòng)切換到報(bào)警頁面，報(bào)警信息欄顯示觸發(fā)報(bào)警的原因。

2)防暈睡功能。為了防止司機(jī)麻弊大意，設(shè)置防暈睡功能。當(dāng)機(jī)車處于某一行駛檔位正常行駛時(shí)，如果司機(jī)在30 s內(nèi)不進(jìn)行換檔等操作，在控制屏上執(zhí)行1次“叫醒”操作;如果超過5min而沒有任何換檔或上位機(jī)叫醒操作時(shí)，即觸發(fā)防暈睡功能。防暈睡功能啟動(dòng)后，報(bào)警系統(tǒng)運(yùn)行，同時(shí)機(jī)車將不受檔位控制按照設(shè)定的曲線自動(dòng)減速直至停車。

3)過載保護(hù)功能。當(dāng)電機(jī)工作電流超過PLC設(shè)定值持續(xù)超過3 s后，即觸發(fā)過載保護(hù)功能，報(bào)警功能啟動(dòng)提醒司機(jī)注意并降低檔位;如果持續(xù)10 s電流仍維持在設(shè)定值以上，則PLC將控制變頻器的輸出頻率從當(dāng)前運(yùn)行頻率以2 Hz/s的速度降低，直到輸出電流恢復(fù)到門限值以下;當(dāng)過流故障消除后，系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)到操作手柄設(shè)定的檔位運(yùn)行。

4)緊急停車。當(dāng)機(jī)車處于行車狀態(tài)出現(xiàn)各種緊急情況時(shí)，司機(jī)按下緊急停車按鈕，此時(shí)PLC將停止檔位輸出，并且通過通訊方式將PLC減速時(shí)間自動(dòng)修改至系統(tǒng)可能承受的最低值，變頻器控制電機(jī)以最短的時(shí)間停車，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)對(duì)機(jī)車的制動(dòng)功能。電機(jī)再生制動(dòng)的電能經(jīng)變頻器的直流母線反饋給機(jī)車電瓶充電，同時(shí)，剎車電磁閥失電剎車，機(jī)車在電制動(dòng)與氣路剎車制動(dòng)雙重作用下減速制動(dòng)，從而保證機(jī)車以最短的時(shí)間停車，同時(shí)啟動(dòng)系統(tǒng)報(bào)警功能。

4 應(yīng)用效果

基于PLC控制的變頻牽引機(jī)車已經(jīng)成功應(yīng)用于西安地鐵施工中。經(jīng)過半年以來的實(shí)踐證明，與其他機(jī)車相比較，通過矢量控制參數(shù)的調(diào)整，機(jī)車在低速帶載啟動(dòng)，尤其在坡道起步工況下，輸出扭矩明顯增大;PLC智能控制與安全保障功能應(yīng)用效果良好，剎車系統(tǒng)反應(yīng)更加敏捷、有力，提高了機(jī)車行車的安全性;人機(jī)界面更加直觀、豐富，操作司機(jī)對(duì)機(jī)車各系統(tǒng)工作狀態(tài)信息的獲取更加方便，整體使用效果良好。

5 結(jié)論與討論

將PLC和觸摸屏引入變頻牽引機(jī)車的控制系統(tǒng)不僅在人機(jī)界面、使用功能、安全可靠性等方面有了很大改善，并且系統(tǒng)的穩(wěn)定性及機(jī)車使用功能的擴(kuò)展、系統(tǒng)的維修與調(diào)試也更加方便。為將來實(shí)現(xiàn)機(jī)車遙控操作、安全定位操作等綜合操作功能提供有利條件，這對(duì)將來新一代更加智能、高效、安全及人性化的隧道施工機(jī)械的開發(fā)和研究具有一定的參考與借鑒意義。

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