基于HXD3C電力機車受電弓升、降控制電路的觸摸屏仿真

羅旭，田國蘭

（四川鐵道職業(yè)學(xué)院，四川 成都 611732）

1 前言

“電力機車受電弓電路”既是高職院校動車組檢修和鐵道機車車輛類等專業(yè)的重要的核心技能之一，同時，也是一門實踐性很強的項目，又是鐵路現(xiàn)場動車組司機和電力機車檢修工必備的核心技能，該項目融入了機械、通信、自動控制和計算機等專業(yè)知識。現(xiàn)階段，我國動車組數(shù)量的不斷增加，并隨著我國經(jīng)濟發(fā)展、鐵路里程的覆蓋不斷增加，現(xiàn)場對電力機車受電弓電路的掌握和理解，提出了更高要求。為了更好地適應(yīng)現(xiàn)場電力機車受電弓電路檢修和應(yīng)急處理的需要，對受電弓技術(shù)人才的需求，各站段和學(xué)校均購置了電力機車受電弓教學(xué)實訓(xùn)平臺，但由于受電弓教學(xué)實訓(xùn)平臺機械彈力大，學(xué)員在未學(xué)習(xí)好電力機車受電弓電路的情況下操作實訓(xùn)平臺容易造成設(shè)備和人身傷害。在新仿真實訓(xùn)方式未提出前，大部分的電力機車受電弓電路項目教學(xué)都是以教師為中心，學(xué)員、職工為輔，重理論課堂教學(xué)，而輕實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。這樣的理論教學(xué)模式，培養(yǎng)出來的學(xué)員、職工受電弓電路理論基礎(chǔ)知識扎實，但操作受電弓設(shè)備困難，對氣路機械電路、甚至不會操作，實踐操作能力差，不適應(yīng)鐵路現(xiàn)代化領(lǐng)域企業(yè)崗位的用人需求。

這樣的教學(xué)模式的實施過程中存在三個問題：

（1）受電弓設(shè)備硬件更新慢。受電弓設(shè)備是每個電力機車均要用到的必要設(shè)備裝置，更新?lián)Q代速度快，往往一個站段有多種受電弓設(shè)備。市場上受電弓設(shè)備的價格不菲，學(xué)校和站段無力購買多種電力機車教學(xué)的實踐教學(xué)設(shè)備，往往購置一種受電弓實踐教學(xué)的設(shè)備只要還可以使用，就年復(fù)一年的使用。學(xué)校或職工教育用于教學(xué)的受電弓實踐教學(xué)設(shè)備與鐵路生產(chǎn)現(xiàn)場領(lǐng)域使用的受電弓設(shè)備嚴重脫節(jié)。

（2）學(xué)員多，設(shè)備少，學(xué)員的動手實踐機會少。隨著我國動車組及電力機車的改造升級及鐵路領(lǐng)域的發(fā)展，現(xiàn)場設(shè)備的老化、線路里程的增加，掌握受電弓設(shè)備技能的人才需求增加，對受電弓檢修人員及隨車機械師、駕駛員應(yīng)急處理和檢修技能要求進一步提高。但學(xué)校和職工培訓(xùn)用于受電弓實踐教學(xué)的設(shè)備并未得到快速的補充，致使相關(guān)專業(yè)學(xué)員、職工動手實踐的機會少。

（3）教學(xué)操作的模式單一。不僅理論教學(xué)模式單一，實踐教學(xué)模式也單一。

目前受電弓項目的實訓(xùn)課堂教學(xué)模式是：學(xué)員、職工基本上都是在實訓(xùn)操作平臺上完成，學(xué)員、職工用電路和氣路把受電弓設(shè)備的電路和氣路接到固定電源、風(fēng)源設(shè)備，但由于實訓(xùn)設(shè)備的缺乏，及實訓(xùn)的安全因素考慮，受電弓硬件控制的設(shè)備大部分用同一電源保護電路和風(fēng)源，學(xué)員、職工操作過程不能直觀看到受電弓電源電路和氣路的通段情況，控制設(shè)備的動作狀況、及一旦有電路和氣路故障不容易直觀發(fā)現(xiàn)和糾正，機械部分容易造成人員傷害。

針對以上問題，本文提出了基于 MCGS的HXD3C受電弓實踐教學(xué)仿真系統(tǒng)的設(shè)計，并根據(jù)鐵路現(xiàn)場受電弓控制要求，開發(fā)實踐仿真教學(xué)系統(tǒng)。在實踐仿真實訓(xùn)教學(xué)時，學(xué)員、職工可以不依賴于硬件設(shè)備、電源和風(fēng)源，只需通過在計算機上的仿真軟件對受電弓的控制設(shè)備進行全真模擬，即可觀看到受電弓設(shè)備的控制仿真過程。學(xué)員、職工在觸摸屏的工程窗口中，直接通過觀看觸摸屏仿真視頻，模擬實際受電弓的設(shè)備電源、風(fēng)源通路，編寫受電弓電路控制程序，實現(xiàn)模擬受電弓的工作狀況，學(xué)員、職工可以借助仿真的形式，提升自我的實踐動手能力。同時，學(xué)員、職工只要有一臺計算機和觸摸屏，即可不受時間和空間的限制，及實訓(xùn)硬件設(shè)備的限制，開展受電弓項目實踐內(nèi)容的學(xué)習(xí)。

