鋼軌探傷車動力系統(tǒng)的電氣控制設計

摘 要：鋼軌探傷車電氣系統(tǒng)由交流配電系統(tǒng)、直流配電系統(tǒng)及PLC微機控制系統(tǒng)等組成，其中PLC微機控制系統(tǒng)包括CPU、I/O輸入子站及HMI顯示器等。動力系統(tǒng)的電氣控制采用PLC控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)探傷車高低速走行、方向控制；HMI為人機互動窗口，能夠實時顯示走行相關參數(shù)及故障診斷信息。采用網(wǎng)絡化、模塊化的設計原則，在網(wǎng)絡通信故障的情況下，啟用應急走行模式，應急走行為直流純硬線電路設計，能迅速將車輛行駛至指定區(qū)域。動力系統(tǒng)的電氣控制從根本上解決了牽引走行的智能控制及應急安全處理問題，可廣泛應用于工程機車。

關鍵詞：PLC網(wǎng)絡控制；發(fā)動機控制；應急走行

中圖分類號：U262.7+3" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）06-0060-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.06.015

0" " 引言

鋼軌探傷車是專門為地鐵線路設計的一款工程機車[1]，自帶走行動力，用于對地鐵線路鋼軌的探傷檢測作業(yè)，最高運行速度80 km/h，能與其他工程車連掛運行，在連掛狀態(tài)下，最高運行速度90 km/h。

整車由牽引車（左）和探傷車（右）兩節(jié)車組成（整車局部二維俯視圖如圖1所示），走行牽引系統(tǒng)位于牽引車上，配備某知名品牌動力單元（集成發(fā)動機及液力變速箱），具備無極調速和自動換擋功能。

先進的自動換擋控制系統(tǒng)，使機車無論在啟動、低速還是高速運行情況下，傳動效率都在高效工作區(qū)。

為適應高濕度的自然環(huán)境及特殊線路條件，保證牽引走行控制的準確性、可靠性及安全性，電氣控制系統(tǒng)元器件的正確、合理選型非常重要。

本方案使用PLC控制系統(tǒng)，以減少接線邏輯，PLC元件性能穩(wěn)定，應用簡單，抗干擾能力強，從根本上解決了普通連接中常見的故障問題，為后期維護提供了方便，同時程序較易改變，可極快地實現(xiàn)作業(yè)過程中的設置更改，經過調試后可長期安全可靠運行，提高生產效率。

1" " 動力牽引控制方案

1.1" " 控制系統(tǒng)功能及硬件構成

動力牽引系統(tǒng)主要是為地鐵探傷車高速走行及其他輔助系統(tǒng)提供動力源，動力牽引系統(tǒng)設備主要包括發(fā)動機、液力傳動箱、傳動軸等，發(fā)動機將動力輸入液力變速箱，再經過傳動軸輸入車軸齒輪箱，實現(xiàn)高速走行。動力牽引控制就是使用PLC控制實現(xiàn)動力系統(tǒng)設備的啟停、變速、方向轉換、走行功能等，并進行實時監(jiān)控及報警[2]。

地鐵探傷車動力系統(tǒng)的電氣控制采用功能強大的PLC網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，網(wǎng)絡組成如圖2所示，可有效保障通信的實時性、可靠性和穩(wěn)定性。該系統(tǒng)主要由1個PLC主站點、1個PLC從站點、2臺上位計算機、1個發(fā)動機ECU控制器、1個液力變速箱擋位控制接口組成，其中主站位于前司機室的操作臺內，從站位于后司機室操作臺內，擋位控制接口集成在變速箱上，發(fā)動機ECU位于發(fā)動機上，前、后司機室各有1臺墨菲表用于監(jiān)控顯示ECU狀態(tài)。

