王 騫，蒙延龍，孫志洪

(1.中鐵工程裝備集團(tuán)隧道裝備制造有限公司，河南新鄉(xiāng) 453000;2.中鐵工程裝備集團(tuán)設(shè)計(jì)研究總院，河南鄭州 450000)

0 引言

地鐵施工中常用的施工方法是盾構(gòu)法，即用盾構(gòu)在破碎巖層或土層中進(jìn)行掘進(jìn)的方法。盾構(gòu)挖掘出的渣土通常使用機(jī)車編組運(yùn)輸?shù)截Q井，然后通過門吊運(yùn)輸至地面后再做進(jìn)一步處理。

隨著地鐵施工市場競爭日益激烈，地鐵施工進(jìn)度要求也隨之提高。為滿足盾構(gòu)快速掘進(jìn)的需要，提高運(yùn)輸渣土的吞吐量，要求機(jī)車具有更大的牽引能力。提高機(jī)車牽引能力有以下2種方法［1］:

1)增大單機(jī)車牽引力，更大牽引能力的機(jī)車意味著牽引機(jī)車的噸位變大，單位長度軌道所承受的重量也將變大，這對軌道提出更高的要求，同時更大規(guī)格的機(jī)車的價格也更高，施工成本會增加較多。

2)使用機(jī)車重聯(lián)控制系統(tǒng)，同時控制2臺現(xiàn)有的機(jī)車進(jìn)行同步牽引，可以達(dá)到增大編組運(yùn)輸能力的目的。這種方法需要配備一套重聯(lián)控制系統(tǒng)，由于單臺機(jī)車規(guī)格并沒有改變，所以單位長度軌道所承受的重量沒有增加，可以使用現(xiàn)有軌道［2］。重聯(lián)控制系統(tǒng)使用比較靈活，使用重聯(lián)控制系統(tǒng)的2臺機(jī)車既可以重聯(lián)后作為一個整體使用，也可以各自單獨(dú)使用，可以滿足不同施工進(jìn)度的要求，既提高了設(shè)備利用率，又節(jié)省了成本，同時還提高了施工效率。

重聯(lián)控制在鐵路列車中的應(yīng)用較普遍，也有許多專家學(xué)者對列車重聯(lián)控制技術(shù)進(jìn)行過研究。文獻(xiàn)［2］分析了DF11型列車的重聯(lián)電氣原理，并針對重聯(lián)線路設(shè)計(jì)了重聯(lián)模擬試驗(yàn)臺;文獻(xiàn)［3］討論了鐵路列車重聯(lián)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案以及各方案的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出了一種新的重聯(lián)方案;文獻(xiàn)［4］針對SS1型機(jī)車原有電氣系統(tǒng)提出了重聯(lián)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并對重聯(lián)控制系統(tǒng)的特性進(jìn)行了分析;文獻(xiàn)［5］對于不同噸位列車重聯(lián)過程中遇到的車輪打滑現(xiàn)象進(jìn)行了定性分析，提出了不同噸位列車重聯(lián)時應(yīng)該控制列車粘著力使用系數(shù)的思路。以上文獻(xiàn)均未涉及隧道施工用變頻牽引機(jī)車的重聯(lián)控制。由于機(jī)車的電氣系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡(luò)與鐵路列車相比有較大差別，鐵路列車的重聯(lián)控制系統(tǒng)并不適用于機(jī)車。

綜合來看，機(jī)車重聯(lián)控制系統(tǒng)是一個比較好的選擇。重聯(lián)控制涉及車體結(jié)構(gòu)、空氣制動、電氣控制等多個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，本文僅討論電氣系統(tǒng)。本文通過分析機(jī)車的電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理，提出一種基于機(jī)車現(xiàn)有的PLC控制系統(tǒng)的重聯(lián)控制方案，對機(jī)車現(xiàn)有電氣系統(tǒng)進(jìn)行有限的改造，實(shí)現(xiàn)機(jī)車的重聯(lián)控制。

1 機(jī)車重聯(lián)控制方式

所謂雙機(jī)重聯(lián)控制，就是司機(jī)在1臺機(jī)車上操作能同時控制2臺機(jī)車，實(shí)現(xiàn)2臺機(jī)車的同步運(yùn)行。

