基于PLC的變頻牽引機車智能控制系統

孫志洪，王 騫，張立秀

(1.中鐵隧道裝備制造有限公司，鄭州 450003;2.武漢工業職業技術學院，武漢 430064)

0 引言

隨著變頻牽引機車越來越廣泛地應用于地鐵隧道的工程施工［1］，其控制系統正不斷地得到發展和完善［2］。大多數機車的控制系統基本上都可以通過對變頻器的多段速控制來滿足用戶的使用需求［3］。但是，目前多數機車都采用單片機組成的控制系統［4］，通過自行加工的電路板實現系統的控制，由若干數碼顯示表顯示運行參數［5－6］。整個系統不但運行速度慢、功能單一、操作界面信息量小，而且系統的穩定性、可維護性、可擴展性較差，使用過程中出現故障時，在問題的排查、維修等方面都存在一定的弊端。

本系統采用PLC作為控制系統的核心，以觸摸屏作為人機界面，不但擴展了機車智能控制等各方面的功能，而且使操作界面更加方便、豐富和美觀，系統的可擴展、可維護等性能得到顯著改善。

1 控制系統構成與通訊

機車控制系統主要由Siemens S7－200 224XP PLC、TP177Micro觸摸屏、MD380變頻器3部分組成，見圖1。

圖1 機車控制系統構成示意圖Fig.1 Structure of locomotives control system

Siemens S7－200 224XP PLC配置了2個串行通訊口。其中Port 1口為PPI通訊口，用于PLC與TP177Micro觸摸屏通訊，并在設備調試時用于PLC程序的下載及監控［7］;Port 0口為Modbus自由口，此口連接于MD380變頻器的Modbus通訊卡，通過編寫PLC程序采用Modbus RTU協議與這些設備進行總線通訊［8］。

PLC通過Modbus通訊實現與變頻器的數據交換，將變頻器的運行頻率、電流及母線電壓等參數讀入PLC，并將扭矩限幅、頻率限制等控制參數傳入變頻器，從而實現PLC對變頻器的監視與控制。同時，PLC通過通訊將變頻器的工作狀態和故障信息采集處理后傳送至觸摸屏。

機車氣路剎車系統由變頻器、空氣壓縮機、儲氣罐、壓力繼電器、氣路和剎車氣缸等部件組成。空氣壓縮機由7.5 kW變頻器在壓力檢測繼電器信號的控制下間歇性工作，空氣壓縮機變頻器參數設置為端子控制啟停50 Hz恒頻率運行模式。壓力繼電器通過給變頻器端子啟動信號，控制氣罐空氣壓力保持在設定范圍內。與傳統機車剎車系統不同，氣路剎車控制閥改進為繼動閥，當踩下制動踏板時，制動閥的輸出氣壓作為繼動閥的控制壓力輸入，在控制壓力作用下將進氣閥推開，于是壓縮空氣便由儲氣罐直接通過進氣口進入制動缸，而不用流經制動閥。這大大縮短了制動罐的充氣管路，加速了剎車過程。

操作臺控制的檔位、按鈕等信號也接入PLC的數字量輸入通道，剎車力檢測傳感器等信號接入PLC的模擬量輸入通道。PLC通過Modbus通訊實現對變頻器的狀態監測，通過數字量輸出以多段速的控制方式實現對變頻器的運行控制。同時，PLC采用西門子專用的PPI通訊與TP177Micro人機界面進行數據交換，將豐富、直觀的操作界面呈現給司機［9］。機車操作面板如圖2所示。

圖2 操作面板Fig.2 Operation panel

操作臺除了常用的控制按鈕和檔位操作手柄以外，將報警指示燈和人機觸摸屏的界面傾斜布置，以滿足操作人員的舒適度需求，使操作司機的視線更加開闊。將觸摸屏應用于機車控制系統大大豐富了司機操作界面的信息量。觸摸屏人機界面如圖3所示。

圖3 觸摸屏監控頁面Fig.3 Monitoring of touch screen

觸摸屏可以實現實時顯示機車的運行方向(前進或后退)、行駛速度、當前檔位、驅動電流、電壓、扭矩、剎車力和電瓶剩余電量等狀態信息和機車運行故障信息，尤其是觸摸屏與PLC的結合實現了強大的報警提示功能。PLC、變頻器和其他重要部件的檢測參數與狀態信息都被列為報警系統監視的條目，系統各狀態與參數出現異常時報警界面將自動彈出，并及時顯示故障的具體內容與排除問題的建議，不僅對司機的操作起到了很好的提示作用，而且使維修人員對設備故障的判斷更加方便。

