郭建良 孟曉亮 李敬杰

摘要：鐵路灑水車在鐵路線路清篩前進(jìn)行灑水，為線路清篩防塵起到關(guān)鍵作用。但是原來的遠(yuǎn)程控制是有線控制，造成操作繁瑣，伴隨設(shè)備電氣控制系統(tǒng)老化，有必要研制一套灑水車無線遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。通過研究灑水車工作原理，選用可編程控制器（PLC）進(jìn)行邏輯控制，通過工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行與操作平板電腦互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)無線遠(yuǎn)程控制的目的。

關(guān)鍵詞：鐵路灑水車;無線控制;工業(yè)以太網(wǎng);可編程控制器

引言

鐵路灑水車是國家能源鐵路裝備神維分公司在2013年采購的鐵路灑水設(shè)備，由軌道車牽引，作業(yè)時(shí)操作者在軌道車上遠(yuǎn)程控制，為線路清篩防塵起到關(guān)鍵作用。但是原來的遠(yuǎn)程控制是有線控制，作業(yè)前，由操作者先把遠(yuǎn)程控制線插在電氣控制柜上，然后再上車操作，造成操作繁瑣，再者遠(yuǎn)程控制線較長，不容易存放，并且容易損壞。另外，隨著使用時(shí)間延長，設(shè)備電氣控制系統(tǒng)老化，造成遠(yuǎn)程控制失效，操作者必須下車進(jìn)行手動(dòng)控制，造成操作者安全隱患和手動(dòng)控制的不均勻性。再者原有生產(chǎn)廠家的技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)解散，無法提供后續(xù)的維修服務(wù)，導(dǎo)致控制系統(tǒng)無法使用。因此有必要研制一套灑水車遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，便于今后的使用與維護(hù)。

1 鐵路灑水車原理與研究思路

鐵路灑水車是在鐵路線路清篩前對(duì)線路進(jìn)行灑水，清篩機(jī)進(jìn)行清篩時(shí)，石砟與砟土得到濕潤不再揚(yáng)塵。噴灑作業(yè)系統(tǒng)（見圖1）由控制箱、配電箱及灑水設(shè)備三大部分組成。其作業(yè)原理是在大機(jī)清篩作業(yè)前，由牽引車連掛灑水車進(jìn)行灑水作業(yè)。通過便攜式的控制箱，將信號(hào)傳輸給變頻器，變頻器帶動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)，水罐中的水經(jīng)過過濾器、管路、泵體，隨著葉片一起旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下，通過高壓將液體送出，經(jīng)過支管分別傳送到各個(gè)噴嘴，將水均勻的灑在道渣上。

考慮現(xiàn)有設(shè)備控制配電箱老化，為確保安全生產(chǎn)，保證設(shè)備正常運(yùn)行，對(duì)變頻控制柜體進(jìn)行改造，結(jié)合現(xiàn)場已有設(shè)備的安裝狀態(tài)，綜合考慮實(shí)際運(yùn)行需求，充分利用已有資源，從現(xiàn)場工況壞境入手，重新設(shè)計(jì)改造線路，并增加遠(yuǎn)程無線控制功能，實(shí)現(xiàn)本地和遠(yuǎn)程無線控制，更方便現(xiàn)場人員操作。考慮到無線遠(yuǎn)程控制存在異常的情況，同時(shí)要保證手動(dòng)操作的功能。

2 鐵路灑水車控制系統(tǒng)研制

采用可編程控制器（PLC）作為下位機(jī)，對(duì)現(xiàn)場的設(shè)備（變頻器、電動(dòng)閥門）進(jìn)行邏輯控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟停、轉(zhuǎn)速控制及電動(dòng)閥門的開關(guān)。采用手持工業(yè)平板電腦作為上位機(jī)，通過對(duì)上位機(jī)進(jìn)行編程組態(tài)，與可編程控制器進(jìn)行無線遠(yuǎn)程通訊控制，對(duì)現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控控制和數(shù)據(jù)采集（圖2）。

2.1 可編程控制器（PLC）選型

可編程控制器（PLC）采用西門子S7-200 SMART CPU CR20，S7-200可編程控制器是西門子公司為中國客戶量身定制的一款高性價(jià)比小型 PLC 產(chǎn)品，I/O 點(diǎn)數(shù)豐富的 CPU 模塊，單體 I/O 點(diǎn)數(shù)可達(dá) 60 點(diǎn)，可滿足大部分小型自動(dòng)化設(shè)備的控制需求。另外，CPU 模塊配備標(biāo)準(zhǔn)型和經(jīng)濟(jì)型供用戶選擇，對(duì)于不同的應(yīng)用需求，產(chǎn)品配置更加靈活。在不額外占用電控柜空間的前提下，信號(hào)板擴(kuò)展能更加貼合用戶的實(shí)際配置，提升產(chǎn)品的利用率，同時(shí)降低擴(kuò)展成本。經(jīng)濟(jì)便捷CPU標(biāo)配的以太網(wǎng)接口，支持 PROFINET、TCP、UDP、Modbus TCP等多種工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)以太互聯(lián)。通過此接口還可與其它PLC觸摸屏、變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)器、上位機(jī)等連網(wǎng)通信。

采集擴(kuò)展模塊采用西門子S7-200 SMART EM AM06，具有4點(diǎn)模擬量輸入/2點(diǎn)模擬量輸出，滿足系統(tǒng)研制需要。

