基于PLC多組輪對(duì)空轉(zhuǎn)試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

顧建凱

(蘭州交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070)

1 引言

根據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，鐵路列車(chē)回庫(kù)后要對(duì)輪對(duì)及對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行例行試驗(yàn)、研究性試驗(yàn)。國(guó)內(nèi)的輪對(duì)空轉(zhuǎn)試驗(yàn)系統(tǒng)大多是對(duì)單組電機(jī)以及輪對(duì)的測(cè)試試驗(yàn)。筆者介紹的輪對(duì)空轉(zhuǎn)試驗(yàn)系統(tǒng)通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控多臺(tái)基于PLC的輪對(duì)空轉(zhuǎn)試驗(yàn)設(shè)備，可進(jìn)行多個(gè)電機(jī)以及對(duì)應(yīng)輪對(duì)的檢測(cè)試驗(yàn)。PLC實(shí)時(shí)自動(dòng)地記錄電機(jī)在各頻率的轉(zhuǎn)速和關(guān)鍵部件的溫度，且將數(shù)據(jù)及時(shí)傳送給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總編輯。

2 控制系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 控制系統(tǒng)簡(jiǎn)述

本輪對(duì)空轉(zhuǎn)試驗(yàn)系統(tǒng)基本控制要求:①可以實(shí)時(shí)精確地顯示牽引電機(jī)在各個(gè)檢測(cè)頻率段的運(yùn)轉(zhuǎn)性能;②可以準(zhǔn)確無(wú)誤地對(duì)電機(jī)兩端的軸承溫度、輪對(duì)兩個(gè)軸箱溫度實(shí)時(shí)顯示;③對(duì)電機(jī)缺相，過(guò)流過(guò)壓提供報(bào)警保護(hù)。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用集中管理分布控制模式，根據(jù)控制系統(tǒng)的故障導(dǎo)向(作業(yè)過(guò)程中設(shè)備出現(xiàn)故障或者作業(yè)方式錯(cuò)誤，則在設(shè)備故障沒(méi)被修復(fù)前整個(gè)作業(yè)過(guò)程不能繼續(xù)進(jìn)行)安全設(shè)計(jì)思想進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，依據(jù)本文提出的基本控制要求對(duì)傳統(tǒng)空轉(zhuǎn)電機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)改進(jìn)和設(shè)計(jì)，使得整個(gè)控制系統(tǒng)更加的自動(dòng)化、精確化和合理化。主要操作流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)作業(yè)流程圖

2.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

硬件主要有工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、電源裝置、變頻器、PLC、通信中轉(zhuǎn)器、溫度傳感器、光電編碼器等部分組成，變頻器采用西門(mén)子公司的MM440變頻器，可控頻率是0～100 Hz，PLC選用西門(mén)子S7-226 CN，它具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理和實(shí)時(shí)控制能力。

該系統(tǒng)通過(guò)通信中轉(zhuǎn)將多個(gè)S7-200CN與上位監(jiān)控主機(jī)以自由口通信方式連接［2］，每個(gè) S7-200CN對(duì)應(yīng)著一個(gè)待測(cè)牽引電機(jī)及輪對(duì)裝置，從而可以達(dá)到集中管理，分散控制的要求。檢測(cè)控制部分分為各個(gè)電源頻率下電機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量和電機(jī)兩端的軸承溫度、輪對(duì)兩個(gè)軸箱溫度測(cè)定。各個(gè)下位機(jī)將測(cè)得的信息及時(shí)的反饋給上位監(jiān)控主機(jī)，再由上位機(jī)將信息生成對(duì)應(yīng)的報(bào)表以供技術(shù)人員瀏覽，打印?？傮w原理圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)原理圖

溫度測(cè)量采用Pt100溫度傳感器和四線(xiàn)制的溫度變送器將對(duì)應(yīng)的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，然后傳入EM235中，再通過(guò)PLC內(nèi)部程序計(jì)算出對(duì)應(yīng)的所測(cè)溫度值。電機(jī)的性能測(cè)定通過(guò)變頻器輸送不同的頻率給電機(jī)，并且通過(guò)光電編碼器和PLC測(cè)得在一段時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)數(shù)，進(jìn)而求得對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速信息，最后通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)對(duì)照來(lái)判斷電機(jī)的性能是否優(yōu)良。

3 系統(tǒng)控制軟件

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的控制要求，下位機(jī)PLC控制程序采用模塊化結(jié)構(gòu)，便于以后程序的修改、升級(jí)和擴(kuò)展，使得程序通用性變強(qiáng)。輪對(duì)空轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)主要包括:系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)部分、4個(gè)測(cè)溫點(diǎn)和1個(gè)測(cè)速點(diǎn)的程度編譯、過(guò)壓過(guò)流缺相突發(fā)事故的報(bào)警和保護(hù)。

3.1 上位機(jī)與PLC通信實(shí)現(xiàn)