2 MCGS 觸摸屏

MCGS觸摸屏是受電弓電路的上位機監(jiān)控系統(tǒng)，是項目的人機接口，并且是一套基于Windowsce系統(tǒng)的交互式平臺，是由北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司開發(fā)的軟件。該公司提供的MCGS嵌入版最符合本項目。筆者選用最常用的嵌入版7.7版本來進行本項目開發(fā)，基于MCGS的受電弓電路仿真系統(tǒng)的設(shè)計。嵌入版是在通用版的基礎(chǔ)上發(fā)展的，是嵌入式計算機監(jiān)控系統(tǒng)最新的一款觸摸屏交互式平臺，它能為用戶解決現(xiàn)實數(shù)據(jù)交互人機交流、設(shè)備控制領(lǐng)域的工程問題，是一個非常好的交互式開發(fā)平臺，能夠?qū)崟r實現(xiàn)自動控制設(shè)備及動畫顯示，現(xiàn)場受電弓電源、風(fēng)源、壓力數(shù)據(jù)實時采集→報警→流程控制，動畫顯示和報表輸出等功能。

3 基于HDX3C電力機車的受電弓實踐教學(xué)仿真系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)軟件平臺構(gòu)成

該系統(tǒng)軟件平臺結(jié)構(gòu)如圖1所示，上位機是：昆侖通泰嵌入式觸摸屏作為開發(fā)平臺，MCGS組態(tài)軟件為編程軟件語言。下位機是：西門子S7-200型號的PLC，也可以用西門子S7-200仿真軟件與三菱PLC模擬器等來代替PLC硬件或者其他電氣控制電路。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

受電弓控制電路與計算機的通信，通過RS-232 接口來實現(xiàn)。昆侖通泰觸摸屏通過在用戶窗口設(shè)置參數(shù)與受電弓控制電路硬件上的采集口建立物理上的通信連接，實現(xiàn)昆侖通泰觸摸屏與受電弓控制電路的通信。但昆侖通泰觸摸屏與受電弓控制電路模擬器可通過vspd虛擬串口軟件來建立虛擬串口或者與實際硬件電路串口連接，實現(xiàn)兩者之間的通信。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計流程

該系統(tǒng)具體的設(shè)計流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計流程圖

3.3 受電弓電路仿真的設(shè)計要求

按需要仿真的受電弓要求設(shè)計電路，通過電路實現(xiàn)受電弓升起或降下的聯(lián)鎖條件，通過控制I端升弓電磁閥（YV41）得/失電和II端升弓電磁閥（YV42）得/失電，從而控制受電弓的升起或降下（仿真僅需實現(xiàn)對電磁閥的控制，無需考慮受電弓的實際氣動控制）。牽引控制柜所有電氣器件電路已連接好，仿真中中需檢測的信號和開關(guān)狀態(tài)，均已接入PLC實訓(xùn)板輸出端子,學(xué)員直接使用即可，器件名稱及端子定義說明，不在列表中的信號和開關(guān)狀態(tài)，設(shè)計時無需考慮。任務(wù)中邏輯編程控制需用所有電氣器件均已在PLC編程區(qū)預(yù)裝，未連線，需學(xué)員根據(jù)設(shè)計要求自行連線。

受電弓仿真控制器件介紹如下（表1）。

表1 編程控制器件定義表

（1）仿真系統(tǒng)電路設(shè)計說明。電路設(shè)計時,學(xué)員需將任務(wù)中用到的所有狀態(tài)監(jiān)測器件和編程控制器件添加至電路圖中，器件名稱和器件編號須與《編程控制器件定義表》中的定義一致。

（2）仿真系統(tǒng)電路設(shè)計仿真實現(xiàn)以下功能動畫：“機車控制開關(guān)”（QA45）斷開時整個受電弓升降電路無電；“司機控制I”自動開關(guān)（QA43）斷開時，I端升弓控制電路無電。I端受電弓升降電路應(yīng)至少包括以下器件“司機控制I”自動開關(guān)（QA43）、I端電鑰匙（SA49）、I端升降弓扳鍵開關(guān)（SB41）；“司機控制II”自動開關(guān)（QA44）斷開時，II端升弓控制電路無電。II端受電弓升降電路應(yīng)至少包括以下器件“司機控制II”自動開關(guān)（QA44）、II端電鑰匙（SA50）、I端升降弓扳鍵開關(guān)（SB42）；I端電鑰匙（SA49）置“閉合”位置，I端控制電路有效；II端電鑰匙（SA50）置“閉合”位置，II端控制電路有效；先閉合電鑰匙端對應(yīng)的控制電路有效，同時只有一端控制電路有效。