2.2 變頻器選型

根據(jù)灑水系統(tǒng)的電機(jī)功率（11KW），變頻器選用深圳西林公司SD200-4T-18.5G變頻器，SD200系列變頻器是一款高性能矢量型變頻器，主要用于控制和調(diào)節(jié)三相交流異步電機(jī)的速度。是深圳西林公司新一代變頻器技術(shù)升級(jí)產(chǎn)品，SD200采用優(yōu)化的V/F控制以及矢量控制，低頻高轉(zhuǎn)矩輸出，過載能力強(qiáng)，具有良好穩(wěn)定性及動(dòng)態(tài)性能，多種通信總線功能，功能豐富強(qiáng)大，性能穩(wěn)定;具有完善的防跳閘控制及適應(yīng)惡劣電網(wǎng)的能力，可廣泛應(yīng)用于紡織、造紙、拉絲、機(jī)床、包裝、食品、風(fēng)機(jī)、泵類及各種自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)。

2.3 系統(tǒng)控制

上位機(jī)平板電腦可進(jìn)行編程組態(tài)，與可編程控制器（PLC）進(jìn)行無線遠(yuǎn)程通訊控制，對(duì)現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控控制和數(shù)據(jù)采集。

變頻器與電動(dòng)閥門的控制、接線圖見圖3，可編程控制器（PLC）見圖4。

可編程控制器（PLC）有5路輸入信號(hào)（IO2、IO3、IO4、IO5、IO6）分別代表電動(dòng)閥門開到位、電動(dòng)閥門關(guān)到位、手動(dòng)模式、自動(dòng)模式、頻率故障等。通過PLC邏輯編程控制K1、K3、K4繼電器的動(dòng)作，分別控制電機(jī)的自動(dòng)啟動(dòng)、電動(dòng)閥門的打開開、電動(dòng)閥門的關(guān)閉。比如在閥門關(guān)閉的情況下，電機(jī)無法啟動(dòng);頻率故障的情況下，自動(dòng)停機(jī);手動(dòng)模式下，電動(dòng)閥門自動(dòng)打開等。

PLC采集擴(kuò)展模塊有4路模擬輸入（26、28、30、32）分別代表水管壓力、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、流量信號(hào)，并能通過上位機(jī)平板電腦的屏幕顯示出來，根據(jù)邏輯運(yùn)算后輸出2路（40、42），到變頻器轉(zhuǎn)速端子，自動(dòng)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，來實(shí)現(xiàn)通過外界變量控制灑水量的變化。

2.3.1 手動(dòng)模式

當(dāng)選用手動(dòng)模式時(shí)，電機(jī)通過變頻器主回路連接電源，當(dāng)手動(dòng)按鈕閉合時(shí)，K2繼電器動(dòng)作，K2觸點(diǎn)閉合，91、93連接，變頻器開始啟動(dòng)，頻率逐漸變到最大頻率，電機(jī)以最大轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)PLC接收到手動(dòng)模式（IO4）信號(hào)后，控制K3繼電器動(dòng)作，電動(dòng)閥門開啟，灑水作業(yè)開始。當(dāng)手動(dòng)關(guān)閉后，K2繼電器失電，K2觸點(diǎn)斷開，91、93斷開，電機(jī)停止，同時(shí)PLC控制K4繼電器動(dòng)作，電動(dòng)閥門關(guān)閉，灑水作業(yè)停止。

2.3.2 自動(dòng)模式

當(dāng)選用自動(dòng)模式時(shí)，PLC通過邏輯控制K1繼電器動(dòng)作，K1觸點(diǎn)閉合，電機(jī)開始啟動(dòng)，同時(shí)K3繼電器動(dòng)作，K3觸點(diǎn)閉合，電動(dòng)閥門開啟，灑水作業(yè)開始。同時(shí)通過控制灑水量的檔位來改變變頻器的頻率，可以實(shí)現(xiàn)灑水量的變化。當(dāng)停止灑水時(shí)，自動(dòng)模式信號(hào)斷開，PLC通過邏輯控制K1繼電器失電，K1觸點(diǎn)斷開，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)K3繼電器失電，K3觸點(diǎn)斷開，電動(dòng)閥門關(guān)閉，灑水作業(yè)停止。灑水過程中壓力、溫度、濕度、流量信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集顯示。上位機(jī)平板電腦自動(dòng)模式畫面見圖5。

3 鐵路灑水車無線遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)試驗(yàn)

經(jīng)過現(xiàn)場灑水試驗(yàn)，灑水車作業(yè)人員可以快速、及時(shí)打開（關(guān)閉）灑水系統(tǒng)，靈活性高，作業(yè)過程中可以車上控制，不用上下車，不僅提升了作業(yè)效率，同時(shí)也消除上下車與鐵路鄰線間不安全因素，保障了人員安全。同時(shí)，為了避免干擾，系統(tǒng)采用模擬信號(hào)進(jìn)行PLC與變頻器的互聯(lián)，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

通過鐵路灑水車無線遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的研制，避免老系統(tǒng)故障頻繁的現(xiàn)象，并且比較之前系統(tǒng)有改進(jìn)，方便操作，并能直觀顯示，為灑水車進(jìn)一步的應(yīng)用與開發(fā)提供有益的參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 林勝福、范春峰. 神華鐵路灑水車的研制[J]. 機(jī)車車輛工藝. 2015（04）

作者簡介：

郭建良，男，47歲，工作單位：國家能源鐵路裝備神維分公司肅寧工務(wù)機(jī)械段，職務(wù)：干事，職稱：高級(jí)工程師，畢業(yè)院校：長沙鐵道學(xué)院，所學(xué)專業(yè)：起重運(yùn)輸與工程機(jī)械。