基于PLC的機車司機控制器檢測裝置

許智榜

(華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,江西南昌330013)

[摘要]分析了機車司機控制器的故障現(xiàn)象和檢測方法，根據(jù)司機控制器的開關(guān)動作邏輯關(guān)系，采用PLC設(shè)計了司機控制器檢測裝置，并給出了詳細(xì)的外部接線和程序設(shè)計.該裝置現(xiàn)場運用效果良好，保證了司機控制器的生產(chǎn)質(zhì)量.

[關(guān)鍵詞]機車；司機控制器；PLC；檢測裝置[收稿日期]2015-08-02

[基金項目]江西省教改課題(項目編號：JXJG-13-5-1).

[作者簡介]許智榜(1971-)，男，湖北仙桃人，華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院副教授，工學(xué)碩士，主要從事軌道交通、電氣控制方面的教學(xué)研究.

[中圖分類號]U260.36 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

0引言

司機控制器是司機操縱機車運行的主令電器，其動作的好壞直接影響到機車各種工況的實現(xiàn)以及平穩(wěn)操縱性能[1].司機控制器常見的故障有機械故障、電氣觸點的邏輯故障、電位器故障.機械故障主要表現(xiàn)為手柄操作困難、位移量過大或卡死；電氣觸點的邏輯故障主要表現(xiàn)為開閉邏輯關(guān)系混亂，該閉合的未閉合該斷開的未斷開，造成車輛設(shè)備接收錯誤指令產(chǎn)生誤動作；電位器故障主要表現(xiàn)為輸出電壓不能隨著手柄的轉(zhuǎn)動連續(xù)平滑變化，如不變則會喪失牽引力或制動力，如出現(xiàn)跳動，則會出現(xiàn)“竄車”現(xiàn)象，列車產(chǎn)生沖擊力，不利于車輛的平穩(wěn)操作[1].保證司機控制器的生產(chǎn)質(zhì)量，檢修質(zhì)量，驗證其動作的可靠性尤為重要.本文介紹的檢測裝置，以PLC為控制核心，對其外部結(jié)構(gòu)及程序部分做了詳細(xì)介紹，適用于HXD3D型機車司機控制器的出廠檢測及地鐵公司的故障維修后檢測.

圖1　觸點Kx檢測電路圖　　　　圖2　硬件設(shè)計框圖

1檢測方法

觸點Kx檢測電路如圖1所示.觸點閉合斷開的檢測：在被測觸點Kx兩端接入兩個繼電器的常閉觸點KA1和KA2，當(dāng)這兩個繼電器不得電時，PLC讀取X0的值，當(dāng)X0為1則觸點閉合，當(dāng)X0為0則觸點斷開.接觸電阻的檢測：采用四線制測電阻的檢測方法.當(dāng)檢測到觸點Kx閉合后即對接觸電阻進(jìn)行檢測，控制PLC輸出，使K31和K32得電，常開觸點閉合，在S+和S-之間施加測試電流值I，檢測D+和D-兩端的電壓Ux，即可得到觸點的接觸電阻值，RKx=Ux / I.接觸電阻值的檢測采用數(shù)字式低電阻檢測儀TH2512A實現(xiàn).

電位器輸出特性檢測：主要對輸出的最大、最小電壓以及是否連續(xù)進(jìn)行測定，可以通過繪制時間電壓曲線和級位電壓曲線，時間電壓曲線可以檢測電位器是否存在接觸不良、輸出電壓曲線是否穩(wěn)定，級位電壓曲線可檢測輸出電壓是否平滑連續(xù)[2].該部分通過給電位器施加10V電壓，采用模擬量輸入模塊FX-2AD來檢測電位器輸出電壓進(jìn)行判斷.

