一種機車空調試驗臺設計

南 濤,胡建功,宋明龍

蘭州局集團公司蘭州西機務段,甘肅 蘭州 730000

0 引言

我國鐵路機車基本都裝備了空調系統?？照{是機車運行過程重要的生活保障,是司機開車運行中必不可少的設備,電力機車的空調一年四季都在運行,為機車乘務員提供良好舒服的司乘環境,確保機車運行安全正點[1]。TTK3-5.0DD機車空調是SS7E機車上重要設備之一,安裝在機車司機室大蓋頂部,具有制熱和制冷2種工作模式,其能否正常工作,直接關系機車駕駛是否安全。

2022年,蘭西機務段機車檢修計劃上線,現有的空調檢修設備無法落實檢修工藝對其進行整機性能試驗,機車空調故障頻發,先后造成返工修12起,空調檢修試驗設備的缺乏拖慢了檢修進度。為響應蘭州局集團公司“節支降耗”要求,實現空調機組性能試驗,落實直流機車檢修工藝,保障直流機車檢修進度,提升機車空調檢修質量,對直流機車空調檢修和試驗進行技術攻關,設計制造機車空調試驗臺。

1 試驗臺設計

1.1 主電路設計

試驗臺的主電路主要由5部分組成(見圖1),其中設主接觸器4個,由PLC輸出點位Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4分別驅動K1、K2、K3、K4接觸器。K1接觸器為通風機工作提供電源,K2接觸器為冷凝風機工作提供電源、K3接觸器為壓縮機提供工作電源,K4接觸器為電加熱器提供工作電源。設熱磁繼電器3個,分別為Q1、Q2、Q3。熱磁繼電器與各電機串聯用以檢測各電機過流、缺相等,起到保護電機作用;設2個斷路器分別為Q4、QS。Q4為電加熱支路空氣斷路器,在電加熱支路發生短路時起保護作用。QS為散熱系統、備用插座及燈顯系統提供220 V電源。

圖1 主電路原理圖

1.2 控制系統設計

控制系統由用戶通過觸摸屏輸入控制信號,PLC接收到觸摸屏的命令后驅動相應電路為機組提供工作電源,并采集顯示機組工作電流信息,為用戶檢修作業提供技術指導。

控制電路工作時,人機交互界面采用威綸通觸摸屏作為上位機系統,與下位機西門子 S7-200系列CPU224、電流巡檢儀通過RS485總線連接。下位機PLC系統輸入有高低壓保護信號、溫度繼電器信號;輸出有五路接觸器吸合信號,分別為通風機接觸器K1、冷凝風機接觸器K2、壓縮機接觸器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 關鍵器件選擇

工控觸摸屏作為人機交互界面,相比傳統的按鈕和開關控制方式,具有界面直觀、操作簡單、維護方便、可靠性高等特點,大大提高了工業生產的自動化水平。而威綸通觸摸屏是一種新型的觸摸屏技術,它可以提供更高的精度和更快的響應速度,性能十分高,內置通信驅動,3種串行通信端口,可直接與多數PLC通信內置以太網端口,提供快速的資料交換功能內置USB接口?；谏鲜鲆蛩?人機交互界面選擇威綸通cMT2167X觸摸屏。

S7-200是一種具有較強控制能力的小型可編程序控制器,與工控機相比,具有可靠性高、抗干擾能力強、安裝方便、編程簡單、體積小、功耗低等優點[2]。CPU224集成14輸入/10輸出共24個數字量I/O點,1個RS485通信/編程口,具有PPI通信協議、MPI通信協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和控制點位需求綜合比較,選擇CPU224作為試驗臺控制器。

電流采集設備選擇4路交流電流變送檢測模塊(電流巡檢儀),量程0～50 A,精度0.1 A。4路同步采樣相互獨立,默認ModbusRTU標準協議,隔離RS485通信輸出,測真有效值,撥碼開關設置,支持PLC、組態軟件、觸摸屏、無線DTU模塊、串口通信等工業級產品,穩定性強,價格便宜,性價比高,精度高,抗干擾強,電流穿孔,導軌安裝,使用簡單。

觸摸屏、電流巡檢儀、PLC通過RS485通信線纜連接,如圖3所示。

圖3 接口對應關系

1.4 軟件設計

可視化界面設計采用EasyBulider Pro,即威綸通觸摸屏人機界面的專用編程軟件,簡稱“EBpro”軟件添加設備,根據觸摸屏說明書9針母座串口A支持2組RS485 2W,分別為COM1、COM3,滿足同時與電流巡檢儀和PLC通信,添加電流巡檢儀為MODBUS RTU,通信口設定COM3,通信波特率為9 600,無校驗,8數據位,1停止位;添加PLC為Siemens S7-200,通信口設定COM1,通信波特率為9 600 bit/s,偶校驗,8數據位,1停止位。設備信息如圖4所示。

