顧建凱

(蘭州交通大學(xué)機電工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070)

1 引言

根據(jù)國家相關(guān)標準規(guī)定，鐵路列車回庫后要對輪對及對應(yīng)的驅(qū)動電機進行例行試驗、研究性試驗。國內(nèi)的輪對空轉(zhuǎn)試驗系統(tǒng)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(zhuǎn)試驗系統(tǒng)通過上位機監(jiān)控多臺基于PLC的輪對空轉(zhuǎn)試驗設(shè)備，可進行多個電機以及對應(yīng)輪對的檢測試驗。PLC實時自動地記錄電機在各頻率的轉(zhuǎn)速和關(guān)鍵部件的溫度，且將數(shù)據(jù)及時傳送給上位機進行數(shù)據(jù)匯總編輯。

2 控制系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 控制系統(tǒng)簡述

本輪對空轉(zhuǎn)試驗系統(tǒng)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(zhuǎn)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(tǒng)設(shè)計采用集中管理分布控制模式，根據(jù)控制系統(tǒng)的故障導(dǎo)向(作業(yè)過程中設(shè)備出現(xiàn)故障或者作業(yè)方式錯誤，則在設(shè)備故障沒被修復(fù)前整個作業(yè)過程不能繼續(xù)進行)安全設(shè)計思想進行系統(tǒng)設(shè)計，依據(jù)本文提出的基本控制要求對傳統(tǒng)空轉(zhuǎn)電機試驗系統(tǒng)改進和設(shè)計，使得整個控制系統(tǒng)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(tǒng)作業(yè)流程圖

2.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

硬件主要有工業(yè)控制計算機、電源裝置、變頻器、PLC、通信中轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)處理和實時控制能力。

該系統(tǒng)通過通信中轉(zhuǎn)將多個S7-200CN與上位監(jiān)控主機以自由口通信方式連接［2］，每個 S7-200CN對應(yīng)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(zhuǎn)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(jiān)控主機，再由上位機將信息生成對應(yīng)的報表以供技術(shù)人員瀏覽，打印?？傮w原理圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)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(yīng)的溫度信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，然后傳入EM235中，再通過PLC內(nèi)部程序計算出對應(yīng)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(nèi)的轉(zhuǎn)數(shù)，進而求得對應(yīng)的轉(zhuǎn)速信息，最后通過與標準參數(shù)對照來判斷電機的性能是否優(yōu)良。

3 系統(tǒng)控制軟件

根據(jù)現(xiàn)場的控制要求，下位機PLC控制程序采用模塊化結(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)試驗臺軟件結(jié)構(gòu)主要包括:系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)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(fā)事故的報警和保護。

3.1 上位機與PLC通信實現(xiàn)

自由通信協(xié)議數(shù)據(jù)格式:1個起始位，8個數(shù)據(jù)位，1個停止位，即10位數(shù)據(jù)，或者再加一個奇偶校驗位組成11位數(shù)據(jù)。

3.2 系統(tǒng)測溫實現(xiàn)

系統(tǒng)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(xiàn)場中PLC需要擴展2個EM235。具體實現(xiàn)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(chǎn)生5 mV/℃的電壓系數(shù)，需要提供12.5 mA電流。由于模擬量輸出精度為10 μA/數(shù)，為了得到12.5 mA輸出電流所需的輸出數(shù)必須為1 250。因為AQW數(shù)據(jù)向右移4位，因此輸出數(shù)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(shè)置為2000輸出數(shù)。Pt100隨著12.5 mA恒電流的供給產(chǎn)生了與隨溫度變化的電壓，EM235把這個電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，程序周期性地讀這些數(shù)字量，并將所讀的這些數(shù)，利用下面的公式計算出所測溫度:

T|℃ |=(溫度數(shù)字量-0℃偏置量)/1℃數(shù)字量

溫度數(shù)字量=存貯在AIWx(x=0，2，4)中的值

0℃偏置量=在0℃測出的數(shù)字量

1℃數(shù)字量=溫度每升高1℃的數(shù)字量

依據(jù)用在EM235上的通道數(shù)，本程序用到的AI字相應(yīng)的地址如表1所列。根據(jù)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(yīng)的地址

圖3 測溫程序流程圖

3.3 系統(tǒng)測速實現(xiàn)

測定電動機的優(yōu)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(nèi)電機所轉(zhuǎn)圈數(shù)，進而通過PLC程序算出在該固定時間和頻率段的電機轉(zhuǎn)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(shù)通過PLC的高速計數(shù)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(shù)輸入口，I1.0為復(fù)位輸入口，I1.1為啟動輸入口，其中復(fù)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(shù)進行清零以便下個頻率段的檢測計數(shù)［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(tǒng)故障處理

系統(tǒng)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(fā)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(zhuǎn)。系統(tǒng)過壓，過流通過加上電壓，電流傳感器測得對應(yīng)的實時電壓、電流與設(shè)定電壓、電流比較，如果超出即強行停止系統(tǒng)。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)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(xiàn)缺相，過壓過流情況時系統(tǒng)給予及時報警處理。系統(tǒng)具有技術(shù)先進、功能完善、操作方便等特點，實現(xiàn)了輪對空轉(zhuǎn)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(tǒng)設(shè)計［J］.微計算機信息，2010(6):61-62.

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