S7－300在多組移動式架車機控制系統中的應用

黃 喆

（中鐵工程設計院有限公司軌道交通分院，北京 100038）

1 課題的提出

多組移動式架車機是目前我國城市軌道交通系統各個車輛段中為檢修電客車和工程車托起除轉向架外的車體及以上部分到一定的高度，便于將車體底部的行走總成部分解體和更換的必不可少的專用檢修設備，多組移動式架車機是以4臺為一組，多組成套使用的設備。

一般電客車和工程車車體常重達幾十噸甚至上百噸，架車作業升程多在1.4～2 m之間，同時架車點距地面最高可達2.2 m。架車作業過程中，由于每臺架車機電機的電氣性能不可能完全一致，電客車車體重量分布也不可能絕對平衡，因此，各臺架車機的運行速度有快有慢，造成在架升過程中各個架車機的升降高度不可能完全一致，電客車車體有可能產生破壞性的車體變形，甚至當高度差達到一定值時，車體就有傾覆的危險。因此，在保障作業中各個架車機的同步運行就成為一個非常重要的安全問題。

老式架車機多為單組4臺架車機同步升降，其控制系統在硬件方面多沿用單片機作為主要控制器構成控制系統，這樣的控制系統雖然造價低，但存在開發周期長，穩定性和可靠性差，工程師和工人現場維護不方便，可替換性差的缺點，容易造成誤動作等現象，嚴重時有可能導致由于設備失靈而產生的設備、車輛及人員安全方面的重大事故；雖然也有用PLC作為主控器的，但對于老式架車機其系統要求較低，只需控制4臺架車機的同步升降，控制精度要求較低，系統響應時間較長，操作不靈活等問題。

2 工藝要求及參數設置

2.1 工藝要求

中華人民共和國鐵道部 2000年 10月 24日頒發了 TB/T 1686－2000行業標準。標準中第3.8.2條中規定：為保證每組架車機安全作業，應同時配置架車機同步控制裝置，該裝置應具有運行高度顯示、超差自動調整、超限自動停機報警等功能。標準中第4.2.3.2條中規定：同步試驗應成組進行，試驗內容包括高度顯示功能正確，當4臺架車機中任意兩點高程差達8 mm時，系統自動調整；當任意兩點高程差大12 mm時，系統自動停機并鎖定，同時報警。

2.2 參數設置

2.2.1 已知參數

鼠籠型三相異步電機：額定轉速Ne＝1 440 rpm，傳動比約為n＝83.3，升程h＝12 mm/r，額定功率Pe＝4 kW，額定電流Ie＝9.6 A。

單臺架車機：額定負載Te＝16 t，最大負載T max＝Te×1.1＝17.6，最高升程Hmax＝1 600 mm。

2.2.2 計算參數

（1）每秒鐘減速機輸出轉速N j＝Ne÷n÷60≈0.2881 r/s，每秒鐘升程Hs＝N j×H≈3.45 mm/s，最高升程所需時間T＝H÷Hs≈463.76＝7.7 min。8 mm 高差所需時間 t＝8÷Hs≈2.319＝2 319 ms。

（2）電機編碼器每轉所對應時間Tr＝60÷Ne≈0.0417 s，一個脈沖周期為Tp＝Tr÷100≈0.42 ms。

（3）PLC最大系統掃描周期50 ms，一個掃描周期架車機高程為：0.05×Hs≈0.13 mm。

（4）單組4臺高差大于3 mm時開始調整，小于1 mm時停止調整；相鄰兩組高差大于4 mm時開始調整，小于2 mm時停止調整；相鄰三組高差大于5 mm時開始調整，小于3 mm時停止調整；相鄰四組高差大于6 mm時開始調整，小于3 mm時停止調整；相鄰五組高差大于7 mm時開始調整，小于3 mm時停止調整；相鄰六組高差大于8 mm時開始調整，小于3 mm時停止調整。

在上述參數中通過計算發現，PLC系統在一個掃描周期內架車機的高程約為0.13 mm，遠遠小于架車機的調整高度范圍（3～8 mm）。所以，控制系統的響應時間完全可以滿足對架車機的控制精度要求。