2硬件結(jié)構(gòu)

以HXD3D型電力機車司機控制器為例，共有7個觸點和1個電位器需要檢測，選用兩開兩閉的繼電器，對每個觸點的接線端均需設(shè)置一個繼電器，共需要14個.選用FX2N-48MR型的PLC，其硬件設(shè)計框圖如圖2所示.根據(jù)上圖1所示，對繼電器進(jìn)行編號，換向閉合表的換向閉合表第3個觸點，其編號的十位數(shù)字用3表示，個位用1表示左端(即線號353端)，個位用2表示右端(即線號502端)，如是調(diào)速的閉合表的第3個觸點，則十位用3，個位用3或4分別表示左端(即線號505)或右端(即線號508).PLC外部接線如圖3所示.

圖3　PLC外部接線圖　　　　　　　　　　　　　圖4　程序流程圖

3程序設(shè)計

根據(jù)司控器的操作情況，本文采用PLC的步進(jìn)順控指令，設(shè)計了檢測程序.檢測的流程是先讀取換向手柄零位、調(diào)速手柄零位的觸點閉合值，對該狀態(tài)閉合的觸點進(jìn)行接觸電阻測量，然后再依次對換向手柄前進(jìn)位、調(diào)速手柄有級位狀態(tài)，換向手柄后退位、調(diào)速手柄有級位狀態(tài)下的觸點狀態(tài)、接觸電阻值和電位器輸出電壓值進(jìn)行測量.其程序流程圖如圖4所示.以換向手柄前進(jìn)位，調(diào)速手柄有級位時的檢測為例，設(shè)計的步進(jìn)梯形圖程序如圖5所示.當(dāng)換向手柄前進(jìn)位，調(diào)速手柄有級位時，根據(jù)司控器的邏輯表可知，此狀態(tài)應(yīng)該為X0、X3、X6得電，采用MOV K2X0 K2M10指令將檢測到的觸點狀態(tài)保存到以M10開始的8位元件中，完成觸點狀態(tài)的檢測.步進(jìn)梯形圖中M21-M25由上位機對PLC進(jìn)行設(shè)置，控制程序進(jìn)程，保證上位機能獲得穩(wěn)定的數(shù)據(jù).當(dāng)X0確實得電，即換向閉合表的第3個觸點是閉合的，此時使Y0、Y1(即繼電器KA31、KA32得電)，進(jìn)行接觸電阻的測量.接觸電阻采用低電阻測量儀進(jìn)行測量，只有得到穩(wěn)定的數(shù)據(jù)后，才對M21進(jìn)行復(fù)位，同時對M22進(jìn)行置位，開始對換向閉合表第6個觸點的接觸電阻進(jìn)行測量.對電位器輸出電壓的測量，由FX-2AD模擬量輸入模塊實現(xiàn)[3].其程序如圖6所示，首先通過設(shè)置緩沖寄存器BFM#17的b0為0，選擇輸入通道1；然后將BFM#17的b1置1，啟動AD轉(zhuǎn)換；采用FROM指令讀取通道1的數(shù)字值；并將通道1的高4位移到下面的8位上，并存到D10中.

圖5　前進(jìn)、有級位時檢測步進(jìn)梯形圖　　　　　圖6　電位器檢測梯形圖

4PLC與上位機的通信

上位機可視化程序需要對PLC的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫，其通信采用主從通信方式，即主站設(shè)備(上位機)發(fā)送要求到從站設(shè)備(PLC)，從站設(shè)備響應(yīng)，從站不能主動發(fā)出信息.一次讀寫操作的步驟包括：首先上位機發(fā)出讀寫命令，PLC作出接收正確的響應(yīng)，上位機接到此響應(yīng)則發(fā)出確認(rèn)申請命令，PLC則完成正確的讀寫響應(yīng)，回應(yīng)給上位機數(shù)據(jù)[4].

