鐵路客車空調(diào)機組的PLC控制

摘要：鐵路客車空調(diào)機組應(yīng)用普遍，文章首先介紹了機組控制的基本原理，通過PLC改造試驗后，對比了改造之后的優(yōu)點。本次實驗采用了KLC40C[2]-1T1型號的空調(diào)機組作為改造對象，通過PLC可編程程序控制器進(jìn)行改造，大大優(yōu)化了系統(tǒng)性能。

關(guān)鍵詞：空調(diào)機組；PLC；控制器改造；鐵路客車

中圖分類號：U270 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）12-0106-03

通過實驗發(fā)現(xiàn)KLC40C[2]-1T1型號的空調(diào)機組系統(tǒng)存在一些弊端，為了改善機組的主令控制，簡化主令控制的操作步驟，加強空調(diào)機組的故障保護(hù)機制，減少機組硬件線路，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時為下一步的PLC改造作好基礎(chǔ)工作，本文選取了PLC可編程序控制器進(jìn)行了基于PLC技術(shù)的系統(tǒng)優(yōu)化。

1 機組控制概述

鐵路客車空調(diào)機組中的電氣控制柜為KLC40C[2]-1T1空調(diào)機組，主要功能有自動采暖、手動采暖、自動制冷、手動制冷和通風(fēng)等。電源控制開關(guān)為1Q和2Q兩個自動空氣開關(guān)，控制著控制電路、主電路的電源。接觸器KM8、KM9控制著第一、第二組電熱器1DR、2DR，主電路與自動空氣開關(guān)之間用3Q、4Q連接。在電熱器的控制線路上有兩只串聯(lián)的保護(hù)開關(guān)FT3和FT4，用以保護(hù)火災(zāi)等事故時，自動斷開線路，保護(hù)電熱器安全；同時電容器的控制線路上還有保險絲，當(dāng)溫度超過140℃時會自動熔斷；6M、7M為第一、二臺壓縮機電動機，由接觸器KM6、KM7控制，H1、H2為制冷工作計時器，F(xiàn)T1、FT2為制冷低溫保護(hù)接點，F(xiàn)P1、FP2為壓縮機壓力保護(hù)接點。過電流繼電器FA6、FA7為電動機6M、7M提供過電流保護(hù)；4M、5M為制冷1、2的冷凝器風(fēng)機，共同由接觸器KM4控制。FR4、FR5為其過載保護(hù)熱繼電器，1M為通風(fēng)機，通風(fēng)有強風(fēng)（高速）和弱風(fēng)（低速）兩種，分別由FR2、FR1提供過載保護(hù)，對于各種工況運行狀態(tài)或故障均有指示燈顯示。

集控、全暖、半暖、全冷、半冷和停止等操作由開關(guān)SA1控制；而強通風(fēng)、弱通風(fēng)等選擇功能由開關(guān)SA2控制；手動、自動冷、自動暖等功能由開關(guān)SA3控制，三個開關(guān)靈活使用；轉(zhuǎn)換繼電器的線圈通電時，線圈轉(zhuǎn)動一次的同時實現(xiàn)觸點狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，當(dāng)線圈斷電狀態(tài)下，觸點狀態(tài)不發(fā)生變化。通過控制繼電器線圈的轉(zhuǎn)速，可以調(diào)節(jié)工作轉(zhuǎn)換時間，使兩臺壓縮機和兩臺電熱器按照設(shè)定的時間相互交替工作。為了保證這兩臺壓縮機的壽命、性能等保持相同，電氣控制柜設(shè)有壓縮機交替工作電路。通過設(shè)定溫度控制儀ATC的高溫觸頭和低溫觸頭，可以實現(xiàn)制暖和制冷功能的轉(zhuǎn)換。

2 機組PLC設(shè)計改造

原來的機組控制中，三個開關(guān)的控制功能繁瑣，改造設(shè)計中，不采用原來的三個開關(guān)，只選用兩個主令開關(guān)，第一個開關(guān)用于選擇手動控制和自動控制；第二個開關(guān)用于控制具體的制暖、制冷、通風(fēng)等功能。為了減少以后設(shè)備更換造成的麻煩，本操作系統(tǒng)的控制程序采用PLC基本的語言指令進(jìn)行編程。

圖1 PLC端子接線

表1 1SA工程選擇開關(guān)接點信號組合表

1SA工作狀態(tài)位 PLC輸入接口狀態(tài) 工況狀態(tài)名稱

X3 X2 X1 X0

5 0 0 0 0 停止

1 0 0 0 1 全暖

2 0 0 1 0 半暖

3 0 0 1 1 強通風(fēng)

4 0 1 0 0 弱通風(fēng)

6 0 1 0 1 半冷強風(fēng)

7 0 1 1 0 半冷弱風(fēng)

8 0 1 1 1 全冷

9 1 0 0 0 集控

由于原來的機組中通風(fēng)、制暖和制冷等功能涉及了9個接口，為了減少輸入接口，在進(jìn)行PLC改造時，只使用了4個輸入接口，通過組合控制來完成這9種功能。具體的連接組合情況在圖1和表1中有介紹。將開關(guān)1SA打到工作位6時，開關(guān)的2、4觸點斷開，1、3觸點閉合，這樣后面的X1、X3兩個輸入接口就沒有信號，而X0和X4兩個接口有信號傳入，通過這四個觸點的串聯(lián)控制，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的強通風(fēng)、半冷功能。在編寫PLC控制程序時，必選先分配好PLC的輸入元件信號、輸出執(zhí)行信號的接口，確定控制系統(tǒng)的信號種類。在圖1的輸入、輸出接口接線圖中，可以看出在整個控制系統(tǒng)中有11個輸出接口和14個輸入接口。值得注意的問題是，當(dāng)開關(guān)1SA打到工作位9時，只有電源控制信號閉合時，PLC才能夠檢測到集控信號，否則PLC只能檢測到停止信號。