3 系統硬件構成

多組架車機同步控制，其根本目的是控制架車作業的各臺架車機同步運行，使各臺架車機基本處于同一水平面內，讓車體可以平穩的升降，保障作業的安全可靠。

同步控制系統主要有檢測電機轉數的編碼器，完成同步控制和數據采集的S7－300系列PLC，用來顯示各個架車機高程、高差、故障信息的TA177A觸摸屏等構成。系統配置框架圖見圖1。

由斷路器、接觸器、熱繼等電器元件完成架車機升降動作、安全互鎖、過載保護、缺相保護等功能。

3.1 編碼器

此系統中，架車機托架的上升、下降直線運動是由斜齒輪減速機的旋轉運動轉換而成；因此，我們通過編碼器檢測減速機電機的轉動角度位移，并通過PLC將此角度位移轉換成架車機托架的直線位移。

3.2 S7－300系列PLC編程控制器（CPU 315－2DP）

在本套多組移動式架車機同步控制系統中，選用的是西門子S7－300系列PLC，由于其擁有較強大的運算能力，優異的模塊擴展性，較短的系統響應時間，緊湊的設計及強大的指令集，同時其支持多種程勛編輯語言（語句表STL、梯形圖LAD、功能塊圖FBD）并可互相轉，使得此系列PLC幾乎完美地滿足了中等規模的控制要求，此外，其豐富的CPU模塊和數據采集模塊使其在解決用戶的工業自動化問題時，具有很強的適應性。

最重要的是這個系列的PLC已經大量地應用在各行各業的自動化控制系統中，經歷了長時間的實際應用的考驗，具有優異的可靠性、易于維修維護性、對使用環境的要求較低、抗干擾能力強等優點。

在本系統中，S7－300通過數字量輸入模塊和高速計數模塊采集各個傳感器及操作按鈕的信號，通過CPU模塊進行邏輯運算，并將高程、高差、故障信息等傳遞給TP177A觸摸屏顯示器上。

圖1 系統配置框架圖

3.3 ET－200遠程IO模塊

ET－200遠程IO模塊是西門子推出的針對PLC實現遠距離現場數據實時采集的模塊。

由于傳統移動式架車機只控制一組4臺位架車機，將所有控制系統元器件均放置在操作臺中，而且設備總功率相對較小，所以操作臺重量和體積都相對較小，可以方便的在車間內小范圍移動，但是多組架車機由于控制系統較大，架車機數量多，致使設備總功率相對較大，如果仍將所有控制系統元器件全部放置到控制臺中會導致控制臺體積和重量過大，這樣仍沿用老式架車機控制臺設計方案，則無法滿足現場的實際需要，故選用ET－200遠程IO模塊，將除了ET－200和TP177A觸摸屏之外所有的控制系統元器件均放置到一個固定電氣柜中，操作臺中只安裝ET－200遠程IO模塊、TP177A觸摸屏、必要的操作按鈕和指示燈，并通過DP－BUS總線與S7－300PLC系統進行數據交換，這樣有效地減小了操作臺的體積和重量，可以允許操作人員在車間內小范圍的移動操作臺，便于使用。

3.4 TP177A觸摸屏和信息顯示界面

TP177A是所有西門子PLC系統的文本顯示和操作界面問題的最佳解決方法。它具有以下特點：①電纜連接簡單多樣，其支持DP－BUS和MPI兩種總線形式，可以方便的與PLC系統進行連接；②背光LCD顯示（即使在逆光的條件下也易看清其上顯示的信息）；③提供多種語言形式的菜單和提示，提供多種字符集；④相對于其他型號觸摸屏具有較低廉的價格。其主要用來實現以下功能：①顯示各個架車機的高程；②顯示故障信息；③為操作機維修人員迅速的排除故障提供信息支持。

4 系統工作原理和軟件設計

4.1 工作原理

此系統采用S7－300的8通道高速計數模塊FM350－2來采集編碼器上的高速脈沖值，作為架車機運行高度的數據依據。同時考慮各個支撐點的實際起始架升高度不可能完全一樣，所以同步運行中比較的是相對高程（架車機起始架升點高度與實際運行高度之間的差）。

架車機同步控制的實質是各臺架車機之間的相對高程差與系統允許高差之間的比較。當任意兩臺或者兩組架車機之間的高程差大于系統允許高差時所有各臺架車機停機鎖定并報警，直到人工調整相對高差到系統允許范圍之內。

