南 濤,胡建功,宋明龍

蘭州局集團(tuán)公司蘭州西機(jī)務(wù)段,甘肅 蘭州 730000

0 引言

我國(guó)鐵路機(jī)車基本都裝備了空調(diào)系統(tǒng)?？照{(diào)是機(jī)車運(yùn)行過(guò)程重要的生活保障,是司機(jī)開(kāi)車運(yùn)行中必不可少的設(shè)備,電力機(jī)車的空調(diào)一年四季都在運(yùn)行,為機(jī)車乘務(wù)員提供良好舒服的司乘環(huán)境,確保機(jī)車運(yùn)行安全正點(diǎn)[1]。TTK3-5.0DD機(jī)車空調(diào)是SS7E機(jī)車上重要設(shè)備之一,安裝在機(jī)車司機(jī)室大蓋頂部,具有制熱和制冷2種工作模式,其能否正常工作,直接關(guān)系機(jī)車駕駛是否安全。

2022年,蘭西機(jī)務(wù)段機(jī)車檢修計(jì)劃上線,現(xiàn)有的空調(diào)檢修設(shè)備無(wú)法落實(shí)檢修工藝對(duì)其進(jìn)行整機(jī)性能試驗(yàn),機(jī)車空調(diào)故障頻發(fā),先后造成返工修12起,空調(diào)檢修試驗(yàn)設(shè)備的缺乏拖慢了檢修進(jìn)度。為響應(yīng)蘭州局集團(tuán)公司“節(jié)支降耗”要求,實(shí)現(xiàn)空調(diào)機(jī)組性能試驗(yàn),落實(shí)直流機(jī)車檢修工藝,保障直流機(jī)車檢修進(jìn)度,提升機(jī)車空調(diào)檢修質(zhì)量,對(duì)直流機(jī)車空調(diào)檢修和試驗(yàn)進(jìn)行技術(shù)攻關(guān),設(shè)計(jì)制造機(jī)車空調(diào)試驗(yàn)臺(tái)。

1 試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 主電路設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺(tái)的主電路主要由5部分組成(見(jiàn)圖1),其中設(shè)主接觸器4個(gè),由PLC輸出點(diǎn)位Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4分別驅(qū)動(dòng)K1、K2、K3、K4接觸器。K1接觸器為通風(fēng)機(jī)工作提供電源,K2接觸器為冷凝風(fēng)機(jī)工作提供電源、K3接觸器為壓縮機(jī)提供工作電源,K4接觸器為電加熱器提供工作電源。設(shè)熱磁繼電器3個(gè),分別為Q1、Q2、Q3。熱磁繼電器與各電機(jī)串聯(lián)用以檢測(cè)各電機(jī)過(guò)流、缺相等,起到保護(hù)電機(jī)作用;設(shè)2個(gè)斷路器分別為Q4、QS。Q4為電加熱支路空氣斷路器,在電加熱支路發(fā)生短路時(shí)起保護(hù)作用。QS為散熱系統(tǒng)、備用插座及燈顯系統(tǒng)提供220 V電源。

圖1 主電路原理圖

1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)由用戶通過(guò)觸摸屏輸入控制信號(hào),PLC接收到觸摸屏的命令后驅(qū)動(dòng)相應(yīng)電路為機(jī)組提供工作電源,并采集顯示機(jī)組工作電流信息,為用戶檢修作業(yè)提供技術(shù)指導(dǎo)。

控制電路工作時(shí),人機(jī)交互界面采用威綸通觸摸屏作為上位機(jī)系統(tǒng),與下位機(jī)西門子 S7-200系列CPU224、電流巡檢儀通過(guò)RS485總線連接。下位機(jī)PLC系統(tǒng)輸入有高低壓保護(hù)信號(hào)、溫度繼電器信號(hào);輸出有五路接觸器吸合信號(hào),分別為通風(fēng)機(jī)接觸器K1、冷凝風(fēng)機(jī)接觸器K2、壓縮機(jī)接觸器K3、電加熱接觸器K4、故障燈接觸器K5?？刂齐娐啡鐖D2所示。

圖2 控制電路示意圖

1.3 關(guān)鍵器件選擇

工控觸摸屏作為人機(jī)交互界面,相比傳統(tǒng)的按鈕和開(kāi)關(guān)控制方式,具有界面直觀、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、可靠性高等特點(diǎn),大大提高了工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化水平。而威綸通觸摸屏是一種新型的觸摸屏技術(shù),它可以提供更高的精度和更快的響應(yīng)速度,性能十分高,內(nèi)置通信驅(qū)動(dòng),3種串行通信端口,可直接與多數(shù)PLC通信內(nèi)置以太網(wǎng)端口,提供快速的資料交換功能內(nèi)置USB接口。基于上述因素,人機(jī)交互界面選擇威綸通cMT2167X觸摸屏。

