基于PLC的變頻牽引機(jī)車(chē)重聯(lián)控制系統(tǒng)

王 騫，蒙延龍，孫志洪

(1.中鐵工程裝備集團(tuán)隧道裝備制造有限公司，河南新鄉(xiāng) 453000;2.中鐵工程裝備集團(tuán)設(shè)計(jì)研究總院，河南鄭州 450000)

0 引言

地鐵施工中常用的施工方法是盾構(gòu)法，即用盾構(gòu)在破碎巖層或土層中進(jìn)行掘進(jìn)的方法。盾構(gòu)挖掘出的渣土通常使用機(jī)車(chē)編組運(yùn)輸?shù)截Q井，然后通過(guò)門(mén)吊運(yùn)輸至地面后再做進(jìn)一步處理。

隨著地鐵施工市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，地鐵施工進(jìn)度要求也隨之提高。為滿足盾構(gòu)快速掘進(jìn)的需要，提高運(yùn)輸渣土的吞吐量，要求機(jī)車(chē)具有更大的牽引能力。提高機(jī)車(chē)牽引能力有以下2種方法［1］:

1)增大單機(jī)車(chē)牽引力，更大牽引能力的機(jī)車(chē)意味著牽引機(jī)車(chē)的噸位變大，單位長(zhǎng)度軌道所承受的重量也將變大，這對(duì)軌道提出更高的要求，同時(shí)更大規(guī)格的機(jī)車(chē)的價(jià)格也更高，施工成本會(huì)增加較多。

2)使用機(jī)車(chē)重聯(lián)控制系統(tǒng)，同時(shí)控制2臺(tái)現(xiàn)有的機(jī)車(chē)進(jìn)行同步牽引，可以達(dá)到增大編組運(yùn)輸能力的目的。這種方法需要配備一套重聯(lián)控制系統(tǒng)，由于單臺(tái)機(jī)車(chē)規(guī)格并沒(méi)有改變，所以單位長(zhǎng)度軌道所承受的重量沒(méi)有增加，可以使用現(xiàn)有軌道［2］。重聯(lián)控制系統(tǒng)使用比較靈活，使用重聯(lián)控制系統(tǒng)的2臺(tái)機(jī)車(chē)既可以重聯(lián)后作為一個(gè)整體使用，也可以各自單獨(dú)使用，可以滿足不同施工進(jìn)度的要求，既提高了設(shè)備利用率，又節(jié)省了成本，同時(shí)還提高了施工效率。

重聯(lián)控制在鐵路列車(chē)中的應(yīng)用較普遍，也有許多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)列車(chē)重聯(lián)控制技術(shù)進(jìn)行過(guò)研究。文獻(xiàn)［2］分析了DF11型列車(chē)的重聯(lián)電氣原理，并針對(duì)重聯(lián)線路設(shè)計(jì)了重聯(lián)模擬試驗(yàn)臺(tái);文獻(xiàn)［3］討論了鐵路列車(chē)重聯(lián)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案以及各方案的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出了一種新的重聯(lián)方案;文獻(xiàn)［4］針對(duì)SS1型機(jī)車(chē)原有電氣系統(tǒng)提出了重聯(lián)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并對(duì)重聯(lián)控制系統(tǒng)的特性進(jìn)行了分析;文獻(xiàn)［5］對(duì)于不同噸位列車(chē)重聯(lián)過(guò)程中遇到的車(chē)輪打滑現(xiàn)象進(jìn)行了定性分析，提出了不同噸位列車(chē)重聯(lián)時(shí)應(yīng)該控制列車(chē)粘著力使用系數(shù)的思路。以上文獻(xiàn)均未涉及隧道施工用變頻牽引機(jī)車(chē)的重聯(lián)控制。由于機(jī)車(chē)的電氣系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡(luò)與鐵路列車(chē)相比有較大差別，鐵路列車(chē)的重聯(lián)控制系統(tǒng)并不適用于機(jī)車(chē)。

綜合來(lái)看，機(jī)車(chē)重聯(lián)控制系統(tǒng)是一個(gè)比較好的選擇。重聯(lián)控制涉及車(chē)體結(jié)構(gòu)、空氣制動(dòng)、電氣控制等多個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，本文僅討論電氣系統(tǒng)。本文通過(guò)分析機(jī)車(chē)的電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理，提出一種基于機(jī)車(chē)現(xiàn)有的PLC控制系統(tǒng)的重聯(lián)控制方案，對(duì)機(jī)車(chē)現(xiàn)有電氣系統(tǒng)進(jìn)行有限的改造，實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)的重聯(lián)控制。