圖4 設備信息

電流巡檢儀訪問4通道數據地址分別為：4X,30#76-79,S7-200PLC訪問地址同S7-200寄存器地址,例如Q0.1等。

設計人機交互操作顯示畫面如圖5所示。其中主試驗界面由機組試驗信息部分、警告提示部分、機組選擇頁面等組成。且預留HXD1C、HXD1、HXD2機車空調試驗頁面供后續升級。

圖5 主試驗界面

主試驗界面下部機組選擇部分由功能鍵FK0～5對應PLC寄存器地址M0.1～0.3的值,為1時做到切換界面的同時選擇PLC子程序,功能鍵突出顯示表示選擇為當前頁面。通過文字批注元件TX0～6和字符顯示元件AE0～4以及項目選單元件OL0創建并顯示試驗信息,同時將信息通過寄存器地址LW傳輸至試驗數據頁面,通過數值元件NE改變對應PLC寄存器VW的值來設置制熱制冷時間。通過位狀態切換開關元件TS0～3選擇空調工作模式,其對應PLC寄存器M3.1、3.2、3.5,為防止誤動作,設置長按0.2 s切換動作。通過位狀態指示燈BL1對應PLC Q0.7。燈亮表示當前故障已發生,燈滅表示試驗正常。通過事件登錄編寫事件對應關系,設置故障顯示元件顯示報警信息。

使用STEP 7 MicroWIN SP9編寫PLC程序,采用梯形圖語言,根據控制系統要求,把主程序設計為3大模塊,每個模塊對應系統相應的工作模式,如圖6所示。

圖6 程序結構示意

SS7E空調試驗控制程序分為手動制熱、手動制冷和自動模式3種,當自動按鈕動作時,空調工作過程為通風—制熱—制冷—通風—停止。其中機組動作順序為K1接觸器吸合通風機啟動通風,隨后K4接觸器吸合電加熱啟動制熱,K4接觸器斷開電加熱停止,K2接觸器吸合冷凝風機啟動,K3接觸器吸合壓縮機啟動制冷,K2、K3接觸器斷開制冷停止,K1接觸器斷開通風停止。手動模式為制熱和制冷2種,其中制熱工作過程為通風—制熱—通風—停止;制冷工作過程為通風—制冷—通風—停止。

軟件控制原理：在M0.3值為1時啟動,分為手動(M3.5值為0時)和自動(M3.5值為1時)2種模式,控制過程以自動模式工作為例,系統啟動自檢,無故障(I0.0～0.2值為1,I0.3～0.5值為0)時,啟動通風機(Q0.1值為1),經過定時器T41延時啟動電加熱(Q0.4值為1),加熱至定時器T46所設定時長,加熱停止(Q0.4值為0)。同時定時器T50延時2 s后啟動冷凝風機(Q0.2值為1)制冷模式開始,經過定時器T44啟動壓縮機(Q0.3值為1),制冷工作至定時器T47所設定時長,制冷停止(Q0.2、Q0.3值為0)。經過定時器T48延時通風機停止(Q0.1值為0)自動模式結束運行。

1.5 外接電路設計

為方便試驗及試驗臺維護,試驗臺外接電路采用組合式航空插頭設計,試驗時按需接插外部試驗插頭,試驗完畢及時存放線纜,操作方便快捷。圖7為空調機組各風機加熱體等與試驗臺連接電纜插頭對接詳細信息示意圖。

圖7 連接插頭編號示意

1.6 柜體設計

柜體分為控制顯示區和線纜存放區,控制顯示區由觸摸屏、急停開關、電源開關、電源顯示燈、工作狀態燈組成。系統控制電器線路部分安置于左側箱體內部,外部為顯示控制區,使試驗線路集中于柜體內便于維護。使用AutoCAD繪制柜體尺寸圖,采用SolidWorks進行柜體外觀設計,設計圖如圖8(a)所示,實物如圖8(b)所示。

圖8 柜體外觀設計

2 應用效果

空調檢修完成后,檢測機組各部分絕緣阻值是否滿足要求,連接機組與試驗臺電纜,進行機組性能試驗。試驗臺應用后可完成對機車空調的整機性能試驗需求,能夠對通風機、冷凝風機、壓縮機、電加熱加熱體、溫度保護、高低壓壓力保護進行性能試驗?？赏ㄟ^觸摸屏直觀顯示空調運行時的各種電流、電壓數據,發揮自動化設備帶來的優勢,極大提升檢修效率。

SS7E機車空調完全攻克試驗技術壁壘,故障空調外修數量直線下降,自主修水平明顯提高,節約成本預計達32萬元,經濟效果明顯。

3 結束語

本文基于威綸通觸摸屏和PLC制作了一種機車空調試驗臺,設計了觸摸屏可視化操作界面、編寫了PLC控制軟件,試驗臺具有交互友好、使用簡單、實用性強等優勢,在機車空調機組性能試驗中的應用具有十分重要的意義,給鐵路運輸設備檢修帶來了積極促進的作用。其在機車空調檢修相關單位推廣前景非?？捎^,為機車運輸行業檢修設施提供了堅實的力量。