基于PLC的变频牵引机车智能控制系统

孙志洪，王 骞，张立秀

(1.中铁隧道装备制造有限公司，郑州 450003;2.武汉工业职业技术学院，武汉 430064)

0 引言

随着变频牵引机车越来越广泛地应用于地铁隧道的工程施工［1］，其控制系统正不断地得到发展和完善［2］。大多数机车的控制系统基本上都可以通过对变频器的多段速控制来满足用户的使用需求［3］。但是，目前多数机车都采用单片机组成的控制系统［4］，通过自行加工的电路板实现系统的控制，由若干数码显示表显示运行参数［5－6］。整个系统不但运行速度慢、功能单一、操作界面信息量小，而且系统的稳定性、可维护性、可扩展性较差，使用过程中出现故障时，在问题的排查、维修等方面都存在一定的弊端。

本系统采用PLC作为控制系统的核心，以触摸屏作为人机界面，不但扩展了机车智能控制等各方面的功能，而且使操作界面更加方便、丰富和美观，系统的可扩展、可维护等性能得到显著改善。

1 控制系统构成与通讯

机车控制系统主要由Siemens S7－200 224XP PLC、TP177Micro触摸屏、MD380变频器3部分组成，见图1。

图1 机车控制系统构成示意图Fig.1 Structure of locomotives control system

Siemens S7－200 224XP PLC配置了2个串行通讯口。其中Port 1口为PPI通讯口，用于PLC与TP177Micro触摸屏通讯，并在设备调试时用于PLC程序的下载及监控［7］;Port 0口为Modbus自由口，此口连接于MD380变频器的Modbus通讯卡，通过编写PLC程序采用Modbus RTU协议与这些设备进行总线通讯［8］。

PLC通过Modbus通讯实现与变频器的数据交换，将变频器的运行频率、电流及母线电压等参数读入PLC，并将扭矩限幅、频率限制等控制参数传入变频器，从而实现PLC对变频器的监视与控制。同时，PLC通过通讯将变频器的工作状态和故障信息采集处理后传送至触摸屏。

机车气路刹车系统由变频器、空气压缩机、储气罐、压力继电器、气路和刹车气缸等部件组成。空气压缩机由7.5 kW变频器在压力检测继电器信号的控制下间歇性工作，空气压缩机变频器参数设置为端子控制启停50 Hz恒频率运行模式。压力继电器通过给变频器端子启动信号，控制气罐空气压力保持在设定范围内。与传统机车刹车系统不同，气路刹车控制阀改进为继动阀，当踩下制动踏板时，制动阀的输出气压作为继动阀的控制压力输入，在控制压力作用下将进气阀推开，于是压缩空气便由储气罐直接通过进气口进入制动缸，而不用流经制动阀。这大大缩短了制动罐的充气管路，加速了刹车过程。

操作台控制的档位、按钮等信号也接入PLC的数字量输入通道，刹车力检测传感器等信号接入PLC的模拟量输入通道。PLC通过Modbus通讯实现对变频器的状态监测，通过数字量输出以多段速的控制方式实现对变频器的运行控制。同时，PLC采用西门子专用的PPI通讯与TP177Micro人机界面进行数据交换，将丰富、直观的操作界面呈现给司机［9］。机车操作面板如图2所示。

图2 操作面板Fig.2 Operation panel

操作台除了常用的控制按钮和档位操作手柄以外，将报警指示灯和人机触摸屏的界面倾斜布置，以满足操作人员的舒适度需求，使操作司机的视线更加开阔。将触摸屏应用于机车控制系统大大丰富了司机操作界面的信息量。触摸屏人机界面如图3所示。

图3 触摸屏监控页面Fig.3 Monitoring of touch screen

触摸屏可以实现实时显示机车的运行方向(前进或后退)、行驶速度、当前档位、驱动电流、电压、扭矩、刹车力和电瓶剩余电量等状态信息和机车运行故障信息，尤其是触摸屏与PLC的结合实现了强大的报警提示功能。PLC、变频器和其他重要部件的检测参数与状态信息都被列为报警系统监视的条目，系统各状态与参数出现异常时报警界面将自动弹出，并及时显示故障的具体内容与排除问题的建议，不仅对司机的操作起到了很好的提示作用，而且使维修人员对设备故障的判断更加方便。

2 变频驱动系统

变频驱动采用1台变频器带动2台相同型号和规格参数的电机。为了实现低速大扭矩的起动要求，控制模式在自整定后修改为“无传感器矢量控制”方式，起动扭矩得到显著提升［10］。

