鐵路灑水車無線遠程控制研究

郭建良 孟曉亮 李敬杰

摘要：鐵路灑水車在鐵路線路清篩前進行灑水，為線路清篩防塵起到關(guān)鍵作用。但是原來的遠程控制是有線控制，造成操作繁瑣，伴隨設(shè)備電氣控制系統(tǒng)老化，有必要研制一套灑水車無線遠程控制系統(tǒng)。通過研究灑水車工作原理，選用可編程控制器（PLC）進行邏輯控制，通過工業(yè)級以太網(wǎng)技術(shù)進行與操作平板電腦互聯(lián)，實現(xiàn)無線遠程控制的目的。

關(guān)鍵詞：鐵路灑水車;無線控制;工業(yè)以太網(wǎng);可編程控制器

引言

鐵路灑水車是國家能源鐵路裝備神維分公司在2013年采購的鐵路灑水設(shè)備，由軌道車牽引，作業(yè)時操作者在軌道車上遠程控制，為線路清篩防塵起到關(guān)鍵作用。但是原來的遠程控制是有線控制，作業(yè)前，由操作者先把遠程控制線插在電氣控制柜上，然后再上車操作，造成操作繁瑣，再者遠程控制線較長，不容易存放，并且容易損壞。另外，隨著使用時間延長，設(shè)備電氣控制系統(tǒng)老化，造成遠程控制失效，操作者必須下車進行手動控制，造成操作者安全隱患和手動控制的不均勻性。再者原有生產(chǎn)廠家的技術(shù)研發(fā)團隊已經(jīng)解散，無法提供后續(xù)的維修服務(wù)，導(dǎo)致控制系統(tǒng)無法使用。因此有必要研制一套灑水車遠程控制系統(tǒng)，便于今后的使用與維護。

1 鐵路灑水車原理與研究思路

鐵路灑水車是在鐵路線路清篩前對線路進行灑水，清篩機進行清篩時，石砟與砟土得到濕潤不再揚塵。噴灑作業(yè)系統(tǒng)（見圖1）由控制箱、配電箱及灑水設(shè)備三大部分組成。其作業(yè)原理是在大機清篩作業(yè)前，由牽引車連掛灑水車進行灑水作業(yè)。通過便攜式的控制箱，將信號傳輸給變頻器，變頻器帶動電機啟動，水罐中的水經(jīng)過過濾器、管路、泵體，隨著葉片一起旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下，通過高壓將液體送出，經(jīng)過支管分別傳送到各個噴嘴，將水均勻的灑在道渣上。

考慮現(xiàn)有設(shè)備控制配電箱老化，為確保安全生產(chǎn)，保證設(shè)備正常運行，對變頻控制柜體進行改造，結(jié)合現(xiàn)場已有設(shè)備的安裝狀態(tài)，綜合考慮實際運行需求，充分利用已有資源，從現(xiàn)場工況壞境入手，重新設(shè)計改造線路，并增加遠程無線控制功能，實現(xiàn)本地和遠程無線控制，更方便現(xiàn)場人員操作。考慮到無線遠程控制存在異常的情況，同時要保證手動操作的功能。

2 鐵路灑水車控制系統(tǒng)研制

采用可編程控制器（PLC）作為下位機，對現(xiàn)場的設(shè)備（變頻器、電動閥門）進行邏輯控制，實現(xiàn)電機啟停、轉(zhuǎn)速控制及電動閥門的開關(guān)。采用手持工業(yè)平板電腦作為上位機，通過對上位機進行編程組態(tài)，與可編程控制器進行無線遠程通訊控制，對現(xiàn)場設(shè)備的運行狀態(tài)進行監(jiān)控控制和數(shù)據(jù)采集（圖2）。

2.1 可編程控制器（PLC）選型

可編程控制器（PLC）采用西門子S7-200 SMART CPU CR20，S7-200可編程控制器是西門子公司為中國客戶量身定制的一款高性價比小型 PLC 產(chǎn)品，I/O 點數(shù)豐富的 CPU 模塊，單體 I/O 點數(shù)可達 60 點，可滿足大部分小型自動化設(shè)備的控制需求。另外，CPU 模塊配備標(biāo)準(zhǔn)型和經(jīng)濟型供用戶選擇，對于不同的應(yīng)用需求，產(chǎn)品配置更加靈活。在不額外占用電控柜空間的前提下，信號板擴展能更加貼合用戶的實際配置，提升產(chǎn)品的利用率，同時降低擴展成本。經(jīng)濟便捷CPU標(biāo)配的以太網(wǎng)接口，支持 PROFINET、TCP、UDP、Modbus TCP等多種工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議，實現(xiàn)以太互聯(lián)。通過此接口還可與其它PLC觸摸屏、變頻器、伺服驅(qū)動器、上位機等連網(wǎng)通信。