本次設(shè)計所選的通信控制順序為控制順序1，其讀寫申請通信格式為：

ENQ站號PC號指令報文等待字符區(qū)(軟元件的范圍)和校驗碼

PLC讀出數(shù)據(jù)的響應(yīng)格式：

STX站號PC號字符區(qū)(軟元件數(shù)據(jù))ETX和校驗碼

PLC寫入數(shù)據(jù)的響應(yīng)格式：

ACK或NAK站號PC號出錯代碼(NAK時)

其中，站號表示上位機選擇通信的PLC的編號，范圍為00H～0FH.PC號固定為FFH.指令包括BR(以1點為單位讀出位軟元件)、WR(以16點為單位讀出位軟元件，以1點為單位讀出字軟元件)、BW(以1點為單位寫入位軟元件)、 WW(以16點為單位寫入位軟元件，以1點為單位寫入字軟元件)等.報文等待：由于使用計算機發(fā)送信息后，到變?yōu)榻邮諣顟B(tài)為止需要一定時間，報文等待按照10ms為1H，范圍為0H～FH.和校驗碼：將從站號開始到字符區(qū)為止的數(shù)據(jù)作為HEX數(shù)據(jù)進(jìn)行加法運算，并將其結(jié)果(求和值)的低位1個字節(jié)(8位)轉(zhuǎn)換成2位數(shù)的ASCII碼.FX2NPLC采用面向字符的傳輸規(guī)程，用到5個通信控制字符.ENQ(05H)為計算機發(fā)出請求.STX(02H)為信息幀開始標(biāo)記.ETX(03H)為信息幀結(jié)束標(biāo)記.ACK(06H)為PLC對ENQ的確認(rèn)回答.NAK(15H)為PLC對ENQ的否認(rèn)回答.在計算機鏈接通信過程中，PLC是不需要任何編程的.但在通信前要進(jìn)行通信參數(shù)的設(shè)定，如圖7所示.

圖7　FX 2N型PLC與PC的通信設(shè)定

首先通過設(shè)定D8120對通信協(xié)議進(jìn)行設(shè)置，數(shù)據(jù)寄存器D8121用于計算機鏈接中設(shè)定本站的站號.在站號0～ 15(H00～H0F)的范圍內(nèi)設(shè)定.數(shù)據(jù)寄存器D8129的作用是以10ms為單位，設(shè)定當(dāng)從計算機接收數(shù)據(jù)中斷時開始，到出錯為止的判斷時間.對于FX2N可編程控制器，D8129的設(shè)定范圍為1～3276(10～32760ms)，但是，設(shè)定為“0”時為100ms.圖7中的程序?qū)LC的通信參數(shù)設(shè)置為，數(shù)據(jù)傳輸率為9600bit/s，7位數(shù)據(jù)位，1位停止位，偶校驗，站號為0，超時判定時間為60ms.

5結(jié)語

采用PLC開發(fā)設(shè)計的機車司機控制器檢測裝置已在現(xiàn)場投入使用，該裝置能對開關(guān)動作邏輯、觸頭電阻和電位器輸出特性進(jìn)行半自動測量和試驗，保證了司機控制器的生產(chǎn)質(zhì)量和檢修質(zhì)量.同時為了提高PLC教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，該工程案例已應(yīng)用到我校PLC實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，有助于學(xué)生對步進(jìn)順控和計算機鏈接通信的學(xué)習(xí).

參考文獻(xiàn)

[1]袁虎林. 深圳地鐵3號線車輛司機控制器試驗裝置的研制[J].城市軌道交通研究,2013(9):63-66.

[2]唐堯福,潘險峰,周運紅.司機控制器的故障分析與處理[J].電力機車技術(shù),2001(2):39-40.

[3]王阿根.電氣可編程控制原理與應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社, 2010:355-360.

[4]許智榜.基于SPComm控件的上位機與FX2N型PLC串行通信的實現(xiàn)[J].武漢工業(yè)學(xué)院學(xué)報,2008(4):36-39.

[責(zé)任編輯：韓學(xué)政]

Design on Locomotive Master Controller Detection Device Based on PLC

XU Zhi-bang

(School of Electrical and Electronic Engineering, East China Jiaotong

University, Nanchang 330013, China)

Abstract：The fault phenomena of the master controller was analyzed and the detection method of the master controller is introduced. According to the controller switch act logical relations, the detection device was designed on PLC. The hardware and PLC software were described in detail. The application of the device is good, and the quality of the master controller is ensured.

Key words：locomotive; master controller; PLC; detection device