為確保控制系統(tǒng)的安全性，采取以下措施：1）發(fā)動機啟停，設置應急模式，當網(wǎng)絡系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，使用純硬線電路控制發(fā)動機啟停；2）發(fā)動機監(jiān)測，對發(fā)動機進氣溫度、水溫、水箱液位等進行監(jiān)控，超過預設值報警或卸載，從而有效保護發(fā)動機運行安全；3）液力變速箱，當變速箱網(wǎng)絡通信故障時，可通過應急控制功能激活應急控制，變速箱可進入設置的擋位走行，當出現(xiàn)油溫偏高、壓力偏低或發(fā)動機轉速過高情況下改變方向等現(xiàn)象時，變速箱將進行報警，并在觸摸屏上顯示相應故障信息；4）牽引控制，采集到緊急制動信號或制動壓力大于設定值時，切斷走行動力，車輛速度大于設定值時，切除高速走行動力。除了PLC系統(tǒng)的安全設計，另外設計一套獨立的急停安全系統(tǒng)，在車上操作臺及車下方便明顯的地方布置多個急停按鈕，急停按鈕拍下可迅速切斷發(fā)動機電源，實現(xiàn)急停。

1.2" " 硬件布置

PLC控制系統(tǒng)：PLC主站（包括1臺CPU控制器，多個遠程I/O子站）、診斷和調試PC接口、Ethernet交換機、遠程模塊組成的遠程診斷及維護子系統(tǒng)，安裝于操作臺下方。

人機界面：即觸摸屏，安裝于兩端操作臺上，除完成部分輸入控制功能外，主要用于顯示各傳感器數(shù)據(jù)，如油溫、油壓、水溫、轉速、油耗、擋位等。

通信網(wǎng)線：主要用于人機界面觸摸屏與PLC、各種執(zhí)行元件之間的信號傳輸。

PLC通過安裝在主站上的CAN通信模塊與發(fā)動機控制器ECU進行數(shù)據(jù)交互，以實現(xiàn)走行控制等相關功能。

1.3" " 軟件實現(xiàn)

1）觸摸屏編程軟件采用功能強大的WinCC組態(tài)軟件[3]，為分類顯示各種動力數(shù)據(jù)，分別規(guī)劃了走行參數(shù)、整車參數(shù)、手動油門操作、參數(shù)設置、實時報警、調試等頁面，可根據(jù)需求切換相應頁面進行查看及參數(shù)設置。當監(jiān)控數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，將觸發(fā)系統(tǒng)報警，產生蜂鳴提醒，可先通過設置的報警消除按鈕消除報警音，再進入報警頁面查看報警信息。探傷車的部分組態(tài)頁面如圖3所示。

2）PLC編程采用TIA Protal軟件，動力系統(tǒng)發(fā)動機的控制原理如圖4所示，控制走行邏輯為：自動換擋功能，通過發(fā)動機油門調速實現(xiàn)機車加速與減速，并通過機車輪邊速度值自動判斷換擋點。選擇高速走行模式，通過油門控制手柄和換擋離合器配合使用，達到控制探傷車高速行走的目的；選擇作業(yè)模式，打開恒速功能，此時變速箱在固定擋位，車輛控制器調節(jié)機車油門，可以實現(xiàn)探傷車在平直段和上坡以恒定速度行駛，并進行探傷作業(yè)；必要時可選擇應急走行模式，控制車輛以設定擋速度移動。

1.4" " 故障診斷及應急處理系統(tǒng)

動力牽引系統(tǒng)是鋼軌探傷車的重要組成部分，用于傳遞走行動力及其他系統(tǒng)的輔助動力，確保車輛整車行駛。然而，由于各種原因，車輛動力牽引系統(tǒng)可能會出現(xiàn)故障，導致車輛無法正常行駛，本動力牽引系統(tǒng)故障處理方案，旨在提高車輛運行的可靠性和安全性。

