S7-300在多组移动式架车机控制系统中的应用

摘要：文章介绍了以西门子S7－300系列PLC和ET200系列子站为控制核心的多组移动式架车机同步控制系统。阐述了PLC的基本控制原理、软硬件组成和多组同步控制系统的控制方案。

关键词：PLC；同步控制系统；多组移动式架车机

中图分类号：TP273文献标识码：A 文章编号：1000－8136（2012）09－0005－03

1课题的提出

多组移动式架车机是目前我国城市轨道交通系统各个车辆段中为检修电客车和工程车托起除转向架外的车体及以上部分到一定的高度，便于将车体底部的行走总成部分解体和更换的必不可少的专用检修设备，多组移动式架车机是以4台为一组，多组成套使用的设备。

一般电客车和工程车车体常重达几十吨甚至上百吨，架车作业升程多在1.4～2 m之间，同时架车点距地面最高可达2.2 m。架车作业过程中，由于每台架车机电机的电气性能不可能完全一致，电客车车体重量分布也不可能绝对平衡，因此，各台架车机的运行速度有快有慢，造成在架升过程中各个架车机的升降高度不可能完全一致，电客车车体有可能产生破坏性的车体变形，甚至当高度差达到一定值时，车体就有倾覆的危险。因此，在保障作业中各个架车机的同步运行就成为一个非常重要的安全问题。

老式架车机多为单组4台架车机同步升降，其控制系统在硬件方面多沿用单片机作为主要控制器构成控制系统，这样的控制系统虽然造价低，但存在开发周期长，稳定性和可靠性差，工程师和工人现场维护不方便，可替换性差的缺点，容易造成误动作等现象，严重时有可能导致由于设备失灵而产生的设备、车辆及人员安全方面的重大事故；虽然也有用PLC作为主控器的，但对于老式架车机其系统要求较低，只需控制4台架车机的同步升降，控制精度要求较低，系统响应时间较长，操作不灵活等问题。

2工艺要求及参数设置

2.1工艺要求

中华人民共和国铁道部2000年10月24日颁发了TB/T 1686－2000行业标准。标准中第3.8.2条中规定：为保证每组架车机安全作业，应同时配置架车机同步控制装置，该装置应具有运行高度显示、超差自动调整、超限自动停机报警等功能。标准中第4.2.3.2条中规定：同步试验应成组进行，试验内容包括高度显示功能正确，当4台架车机中任意两点高程差达8 mm时，系统自动调整；当任意两点高程差大12 mm时，系统自动停机并锁定，同时报警。

2.2参数设置

2.2.1已知参数

鼠笼型三相异步电机：额定转速Ne＝1 440 rpm，传动比约为n＝83.3，升程h＝12 mm/r，额定功率Pe＝4 kW，额定电流Ie＝9.6 A。

单台架车机：额定负载Te＝16 t，最大负载T max＝Te×1.1＝17.6，最高升程Hmax＝1 600 mm。

2.2.2计算参数

（1）每秒钟减速机输出转速N j＝Ne÷n÷60≈0.2881 r/s，每秒钟升程Hs＝N j×H≈3.45 mm/s，最高升程所需时间T＝H÷Hs≈463.76＝7.7 min。8 mm高差所需时间t＝8÷Hs≈2.319＝2 319 ms。

（2）电机编码器每转所对应时间Tr＝60÷Ne≈0.0417 s，一个脉冲周期为Tp＝Tr÷100≈0.42 ms。

（3）PLC最大系统扫描周期50 ms，一个扫描周期架车机高程为：0.05×Hs≈0.13 mm。

（4）单组4台高差大于3 mm时开始调整，小于1 mm时停止调整；相邻两组高差大于4 mm时开始调整，小于2 mm时停止调整；相邻三组高差大于5 mm时开始调整，小于3 mm时停止调整；相邻四组高差大于6 mm时开始调整，小于3 mm时停止调整；相邻五组高差大于7 mm时开始调整，小于3 mm时停止调整；相邻六组高差大于8 mm时开始调整，小于3 mm时停止调整。

在上述参数中通过计算发现，PLC系统在一个扫描周期内架车机的高程约为0.13 mm，远远小于架车机的调整高度范围（3～8 mm）。所以，控制系统的响应时间完全可以满足对架车机的控制精度要求。

