基于PLC的電空閥教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

付建勛　張文輝

摘 要：結(jié)合動(dòng)車組開關(guān)型電空閥的具體技術(shù)要求，利用歐姆龍CPIH-XA40DT-D型PLC、威達(dá)工控機(jī)、壓力傳感器等設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種開關(guān)型電空閥教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。介紹實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)方案和教學(xué)實(shí)訓(xùn)功能，在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中取得了很好的效果。

關(guān)鍵詞：PLC；閥門控制；實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.194

電空閥是高速動(dòng)車組制動(dòng)控制系統(tǒng)的重要組成部分。目前，我國的CRH1、CRH3、CRH5、CRH380B等型號(hào)的動(dòng)車組均采用開關(guān)型電空閥。對(duì)于高速動(dòng)車組檢修專業(yè)的學(xué)生來說，在沒有實(shí)車的實(shí)訓(xùn)室，研制出體現(xiàn)實(shí)車工作環(huán)境和操作條件的教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)成為當(dāng)務(wù)之需。為了便于教學(xué)，節(jié)約成本，本文利用通用的工業(yè)氣動(dòng)閥加上空氣壓力傳感器和PLC，設(shè)計(jì)了一種可以模擬開關(guān)型電空閥控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原則

1.1 技術(shù)要求

CRH380B型動(dòng)車組制動(dòng)控制裝置中的EP閥（電空閥）系統(tǒng)主要用于將制動(dòng)指令由電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭諝庑盘?hào)。其主要工作原理是：由安裝在EP閥出口的壓力傳感器實(shí)時(shí)檢測輸出風(fēng)壓，送至系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集與處理單元PLC，并由PLC發(fā)送電信號(hào)控制相關(guān)風(fēng)路電磁閥的開閉。同時(shí)通過顯示儀表和上位計(jì)算機(jī)的顯示器在司機(jī)室等地作以顯示。

1.2 總體設(shè)計(jì)原則

（1）整個(gè)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、處理與顯示、風(fēng)壓調(diào)節(jié)與控制等核心設(shè)備要使用實(shí)車設(shè)備，既要包含實(shí)車系統(tǒng)的基本功能，同時(shí)也要兼顧系統(tǒng)教學(xué)，為學(xué)生和地勤技術(shù)人員進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試、參數(shù)觀察、故障分析與處理等操作創(chuàng)造條件；（2）系統(tǒng)所使用的風(fēng)壓傳感器和風(fēng)路電磁閥要具備普遍性和代表性，要以滿足實(shí)訓(xùn)要求，并且節(jié)約成本為準(zhǔn)則，區(qū)別于實(shí)車；（3）風(fēng)壓檢測、電磁閥得失電狀態(tài)由PLC采集和控制，而控制信息的顯示要靠PLC與上位機(jī)的通訊和上位機(jī)顯示器完成。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)的主要工作原理：制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)電磁閥A1在PLC的控制下得電，閥口打開，預(yù)控壓力風(fēng)路導(dǎo)通，同時(shí)，壓力傳感器將其測得的輸出壓力值反饋給PLC，PLC將指令信號(hào)與反饋信號(hào)進(jìn)行比較，如果實(shí)際的壓力值低于指令值，那么保持制動(dòng)電磁閥A1的得電狀態(tài)，使其閥口保持開通狀態(tài)；如果實(shí)際的壓力值高于指令值，那么使制動(dòng)電磁閥A1變?yōu)槭щ姞顟B(tài)，使其閥口關(guān)閉，并且此時(shí)緩解電磁閥A2得電排風(fēng)，直到壓力信號(hào)達(dá)到預(yù)定指令值。通過PLC控制制動(dòng)電磁閥A1和緩解電磁閥A2的通斷電狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)控壓力的升高或者下降，最終使輸出壓力按照預(yù)控壓力的變化而變化。制動(dòng)緩解時(shí)，制動(dòng)電磁閥A1失電，緩解電磁閥A2得電，把壓力空氣排向大氣直至輸出口壓力降為零。

2.2 系統(tǒng)的主要設(shè)備

本系統(tǒng)由控制器PLC、壓力傳感器、信號(hào)發(fā)生器（用來模擬控制電流）和兩個(gè)二位二通電磁閥（A1制動(dòng)電磁閥、A2緩解電磁閥）組成。