1 機(jī)車(chē)重聯(lián)控制方式

所謂雙機(jī)重聯(lián)控制，就是司機(jī)在1臺(tái)機(jī)車(chē)上操作能同時(shí)控制2臺(tái)機(jī)車(chē)，實(shí)現(xiàn)2臺(tái)機(jī)車(chē)的同步運(yùn)行。

目前我國(guó)鐵路列車(chē)應(yīng)用的重聯(lián)有2種類(lèi)型:采用控制線重聯(lián)和采用微機(jī)數(shù)據(jù)總線重聯(lián)。

控制線重聯(lián)方式需要本務(wù)列車(chē)(即主控車(chē))通過(guò)重聯(lián)線給重聯(lián)列車(chē)(即被控車(chē))提供電源，使2臺(tái)重聯(lián)機(jī)車(chē)同步運(yùn)行。其優(yōu)點(diǎn)是采用導(dǎo)線傳遞電源，可靠性高;缺點(diǎn)是如果供電元件較多且電流較大則線路損耗增加，線路發(fā)熱較大，線路成本較大。

微機(jī)數(shù)據(jù)總線重聯(lián)方式需要主控機(jī)車(chē)通過(guò)數(shù)據(jù)總線把控制信號(hào)傳遞給重聯(lián)列車(chē)(即被控車(chē))實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行。其優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)數(shù)據(jù)總線傳遞控制信號(hào)，可以省去大量重聯(lián)線，且采集到的指令也可用于監(jiān)控;缺點(diǎn)是完全依賴微機(jī)系統(tǒng)，如果機(jī)車(chē)微機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)故障則控制信號(hào)無(wú)法正確傳遞，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)車(chē)不能同步運(yùn)行［3］。

變頻牽引機(jī)車(chē)的控制系統(tǒng)與鐵路列車(chē)不同，是基于西門(mén)子S7－200 PLC的控制系統(tǒng)，主令電器的開(kāi)關(guān)量控制信號(hào)輸入PLC后轉(zhuǎn)換成調(diào)速信號(hào)輸出至變頻器，變頻器的運(yùn)行數(shù)據(jù)通過(guò)通信總線傳輸給PLC，同時(shí)PLC把運(yùn)行數(shù)據(jù)通過(guò)通信總線傳輸給觸摸屏進(jìn)行顯示。電氣系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 機(jī)車(chē)電氣系統(tǒng)配置圖Fig.1 Configuration of electrical system of traction locomotives

基于變頻牽引機(jī)車(chē)的電氣系統(tǒng)考慮，結(jié)合控制線重聯(lián)和微機(jī)數(shù)據(jù)總線重聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)，本文介紹的變頻牽引機(jī)車(chē)重聯(lián)控制系統(tǒng)采用控制開(kāi)關(guān)量和數(shù)據(jù)總線結(jié)合的有線式重聯(lián)——使用重聯(lián)電纜(包含重聯(lián)控制線和重聯(lián)通信總線)連接2臺(tái)機(jī)車(chē)，重聯(lián)電纜中的重聯(lián)控制線用于傳遞開(kāi)關(guān)量控制信號(hào)，重聯(lián)通信總線用于傳遞運(yùn)行和報(bào)警數(shù)據(jù)。開(kāi)關(guān)量信號(hào)電流為毫安級(jí)，對(duì)于機(jī)車(chē)的電氣系統(tǒng)不存在線路損耗方面的問(wèn)題;通信總線只傳遞數(shù)據(jù)不參與控制，避免了通信故障導(dǎo)致的重聯(lián)失敗，同時(shí)對(duì)元件選型沒(méi)有過(guò)高要求，節(jié)省成本。

2 重聯(lián)控制系統(tǒng)組成

重聯(lián)控制系統(tǒng)的電路基于盡可能不改變機(jī)車(chē)原控制線路和邏輯性的原則設(shè)計(jì)，既能重聯(lián)運(yùn)行也能單機(jī)運(yùn)行，單機(jī)操作時(shí)的性能沒(méi)有任何變化。重聯(lián)的原理是使用重聯(lián)控制線連接主控機(jī)車(chē)和被控機(jī)車(chē)的主令電器［4］。