S7-200是一種具有較強(qiáng)控制能力的小型可編程序控制器,與工控機(jī)相比,具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、安裝方便、編程簡(jiǎn)單、體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)[2]。CPU224集成14輸入/10輸出共24個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn),1個(gè)RS485通信/編程口,具有PPI通信協(xié)議、MPI通信協(xié)議和自由方式通信能力[3]。I/O端子排可較容易地整體拆卸?；谏鲜鎏攸c(diǎn)和控制點(diǎn)位需求綜合比較,選擇CPU224作為試驗(yàn)臺(tái)控制器。

電流采集設(shè)備選擇4路交流電流變送檢測(cè)模塊(電流巡檢儀),量程0～50 A,精度0.1 A。4路同步采樣相互獨(dú)立,默認(rèn)ModbusRTU標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,隔離RS485通信輸出,測(cè)真有效值,撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)置,支持PLC、組態(tài)軟件、觸摸屏、無(wú)線DTU模塊、串口通信等工業(yè)級(jí)產(chǎn)品,穩(wěn)定性強(qiáng),價(jià)格便宜,性價(jià)比高,精度高,抗干擾強(qiáng),電流穿孔,導(dǎo)軌安裝,使用簡(jiǎn)單。

觸摸屏、電流巡檢儀、PLC通過(guò)RS485通信線纜連接,如圖3所示。

圖3 接口對(duì)應(yīng)關(guān)系

1.4 軟件設(shè)計(jì)

可視化界面設(shè)計(jì)采用EasyBulider Pro,即威綸通觸摸屏人機(jī)界面的專用編程軟件,簡(jiǎn)稱“EBpro”軟件添加設(shè)備,根據(jù)觸摸屏說(shuō)明書9針母座串口A支持2組RS485 2W,分別為COM1、COM3,滿足同時(shí)與電流巡檢儀和PLC通信,添加電流巡檢儀為MODBUS RTU,通信口設(shè)定COM3,通信波特率為9 600,無(wú)校驗(yàn),8數(shù)據(jù)位,1停止位;添加PLC為Siemens S7-200,通信口設(shè)定COM1,通信波特率為9 600 bit/s,偶校驗(yàn),8數(shù)據(jù)位,1停止位。設(shè)備信息如圖4所示。

圖4 設(shè)備信息

電流巡檢儀訪問(wèn)4通道數(shù)據(jù)地址分別為：4X,30#76-79,S7-200PLC訪問(wèn)地址同S7-200寄存器地址,例如Q0.1等。

設(shè)計(jì)人機(jī)交互操作顯示畫面如圖5所示。其中主試驗(yàn)界面由機(jī)組試驗(yàn)信息部分、警告提示部分、機(jī)組選擇頁(yè)面等組成。且預(yù)留HXD1C、HXD1、HXD2機(jī)車空調(diào)試驗(yàn)頁(yè)面供后續(xù)升級(jí)。

圖5 主試驗(yàn)界面

主試驗(yàn)界面下部機(jī)組選擇部分由功能鍵FK0～5對(duì)應(yīng)PLC寄存器地址M0.1～0.3的值,為1時(shí)做到切換界面的同時(shí)選擇PLC子程序,功能鍵突出顯示表示選擇為當(dāng)前頁(yè)面。通過(guò)文字批注元件TX0～6和字符顯示元件AE0～4以及項(xiàng)目選單元件OL0創(chuàng)建并顯示試驗(yàn)信息,同時(shí)將信息通過(guò)寄存器地址LW傳輸至試驗(yàn)數(shù)據(jù)頁(yè)面,通過(guò)數(shù)值元件NE改變對(duì)應(yīng)PLC寄存器VW的值來(lái)設(shè)置制熱制冷時(shí)間。通過(guò)位狀態(tài)切換開(kāi)關(guān)元件TS0～3選擇空調(diào)工作模式,其對(duì)應(yīng)PLC寄存器M3.1、3.2、3.5,為防止誤動(dòng)作,設(shè)置長(zhǎng)按0.2 s切換動(dòng)作。通過(guò)位狀態(tài)指示燈BL1對(duì)應(yīng)PLC Q0.7。燈亮表示當(dāng)前故障已發(fā)生,燈滅表示試驗(yàn)正常。通過(guò)事件登錄編寫事件對(duì)應(yīng)關(guān)系,設(shè)置故障顯示元件顯示報(bào)警信息。

使用STEP 7 MicroWIN SP9編寫PLC程序,采用梯形圖語(yǔ)言,根據(jù)控制系統(tǒng)要求,把主程序設(shè)計(jì)為3大模塊,每個(gè)模塊對(duì)應(yīng)系統(tǒng)相應(yīng)的工作模式,如圖6所示。

圖6 程序結(jié)構(gòu)示意

SS7E空調(diào)試驗(yàn)控制程序分為手動(dòng)制熱、手動(dòng)制冷和自動(dòng)模式3種,當(dāng)自動(dòng)按鈕動(dòng)作時(shí),空調(diào)工作過(guò)程為通風(fēng)—制熱—制冷—通風(fēng)—停止。其中機(jī)組動(dòng)作順序?yàn)镵1接觸器吸合通風(fēng)機(jī)啟動(dòng)通風(fēng),隨后K4接觸器吸合電加熱啟動(dòng)制熱,K4接觸器斷開(kāi)電加熱停止,K2接觸器吸合冷凝風(fēng)機(jī)啟動(dòng),K3接觸器吸合壓縮機(jī)啟動(dòng)制冷,K2、K3接觸器斷開(kāi)制冷停止,K1接觸器斷開(kāi)通風(fēng)停止。手動(dòng)模式為制熱和制冷2種,其中制熱工作過(guò)程為通風(fēng)—制熱—通風(fēng)—停止;制冷工作過(guò)程為通風(fēng)—制冷—通風(fēng)—停止。

