基于PLC的機(jī)車司機(jī)控制器檢測(cè)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(jī)車司機(jī)控制器的故障現(xiàn)象和檢測(cè)方法，根據(jù)司機(jī)控制器的開(kāi)關(guān)動(dòng)作邏輯關(guān)系，采用PLC設(shè)計(jì)了司機(jī)控制器檢測(cè)裝置，并給出了詳細(xì)的外部接線和程序設(shè)計(jì).該裝置現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用效果良好，保證了司機(jī)控制器的生產(chǎn)質(zhì)量.

[關(guān)鍵詞]機(jī)車；司機(jī)控制器；PLC；檢測(cè)裝置[收稿日期]2015-08-02

[基金項(xiàng)目]江西省教改課題(項(xiàng)目編號(hào)：JXJG-13-5-1).

[作者簡(jiǎn)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(hào)]U260.36 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

0引言

司機(jī)控制器是司機(jī)操縱機(jī)車運(yùn)行的主令電器，其動(dòng)作的好壞直接影響到機(jī)車各種工況的實(shí)現(xiàn)以及平穩(wěn)操縱性能[1].司機(jī)控制器常見(jiàn)的故障有機(jī)械故障、電氣觸點(diǎn)的邏輯故障、電位器故障.機(jī)械故障主要表現(xiàn)為手柄操作困難、位移量過(guò)大或卡死；電氣觸點(diǎn)的邏輯故障主要表現(xiàn)為開(kāi)閉邏輯關(guān)系混亂，該閉合的未閉合該斷開(kāi)的未斷開(kāi)，造成車輛設(shè)備接收錯(cuò)誤指令產(chǎn)生誤動(dòng)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(dòng)連續(xù)平滑變化，如不變則會(huì)喪失牽引力或制動(dòng)力，如出現(xiàn)跳動(dòng)，則會(huì)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(jī)控制器的生產(chǎn)質(zhì)量，檢修質(zhì)量，驗(yàn)證其動(dòng)作的可靠性尤為重要.本文介紹的檢測(cè)裝置，以PLC為控制核心，對(duì)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(jī)車司機(jī)控制器的出廠檢測(cè)及地鐵公司的故障維修后檢測(cè).

圖1　觸點(diǎn)Kx檢測(cè)電路圖　　　　圖2　硬件設(shè)計(jì)框圖

1檢測(cè)方法

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

電位器輸出特性檢測(cè)：主要對(duì)輸出的最大、最小電壓以及是否連續(xù)進(jìn)行測(cè)定，可以通過(guò)繪制時(shí)間電壓曲線和級(jí)位電壓曲線，時(shí)間電壓曲線可以檢測(cè)電位器是否存在接觸不良、輸出電壓曲線是否穩(wěn)定，級(jí)位電壓曲線可檢測(cè)輸出電壓是否平滑連續(xù)[2].該部分通過(guò)給電位器施加10V電壓，采用模擬量輸入模塊FX-2AD來(lái)檢測(cè)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(jī)車司機(jī)控制器為例，共有7個(gè)觸點(diǎn)和1個(gè)電位器需要檢測(cè)，選用兩開(kāi)兩閉的繼電器，對(duì)每個(gè)觸點(diǎn)的接線端均需設(shè)置一個(gè)繼電器，共需要14個(gè).選用FX2N-48MR型的PLC，其硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示.根據(jù)上圖1所示，對(duì)繼電器進(jìn)行編號(hào)，換向閉合表的換向閉合表第3個(gè)觸點(diǎn)，其編號(hào)的十位數(shù)字用3表示，個(gè)位用1表示左端(即線號(hào)353端)，個(gè)位用2表示右端(即線號(hào)502端)，如是調(diào)速的閉合表的第3個(gè)觸點(diǎn)，則十位用3，個(gè)位用3或4分別表示左端(即線號(hào)505)或右端(即線號(hào)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(jì)