由于重聯(lián)機(jī)車(chē)在電路上互相連接，為了實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行和減少損耗，參與重聯(lián)的2臺(tái)機(jī)車(chē)應(yīng)該具有相同的控制系統(tǒng)。不同噸位的機(jī)車(chē)也可以實(shí)現(xiàn)重聯(lián)，本文敘述的是40 t機(jī)車(chē)與20 t機(jī)車(chē)進(jìn)行的重聯(lián)控制。

使用重聯(lián)控制線通過(guò)重聯(lián)插座連接2臺(tái)機(jī)車(chē)的控制系統(tǒng)，通過(guò)重聯(lián)開(kāi)關(guān)分別把2臺(tái)機(jī)車(chē)設(shè)置為主控機(jī)車(chē)和被控機(jī)車(chē)，被控機(jī)車(chē)的主令電器到PLC的線路即被斷開(kāi)，由主控機(jī)車(chē)的主令電器統(tǒng)一發(fā)出控制指令，分別傳輸?shù)?臺(tái)機(jī)車(chē)的PLC進(jìn)行運(yùn)算并分別控制2臺(tái)機(jī)車(chē)的變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)。重聯(lián)控制原理如圖2所示。

圖2 重聯(lián)控制原理圖Fig.2 Principle of reconnection control

機(jī)車(chē)重聯(lián)控制系統(tǒng)主要分為主令電器、重聯(lián)開(kāi)關(guān)、PLC、變頻器和觸摸屏5部分(如圖3所示)。重聯(lián)開(kāi)關(guān)決定控制信號(hào)的傳輸方向——本機(jī)車(chē)主控時(shí)，控制信號(hào)經(jīng)重聯(lián)開(kāi)關(guān)輸出至另一臺(tái)被控機(jī)車(chē);本機(jī)車(chē)被控時(shí)，控制信號(hào)經(jīng)重聯(lián)開(kāi)關(guān)由另一臺(tái)主控機(jī)車(chē)輸入。

圖3 重聯(lián)控制系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of reconnection control system

主令電器、重聯(lián)開(kāi)關(guān)和觸摸屏放置在操作臺(tái)上，控制機(jī)車(chē)的運(yùn)行和停止，切換運(yùn)行狀態(tài)并顯示機(jī)車(chē)運(yùn)行狀況信息和報(bào)警信息;PLC和變頻器放置在變頻柜內(nèi)。

機(jī)車(chē)主令電器有操作手柄和按鈕開(kāi)關(guān)，操作手柄給定檔位和方向開(kāi)關(guān)量信號(hào)，手柄有零檔、前進(jìn)5個(gè)檔位和后退5個(gè)檔位，另外還有緩進(jìn)和緩?fù)税粹o各1個(gè)，急停按鈕1個(gè)，叫醒按鈕1個(gè)。重聯(lián)運(yùn)行前需要通過(guò)重聯(lián)開(kāi)關(guān)切換主控機(jī)車(chē)和被控機(jī)車(chē)的相關(guān)線路，確保同一時(shí)刻只有主控機(jī)車(chē)的主令電器能夠發(fā)出控制信號(hào)，主令電器的開(kāi)關(guān)量控制信號(hào)輸入PLC的數(shù)字量輸入通道。

重聯(lián)開(kāi)關(guān)放置在操作臺(tái)側(cè)面，有“主控”、“單機(jī)”和“被控”3個(gè)工作位，切換至“主控”位置時(shí)本機(jī)車(chē)主令電器的線路同時(shí)連接至重聯(lián)插座以便輸出控制信號(hào)到被控機(jī)車(chē)，同時(shí)接通重聯(lián)指示燈為綠色;切換至“單機(jī)”位置時(shí)，本機(jī)車(chē)控制線路不變;切換至“被控”位置時(shí)，本機(jī)車(chē)主令電器的線路全部斷開(kāi)，信號(hào)輸入線路連接至重聯(lián)插座以便接受主控機(jī)車(chē)輸入的控制信號(hào)，同時(shí)接通重聯(lián)指示燈為紅色。

作為機(jī)車(chē)控制系統(tǒng)核心的S7－200 224XP PLC配置了2個(gè)串行通信口，16個(gè)數(shù)字量輸入通道，10個(gè)數(shù)字量輸出通道，支持MPI/PPI/自由口等通信方式。安裝了EM277通信模塊后，S7－200 PLC共有3個(gè)串行通信端口，可方便地與變頻器、觸摸屏通信傳遞數(shù)據(jù)，還可以通過(guò)重聯(lián)通信總線與另一臺(tái)S7－200 PLC交換運(yùn)行參數(shù)和報(bào)警信息等數(shù)據(jù)。