目前我國鐵路列車應(yīng)用的重聯(lián)有2種類型:采用控制線重聯(lián)和采用微機(jī)數(shù)據(jù)總線重聯(lián)。

控制線重聯(lián)方式需要本務(wù)列車(即主控車)通過重聯(lián)線給重聯(lián)列車(即被控車)提供電源，使2臺重聯(lián)機(jī)車同步運(yùn)行。其優(yōu)點(diǎn)是采用導(dǎo)線傳遞電源，可靠性高;缺點(diǎn)是如果供電元件較多且電流較大則線路損耗增加，線路發(fā)熱較大，線路成本較大。

微機(jī)數(shù)據(jù)總線重聯(lián)方式需要主控機(jī)車通過數(shù)據(jù)總線把控制信號傳遞給重聯(lián)列車(即被控車)實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行。其優(yōu)點(diǎn)是通過數(shù)據(jù)總線傳遞控制信號，可以省去大量重聯(lián)線，且采集到的指令也可用于監(jiān)控;缺點(diǎn)是完全依賴微機(jī)系統(tǒng)，如果機(jī)車微機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)故障則控制信號無法正確傳遞，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)車不能同步運(yùn)行［3］。

變頻牽引機(jī)車的控制系統(tǒng)與鐵路列車不同，是基于西門子S7－200 PLC的控制系統(tǒng)，主令電器的開關(guān)量控制信號輸入PLC后轉(zhuǎn)換成調(diào)速信號輸出至變頻器，變頻器的運(yùn)行數(shù)據(jù)通過通信總線傳輸給PLC，同時PLC把運(yùn)行數(shù)據(jù)通過通信總線傳輸給觸摸屏進(jìn)行顯示。電氣系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 機(jī)車電氣系統(tǒng)配置圖Fig.1 Configuration of electrical system of traction locomotives

基于變頻牽引機(jī)車的電氣系統(tǒng)考慮，結(jié)合控制線重聯(lián)和微機(jī)數(shù)據(jù)總線重聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)，本文介紹的變頻牽引機(jī)車重聯(lián)控制系統(tǒng)采用控制開關(guān)量和數(shù)據(jù)總線結(jié)合的有線式重聯(lián)——使用重聯(lián)電纜(包含重聯(lián)控制線和重聯(lián)通信總線)連接2臺機(jī)車，重聯(lián)電纜中的重聯(lián)控制線用于傳遞開關(guān)量控制信號，重聯(lián)通信總線用于傳遞運(yùn)行和報警數(shù)據(jù)。開關(guān)量信號電流為毫安級，對于機(jī)車的電氣系統(tǒng)不存在線路損耗方面的問題;通信總線只傳遞數(shù)據(jù)不參與控制，避免了通信故障導(dǎo)致的重聯(lián)失敗，同時對元件選型沒有過高要求，節(jié)省成本。

2 重聯(lián)控制系統(tǒng)組成

重聯(lián)控制系統(tǒng)的電路基于盡可能不改變機(jī)車原控制線路和邏輯性的原則設(shè)計(jì)，既能重聯(lián)運(yùn)行也能單機(jī)運(yùn)行，單機(jī)操作時的性能沒有任何變化。重聯(lián)的原理是使用重聯(lián)控制線連接主控機(jī)車和被控機(jī)車的主令電器［4］。

由于重聯(lián)機(jī)車在電路上互相連接，為了實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行和減少損耗，參與重聯(lián)的2臺機(jī)車應(yīng)該具有相同的控制系統(tǒng)。不同噸位的機(jī)車也可以實(shí)現(xiàn)重聯(lián)，本文敘述的是40 t機(jī)車與20 t機(jī)車進(jìn)行的重聯(lián)控制。

使用重聯(lián)控制線通過重聯(lián)插座連接2臺機(jī)車的控制系統(tǒng)，通過重聯(lián)開關(guān)分別把2臺機(jī)車設(shè)置為主控機(jī)車和被控機(jī)車，被控機(jī)車的主令電器到PLC的線路即被斷開，由主控機(jī)車的主令電器統(tǒng)一發(fā)出控制指令，分別傳輸?shù)?臺機(jī)車的PLC進(jìn)行運(yùn)算并分別控制2臺機(jī)車的變頻器驅(qū)動電機(jī)。重聯(lián)控制原理如圖2所示。