鋼軌探傷車的動力包具備自診斷功能，用于及時檢測并診斷動力牽引系統(tǒng)故障，通過與PLC通信，實現(xiàn)實時顯示和報警。故障診斷系統(tǒng)可以通過傳感器檢測各個關鍵組件的工作狀態(tài)，如通過檢測發(fā)動機水溫、油溫、轉速、變速傳動比等關鍵參數(shù)的變化來判斷是否存在故障。故障診斷配備報警系統(tǒng)，報警系統(tǒng)可以通過觸摸屏顯示故障指示代碼，并發(fā)出聲音警報，以引起注意，通過報警系統(tǒng)錯誤代碼顯示功能，能夠更直觀地展示故障的具體信息。車輛動力牽引系統(tǒng)故障一般可以分為機械故障、電氣故障和控制故障三種類型，機械故障包括傳動軸斷裂、離合器損壞等，電氣故障包括電機故障、電纜線路故障、傳感器接插處松動等，控制故障包括傳感器故障、控制器故障、通信故障等。本文主要針對電氣故障、控制故障的處理進行分析。

電氣故障需要檢查電機狀態(tài)并進行維修和更換，電纜損壞的需修復和更換電纜，傳感器插頭松動、滑絲的需及時進行更換。

控制故障如原因為硬件設備故障可以及時維修或更換硬件，如硬件完好，只是網(wǎng)絡故障造成通信故障，使PLC無法正?？刂疲梢詥討笨刂葡到y(tǒng)。本鋼軌探傷車應急控制系統(tǒng)是專門針對發(fā)動機變速箱CAN通信故障而設計，網(wǎng)絡中斷后，車輛無法行走，可以通過按鈕開關激活變速箱的應急控制功能，使變速箱進入設定的應急擋位，將車輛緊急移動到維修區(qū)等安全地帶。

該應急控制采用純硬線電路應急走行方案，方案啟動邏輯為：網(wǎng)絡故障條件下依次打開總電源鑰匙開關、應急模式開關、發(fā)動機電源開關；手動關閉兩節(jié)車的“安全制動截止閥”；踩下“電喇叭”腳踏開關；按下“發(fā)動機 啟”按鈕并手動啟動空壓機；打開“應急擋位” “應急方向”開關；駐車制動緩解、緩閘；操作“應急調速”旋鈕，通過調節(jié)“應急調速”旋鈕來控制發(fā)動機在應急模式下的轉速。應急模式的操作按鈕布置及操作順序如圖5所示。

2" " 運用情況

該動力牽引控制方案用于某鋼軌探傷車動力系統(tǒng)的控制，取得了預期效果。通過運用實踐可知，PLC控制動力單元啟停、調速，存儲、通信，發(fā)動機實時狀態(tài)參數(shù)顯示、故障信息提示報警等均符合用戶需求。整個牽引系統(tǒng)控制運用效果證明該控制策略簡單有效、可靠穩(wěn)定，具有較高的性價比。

3" " 結束語

鋼軌探傷車的動力系統(tǒng)在鐵路檢測中用于為探傷車提供必要的動力支持，其穩(wěn)定性對于行車安全具有非常重要的意義?；赑LC的電氣控制可以實時監(jiān)控和調整動力系統(tǒng)的工作狀態(tài)，增強系統(tǒng)的可靠性和安全性，減少故障風險，從而保障探傷車的連續(xù)作業(yè)能力。電氣控制采用PLC網(wǎng)絡和硬線控制兩套控制策略，保障了網(wǎng)絡故障條件下的行車能力，為今后其他類似車輛動力系統(tǒng)電氣控制的設計提供了一個很好的解決方案。

[參考文獻]

[1] 徐其瑞，石永生，許貴陽，等.GTC-80型鋼軌探傷車及其運用[J].中國鐵路，2013（11）：55-58.

[2] 孟剛剛.新型鋼軌探傷車電氣系統(tǒng)的研制[D].蘭州：蘭州交通大學，2018.

[3] 劉長青.S7-1500 PLC項目設計與實踐[M].北京：機械工業(yè)出版社，2016.

收稿日期：2024-12-09

作者簡介：周彥容（1984—），女，湖北人，工程師，研究方向：電氣控制系統(tǒng)設計。