3系统硬件构成

多组架车机同步控制，其根本目的是控制架车作业的各台架车机同步运行，使各台架车机基本处于同一水平面内，让车体可以平稳的升降，保障作业的安全可靠。

同步控制系统主要有检测电机转数的编码器，完成同步控制和数据采集的S7－300系列PLC，用来显示各个架车机高程、高差、故障信息的TA177A触摸屏等构成。系统配置框架图见图1。

由断路器、接触器、热继等电器元件完成架车机升降动作、安全互锁、过载保护、缺相保护等功能。

3.1编码器

此系统中，架车机托架的上升、下降直线运动是由斜齿轮减速机的旋转运动转换而成；因此，我们通过编码器检测减速机电机的转动角度位移，并通过PLC将此角度位移转换成架车机托架的直线位移。

3.2S7－300系列PLC编程控制器（CPU 315－2DP）

在本套多组移动式架车机同步控制系统中，选用的是西门子S7－300系列PLC，由于其拥有较强大的运算能力，优异的模块扩展性，较短的系统响应时间，紧凑的设计及强大的指令集，同时其支持多种程勋编辑语言（语句表STL、梯形图LAD、功能块图FBD）并可互相转，使得此系列PLC几乎完美地满足了中等规模的控制要求，此外，其丰富的CPU模块和数据采集模块使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强的适应性。

最重要的是这个系列的PLC已经大量地应用在各行各业的自动化控制系统中，经历了长时间的实际应用的考验，具有优异的可靠性、易于维修维护性、对使用环境的要求较低、抗干扰能力强等优点。

在本系统中，S7－300通过数字量输入模块和高速计数模块采集各个传感器及操作按钮的信号，通过CPU模块进行逻辑运算，并将高程、高差、故障信息等传递给TP177A触摸屏显示器上。

3.3ET－200远程IO模块

ET－200远程IO模块是西门子推出的针对PLC实现远距离现场数据实时采集的模块。

由于传统移动式架车机只控制一组4台位架车机，将所有控制系统元器件均放置在操作台中，而且设备总功率相对较小，所以操作台重量和体积都相对较小，可以方便的在车间内小范围移动，但是多组架车机由于控制系统较大，架车机数量多，致使设备总功率相对较大，如果仍将所有控制系统元器件全部放置到控制台中会导致控制台体积和重量过大，这样仍沿用老式架车机控制台设计方案，则无法满足现场的实际需要，故选用ET－200远程IO模块，将除了ET－200和TP177A触摸屏之外所有的控制系统元器件均放置到一个固定电气柜中，操作台中只安装ET－200远程IO模块、TP177A触摸屏、必要的操作按钮和指示灯，并通过DP－BUS总线与S7－300PLC系统进行数据交换，这样有效地减小了操作台的体积和重量，可以允许操作人员在车间内小范围的移动操作台，便于使用。

3.4TP177A触摸屏和信息显示界面

TP177A是所有西门子PLC系统的文本显示和操作界面问题的最佳解决方法。它具有以下特点：①电缆连接简单多样，其支持DP－BUS和MPI两种总线形式，可以方便的与PLC系统进行连接；②背光LCD显示（即使在逆光的条件下也易看清其上显示的信息）；③提供多种语言形式的菜单和提示，提供多种字符集；④相对于其他型号触摸屏具有较低廉的价格。其主要用来实现以下功能：①显示各个架车机的高程；②显示故障信息；③为操作机维修人员迅速的排除故障提供信息支持。

4系统工作原理和软件设计

4.1工作原理

此系统采用S7－300的8通道高速计数模块FM350－2来采集编码器上的高速脉冲值，作为架车机运行高度的数据依据。同时考虑各个支撑点的实际起始架升高度不可能完全一样，所以同步运行中比较的是相对高程（架车机起始架升点高度与实际运行高度之间的差）。

架车机同步控制的实质是各台架车机之间的相对高程差与系统允许高差之间的比较。当任意两台或者两组架车机之间的高程差大于系统允许高差时所有各台架车机停机锁定并报警，直到人工调整相对高差到系统允许范围之内。

