基于PLC多組輪對空轉試驗系統的設計*

顧建凱

(蘭州交通大學機電工程學院，甘肅蘭州 730070)

1 引言

根據國家相關標準規定，鐵路列車回庫后要對輪對及對應的驅動電機進行例行試驗、研究性試驗。國內的輪對空轉試驗系統大多是對單組電機以及輪對的測試試驗。筆者介紹的輪對空轉試驗系統通過上位機監控多臺基于PLC的輪對空轉試驗設備，可進行多個電機以及對應輪對的檢測試驗。PLC實時自動地記錄電機在各頻率的轉速和關鍵部件的溫度，且將數據及時傳送給上位機進行數據匯總編輯。

2 控制系統構成

2.1 控制系統簡述

本輪對空轉試驗系統基本控制要求:①可以實時精確地顯示牽引電機在各個檢測頻率段的運轉性能;②可以準確無誤地對電機兩端的軸承溫度、輪對兩個軸箱溫度實時顯示;③對電機缺相，過流過壓提供報警保護。

本系統設計采用集中管理分布控制模式，根據控制系統的故障導向(作業過程中設備出現故障或者作業方式錯誤，則在設備故障沒被修復前整個作業過程不能繼續進行)安全設計思想進行系統設計，依據本文提出的基本控制要求對傳統空轉電機試驗系統改進和設計，使得整個控制系統更加的自動化、精確化和合理化。主要操作流程如圖1所示。

圖1 系統作業流程圖

2.2 系統硬件結構

硬件主要有工業控制計算機、電源裝置、變頻器、PLC、通信中轉器、溫度傳感器、光電編碼器等部分組成，變頻器采用西門子公司的MM440變頻器，可控頻率是0～100 Hz，PLC選用西門子S7-226 CN，它具有較強的數據處理和實時控制能力。

該系統通過通信中轉將多個S7-200CN與上位監控主機以自由口通信方式連接［2］，每個 S7-200CN對應著一個待測牽引電機及輪對裝置，從而可以達到集中管理，分散控制的要求。檢測控制部分分為各個電源頻率下電機的轉速測量和電機兩端的軸承溫度、輪對兩個軸箱溫度測定。各個下位機將測得的信息及時的反饋給上位監控主機，再由上位機將信息生成對應的報表以供技術人員瀏覽，打印?？傮w原理圖如圖2所示。

圖2 控制系統原理圖

溫度測量采用Pt100溫度傳感器和四線制的溫度變送器將對應的溫度信號轉化為電壓信號，然后傳入EM235中，再通過PLC內部程序計算出對應的所測溫度值。電機的性能測定通過變頻器輸送不同的頻率給電機，并且通過光電編碼器和PLC測得在一段時間內的轉數，進而求得對應的轉速信息，最后通過與標準參數對照來判斷電機的性能是否優良。

3 系統控制軟件

根據現場的控制要求，下位機PLC控制程序采用模塊化結構，便于以后程序的修改、升級和擴展，使得程序通用性變強。輪對空轉試驗臺軟件結構主要包括:系統的網絡部分、4個測溫點和1個測速點的程度編譯、過壓過流缺相突發事故的報警和保護。

3.1 上位機與PLC通信實現

自由通信協議數據格式:1個起始位，8個數據位，1個停止位，即10位數據，或者再加一個奇偶校驗位組成11位數據。

3.2 系統測溫實現

系統測量的溫度具有4個測溫點，而一個EM235只有三個模擬量的輸入，所以在現場中PLC需要擴展2個EM235。具體實現原理:Pt100在0℃時電阻為100歐姆，隨著溫度的變化電阻呈線性變化，大約是每攝氏度0.4 Ω，為了產生5 mV/℃的電壓系數，需要提供12.5 mA電流。由于模擬量輸出精度為10 μA/數，為了得到12.5 mA輸出電流所需的輸出數必須為1 250。因為AQW數據向右移4位，因此輸出數必須乘以16，這樣，為了初始化模擬量輸出IO為12.5 mA電流，在AQW0中必須設置為2000輸出數。Pt100隨著12.5 mA恒電流的供給產生了與隨溫度變化的電壓，EM235把這個電壓轉換成數字量，程序周期性地讀這些數字量，并將所讀的這些數，利用下面的公式計算出所測溫度:

T|℃ |=(溫度數字量-0℃偏置量)/1℃數字量

溫度數字量=存貯在AIWx(x=0，2，4)中的值

0℃偏置量=在0℃測出的數字量

1℃數字量=溫度每升高1℃的數字量

依據用在EM235上的通道數，本程序用到的AI字相應的地址如表1所列。根據以上分析，可得測溫程序流程圖如圖4所示。

圖4 測速程序流程圖

表1 AI字相應的地址

圖3 測溫程序流程圖

3.3 系統測速實現

測定電動機的優良通過PLC與變頻器給電機提供不同頻率段的電壓，光電編碼器測出固定時間內電機所轉圈數，進而通過PLC程序算出在該固定時間和頻率段的電機轉速［3］。提供給電機的頻率為10～100 Hz不等，并且每過10 min變化一次。對光電編碼輸出脈沖數通過PLC的高速計數器測定，這里選用CPU226的HC1的運行模式2，在該模式下，I0.6為計數輸入口，I1.0為復位輸入口，I1.1為啟動輸入口，其中復位輸入在每個頻率段進入下一個頻率段時起作用，對所計的脈沖數進行清零以便下個頻率段的檢測計數［4］。而其中每個頻率段的固定時間通過PLC中的時基測定。測速的程序流程圖如圖5所示。

3.4 系統故障處理

系統缺相通過欠電流繼電器KA1、KA2、KA3串接入電動機缺相保護電路中，在電動機發生缺相運行時串接在缺相上的欠電流繼電器線圈斷電釋放，其常開接點KA1、KA2、KA3斷開，使接在接觸器KM的線圈自鎖線路斷開，接觸器KM釋放，電動機停轉。系統過壓，過流通過加上電壓，電流傳感器測得對應的實時電壓、電流與設定電壓、電流比較，如果超出即強行停止系統。

4 結論

本系統以集中管理、分布控制的模式，通過上位機分別控制下位機牽引電機的運行和停止。下位機將溫度信息，速度信息實時反饋給上位機記錄和整理。在電機出現缺相，過壓過流情況時系統給予及時報警處理。系統具有技術先進、功能完善、操作方便等特點，實現了輪對空轉試驗臺的信息化和自動化。

［1］ 熊田忠，孫承志，吉順平，等.基于S7-200PLC的某除濕機控制系統設計［J］.微計算機信息，2010(6):61-62.

［2］ 周 敏，李鳳婷，吳為民.基于VB的PC機與多臺PLC的通信研究［J］.計算機工程，2009(2):103-104.

［3］ 劉玉鳳，劉學軍.基于增量式光電編碼器的電機測速研究［J］.機械與電子，2010(7):45-47.

［4］ 張寶富，穆希輝，杜峰坡，等.基于光電編碼器和PLC的車輪轉角檢測顯示系統［J］.機械與電子，2009(3):62-63.

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