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(jì)了檢測(cè)程序.檢測(cè)的流程是先讀取換向手柄零位、調(diào)速手柄零位的觸點(diǎn)閉合值，對(duì)該狀態(tài)閉合的觸點(diǎn)進(jìn)行接觸電阻測(cè)量，然后再依次對(duì)換向手柄前進(jìn)位、調(diào)速手柄有級(jí)位狀態(tài)，換向手柄后退位、調(diào)速手柄有級(jí)位狀態(tài)下的觸點(diǎn)狀態(tài)、接觸電阻值和電位器輸出電壓值進(jìn)行測(cè)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(jí)位時(shí)的檢測(cè)為例，設(shè)計(jì)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(jí)位時(shí)，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(cè)到的觸點(diǎn)狀態(tài)保存到以M10開(kāi)始的8位元件中，完成觸點(diǎn)狀態(tài)的檢測(cè).步進(jìn)梯形圖中M21-M25由上位機(jī)對(duì)PLC進(jìn)行設(shè)置，控制程序進(jìn)程，保證上位機(jī)能獲得穩(wěn)定的數(shù)據(jù).當(dāng)X0確實(shí)得電，即換向閉合表的第3個(gè)觸點(diǎn)是閉合的，此時(shí)使Y0、Y1(即繼電器KA31、KA32得電)，進(jìn)行接觸電阻的測(cè)量.接觸電阻采用低電阻測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量，只有得到穩(wěn)定的數(shù)據(jù)后，才對(duì)M21進(jìn)行復(fù)位，同時(shí)對(duì)M22進(jìn)行置位，開(kāi)始對(duì)換向閉合表第6個(gè)觸點(diǎn)的接觸電阻進(jìn)行測(cè)量.對(duì)電位器輸出電壓的測(cè)量，由FX-2AD模擬量輸入模塊實(shí)現(xiàn)[3].其程序如圖6所示，首先通過(guò)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(dòng)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(jí)位時(shí)檢測(cè)步進(jìn)梯形圖　　　　　圖6　電位器檢測(cè)梯形圖

4PLC與上位機(jī)的通信

上位機(jī)可視化程序需要對(duì)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(jī))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(dòng)發(fā)出信息.一次讀寫操作的步驟包括：首先上位機(jī)發(fā)出讀寫命令，PLC作出接收正確的響應(yīng)，上位機(jī)接到此響應(yīng)則發(fā)出確認(rèn)申請(qǐng)命令，PLC則完成正確的讀寫響應(yīng)，回應(yīng)給上位機(jī)數(shù)據(jù)[4].

本次設(shè)計(jì)所選的通信控制順序?yàn)榭刂祈樞?，其讀寫申請(qǐng)通信格式為：

ENQ站號(hào)PC號(hào)指令報(bào)文等待字符區(qū)(軟元件的范圍)和校驗(yàn)碼

PLC讀出數(shù)據(jù)的響應(yīng)格式：

STX站號(hào)PC號(hào)字符區(qū)(軟元件數(shù)據(jù))ETX和校驗(yàn)碼

PLC寫入數(shù)據(jù)的響應(yīng)格式：

ACK或NAK站號(hào)PC號(hào)出錯(cuò)代碼(NAK時(shí))

其中，站號(hào)表示上位機(jī)選擇通信的PLC的編號(hào)，范圍為00H～0FH.PC號(hào)固定為FFH.指令包括BR(以1點(diǎn)為單位讀出位軟元件)、WR(以16點(diǎn)為單位讀出位軟元件，以1點(diǎn)為單位讀出字軟元件)、BW(以1點(diǎn)為單位寫入位軟元件)、 WW(以16點(diǎn)為單位寫入位軟元件，以1點(diǎn)為單位寫入字軟元件)等.報(bào)文等待：由于使用計(jì)算機(jī)發(fā)送信息后，到變?yōu)榻邮諣顟B(tài)為止需要一定時(shí)間，報(bào)文等待按照10ms為1H，范圍為0H～FH.和校驗(yàn)碼：將從站號(hào)開(kāi)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(yùn)算，并將其結(jié)果(求和值)的低位1個(gè)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(gè)通信控制字符.ENQ(05H)為計(jì)算機(jī)發(fā)出請(qǐng)求.STX(02H)為信息幀開(kāi)始標(biāo)記.ETX(03H)為信息幀結(jié)束標(biāo)記.ACK(06H)為PLC對(duì)ENQ的確認(rèn)回答.NAK(15H)為PLC對(duì)ENQ的否認(rèn)回答.在計(jì)算機(jī)鏈接通信過(guò)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(guò)設(shè)定D8120對(duì)通信協(xié)議進(jìn)行設(shè)置，數(shù)據(jù)寄存器D8121用于計(jì)算機(jī)鏈接中設(shè)定本站的站號(hào).在站號(hào)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(jì)算機(jī)接收數(shù)據(jù)中斷時(shí)開(kāi)始，到出錯(cuò)為止的判斷時(shí)間.對(duì)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(shí)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(yàn)，站號(hào)為0，超時(shí)判定時(shí)間為60ms.

5結(jié)語(yǔ)

采用PLC開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的機(jī)車司機(jī)控制器檢測(cè)裝置已在現(xiàn)場(chǎng)投入使用，該裝置能對(duì)開(kāi)關(guān)動(dòng)作邏輯、觸頭電阻和電位器輸出特性進(jìn)行半自動(dòng)測(cè)量和試驗(yàn)，保證了司機(jī)控制器的生產(chǎn)質(zhì)量和檢修質(zhì)量.同時(shí)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(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，有助于學(xué)生對(duì)步進(jìn)順控和計(jì)算機(jī)鏈接通信的學(xué)習(xí).

參考文獻(xiàn)

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[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