基于PLC的随速变压停车制动设计与实现

凌世波，伍川辉

（西南交通大学机械工程学院，四川 成都 610031）

0 引 言

停车制动是列车运行中常用的制动方式[1]，就是指使运动的列车减速至停止而实施的制动动作。按照制动力大小可分为轻停车制动和重停车制动2种。1∶1列车制动试验台位于铁道部隆昌工务器材厂，于2008年12月进行升级改造，升级后该试验台能实现随速变压制动试验。随速变压即是在指制动过程中，闸片压力随着瞬时速度的改变而根据一定规律变化。随速变压制动共有3种模式，分别是B7-T、EB-T、UB-T。在每种随速变压制动模式下，随着制动瞬时速度的降低，闸片夹紧力根据一定规律变化，利用上位机中的LabVIEW与下位机PLC之间的串行通信来采集和处理数据，按照铁路标准绘制试验报表[2]。

1 制动试验台控制系统原理[3]

该试验台主要由试验控制台、PID控制系统、数据采集系统和计算机组成，如图1所示。

图1 控制系统原理图

图2 1∶1试验控制台

1∶1试验控制台如图2所示，包括各部分电源开关、参数选择开关、紧急停止按钮、工况指示灯、报警指示灯、数据显示仪表、计算机显示器等。在试验过程中，电机转速、制动力、制动力矩、车轮温度等信息都能在控制台上进行实时显示。控制台在手动模式下进行试验时，各项操作指令都由人通过控制台发出。

2 随速变压停车制动数据采集系统的实现

数据采集系统由传感器、信号调理器、变送器、数据采集卡、计算机等部分组成。数据采集系统采集的信号包括制动压力、制动力矩、车轮温度、闸瓦温度、车轮转速、撒水量、风机风速等。使用的传感器有压力传感器、热电偶、光电编码器、流量计、风速计等。

变送器对采集的信号进行一定的处理后分三路送出，分别送给PID调节单元、数据采集卡和控制台数据显示仪表进行实时显示。数据采集卡采用NI PCI-6250，该数据采集卡具有高精度、高速度的特点，保证了试验测量数据的准确性。

3 随速变压制动系统实现

3.1 系统组成

该控制系统主要由三菱可编程控制器（PLC）和PID控制器实现，采用PID算法进行随速变压控制。PLC是一种数字运算操作的电子系统[4]，专为在工业环境下应用而设计。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC程序既有生产厂家的系统程序，又有用户自己开发的应用程序，系统程序提供运行平台，同时，还为PLC程序可靠运行及信息与信息转换进行必要的公共处理。用户程序由用户按控制要求设计。

PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史[5]，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。在PID控制算法中，存在着比例、积分、微分3种控制作用。根据被控对象的不同，适当地调整PID参数，可以获得比较满意的控制效果。PID控制算法简单，参数调控方便，并且有一定的控制精度，是当前普遍采用的控制算法。

3.2 随速变压制动系统设计要求

该试验中，需要通过PID调节实现在每种随速变压制动模式下，随着制动瞬时速度的降低，闸片夹紧力根据一定的规律变化，该变化规律[1]如图3所示。

3.3 随速变压制动系统实现过程

随速变压制动系统实现方框图如图4所示。

图3 速度与压力变化规律

图4 随速变压控制系统实现方框图

PLC实现程序：

3.4 随速变压制动系统试验结果

该制动系统是基于LabVIEW的可视化界面[6]，试验过程中采集到的数据可以在计算机上实时地显示出来，通过试验数据可以看到该试验中所设计的随速变压控制系统能够很好地实现控制目的，闸片夹紧力按照要求的规律变化，达到很好的制动效果。试验结果如图5～图7所示。

4 结束语

由于随速变压制动系统的成功设计和功能的很好实现，在1∶1试验控制台上成功地进行了北京交通大学关于锻钢制动盘/粉末冶金闸片随速变压制动摩擦磨损性能试验，运行情况良好，且具有如下特点：

（1）压力误差不确定度达2‰以下。

（2）空走时间：B7不超过 3.5s；EB 不超过 2.3s；UB不超过1.5s。

（3）试验中各种工况能通过显示器和控制台仪表实时显示，直观反映试验进程。

[1]宋万清，杨建国.LabVIEW实现PC与PLC实时监控[J].制造业自动化，2005，27（4）：60-62.

[2]侯国屏，王珅，叶齐鑫.LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计[M].北京：清华大学出版社，2005：56-273.

[3]TB/T 2638—1995车辆用闸瓦、闸片性能试验方法[S].北京：铁道科学研究院标准计量研究所，2007.

[4] 任翠纯.地铁车辆制动闸瓦国产化的研制与试验[J].铁道车辆，2001（10）：5-8.

[5] M-926 Brake Shoes.High friction composition or metal type[S].Washington：Association of American Railroads（AAR），2006.

[6] 马振锋，刘献礼，王鹏.基于LabVIEW7.1的PC机与PLC通信[J].哈尔滨理工大学学报，2005，10（5）：30-33.

[7] 张运刚，宋小春，郭武强.从入门到精通:三菱FX2NPLC技术与应用[M].北京：人民邮电出版社，2007.

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