基于PLC 的工礦內燃機車控制系統

俞亞珍

(常州輕工職業技術學院 電氣工程系，江蘇 常州 213164)

1 選型及特點

1.1 選型

根據長期對工礦內燃機車的研制開發經驗，PLC(可編程控制器)已經成了機車電氣控制的核心。而用戶為了兼顧其他設備上使用可編程控制器的況，指定選用西門子公司的S7－300 PLC，參考S7－300 系列PLC 的工作原理、功能、價格以及電氣部分的接口條件后，確定選用西門子公司的S7－312C 緊湊型可編程控制器實現機車控制的各項功能，再輔以Easy View 的人機界面作為顯示終端。

1.2 特點

S7－312C 緊湊型可編程控制器，作為西門子新一代產品具有以下特點:

1)功能強:很強的計算性能，完善的指令集。

2)快速:指令處理極其快速，功能強大的CPU 只需0.3 ms 就可處理1 024 個二進制語句，在面向文字處理方面也同樣表現出色。

3)全集成:全部模塊化，通訊功能和分布式I/O 全部集成，各模塊能以各種不同方式組合在一起，所以可將控制系統設計成完全符合應用的需要。

2 系統結構組成和功能

系統配置如圖1 所示。

圖1 系統結構框圖

2.1 PLC 單元

S7－312C 為本系統主控制單元，它承擔數據采樣(柴油機轉速、機車速度、溫度、壓力等數據)、數據處理、報警、趨勢、數據記錄等工作。司機通過操作終端可以了解機車的運行狀態。

2.2 外圍單元

外圍單元包括數字輸入輸出模塊SM321，SM322，SM323 各一塊、8 路模擬量輸入模塊SM331 一塊、一軸定位模塊FM353 一塊、步進電機驅動器Q3FY44 一塊、溫度變送器NCT1 四只、壓力變送器NCP1A 三只以及一些按鈕、開關、繼電器、電磁閥等。

I/O 信號統計如表1。

表1 信號統計表

2.3 系統功能

a)控制柴油機的啟動和停止。

b)數據采樣功能:由SM331 模擬量輸入模塊采樣溫度和壓力信號，通過集成在S7－312C 上的兩路高速計數器分別采樣柴油機轉速和機車速度信號，經過程序換算成柴油機轉速值和機車速度值，并且累計機車運行里程和柴油機工作時間。

c)報警功能:當某一模擬量(如:溫度、壓力)測量值超出給定范圍或某一開關量(如:低水位開關)發生位變時，根據不同的需要發出不同等級的報警，如人機界面顯示報警信息、聲光報警、機車卸載等。

d)顯示功能:在人機界面屏面上實時顯示機車的各種運行參數(如柴油機轉速、機車速度、柴油機油溫、油壓、液力變扭箱油壓、油溫等)，通過選擇觸摸鍵還可以獲得有關操作機車的幫助信息。

e)安全功能:按不同的操作級別分級加密，可以實時修改參數(如報警范圍、柴油機啟動時限等)。

f)實現柴油機的無級調速:通過控制FM353 一軸定位模塊產生脈沖經步進電機驅動單元分頻后控制步進電機運轉，調節柴油機的油門，對柴油機進行調速。

3 系統的軟件設計

機車電氣控制系統軟件設計采用模塊化結構，這充分利用了STEP7 編程軟件的特點。功能模塊主要分為:柴油機起動子程序模塊、數據顯示子程序模塊、柴油機調速子程序模塊、手動/自動控制子程序模塊、報警子程序模塊等.

3.1 柴油機啟動子程序模塊

控制柴油機的啟動，按下啟動按鈕，A 則首先機油預供油泵開始工作，待機油壓力達到0.1 MPa 時，機油預供油泵停止工作，啟動電機開始運轉帶動柴油機啟動，B 待柴油機啟動完成正常運行后，運轉繼電器將柴油機啟動回路切斷，也可以防止柴油機在運轉時的二次啟動，并用程序控制柴油機一次啟動時間不超過8 s，控制流程如圖2 所示。

3.2 數據顯示子程序模塊

依此采樣模擬量輸入通道的4～20 mA 信號，通過比例關系運算后轉化成直接顯示的溫度值和壓力值。

圖2 柴油機超動控制流程圖

3.3 柴油機調速子程序模塊

通過調用FM353 定位模塊的專用指令實現脈沖的輸出，控制步進電機實現柴油機的無級調速，用上、下限開關保證柴油機的轉速在900～1 500 r/min 之間。

3.4 報警子程序模塊

采樣值和預先設定值比較后，產生報警信號，驅動聲光報警電路及故障保護執行元件進行卸載或停機。

3.5 手動/自動控制子程序模塊

在自動控制方式下，通過柴油機轉速值和機車速度值的比值計算，當這一比值達到某一設定值時，機車就自動進行換檔。在手動控制方式下，由機車司機使用操作臺上的轉換開關，實現機車的檔位控制。控制流程如圖3 所示。

圖3 手動/自動控制流程圖

3.6 人機界面

采用EASY VIEW MT506LV4 人機界面，安裝在機車的操縱臺上，通過通訊電纜與S7－312C 連接，實現信息和數據的交換。畫面采用EasyBuilder500 制作軟件，人機界面上顯示內容以及操作方式為:

1)共同畫面

每個畫面內有一個共同畫面，顯示當時的時間、日期。每個畫面在PLC 檢測出故障時，有滾動字符顯示。

2)集中畫面

比較集中的畫面為2 個，可以看到PLC 檢測的所有參數，即柴油機水溫、油壓、傳動箱油溫、油壓、機車里程、柴油機工作時間等。顯示如圖4 所示。

圖4 顯示示意圖

3)故障畫面

故障畫面顯示故障的后果和處理方法。機車一旦有故障發生，滾動文字出現，直接顯示故障，比指示燈更明確。司機可以按照畫面的提醒處理故障。

4)畫面保護

使用安全功能(畫面保護功能)對所要顯示的畫面進行保密，具體進入畫面的方法為選擇EASY VIEW MT506LV4 快捷鍵，手指觸摸“密碼輸入”，出現輸入密碼窗口，只要輸入正確的密碼就可使用EASY VIEW MT506LV4 人機界面的參數設定功能了。

4 結論

此工礦內燃機車已于交用戶投入正常使用，運行穩定、可靠，經過一段時間運行，沒出現故障，西門子S7－312C PLC 在JMY800 型液力傳動工礦內燃機車上的應用是非常成功的，同時人機界面方便了操作和數據更改，控制更為靈便。

［1］廖常初.S7－300/400PLC 應用教程［M］.北京:機械工業出版社，2012.

［2］西門子(中國)有限公司自動化與驅動集團.SIM 程序控制器系統手冊［M］.2004.

［3］張曉東，李秀娟，魯可.基于西門子PLC 的空分透平壓縮機控制系統［J］.機械設計與制造，2013，4:156-158.

［4］王新環，周飛，張宏偉.選煤廠取料機料耙液壓泵站控制系統設計［J］.工礦自動化，2013，9:108-111.