架車機是一種安全性要求較高的設備，傳感器的精度和工作穩定性是保證架車機正常工作的重要因素。因此，編碼器一個脈沖周期對應的直線位移約為0.001 5 mm。PLC程序中對各個電器元件及可能發生的故障，如短路、斷路、過載等進行了實時檢測。

4.2 軟件實現

系統軟件采用西門子的STEP7－V5.4和WINCC flexible進行編寫。系統軟件主要由3個系統塊（OB1，BO35，BO100）、多個功能塊（FB，FC）和數據塊（DB）等組成，系統塊主要用來初始化系統和調用各個功能塊，各個功能塊主要用來完成數據采集和執行命令的輸出。

5 同步控制系統方案

多組架車機控制系統的核心要求就是同步控制。

5.1 同步起始架車點的確定

同步運行中首先確定的是同步起升點，同步起升點是各個架車機完全接觸車體時的車體自然高度。同步起升點在一個架升作業周期中只能確定一次。

自動同步運行模式是以架車機托頭上的接近開關檢測到的開關量為依據，在托頭完全可靠的與車體接觸后，托頭上的接近開關接通，通過CPU單元進行邏輯運算之后，各臺架車機進入同步運行狀態中，等待下一步運行指令。

架車機運行高度與同步起升點高度之差作為相對高程，在此基礎上，當架車機組中任意兩點相對高差超過系統高程差允許范圍后，系統根據架車機的實際運行狀態（上升或下降）自動調整，直至任意兩臺架車機的高程差小于系統允許高程差之后停止自動調整，設備恢復到自由運行狀態，當高程差超過系統允許的最大值之后，所有架車機停機鎖死，同時系統報出故障點和故障參考信息，直至故障排除為止。

5.2 保證高程測量精度的措施

5.2.1 高度計數器的應用

從參數計算中可知，電機編碼器一個脈沖周期為0.42 ms，它遠小于CPU的最大系統掃描周期（50 ms），因此，系統采用FM350－2八通道高速計數模塊來采集編碼器輸出的碼數，并將數據傳輸給CPU模塊作為計算架車機升降高度的依據，并將數值傳送到程序數據塊（DB塊）中保存。

5.2.2 脈沖捕捉功能的設置

架車機同步運行功能能否實現，從根本上取決于編碼器傳輸給PLC的高速脈沖個數準確與否。為保證編碼器傳送的高速脈沖在允許的誤差范圍內，我們利用編碼器的零位脈沖信號對其作周期性檢測。

為防止靈位脈沖丟失，我們對零位脈沖數字量輸入采用了脈沖捕捉功能。FM350－2八通道高速計數模塊具有的脈沖捕捉功能允許PLC捕捉到連續時間很短的高電平脈沖或低電平脈沖，當一個數字量輸入設置程脈沖捕捉時，輸入端的狀態變化被鎖存并一直保持到下一個CPU系統掃描循環刷新。用這種方法，一個持續時間很短的脈沖信號被捕捉到，并保持到CPU模塊讀取該輸入信號，確保信號不丟失。采用此功能確保了PLC丟失高速脈沖的可能性。

5.3 TP177A觸摸屏

在此系統中，TP177A觸摸屏用于顯示各臺架車機的實時架升高度和操作幫助，以及一旦發生故障時會顯示詳細的故障點信息和相關的參考故障排除方法。

5.4 程序結構優化

各個系統塊（OB塊）中根據輸入的執行命令，可以自動的選擇需要調用的子程序塊（各個功能塊），在某個運行時間點中不需要的使用的子程序則不會調用，這樣大大節省了系統資源，有效的縮短了系統掃描周期，提高了程序的可靠性和穩定性。

6 結束語

經過反復的試驗、調試以及近兩年的現場實際使用，證明了此多組移動式架車機同步控制系統的安全性、可靠性和技術的先進性。通過實踐驗證了控制系統具有操作簡單、維護方便、人機界面直觀實用等優秀品質，設計符合 TB/T1686－2000標準，現已在全國各個地鐵車輛段中推廣使用。

［1］劉鍇.深入淺出西門子S7－300PLC［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2004.

［2］深入淺出西門子WINCC flexible 2008.

［3］伯杰.西門子S7－300/400PLC編程語句表和結構化控制語言描述［M］.北京：人民郵電出版社，2008.

［4］中華人民共和國鐵道部標準（TB/T 1686－2000）.