總而言之，將鐵路列車空調(diào)機組進(jìn)行PLC改造，能夠大大提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，優(yōu)化系統(tǒng)性能，但是這也只是第一步改造。接下來還可以通過將制冷、制暖的信號存儲到PLC模塊中，實現(xiàn)對溫度的連續(xù)控制，大大提高溫度控制的精確度。實現(xiàn)了每一臺空調(diào)機組的PLC改造之后，還可以建立計算機控制主站，通過通訊接口對各個鐵路的空調(diào)機組進(jìn)行集中控制。

3 改造效果比較

通過多次的模擬實驗和教學(xué)演示，發(fā)現(xiàn)對鐵路客車空調(diào)機組KLC40C[2]-1T1型機組進(jìn)行PLC控制改造后，比改造前的效果優(yōu)化了很多，控制效果很好，相比之下有很多優(yōu)點：

（1）控制的操作更簡單：改造之前的開關(guān)操作需要三個手動開關(guān)的相互配合，才能完成暖通各項功能，經(jīng)過改造之后，只需要一個開關(guān)就能完成全冷、全暖、弱暖、集控、強通風(fēng)、弱通風(fēng)、停止等一系列操作。在改造之前，要開啟制冷功能，必須保證在上一次打開制冷開關(guān)三分鐘以后才能再次開啟，這樣容易產(chǎn)生人為的操作失誤，影響壓縮機和制冷機組的功能。經(jīng)過了PLC改造之后，在關(guān)閉制冷開關(guān)之后，設(shè)備會自動控制開關(guān)，使其制冷機組在三分鐘之內(nèi)無法再次啟動。改造之前要關(guān)閉制暖開關(guān)時，由于設(shè)備制暖電熱器長時間工作，需要將設(shè)備進(jìn)行通風(fēng)，即打開通風(fēng)開關(guān)，才能選擇關(guān)閉制暖，這樣才能保證設(shè)備的正常運行。而經(jīng)過了PLC改造之后，關(guān)閉制暖開關(guān)的同時，程序會自動開啟兩分鐘的通風(fēng)功能，這樣就可以直接關(guān)閉制暖開關(guān)而不用擔(dān)心設(shè)備受損。

（2）制暖制冷控制無需延時：在改造之前，控制柜使用同一個轉(zhuǎn)換繼電器進(jìn)行制暖和制冷控制，為了保護(hù)機組的正常運行，所以控制柜制暖和制冷都需要延時操作。經(jīng)過PLC改造之后，使用兩組電熱器交替工作，完成制冷和制暖功能的相互轉(zhuǎn)換，控制操作不必延時更加快捷。

（3）機組出現(xiàn)故障時得到及時保護(hù)：經(jīng)過PLC改造后的控制程序中設(shè)定了故障顯示輸出和鎖定程序，因此當(dāng)設(shè)備發(fā)生了故障時，程序會自動搜索出故障信號并及時停止故障。為了確保自動復(fù)位等物理故障的出現(xiàn)，一旦出現(xiàn)操作故障，相關(guān)的保護(hù)負(fù)載的執(zhí)行元件也會斷開，這樣就保證了故障范圍不會再擴大，采取手動停止之后設(shè)備恢復(fù)正常，這樣就有效地保護(hù)了設(shè)備。

（4）壓縮了控制柜的體積：進(jìn)過PLC改造之后，控制程序就相當(dāng)于一根連接線路，把各種控制、轉(zhuǎn)換線路連接起來，這樣就不需要原來設(shè)備中的定時繼電器、控制繼電器和轉(zhuǎn)換繼電器，省去了很多物理線路，既壓縮了控制柜的體積，又經(jīng)濟合算。

（5）控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高：經(jīng)過改造后的控制系統(tǒng)工作方式為集中輸出和集中采樣，程序運行與外部設(shè)備相對隔離，這樣系統(tǒng)的運行不再受到設(shè)備運行狀況的影響，穩(wěn)定性更高。同時，由于控制機組中使用的連接線路減少了很多，這樣由于線路故障引起的系統(tǒng)故障也就少了很多，提高了系統(tǒng)性能。

（6）改變控制要求更簡單：改造之前的控制系統(tǒng)的控制電路之間存在著一定的邏輯關(guān)系，通過實際的硬接線相連接。當(dāng)改變控制操作時，系統(tǒng)必須改變相應(yīng)的控制線路，這樣不僅操作繁瑣，而且容易出現(xiàn)故障。而經(jīng)過了PLC改造之后，所有的控制要求都以程序的形式存儲在系統(tǒng)工作區(qū)的模塊當(dāng)中，直接通過程序運行來實現(xiàn)轉(zhuǎn)換操作。要更改控制要求時，只需要打開相應(yīng)的控制程序即可，操作更簡單。

綜上所述，本次實驗采用了KLC40C[2]-1T1型號的空調(diào)機組作為改造對象，通過PLC可編程程序控制器進(jìn)行改造，大大優(yōu)化了系統(tǒng)性能。

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作者簡介：王超群（1985—），男，陜西西安人，西安鐵路局西安客車車輛段助理工程師，研究方向：客車電氣控制。

（責(zé)任編輯：葉小堅）