PLC模塊能夠采集受電弓隔離轉(zhuǎn)換開關(guān)的3個狀態(tài)（受電弓隔離I、受電弓隔離II、正常）；PLC模塊采集輔助壓縮機啟動按鈕(SB97)、受電弓升弓鑰匙（U99）、升弓截斷塞門（U43.13）、接地開關(guān)(QS10)、受電弓隔離開關(guān)（SA96）的狀態(tài)；I端受電弓的升降弓控制信號輸入到PLC采集端“DIb.1”端口。II端受電弓的升降弓控制信號輸入到PLC采集端“DIb.2”端口；PLC模塊采集模擬量AQ1升弓風(fēng)缸壓力值（0-20mA模擬量）；PLC模塊控制輔助壓縮機繼電器（KMC1）的閉合與斷開；PLC模塊控制I端升弓電磁閥（YV41）和II端升弓電磁閥(YV42)的閉合與斷開，控制輔助壓縮機指示燈（L01）、I端受電弓狀態(tài)指示燈（L02）、II端受電弓狀態(tài)指示燈（L03）；繼電器元件K01-K08、指示燈元件L01-L04為非極性器件，合理使用二極管，避免電路之間相互影響。

3.4 受電弓電路仿真系統(tǒng)的使用

受電弓電路學(xué)員PLC編程設(shè)計要求。根據(jù)原理圖和受電弓電路PLC邏輯編程實現(xiàn)控制原理，按照設(shè)計的電路原理圖完成系統(tǒng)接線。按照要求編寫PLC程序，編譯無誤后下載到PLC中運行（PLC編程進行受電弓升、降弓控制時，只需滿足仿真系統(tǒng)任務(wù)中要求即可，其他控制條件無需考慮）。

3.4.1 受電弓升弓控制動畫（圖3）

圖3 仿真畫面

（1）滿足升弓條件，PLC采集端（DIb.1）接收到升I端受電弓升弓指令時（DIb.1有電即I端升前弓或II端升后弓的指令），控制I端升弓電磁閥(YV41)閉合，I端受電弓狀態(tài)指示燈（L02）亮，實現(xiàn)控制升I端受電弓。

（2）滿足升弓條件，PLC采集端（DIb.2）接收到升II端受電弓升弓指令時（DIb.2有電即I端升后弓或II端升前弓的指令），控制II端升弓電磁閥(YV42)閉合，II端受電弓狀態(tài)指示燈（L03）亮，實現(xiàn)控制升II端受電弓。

3.4.2 升弓條件

控制升弓動作時必須滿足以下全部條件：檢測升弓風(fēng)缸壓力低于480KPa時，不能升弓壓力不足時，應(yīng)手工持續(xù)按壓輔助壓縮機啟動按鈕（SB97），控制輔助壓縮機繼電器KMC1（=K01）得電，工作指示燈（=L01）按照0.5Hz，50%占空比閃爍，待升弓風(fēng)缸壓力達到要求值735kPa時，PLC模塊控制輔助壓縮機繼電器KMC1（=K01）失電，工作指示燈（=L01）滅。受電弓升弓鑰匙（U99）處在開放位（垂直位）；升弓風(fēng)缸截斷塞門U43.13處在開放位置（水平位）；接地開關(guān)（QS10）置于“正常運行”位（斷開狀態(tài)）；受電弓隔離開關(guān)（SA96）在“受電弓隔離I”位置時，I端升弓電磁閥不能閉合。受電弓隔離開關(guān)（SA96）在“受電弓隔離II”位置時，II端升弓電磁閥不能閉合；受電弓隔離開關(guān)（SA96）在“正常”位置時，可控制I端或II端升弓電磁閥閉合。

3.4.3 降弓控制

（1）結(jié)合PLC檢測，I端升降弓扳鍵（SB41）位置在“0”位置，控制I端升弓電磁閥(YV41)斷開，I端升弓工作指示燈（=L02）滅，實現(xiàn)控制降I端受電弓。

（2）結(jié)合PLC檢測，II端升降弓扳鍵（SB42）位置在“0”位置，控制II端升弓電磁閥(YV42)斷開，II端升弓工作指示燈（=L03）滅，實現(xiàn)控制降II端受電弓。

（3）HXD3C電力機車受電弓升降控制參考電路（見圖4）。

圖4 受電弓控制參考電路圖

4 結(jié)語

基于HXD3C電力機車受電弓升、降控制電路的觸摸屏仿真實踐教學(xué)仿真系統(tǒng)，用軟件代替硬件，無需連接受電弓硬件設(shè)備，即可模擬仿真多種類型的受電弓升降工的工作過程，虛擬設(shè)備動作采用實物動畫，動作逼真。同時，該系統(tǒng)應(yīng)用于HXD3C電力機車受電弓升、降控制電路項目教學(xué)，可以豐富教師的教學(xué)手段，吸引學(xué)員、職工的注意力，提高電力機車受電弓升、降控制電路項目的教學(xué)效果，加強學(xué)員、職工對PLC理論知識的理解應(yīng)用。