圖2 重聯(lián)控制原理圖Fig.2 Principle of reconnection control

機(jī)車重聯(lián)控制系統(tǒng)主要分為主令電器、重聯(lián)開關(guān)、PLC、變頻器和觸摸屏5部分(如圖3所示)。重聯(lián)開關(guān)決定控制信號的傳輸方向——本機(jī)車主控時，控制信號經(jīng)重聯(lián)開關(guān)輸出至另一臺被控機(jī)車;本機(jī)車被控時，控制信號經(jīng)重聯(lián)開關(guān)由另一臺主控機(jī)車輸入。

圖3 重聯(lián)控制系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of reconnection control system

主令電器、重聯(lián)開關(guān)和觸摸屏放置在操作臺上，控制機(jī)車的運(yùn)行和停止，切換運(yùn)行狀態(tài)并顯示機(jī)車運(yùn)行狀況信息和報警信息;PLC和變頻器放置在變頻柜內(nèi)。

機(jī)車主令電器有操作手柄和按鈕開關(guān)，操作手柄給定檔位和方向開關(guān)量信號，手柄有零檔、前進(jìn)5個檔位和后退5個檔位，另外還有緩進(jìn)和緩?fù)税粹o各1個，急停按鈕1個，叫醒按鈕1個。重聯(lián)運(yùn)行前需要通過重聯(lián)開關(guān)切換主控機(jī)車和被控機(jī)車的相關(guān)線路，確保同一時刻只有主控機(jī)車的主令電器能夠發(fā)出控制信號，主令電器的開關(guān)量控制信號輸入PLC的數(shù)字量輸入通道。

重聯(lián)開關(guān)放置在操作臺側(cè)面，有“主控”、“單機(jī)”和“被控”3個工作位，切換至“主控”位置時本機(jī)車主令電器的線路同時連接至重聯(lián)插座以便輸出控制信號到被控機(jī)車，同時接通重聯(lián)指示燈為綠色;切換至“單機(jī)”位置時，本機(jī)車控制線路不變;切換至“被控”位置時，本機(jī)車主令電器的線路全部斷開，信號輸入線路連接至重聯(lián)插座以便接受主控機(jī)車輸入的控制信號，同時接通重聯(lián)指示燈為紅色。

作為機(jī)車控制系統(tǒng)核心的S7－200 224XP PLC配置了2個串行通信口，16個數(shù)字量輸入通道，10個數(shù)字量輸出通道，支持MPI/PPI/自由口等通信方式。安裝了EM277通信模塊后，S7－200 PLC共有3個串行通信端口，可方便地與變頻器、觸摸屏通信傳遞數(shù)據(jù)，還可以通過重聯(lián)通信總線與另一臺S7－200 PLC交換運(yùn)行參數(shù)和報警信息等數(shù)據(jù)。

3 重聯(lián)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 重聯(lián)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

S7－200 PLC所帶的2個通信端口，Port0通信口為自由口通信方式，使用MODBUS通信協(xié)議與變頻器的MODBUS通信卡進(jìn)行通信以獲取變頻器運(yùn)行數(shù)據(jù)［6］;Port1通信口使用PPI通信方式，S7－200 PLC 可以通過該通信口使用NETR和NETW網(wǎng)絡(luò)讀寫命令對另一個S7－200 PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫操作［7］;EM277通信模塊提供的一個通信口使用PPI通信協(xié)議把運(yùn)行數(shù)據(jù)和報警信息在Smart 700觸摸屏上顯示［8］，在調(diào)試時還用作PLC程序的下載及監(jiān)控。

重聯(lián)機(jī)車的通信網(wǎng)絡(luò)連接方式如圖4所示。2臺機(jī)車之間使用重聯(lián)電纜通過重聯(lián)插座連接后，通過重聯(lián)開關(guān)切換至正確的運(yùn)行狀態(tài)，即可開始重聯(lián)運(yùn)行。重聯(lián)狀態(tài)下，不論是主控機(jī)車還是被控機(jī)車均可以讀取對方的運(yùn)行參數(shù)和報警信息，并顯示在觸摸屏上。