2 變頻驅動系統

變頻驅動采用1臺變頻器帶動2臺相同型號和規格參數的電機。為了實現低速大扭矩的起動要求，控制模式在自整定后修改為“無傳感器矢量控制”方式，起動扭矩得到顯著提升［10］。

通常變頻器的控制主要有3種形式，即面板操作、端子控制及通訊控制。面板控制通常用于變頻器的初始調試與維修，端子控制及通訊控制通常用于外部控制。由于Modbus串口通訊控制在速度上要略慢于端子控制，變頻器輸入端子通道的數量有限，而通訊控制則基本上不受硬件資源的限制。綜合考慮2方面的有利因素，本系統在控制方式上將2者相結合，重要控制功能由端子控制來實現，輔之以通訊控制，即:機車行駛的5個檔位速度設置于變頻器多段速參數中，采用變頻器的3個DI端子實現多段速控制，另外2個DI為啟停和正反轉控制信號。同時，根據智能控制的需要，機車控制系統在過載等特殊情況下需要暫時自動減速，如果強制降低速度檔位，不但引起速度的突變，而且造成司機對機車可控性的誤解;因此，本系統采用通過通訊方式修改變頻器的上限頻率參數，從而實現了機車速度的平穩過渡。此外，PLC與變頻器的Modbus通訊實現了電流限幅、力矩限幅、減速時間等控制參數的修改，以及變頻器運行狀態的動態數據采集。由于變頻器傳送至PLC的信息和數據量較大，變頻器僅有的一路DO端子輸出不能滿足要求，故所有數據都通過串口通訊傳送至PLC。

3 智能控制功能

1)報警功能。當機車出現故障需要報警提示時，系統將啟動報警功能，面板報警燈閃爍并發出間斷的報警聲音，同時顯示屏將自動切換到報警頁面，報警信息欄顯示觸發報警的原因。

2)防暈睡功能。為了防止司機麻弊大意，設置防暈睡功能。當機車處于某一行駛檔位正常行駛時，如果司機在30 s內不進行換檔等操作，在控制屏上執行1次“叫醒”操作;如果超過5min而沒有任何換檔或上位機叫醒操作時，即觸發防暈睡功能。防暈睡功能啟動后，報警系統運行，同時機車將不受檔位控制按照設定的曲線自動減速直至停車。

3)過載保護功能。當電機工作電流超過PLC設定值持續超過3 s后，即觸發過載保護功能，報警功能啟動提醒司機注意并降低檔位;如果持續10 s電流仍維持在設定值以上，則PLC將控制變頻器的輸出頻率從當前運行頻率以2 Hz/s的速度降低，直到輸出電流恢復到門限值以下;當過流故障消除后，系統自動恢復到操作手柄設定的檔位運行。

4)緊急停車。當機車處于行車狀態出現各種緊急情況時，司機按下緊急停車按鈕，此時PLC將停止檔位輸出，并且通過通訊方式將PLC減速時間自動修改至系統可能承受的最低值，變頻器控制電機以最短的時間停車，從而實現電機對機車的制動功能。電機再生制動的電能經變頻器的直流母線反饋給機車電瓶充電，同時，剎車電磁閥失電剎車，機車在電制動與氣路剎車制動雙重作用下減速制動，從而保證機車以最短的時間停車，同時啟動系統報警功能。

4 應用效果

基于PLC控制的變頻牽引機車已經成功應用于西安地鐵施工中。經過半年以來的實踐證明，與其他機車相比較，通過矢量控制參數的調整，機車在低速帶載啟動，尤其在坡道起步工況下，輸出扭矩明顯增大;PLC智能控制與安全保障功能應用效果良好，剎車系統反應更加敏捷、有力，提高了機車行車的安全性;人機界面更加直觀、豐富，操作司機對機車各系統工作狀態信息的獲取更加方便，整體使用效果良好。

5 結論與討論

將PLC和觸摸屏引入變頻牽引機車的控制系統不僅在人機界面、使用功能、安全可靠性等方面有了很大改善，并且系統的穩定性及機車使用功能的擴展、系統的維修與調試也更加方便。為將來實現機車遙控操作、安全定位操作等綜合操作功能提供有利條件，這對將來新一代更加智能、高效、安全及人性化的隧道施工機械的開發和研究具有一定的參考與借鑒意義。

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［8］ 劉恩博.組態軟件數據采集與串口通信測控應用實戰［M］.北京:人民郵電出版社，2010.

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［10］ 馬小亮.高性能變頻調速及其典型控制系統［J］.電氣傳動，2010(12):9.