采集擴展模塊采用西門子S7-200 SMART EM AM06，具有4點模擬量輸入/2點模擬量輸出，滿足系統(tǒng)研制需要。

2.2 變頻器選型

根據(jù)灑水系統(tǒng)的電機功率（11KW），變頻器選用深圳西林公司SD200-4T-18.5G變頻器，SD200系列變頻器是一款高性能矢量型變頻器，主要用于控制和調(diào)節(jié)三相交流異步電機的速度。是深圳西林公司新一代變頻器技術(shù)升級產(chǎn)品，SD200采用優(yōu)化的V/F控制以及矢量控制，低頻高轉(zhuǎn)矩輸出，過載能力強，具有良好穩(wěn)定性及動態(tài)性能，多種通信總線功能，功能豐富強大，性能穩(wěn)定;具有完善的防跳閘控制及適應(yīng)惡劣電網(wǎng)的能力，可廣泛應(yīng)用于紡織、造紙、拉絲、機床、包裝、食品、風(fēng)機、泵類及各種自動化生產(chǎn)設(shè)備的驅(qū)動。

2.3 系統(tǒng)控制

上位機平板電腦可進行編程組態(tài)，與可編程控制器（PLC）進行無線遠程通訊控制，對現(xiàn)場設(shè)備的運行狀態(tài)進行監(jiān)控控制和數(shù)據(jù)采集。

變頻器與電動閥門的控制、接線圖見圖3，可編程控制器（PLC）見圖4。

可編程控制器（PLC）有5路輸入信號（IO2、IO3、IO4、IO5、IO6）分別代表電動閥門開到位、電動閥門關(guān)到位、手動模式、自動模式、頻率故障等。通過PLC邏輯編程控制K1、K3、K4繼電器的動作，分別控制電機的自動啟動、電動閥門的打開開、電動閥門的關(guān)閉。比如在閥門關(guān)閉的情況下，電機無法啟動;頻率故障的情況下，自動停機;手動模式下，電動閥門自動打開等。

PLC采集擴展模塊有4路模擬輸入（26、28、30、32）分別代表水管壓力、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、流量信號，并能通過上位機平板電腦的屏幕顯示出來，根據(jù)邏輯運算后輸出2路（40、42），到變頻器轉(zhuǎn)速端子，自動改變電機轉(zhuǎn)速，來實現(xiàn)通過外界變量控制灑水量的變化。

2.3.1 手動模式

當(dāng)選用手動模式時，電機通過變頻器主回路連接電源，當(dāng)手動按鈕閉合時，K2繼電器動作，K2觸點閉合，91、93連接，變頻器開始啟動，頻率逐漸變到最大頻率，電機以最大轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，同時PLC接收到手動模式（IO4）信號后，控制K3繼電器動作，電動閥門開啟，灑水作業(yè)開始。當(dāng)手動關(guān)閉后，K2繼電器失電，K2觸點斷開，91、93斷開，電機停止，同時PLC控制K4繼電器動作，電動閥門關(guān)閉，灑水作業(yè)停止。

2.3.2 自動模式

當(dāng)選用自動模式時，PLC通過邏輯控制K1繼電器動作，K1觸點閉合，電機開始啟動，同時K3繼電器動作，K3觸點閉合，電動閥門開啟，灑水作業(yè)開始。同時通過控制灑水量的檔位來改變變頻器的頻率，可以實現(xiàn)灑水量的變化。當(dāng)停止灑水時，自動模式信號斷開，PLC通過邏輯控制K1繼電器失電，K1觸點斷開，電機停止運轉(zhuǎn)，同時K3繼電器失電，K3觸點斷開，電動閥門關(guān)閉，灑水作業(yè)停止。灑水過程中壓力、溫度、濕度、流量信息進行實時采集顯示。上位機平板電腦自動模式畫面見圖5。

3 鐵路灑水車無線遠程控制系統(tǒng)試驗

經(jīng)過現(xiàn)場灑水試驗，灑水車作業(yè)人員可以快速、及時打開（關(guān)閉）灑水系統(tǒng)，靈活性高，作業(yè)過程中可以車上控制，不用上下車，不僅提升了作業(yè)效率，同時也消除上下車與鐵路鄰線間不安全因素，保障了人員安全。同時，為了避免干擾，系統(tǒng)采用模擬信號進行PLC與變頻器的互聯(lián)，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

通過鐵路灑水車無線遠程控制系統(tǒng)的研制，避免老系統(tǒng)故障頻繁的現(xiàn)象，并且比較之前系統(tǒng)有改進，方便操作，并能直觀顯示，為灑水車進一步的應(yīng)用與開發(fā)提供有益的參考。

參考文獻：

[1] 林勝福、范春峰. 神華鐵路灑水車的研制[J]. 機車車輛工藝. 2015（04）

作者簡介：

郭建良，男，47歲，工作單位：國家能源鐵路裝備神維分公司肅寧工務(wù)機械段，職務(wù)：干事，職稱：高級工程師，畢業(yè)院校：長沙鐵道學(xué)院，所學(xué)專業(yè)：起重運輸與工程機械。