圖4 通信網(wǎng)絡(luò)連線示意圖Fig.4 Communication network connection

3.2 重聯(lián)控制設(shè)計(jì)

重聯(lián)運(yùn)行時，變換檔位、緩進(jìn)緩?fù)?、急停、?fù)位等操作均通過主控機(jī)車進(jìn)行，被控機(jī)車操作無效。

為使2臺機(jī)車重聯(lián)運(yùn)行均發(fā)揮最大牽引能力，必須使2臺機(jī)車的行駛速度保持一致。機(jī)車的傳動機(jī)構(gòu)包括電機(jī)、減速機(jī)和車輪，2臺機(jī)車行駛速度保持一致，即車輪線速度保持一致。

根據(jù)2臺機(jī)車的車輪輪徑、減速比和電機(jī)極對數(shù)等參數(shù)計(jì)算出2臺機(jī)車行駛速度相同時各自應(yīng)給定的運(yùn)行頻率的數(shù)值關(guān)系，再按照此數(shù)值關(guān)系分別設(shè)定每臺機(jī)車的變頻器多段速頻率值，當(dāng)檔位信號分別傳輸至每臺機(jī)車的PLC后，生成相應(yīng)的多段速調(diào)速信號給每臺機(jī)車的主變頻器，主變頻器即會控制電機(jī)按照相應(yīng)的運(yùn)行頻率轉(zhuǎn)動，從而使2臺機(jī)車的行駛速度基本保持一致。

重聯(lián)運(yùn)行時如果其中一臺機(jī)車發(fā)生故障后緊急制動或自動減速，另一臺機(jī)車也會及時進(jìn)行緊急制動或自動減速［9］。這樣可以最大限度地保證重聯(lián)機(jī)車設(shè)備和人員的安全，使重聯(lián)機(jī)車更好地運(yùn)行。

3.3 運(yùn)行界面設(shè)計(jì)

重聯(lián)機(jī)車的觸摸屏采用西門子Smart 700觸摸屏，通過Wincc Flexible軟件可以很方便地設(shè)計(jì)重聯(lián)機(jī)車運(yùn)行的各個界面。

圖5是20 t機(jī)車單機(jī)運(yùn)行時的界面。圖6和圖7分別是額定負(fù)載重聯(lián)運(yùn)行時在20 t機(jī)車觸摸屏上看到的20 t和40 t機(jī)車的重聯(lián)運(yùn)行界面。圖中顯示的是20 t機(jī)車主控、40 t機(jī)車被控運(yùn)行在1檔的情況。

司機(jī)可以通過畫面底部的按鈕切換不同的界面，了解運(yùn)行狀況。

圖5 20 t機(jī)車單機(jī)運(yùn)行界面Fig.5 Operation interface of 20 t locomotive

圖6 20 t機(jī)車重聯(lián)運(yùn)行界面Fig.6 Reconnection operation interface of 20 t locomotive

圖7 40 t機(jī)車重聯(lián)運(yùn)行界面Fig.7 Reconnection operation interface of 40 t locomotive

重聯(lián)運(yùn)行使用的20 t與40 t機(jī)車參數(shù)見表1。從表1可以看出，即使2臺機(jī)車規(guī)格有差別，只要控制系統(tǒng)相同，還是可以實(shí)現(xiàn)重聯(lián)運(yùn)行的。

4 運(yùn)行試驗(yàn)

重聯(lián)控制系統(tǒng)在廠內(nèi)試驗(yàn)條件下經(jīng)過測試，與單機(jī)車相比，重聯(lián)機(jī)車輸出扭矩明顯增大。由于重聯(lián)時通過同一個主令電器控制，控制信號通過控制線傳輸，主控機(jī)車與被控機(jī)車信號基本無延遲，運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)和報警信息也能及時傳輸。重聯(lián)的2臺機(jī)車在空載和帶負(fù)載狀況下電壓、電流變化規(guī)律也比較一致。在2臺重聯(lián)機(jī)車之間設(shè)置的拉力傳感器測量結(jié)果也顯示2臺機(jī)車之間相互作用力很小，重聯(lián)機(jī)車的總牽引力損失不大?？傮w來看，2臺機(jī)車的負(fù)載分配基本上是均衡的。