3 重聯(lián)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 重聯(lián)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

S7－200 PLC所帶的2個(gè)通信端口，Port0通信口為自由口通信方式，使用MODBUS通信協(xié)議與變頻器的MODBUS通信卡進(jìn)行通信以獲取變頻器運(yùn)行數(shù)據(jù)［6］;Port1通信口使用PPI通信方式，S7－200 PLC 可以通過(guò)該通信口使用NETR和NETW網(wǎng)絡(luò)讀寫(xiě)命令對(duì)另一個(gè)S7－200 PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)操作［7］;EM277通信模塊提供的一個(gè)通信口使用PPI通信協(xié)議把運(yùn)行數(shù)據(jù)和報(bào)警信息在Smart 700觸摸屏上顯示［8］，在調(diào)試時(shí)還用作PLC程序的下載及監(jiān)控。

重聯(lián)機(jī)車(chē)的通信網(wǎng)絡(luò)連接方式如圖4所示。2臺(tái)機(jī)車(chē)之間使用重聯(lián)電纜通過(guò)重聯(lián)插座連接后，通過(guò)重聯(lián)開(kāi)關(guān)切換至正確的運(yùn)行狀態(tài)，即可開(kāi)始重聯(lián)運(yùn)行。重聯(lián)狀態(tài)下，不論是主控機(jī)車(chē)還是被控機(jī)車(chē)均可以讀取對(duì)方的運(yùn)行參數(shù)和報(bào)警信息，并顯示在觸摸屏上。

圖4 通信網(wǎng)絡(luò)連線示意圖Fig.4 Communication network connection

3.2 重聯(lián)控制設(shè)計(jì)

重聯(lián)運(yùn)行時(shí)，變換檔位、緩進(jìn)緩?fù)恕⒓蓖?、?fù)位等操作均通過(guò)主控機(jī)車(chē)進(jìn)行，被控機(jī)車(chē)操作無(wú)效。

為使2臺(tái)機(jī)車(chē)重聯(lián)運(yùn)行均發(fā)揮最大牽引能力，必須使2臺(tái)機(jī)車(chē)的行駛速度保持一致。機(jī)車(chē)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括電機(jī)、減速機(jī)和車(chē)輪，2臺(tái)機(jī)車(chē)行駛速度保持一致，即車(chē)輪線速度保持一致。

根據(jù)2臺(tái)機(jī)車(chē)的車(chē)輪輪徑、減速比和電機(jī)極對(duì)數(shù)等參數(shù)計(jì)算出2臺(tái)機(jī)車(chē)行駛速度相同時(shí)各自應(yīng)給定的運(yùn)行頻率的數(shù)值關(guān)系，再按照此數(shù)值關(guān)系分別設(shè)定每臺(tái)機(jī)車(chē)的變頻器多段速頻率值，當(dāng)檔位信號(hào)分別傳輸至每臺(tái)機(jī)車(chē)的PLC后，生成相應(yīng)的多段速調(diào)速信號(hào)給每臺(tái)機(jī)車(chē)的主變頻器，主變頻器即會(huì)控制電機(jī)按照相應(yīng)的運(yùn)行頻率轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使2臺(tái)機(jī)車(chē)的行駛速度基本保持一致。

重聯(lián)運(yùn)行時(shí)如果其中一臺(tái)機(jī)車(chē)發(fā)生故障后緊急制動(dòng)或自動(dòng)減速，另一臺(tái)機(jī)車(chē)也會(huì)及時(shí)進(jìn)行緊急制動(dòng)或自動(dòng)減速［9］。這樣可以最大限度地保證重聯(lián)機(jī)車(chē)設(shè)備和人員的安全，使重聯(lián)機(jī)車(chē)更好地運(yùn)行。

3.3 運(yùn)行界面設(shè)計(jì)

重聯(lián)機(jī)車(chē)的觸摸屏采用西門(mén)子Smart 700觸摸屏，通過(guò)Wincc Flexible軟件可以很方便地設(shè)計(jì)重聯(lián)機(jī)車(chē)運(yùn)行的各個(gè)界面。

圖5是20 t機(jī)車(chē)單機(jī)運(yùn)行時(shí)的界面。圖6和圖7分別是額定負(fù)載重聯(lián)運(yùn)行時(shí)在20 t機(jī)車(chē)觸摸屏上看到的20 t和40 t機(jī)車(chē)的重聯(lián)運(yùn)行界面。圖中顯示的是20 t機(jī)車(chē)主控、40 t機(jī)車(chē)被控運(yùn)行在1檔的情況。