（1）控制器PLC的選型與配置。PLC型號(hào)為CPIH-XA40DT-D型，基本參數(shù)：1）I/O點(diǎn) 40點(diǎn)；2）A/D模塊：擴(kuò)展兩個(gè)單極性，分辨率為1/4 096的模擬量輸入模塊；3）內(nèi)存：程序存儲(chǔ)量20K，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量32K；（2）上位機(jī)的選型與配置。系統(tǒng)中負(fù)責(zé)與PLC通信和監(jiān)控的上位機(jī)選擇威達(dá)工控機(jī)RACK-360，具體配置如下。CPU：Socket-478架構(gòu)，支持Pentium 4/Cerleron，外頻533/800MHz；系統(tǒng)芯片組Intel 865G+ICH5；總線 AGP 4X/8X，1個(gè)10/100 Mbit/s i82562ET以太網(wǎng)；2個(gè)RS-232串口，1個(gè)LPT并口（支持SPP/ECP/EPP模式），8個(gè)USB接口等；（3）壓力傳感器。將EP閥輸出口的風(fēng)壓變換為電流模擬信號(hào)（4-20mA）經(jīng)A/D模塊傳送給PLC，具有數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠度高、工作壽命長等優(yōu)點(diǎn)；（4）信號(hào)發(fā)生器。用信號(hào)發(fā)生器模擬BCU（制動(dòng)控制單元）輸向EP閥的預(yù)控電流信號(hào)，這個(gè)信號(hào)經(jīng)A/D模塊傳送給PLC，PLC將這個(gè)信號(hào)和壓力傳感器信號(hào)進(jìn)行比較；（5）電磁閥。用兩個(gè)二位二通的電磁換向閥分別用作制動(dòng)電磁閥A1和緩解電磁閥A2，電磁閥電磁鐵的得失電狀態(tài)由控制器PLC的輸出指令控制。

2.3 PLC程序設(shè)計(jì)

（1）控制原理。本控制程序按照兩個(gè)參數(shù)（壓力傳感器測得的反饋壓力值和預(yù)控壓力值）的大小比較對(duì)電磁閥A1和A2進(jìn)行控制。傳感器反饋壓力值通過模擬量輸入通道201傳遞給PLC，預(yù)控壓力信號(hào)用信號(hào)發(fā)生器生成的電流模擬，通過模擬量輸入通道202傳遞給PLC，PLC經(jīng)過運(yùn)算后，通過開關(guān)量輸出通道0.00、0.01分別控制制動(dòng)電磁閥A1和緩解A2的通斷電，從而控制輸出風(fēng)壓的大小，實(shí)現(xiàn)EP閥制動(dòng)、保壓、緩解三個(gè)工作狀態(tài)；（2）PLC 控制梯形圖設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的主程序?yàn)橐谎h(huán)程序，PLC在工作狀態(tài)下不停地循環(huán)掃描，不斷地從模擬量輸入通道讀取來自信號(hào)發(fā)生器和壓力傳感器反饋的電流值，并對(duì)它們的差值和零進(jìn)行比較，實(shí)時(shí)監(jiān)控EP閥輸出的壓力值，直到輸出壓力值與預(yù)控壓力值相等時(shí)為止。

3 系統(tǒng)教學(xué)實(shí)訓(xùn)功能

（1）開關(guān)型EP閥的組成、分布及其工作原理演示；（2）系統(tǒng)功能及動(dòng)作過程演示；（3）系統(tǒng)自身故障檢測動(dòng)態(tài)顯示；（4）人為設(shè)置傳感器或者PLC故障，觀察故障現(xiàn)象，進(jìn)行故障診斷和排除的訓(xùn)練；（5）在上位機(jī)組態(tài)軟件頁面上觀察BCU輸入給EP閥電流的大小與EP閥輸出壓力大小的隨動(dòng)關(guān)系和動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程；（6）編制系統(tǒng)運(yùn)行日志文件。

4 結(jié)束語

以PLC為控制器搭建了EP閥實(shí)訓(xùn)控制系統(tǒng)，既展示了動(dòng)車組開關(guān)型EP閥的組成結(jié)構(gòu)、工作原理與工作過程，又兼顧了教學(xué)與實(shí)訓(xùn)功能。應(yīng)用該實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生能深入的理解組合型開關(guān)EP閥的工作原理，提高學(xué)生動(dòng)手動(dòng)腦設(shè)計(jì)、調(diào)試、操作的能力，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。同時(shí)，也為其它動(dòng)車組檢修專業(yè)實(shí)訓(xùn)設(shè)備的開發(fā)提供了借鑒與思路。

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作者簡介：付建勛（1983-），男，河北石家莊人，碩士研究生，助教，教師，研究方向：動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)檢修與調(diào)試。