軟件控制原理：在M0.3值為1時(shí)啟動(dòng),分為手動(dòng)(M3.5值為0時(shí))和自動(dòng)(M3.5值為1時(shí))2種模式,控制過(guò)程以自動(dòng)模式工作為例,系統(tǒng)啟動(dòng)自檢,無(wú)故障(I0.0～0.2值為1,I0.3～0.5值為0)時(shí),啟動(dòng)通風(fēng)機(jī)(Q0.1值為1),經(jīng)過(guò)定時(shí)器T41延時(shí)啟動(dòng)電加熱(Q0.4值為1),加熱至定時(shí)器T46所設(shè)定時(shí)長(zhǎng),加熱停止(Q0.4值為0)。同時(shí)定時(shí)器T50延時(shí)2 s后啟動(dòng)冷凝風(fēng)機(jī)(Q0.2值為1)制冷模式開(kāi)始,經(jīng)過(guò)定時(shí)器T44啟動(dòng)壓縮機(jī)(Q0.3值為1),制冷工作至定時(shí)器T47所設(shè)定時(shí)長(zhǎng),制冷停止(Q0.2、Q0.3值為0)。經(jīng)過(guò)定時(shí)器T48延時(shí)通風(fēng)機(jī)停止(Q0.1值為0)自動(dòng)模式結(jié)束運(yùn)行。

1.5 外接電路設(shè)計(jì)

為方便試驗(yàn)及試驗(yàn)臺(tái)維護(hù),試驗(yàn)臺(tái)外接電路采用組合式航空插頭設(shè)計(jì),試驗(yàn)時(shí)按需接插外部試驗(yàn)插頭,試驗(yàn)完畢及時(shí)存放線纜,操作方便快捷。圖7為空調(diào)機(jī)組各風(fēng)機(jī)加熱體等與試驗(yàn)臺(tái)連接電纜插頭對(duì)接詳細(xì)信息示意圖。

圖7 連接插頭編號(hào)示意

1.6 柜體設(shè)計(jì)

柜體分為控制顯示區(qū)和線纜存放區(qū),控制顯示區(qū)由觸摸屏、急停開(kāi)關(guān)、電源開(kāi)關(guān)、電源顯示燈、工作狀態(tài)燈組成。系統(tǒng)控制電器線路部分安置于左側(cè)箱體內(nèi)部,外部為顯示控制區(qū),使試驗(yàn)線路集中于柜體內(nèi)便于維護(hù)。使用AutoCAD繪制柜體尺寸圖,采用SolidWorks進(jìn)行柜體外觀設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)圖如圖8(a)所示,實(shí)物如圖8(b)所示。

圖8 柜體外觀設(shè)計(jì)

2 應(yīng)用效果

空調(diào)檢修完成后,檢測(cè)機(jī)組各部分絕緣阻值是否滿足要求,連接機(jī)組與試驗(yàn)臺(tái)電纜,進(jìn)行機(jī)組性能試驗(yàn)。試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)用后可完成對(duì)機(jī)車空調(diào)的整機(jī)性能試驗(yàn)需求,能夠?qū)νL(fēng)機(jī)、冷凝風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、電加熱加熱體、溫度保護(hù)、高低壓壓力保護(hù)進(jìn)行性能試驗(yàn)?？赏ㄟ^(guò)觸摸屏直觀顯示空調(diào)運(yùn)行時(shí)的各種電流、電壓數(shù)據(jù),發(fā)揮自動(dòng)化設(shè)備帶來(lái)的優(yōu)勢(shì),極大提升檢修效率。

SS7E機(jī)車空調(diào)完全攻克試驗(yàn)技術(shù)壁壘,故障空調(diào)外修數(shù)量直線下降,自主修水平明顯提高,節(jié)約成本預(yù)計(jì)達(dá)32萬(wàn)元,經(jīng)濟(jì)效果明顯。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于威綸通觸摸屏和PLC制作了一種機(jī)車空調(diào)試驗(yàn)臺(tái),設(shè)計(jì)了觸摸屏可視化操作界面、編寫了PLC控制軟件,試驗(yàn)臺(tái)具有交互友好、使用簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì),在機(jī)車空調(diào)機(jī)組性能試驗(yàn)中的應(yīng)用具有十分重要的意義,給鐵路運(yùn)輸設(shè)備檢修帶來(lái)了積極促進(jìn)的作用。其在機(jī)車空調(diào)檢修相關(guān)單位推廣前景非?？捎^,為機(jī)車運(yùn)輸行業(yè)檢修設(shè)施提供了堅(jiān)實(shí)的力量。