司機(jī)可以通過(guò)畫(huà)面底部的按鈕切換不同的界面，了解運(yùn)行狀況。

圖5 20 t機(jī)車(chē)單機(jī)運(yùn)行界面Fig.5 Operation interface of 20 t locomotive

圖6 20 t機(jī)車(chē)重聯(lián)運(yùn)行界面Fig.6 Reconnection operation interface of 20 t locomotive

圖7 40 t機(jī)車(chē)重聯(lián)運(yùn)行界面Fig.7 Reconnection operation interface of 40 t locomotive

重聯(lián)運(yùn)行使用的20 t與40 t機(jī)車(chē)參數(shù)見(jiàn)表1。從表1可以看出，即使2臺(tái)機(jī)車(chē)規(guī)格有差別，只要控制系統(tǒng)相同，還是可以實(shí)現(xiàn)重聯(lián)運(yùn)行的。

4 運(yùn)行試驗(yàn)

重聯(lián)控制系統(tǒng)在廠內(nèi)試驗(yàn)條件下經(jīng)過(guò)測(cè)試，與單機(jī)車(chē)相比，重聯(lián)機(jī)車(chē)輸出扭矩明顯增大。由于重聯(lián)時(shí)通過(guò)同一個(gè)主令電器控制，控制信號(hào)通過(guò)控制線傳輸，主控機(jī)車(chē)與被控機(jī)車(chē)信號(hào)基本無(wú)延遲，運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)和報(bào)警信息也能及時(shí)傳輸。重聯(lián)的2臺(tái)機(jī)車(chē)在空載和帶負(fù)載狀況下電壓、電流變化規(guī)律也比較一致。在2臺(tái)重聯(lián)機(jī)車(chē)之間設(shè)置的拉力傳感器測(cè)量結(jié)果也顯示2臺(tái)機(jī)車(chē)之間相互作用力很小，重聯(lián)機(jī)車(chē)的總牽引力損失不大?？傮w來(lái)看，2臺(tái)機(jī)車(chē)的負(fù)載分配基本上是均衡的。

5 結(jié)論與討論

基于PLC的機(jī)車(chē)控制系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了雙機(jī)車(chē)重聯(lián)控制功能。通過(guò)運(yùn)行試驗(yàn)得出以下結(jié)論:

1)重聯(lián)采用控制開(kāi)關(guān)量與數(shù)據(jù)總線結(jié)合的有線式重聯(lián)，控制信號(hào)基本無(wú)延遲，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)豐富。

2)雙機(jī)重聯(lián)后輸出轉(zhuǎn)矩明顯增大，運(yùn)行同步性較好，各項(xiàng)控制功能均可正常工作。

表1 20 t機(jī)車(chē)與40 t機(jī)車(chē)參數(shù)表Table 1 Parameters of 20 t and 40 t locomotives

3)重聯(lián)機(jī)車(chē)的速度必須盡可能保持一致，減少不同步造成的牽引力損失。

4)重聯(lián)機(jī)車(chē)的控制系統(tǒng)必須相同。

5)測(cè)試時(shí)機(jī)車(chē)的計(jì)算粘著牽引力與實(shí)際牽引力相比較留有較大的富余量時(shí)，機(jī)車(chē)車(chē)輪不會(huì)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，實(shí)際使用過(guò)程中需要注意避免這種情況。

該系統(tǒng)只進(jìn)行了試驗(yàn)條件下的測(cè)試，滿負(fù)載情況下的控制性能和爬坡能力還有待現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)的檢驗(yàn)，控制功能也還有不完善的地方。比如2臺(tái)機(jī)車(chē)的頻率比目前使用計(jì)算得出的固定數(shù)值，隨著齒輪和車(chē)輪的磨損該數(shù)值需要進(jìn)行校正，如果能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校正，可以進(jìn)一步提高重聯(lián)控制的穩(wěn)定性和易用性。控制系統(tǒng)目前是開(kāi)環(huán)模式，無(wú)法對(duì)機(jī)車(chē)實(shí)際運(yùn)行速度進(jìn)行反饋和有效調(diào)整，在某些情況下可能導(dǎo)致機(jī)車(chē)速度差異過(guò)大。

［1］盧國(guó)濤，郭冀嶺，王遠(yuǎn)波，等.150 t礦用機(jī)車(chē)雙機(jī)重聯(lián)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.工礦自動(dòng)化，2008(6):95－99.

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