5 結(jié)論與討論

基于PLC的機(jī)車控制系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了雙機(jī)車重聯(lián)控制功能。通過運(yùn)行試驗(yàn)得出以下結(jié)論:

1)重聯(lián)采用控制開關(guān)量與數(shù)據(jù)總線結(jié)合的有線式重聯(lián)，控制信號基本無延遲，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)豐富。

2)雙機(jī)重聯(lián)后輸出轉(zhuǎn)矩明顯增大，運(yùn)行同步性較好，各項(xiàng)控制功能均可正常工作。

表1 20 t機(jī)車與40 t機(jī)車參數(shù)表Table 1 Parameters of 20 t and 40 t locomotives

3)重聯(lián)機(jī)車的速度必須盡可能保持一致，減少不同步造成的牽引力損失。

4)重聯(lián)機(jī)車的控制系統(tǒng)必須相同。

5)測試時機(jī)車的計(jì)算粘著牽引力與實(shí)際牽引力相比較留有較大的富余量時，機(jī)車車輪不會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，實(shí)際使用過程中需要注意避免這種情況。

該系統(tǒng)只進(jìn)行了試驗(yàn)條件下的測試，滿負(fù)載情況下的控制性能和爬坡能力還有待現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)的檢驗(yàn)，控制功能也還有不完善的地方。比如2臺機(jī)車的頻率比目前使用計(jì)算得出的固定數(shù)值，隨著齒輪和車輪的磨損該數(shù)值需要進(jìn)行校正，如果能實(shí)現(xiàn)自動校正，可以進(jìn)一步提高重聯(lián)控制的穩(wěn)定性和易用性?？刂葡到y(tǒng)目前是開環(huán)模式，無法對機(jī)車實(shí)際運(yùn)行速度進(jìn)行反饋和有效調(diào)整，在某些情況下可能導(dǎo)致機(jī)車速度差異過大。

［1］盧國濤，郭冀嶺，王遠(yuǎn)波，等.150 t礦用機(jī)車雙機(jī)重聯(lián)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.工礦自動化，2008(6):95－99.

［2］ 陳永海.機(jī)車重聯(lián)方式研究［D］.北京:北京交通大學(xué)安全技術(shù)及工程學(xué)院，2006.

［3］高丹，侯曉燕.多機(jī)重聯(lián)機(jī)車電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.內(nèi)燃機(jī)車，2006(7):14 －15.(GAO Dan，HOU Xiaoyan.Design of electric control system for multiple-operated locomotive units［J］.Diesel Locomotives，2006(7):14 － 15.(in Chinese))

［4］李興釗，張毅力.SS1型機(jī)車重聯(lián)控制設(shè)計(jì)［J］.電力機(jī)車技術(shù)，2002(5):20 － 23.(LI Xingzhao，ZHANG Yili.Design of coupled control on type SS1 electric locomotive［J］.Technology for Eleetric Locomotives，2002(5):20 －23.(in Chinese))

［5］周建.不同功率等級機(jī)車重聯(lián)運(yùn)用引發(fā)的問題探討［J］.內(nèi)燃機(jī)車，2009(4):30 －32，36.(ZHOU Jian.Discussion about problems caused by coupled operation of locomotives having different power［J］.Diesel Locomotives，2009(4):30 －32，36.(in Chinese))

［6］劉恩博.組態(tài)軟件數(shù)據(jù)采集與串口通信測控應(yīng)用實(shí)戰(zhàn)［M］.北京:人民郵電出版社，2010.

［7］ 西門子(中國)有限公司.深入淺出西門子S7－200 PLC［M］.北京:航空航天大學(xué)出版社，2007.

［8］ 廖常初.西門子人機(jī)界面(觸摸屏)組態(tài)與應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［9］張毅力.機(jī)車重聯(lián)控制系統(tǒng)的發(fā)展［J］.機(jī)械管理開發(fā)，2009(1):9 － 10，12.(ZHANG Yili.Development on locomotive reconnection control system［J］.Mechanical Management and Development，2009(1):9 － 10，12.(in Chinese ))