基于PLC 的工礦內(nèi)燃機(jī)車控制系統(tǒng)

俞亞珍

(常州輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，江蘇 常州 213164)

1 選型及特點(diǎn)

1.1 選型

根據(jù)長(zhǎng)期對(duì)工礦內(nèi)燃機(jī)車的研制開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，PLC(可編程控制器)已經(jīng)成了機(jī)車電氣控制的核心。而用戶為了兼顧其他設(shè)備上使用可編程控制器的況，指定選用西門子公司的S7－300 PLC，參考S7－300 系列PLC 的工作原理、功能、價(jià)格以及電氣部分的接口條件后，確定選用西門子公司的S7－312C 緊湊型可編程控制器實(shí)現(xiàn)機(jī)車控制的各項(xiàng)功能，再輔以Easy View 的人機(jī)界面作為顯示終端。

1.2 特點(diǎn)

S7－312C 緊湊型可編程控制器，作為西門子新一代產(chǎn)品具有以下特點(diǎn):

1)功能強(qiáng):很強(qiáng)的計(jì)算性能，完善的指令集。

2)快速:指令處理極其快速，功能強(qiáng)大的CPU 只需0.3 ms 就可處理1 024 個(gè)二進(jìn)制語(yǔ)句，在面向文字處理方面也同樣表現(xiàn)出色。

3)全集成:全部模塊化，通訊功能和分布式I/O 全部集成，各模塊能以各種不同方式組合在一起，所以可將控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成完全符合應(yīng)用的需要。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成和功能

系統(tǒng)配置如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 PLC 單元

S7－312C 為本系統(tǒng)主控制單元，它承擔(dān)數(shù)據(jù)采樣(柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)車速度、溫度、壓力等數(shù)據(jù))、數(shù)據(jù)處理、報(bào)警、趨勢(shì)、數(shù)據(jù)記錄等工作。司機(jī)通過操作終端可以了解機(jī)車的運(yùn)行狀態(tài)。

2.2 外圍單元

外圍單元包括數(shù)字輸入輸出模塊SM321，SM322，SM323 各一塊、8 路模擬量輸入模塊SM331 一塊、一軸定位模塊FM353 一塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器Q3FY44 一塊、溫度變送器NCT1 四只、壓力變送器NCP1A 三只以及一些按鈕、開關(guān)、繼電器、電磁閥等。

I/O 信號(hào)統(tǒng)計(jì)如表1。

表1 信號(hào)統(tǒng)計(jì)表

2.3 系統(tǒng)功能

a)控制柴油機(jī)的啟動(dòng)和停止。

b)數(shù)據(jù)采樣功能:由SM331 模擬量輸入模塊采樣溫度和壓力信號(hào)，通過集成在S7－312C 上的兩路高速計(jì)數(shù)器分別采樣柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和機(jī)車速度信號(hào)，經(jīng)過程序換算成柴油機(jī)轉(zhuǎn)速值和機(jī)車速度值，并且累計(jì)機(jī)車運(yùn)行里程和柴油機(jī)工作時(shí)間。

c)報(bào)警功能:當(dāng)某一模擬量(如:溫度、壓力)測(cè)量值超出給定范圍或某一開關(guān)量(如:低水位開關(guān))發(fā)生位變時(shí)，根據(jù)不同的需要發(fā)出不同等級(jí)的報(bào)警，如人機(jī)界面顯示報(bào)警信息、聲光報(bào)警、機(jī)車卸載等。

d)顯示功能:在人機(jī)界面屏面上實(shí)時(shí)顯示機(jī)車的各種運(yùn)行參數(shù)(如柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)車速度、柴油機(jī)油溫、油壓、液力變扭箱油壓、油溫等)，通過選擇觸摸鍵還可以獲得有關(guān)操作機(jī)車的幫助信息。

e)安全功能:按不同的操作級(jí)別分級(jí)加密，可以實(shí)時(shí)修改參數(shù)(如報(bào)警范圍、柴油機(jī)啟動(dòng)時(shí)限等)。

f)實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的無級(jí)調(diào)速:通過控制FM353 一軸定位模塊產(chǎn)生脈沖經(jīng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元分頻后控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)柴油機(jī)的油門，對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行調(diào)速。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

機(jī)車電氣控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，這充分利用了STEP7 編程軟件的特點(diǎn)。功能模塊主要分為:柴油機(jī)起動(dòng)子程序模塊、數(shù)據(jù)顯示子程序模塊、柴油機(jī)調(diào)速子程序模塊、手動(dòng)/自動(dòng)控制子程序模塊、報(bào)警子程序模塊等.