架车机是一种安全性要求较高的设备，传感器的精度和工作稳定性是保证架车机正常工作的重要因素。因此，编码器一个脉冲周期对应的直线位移约为0.001 5 mm。PLC程序中对各个电器元件及可能发生的故障，如短路、断路、过载等进行了实时检测。

4.2软件实现

系统软件采用西门子的STEP7－V5.4和WINCC flexible进行编写。系统软件主要由3个系统块（OB1，BO35，BO100）、多个功能块（FB，FC）和数据块（DB）等组成，系统块主要用来初始化系统和调用各个功能块，各个功能块主要用来完成数据采集和执行命令的输出。

5同步控制系统方案

多组架车机控制系统的核心要求就是同步控制。

5.1同步起始架车点的确定

同步运行中首先确定的是同步起升点，同步起升点是各个架车机完全接触车体时的车体自然高度。同步起升点在一个架升作业周期中只能确定一次。

自动同步运行模式是以架车机托头上的接近开关检测到的开关量为依据，在托头完全可靠的与车体接触后，托头上的接近开关接通，通过CPU单元进行逻辑运算之后，各台架车机进入同步运行状态中，等待下一步运行指令。

架车机运行高度与同步起升点高度之差作为相对高程，在此基础上，当架车机组中任意两点相对高差超过系统高程差允许范围后，系统根据架车机的实际运行状态（上升或下降）自动调整，直至任意两台架车机的高程差小于系统允许高程差之后停止自动调整，设备恢复到自由运行状态，当高程差超过系统允许的最大值之后，所有架车机停机锁死，同时系统报出故障点和故障参考信息，直至故障排除为止。

5.2保证高程测量精度的措施

5.2.1高度计数器的应用

从参数计算中可知，电机编码器一个脉冲周期为0.42 ms，它远小于CPU的最大系统扫描周期（50 ms），因此，系统采用FM350－2八通道高速计数模块来采集编码器输出的码数，并将数据传输给CPU模块作为计算架车机升降高度的依据，并将数值传送到程序数据块（DB块）中保存。

5.2.2脉冲捕捉功能的设置

架车机同步运行功能能否实现，从根本上取决于编码器传输给PLC的高速脉冲个数准确与否。为保证编码器传送的高速脉冲在允许的误差范围内，我们利用编码器的零位脉冲信号对其作周期性检测。

为防止灵位脉冲丢失，我们对零位脉冲数字量输入采用了脉冲捕捉功能。FM350－2八通道高速计数模块具有的脉冲捕捉功能允许PLC捕捉到连续时间很短的高电平脉冲或低电平脉冲，当一个数字量输入设置程脉冲捕捉时，输入端的状态变化被锁存并一直保持到下一个CPU系统扫描循环刷新。用这种方法，一个持续时间很短的脉冲信号被捕捉到，并保持到CPU模块读取该输入信号，确保信号不丢失。采用此功能确保了PLC丢失高速脉冲的可能性。

5.3TP177A触摸屏

在此系统中，TP177A触摸屏用于显示各台架车机的实时架升高度和操作帮助，以及一旦发生故障时会显示详细的故障点信息和相关的参考故障排除方法。

5.4程序结构优化

各个系统块（OB块）中根据输入的执行命令，可以自动的选择需要调用的子程序块（各个功能块），在某个运行时间点中不需要的使用的子程序则不会调用，这样大大节省了系统资源，有效的缩短了系统扫描周期，提高了程序的可靠性和稳定性。

6结束语

经过反复的试验、调试以及近两年的现场实际使用，证明了此多组移动式架车机同步控制系统的安全性、可靠性和技术的先进性。通过实践验证了控制系统具有操作简单、维护方便、人机界面直观实用等优秀品质，设计符合TB/T1686－2000标准，现已在全国各个地铁车辆段中推广使用。

参考文献：

［1］刘锴.深入浅出西门子S7－300PLC［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2004.

［2］深入浅出西门子WINCC flexible 2008.

［3］伯杰.西门子S7－300/400PLC编程语句表和结构化控制语言描述［M］.北京：人民邮电出版社，2008.

［4］中华人民共和国铁道部标准（TB/T 1686－2000）.