自由通信協(xié)議數(shù)據(jù)格式:1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位，即10位數(shù)據(jù)，或者再加一個(gè)奇偶校驗(yàn)位組成11位數(shù)據(jù)。

3.2 系統(tǒng)測(cè)溫實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)測(cè)量的溫度具有4個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，而一個(gè)EM235只有三個(gè)模擬量的輸入，所以在現(xiàn)場(chǎng)中PLC需要擴(kuò)展2個(gè)EM235。具體實(shí)現(xiàn)原理:Pt100在0℃時(shí)電阻為100歐姆，隨著溫度的變化電阻呈線(xiàn)性變化，大約是每攝氏度0.4 Ω，為了產(chǎn)生5 mV/℃的電壓系數(shù)，需要提供12.5 mA電流。由于模擬量輸出精度為10 μA/數(shù)，為了得到12.5 mA輸出電流所需的輸出數(shù)必須為1 250。因?yàn)锳QW數(shù)據(jù)向右移4位，因此輸出數(shù)必須乘以16，這樣，為了初始化模擬量輸出IO為12.5 mA電流，在AQW0中必須設(shè)置為2000輸出數(shù)。Pt100隨著12.5 mA恒電流的供給產(chǎn)生了與隨溫度變化的電壓，EM235把這個(gè)電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，程序周期性地讀這些數(shù)字量，并將所讀的這些數(shù)，利用下面的公式計(jì)算出所測(cè)溫度:

T|℃ |=(溫度數(shù)字量-0℃偏置量)/1℃數(shù)字量

溫度數(shù)字量=存貯在AIWx(x=0，2，4)中的值

0℃偏置量=在0℃測(cè)出的數(shù)字量

1℃數(shù)字量=溫度每升高1℃的數(shù)字量

依據(jù)用在EM235上的通道數(shù)，本程序用到的AI字相應(yīng)的地址如表1所列。根據(jù)以上分析，可得測(cè)溫程序流程圖如圖4所示。

圖4 測(cè)速程序流程圖

表1 AI字相應(yīng)的地址

圖3 測(cè)溫程序流程圖

3.3 系統(tǒng)測(cè)速實(shí)現(xiàn)

測(cè)定電動(dòng)機(jī)的優(yōu)良通過(guò)PLC與變頻器給電機(jī)提供不同頻率段的電壓，光電編碼器測(cè)出固定時(shí)間內(nèi)電機(jī)所轉(zhuǎn)圈數(shù)，進(jìn)而通過(guò)PLC程序算出在該固定時(shí)間和頻率段的電機(jī)轉(zhuǎn)速［3］。提供給電機(jī)的頻率為10～100 Hz不等，并且每過(guò)10 min變化一次。對(duì)光電編碼輸出脈沖數(shù)通過(guò)PLC的高速計(jì)數(shù)器測(cè)定，這里選用CPU226的HC1的運(yùn)行模式2，在該模式下，I0.6為計(jì)數(shù)輸入口，I1.0為復(fù)位輸入口，I1.1為啟動(dòng)輸入口，其中復(fù)位輸入在每個(gè)頻率段進(jìn)入下一個(gè)頻率段時(shí)起作用，對(duì)所計(jì)的脈沖數(shù)進(jìn)行清零以便下個(gè)頻率段的檢測(cè)計(jì)數(shù)［4］。而其中每個(gè)頻率段的固定時(shí)間通過(guò)PLC中的時(shí)基測(cè)定。測(cè)速的程序流程圖如圖5所示。

3.4 系統(tǒng)故障處理

系統(tǒng)缺相通過(guò)欠電流繼電器KA1、KA2、KA3串接入電動(dòng)機(jī)缺相保護(hù)電路中，在電動(dòng)機(jī)發(fā)生缺相運(yùn)行時(shí)串接在缺相上的欠電流繼電器線(xiàn)圈斷電釋放，其常開(kāi)接點(diǎn)KA1、KA2、KA3斷開(kāi)，使接在接觸器KM的線(xiàn)圈自鎖線(xiàn)路斷開(kāi)，接觸器KM釋放，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。系統(tǒng)過(guò)壓，過(guò)流通過(guò)加上電壓，電流傳感器測(cè)得對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)電壓、電流與設(shè)定電壓、電流比較，如果超出即強(qiáng)行停止系統(tǒng)。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)以集中管理、分布控制的模式，通過(guò)上位機(jī)分別控制下位機(jī)牽引電機(jī)的運(yùn)行和停止。下位機(jī)將溫度信息，速度信息實(shí)時(shí)反饋給上位機(jī)記錄和整理。在電機(jī)出現(xiàn)缺相，過(guò)壓過(guò)流情況時(shí)系統(tǒng)給予及時(shí)報(bào)警處理。系統(tǒng)具有技術(shù)先進(jìn)、功能完善、操作方便等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了輪對(duì)空轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)的信息化和自動(dòng)化。

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