3.1 柴油機(jī)啟動(dòng)子程序模塊

控制柴油機(jī)的啟動(dòng)，按下啟動(dòng)按鈕，A 則首先機(jī)油預(yù)供油泵開始工作，待機(jī)油壓力達(dá)到0.1 MPa 時(shí)，機(jī)油預(yù)供油泵停止工作，啟動(dòng)電機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)柴油機(jī)啟動(dòng)，B 待柴油機(jī)啟動(dòng)完成正常運(yùn)行后，運(yùn)轉(zhuǎn)繼電器將柴油機(jī)啟動(dòng)回路切斷，也可以防止柴油機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的二次啟動(dòng)，并用程序控制柴油機(jī)一次啟動(dòng)時(shí)間不超過8 s，控制流程如圖2 所示。

3.2 數(shù)據(jù)顯示子程序模塊

依此采樣模擬量輸入通道的4～20 mA 信號(hào)，通過比例關(guān)系運(yùn)算后轉(zhuǎn)化成直接顯示的溫度值和壓力值。

圖2 柴油機(jī)超動(dòng)控制流程圖

3.3 柴油機(jī)調(diào)速子程序模塊

通過調(diào)用FM353 定位模塊的專用指令實(shí)現(xiàn)脈沖的輸出，控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的無級(jí)調(diào)速，用上、下限開關(guān)保證柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速在900～1 500 r/min 之間。

3.4 報(bào)警子程序模塊

采樣值和預(yù)先設(shè)定值比較后，產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警電路及故障保護(hù)執(zhí)行元件進(jìn)行卸載或停機(jī)。

3.5 手動(dòng)/自動(dòng)控制子程序模塊

在自動(dòng)控制方式下，通過柴油機(jī)轉(zhuǎn)速值和機(jī)車速度值的比值計(jì)算，當(dāng)這一比值達(dá)到某一設(shè)定值時(shí)，機(jī)車就自動(dòng)進(jìn)行換檔。在手動(dòng)控制方式下，由機(jī)車司機(jī)使用操作臺(tái)上的轉(zhuǎn)換開關(guān)，實(shí)現(xiàn)機(jī)車的檔位控制?？刂屏鞒倘鐖D3 所示。

圖3 手動(dòng)/自動(dòng)控制流程圖

3.6 人機(jī)界面

采用EASY VIEW MT506LV4 人機(jī)界面，安裝在機(jī)車的操縱臺(tái)上，通過通訊電纜與S7－312C 連接，實(shí)現(xiàn)信息和數(shù)據(jù)的交換。畫面采用EasyBuilder500 制作軟件，人機(jī)界面上顯示內(nèi)容以及操作方式為:

1)共同畫面

每個(gè)畫面內(nèi)有一個(gè)共同畫面，顯示當(dāng)時(shí)的時(shí)間、日期。每個(gè)畫面在PLC 檢測(cè)出故障時(shí)，有滾動(dòng)字符顯示。

2)集中畫面

比較集中的畫面為2 個(gè)，可以看到PLC 檢測(cè)的所有參數(shù)，即柴油機(jī)水溫、油壓、傳動(dòng)箱油溫、油壓、機(jī)車?yán)锍獭⒉裼蜋C(jī)工作時(shí)間等。顯示如圖4 所示。

圖4 顯示示意圖

3)故障畫面

故障畫面顯示故障的后果和處理方法。機(jī)車一旦有故障發(fā)生，滾動(dòng)文字出現(xiàn)，直接顯示故障，比指示燈更明確。司機(jī)可以按照畫面的提醒處理故障。

4)畫面保護(hù)

使用安全功能(畫面保護(hù)功能)對(duì)所要顯示的畫面進(jìn)行保密，具體進(jìn)入畫面的方法為選擇EASY VIEW MT506LV4 快捷鍵，手指觸摸“密碼輸入”，出現(xiàn)輸入密碼窗口，只要輸入正確的密碼就可使用EASY VIEW MT506LV4 人機(jī)界面的參數(shù)設(shè)定功能了。

4 結(jié)論

此工礦內(nèi)燃機(jī)車已于交用戶投入正常使用，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行，沒出現(xiàn)故障，西門子S7－312C PLC 在JMY800 型液力傳動(dòng)工礦內(nèi)燃機(jī)車上的應(yīng)用是非常成功的，同時(shí)人機(jī)界面方便了操作和數(shù)據(jù)更改，控制更為靈便。

［1］廖常初.S7－300/400PLC 應(yīng)用教程［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

［2］西門子(中國(guó))有限公司自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán).SIM 程序控制器系統(tǒng)手冊(cè)［M］.2004.

［3］張曉東，李秀娟，魯可.基于西門子PLC 的空分透平壓縮機(jī)控制系統(tǒng)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2013，4:156-158.

［4］王新環(huán)，周飛，張宏偉.選煤廠取料機(jī)料耙液壓泵站控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.工礦自動(dòng)化，2013，9:108-111.