通常变频器的控制主要有3种形式，即面板操作、端子控制及通讯控制。面板控制通常用于变频器的初始调试与维修，端子控制及通讯控制通常用于外部控制。由于Modbus串口通讯控制在速度上要略慢于端子控制，变频器输入端子通道的数量有限，而通讯控制则基本上不受硬件资源的限制。综合考虑2方面的有利因素，本系统在控制方式上将2者相结合，重要控制功能由端子控制来实现，辅之以通讯控制，即:机车行驶的5个档位速度设置于变频器多段速参数中，采用变频器的3个DI端子实现多段速控制，另外2个DI为启停和正反转控制信号。同时，根据智能控制的需要，机车控制系统在过载等特殊情况下需要暂时自动减速，如果强制降低速度档位，不但引起速度的突变，而且造成司机对机车可控性的误解;因此，本系统采用通过通讯方式修改变频器的上限频率参数，从而实现了机车速度的平稳过渡。此外，PLC与变频器的Modbus通讯实现了电流限幅、力矩限幅、减速时间等控制参数的修改，以及变频器运行状态的动态数据采集。由于变频器传送至PLC的信息和数据量较大，变频器仅有的一路DO端子输出不能满足要求，故所有数据都通过串口通讯传送至PLC。

3 智能控制功能

1)报警功能。当机车出现故障需要报警提示时，系统将启动报警功能，面板报警灯闪烁并发出间断的报警声音，同时显示屏将自动切换到报警页面，报警信息栏显示触发报警的原因。

2)防晕睡功能。为了防止司机麻弊大意，设置防晕睡功能。当机车处于某一行驶档位正常行驶时，如果司机在30 s内不进行换档等操作，在控制屏上执行1次“叫醒”操作;如果超过5min而没有任何换档或上位机叫醒操作时，即触发防晕睡功能。防晕睡功能启动后，报警系统运行，同时机车将不受档位控制按照设定的曲线自动减速直至停车。

3)过载保护功能。当电机工作电流超过PLC设定值持续超过3 s后，即触发过载保护功能，报警功能启动提醒司机注意并降低档位;如果持续10 s电流仍维持在设定值以上，则PLC将控制变频器的输出频率从当前运行频率以2 Hz/s的速度降低，直到输出电流恢复到门限值以下;当过流故障消除后，系统自动恢复到操作手柄设定的档位运行。

4)紧急停车。当机车处于行车状态出现各种紧急情况时，司机按下紧急停车按钮，此时PLC将停止档位输出，并且通过通讯方式将PLC减速时间自动修改至系统可能承受的最低值，变频器控制电机以最短的时间停车，从而实现电机对机车的制动功能。电机再生制动的电能经变频器的直流母线反馈给机车电瓶充电，同时，刹车电磁阀失电刹车，机车在电制动与气路刹车制动双重作用下减速制动，从而保证机车以最短的时间停车，同时启动系统报警功能。

4 应用效果

基于PLC控制的变频牵引机车已经成功应用于西安地铁施工中。经过半年以来的实践证明，与其他机车相比较，通过矢量控制参数的调整，机车在低速带载启动，尤其在坡道起步工况下，输出扭矩明显增大;PLC智能控制与安全保障功能应用效果良好，刹车系统反应更加敏捷、有力，提高了机车行车的安全性;人机界面更加直观、丰富，操作司机对机车各系统工作状态信息的获取更加方便，整体使用效果良好。

5 结论与讨论

将PLC和触摸屏引入变频牵引机车的控制系统不仅在人机界面、使用功能、安全可靠性等方面有了很大改善，并且系统的稳定性及机车使用功能的扩展、系统的维修与调试也更加方便。为将来实现机车遥控操作、安全定位操作等综合操作功能提供有利条件，这对将来新一代更加智能、高效、安全及人性化的隧道施工机械的开发和研究具有一定的参考与借鉴意义。

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［3］ 张晓娟.变频调速在矿用蓄电池电机车上的应用研究［D］.安徽:安徽理工大学电力电子与电力传动专业，2006.(ZHANG Xiaojuan.The research on the application of frequency conversion speed control for battery locomotive in coal mine［D］.Anhui:Power Electronics and Power Transmission，Anhui University of Science and Technology，2006.(in Chinese))

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［6］ 马素平，沈旭明.矿用电机车变频调速的研究［J］.煤矿机电，2001(2):8－9，14.

［7］ 西门子(中国)有限公司.深入浅出西门子S7－200PLC［M］.北京:航空航天大学出版社，2007.

［8］ 刘恩博.组态软件数据采集与串口通信测控应用实战［M］.北京:人民邮电出版社，2010.

［9］ 廖常初.西门子人机界面(触摸屏)组态与应用技术［M］.北京:机械工业出版社，2008.

［10］ 马小亮.高性能变频调速及其典型控制系统［J］.电气传动，2010(12):9.