一种机车空调试验台设计

南 涛,胡建功,宋明龙

兰州局集团公司兰州西机务段,甘肃 兰州 730000

0 引言

我国铁路机车基本都装备了空调系统。空调是机车运行过程重要的生活保障,是司机开车运行中必不可少的设备,电力机车的空调一年四季都在运行,为机车乘务员提供良好舒服的司乘环境,确保机车运行安全正点[1]。TTK3-5.0DD机车空调是SS7E机车上重要设备之一,安装在机车司机室大盖顶部,具有制热和制冷2种工作模式,其能否正常工作,直接关系机车驾驶是否安全。

2022年,兰西机务段机车检修计划上线,现有的空调检修设备无法落实检修工艺对其进行整机性能试验,机车空调故障频发,先后造成返工修12起,空调检修试验设备的缺乏拖慢了检修进度。为响应兰州局集团公司“节支降耗”要求,实现空调机组性能试验,落实直流机车检修工艺,保障直流机车检修进度,提升机车空调检修质量,对直流机车空调检修和试验进行技术攻关,设计制造机车空调试验台。

1 试验台设计

1.1 主电路设计

试验台的主电路主要由5部分组成(见图1),其中设主接触器4个,由PLC输出点位Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4分别驱动K1、K2、K3、K4接触器。K1接触器为通风机工作提供电源,K2接触器为冷凝风机工作提供电源、K3接触器为压缩机提供工作电源,K4接触器为电加热器提供工作电源。设热磁继电器3个,分别为Q1、Q2、Q3。热磁继电器与各电机串联用以检测各电机过流、缺相等,起到保护电机作用;设2个断路器分别为Q4、QS。Q4为电加热支路空气断路器,在电加热支路发生短路时起保护作用。QS为散热系统、备用插座及灯显系统提供220 V电源。

图1 主电路原理图

1.2 控制系统设计

控制系统由用户通过触摸屏输入控制信号,PLC接收到触摸屏的命令后驱动相应电路为机组提供工作电源,并采集显示机组工作电流信息,为用户检修作业提供技术指导。

控制电路工作时,人机交互界面采用威纶通触摸屏作为上位机系统,与下位机西门子 S7-200系列CPU224、电流巡检仪通过RS485总线连接。下位机PLC系统输入有高低压保护信号、温度继电器信号;输出有五路接触器吸合信号,分别为通风机接触器K1、冷凝风机接触器K2、压缩机接触器K3、电加热接触器K4、故障灯接触器K5。控制电路如图2所示。

图2 控制电路示意图

1.3 关键器件选择

工控触摸屏作为人机交互界面,相比传统的按钮和开关控制方式,具有界面直观、操作简单、维护方便、可靠性高等特点,大大提高了工业生产的自动化水平。而威纶通触摸屏是一种新型的触摸屏技术,它可以提供更高的精度和更快的响应速度,性能十分高,内置通信驱动,3种串行通信端口,可直接与多数PLC通信内置以太网端口,提供快速的资料交换功能内置USB接口。基于上述因素,人机交互界面选择威纶通cMT2167X触摸屏。

S7-200是一种具有较强控制能力的小型可编程序控制器,与工控机相比,具有可靠性高、抗干扰能力强、安装方便、编程简单、体积小、功耗低等优点[2]。CPU224集成14输入/10输出共24个数字量I/O点,1个RS485通信/编程口,具有PPI通信协议、MPI通信协议和自由方式通信能力[3]。I/O端子排可较容易地整体拆卸。基于上述特点和控制点位需求综合比较,选择CPU224作为试验台控制器。

电流采集设备选择4路交流电流变送检测模块(电流巡检仪),量程0～50 A,精度0.1 A。4路同步采样相互独立,默认ModbusRTU标准协议,隔离RS485通信输出,测真有效值,拨码开关设置,支持PLC、组态软件、触摸屏、无线DTU模块、串口通信等工业级产品,稳定性强,价格便宜,性价比高,精度高,抗干扰强,电流穿孔,导轨安装,使用简单。

触摸屏、电流巡检仪、PLC通过RS485通信线缆连接,如图3所示。

图3 接口对应关系

1.4 软件设计

可视化界面设计采用EasyBulider Pro,即威纶通触摸屏人机界面的专用编程软件,简称“EBpro”软件添加设备,根据触摸屏说明书9针母座串口A支持2组RS485 2W,分别为COM1、COM3,满足同时与电流巡检仪和PLC通信,添加电流巡检仪为MODBUS RTU,通信口设定COM3,通信波特率为9 600,无校验,8数据位,1停止位;添加PLC为Siemens S7-200,通信口设定COM1,通信波特率为9 600 bit/s,偶校验,8数据位,1停止位。设备信息如图4所示。

图4 设备信息

电流巡检仪访问4通道数据地址分别为：4X,30#76-79,S7-200PLC访问地址同S7-200寄存器地址,例如Q0.1等。

设计人机交互操作显示画面如图5所示。其中主试验界面由机组试验信息部分、警告提示部分、机组选择页面等组成。且预留HXD1C、HXD1、HXD2机车空调试验页面供后续升级。

图5 主试验界面

主试验界面下部机组选择部分由功能键FK0～5对应PLC寄存器地址M0.1～0.3的值,为1时做到切换界面的同时选择PLC子程序,功能键突出显示表示选择为当前页面。通过文字批注元件TX0～6和字符显示元件AE0～4以及项目选单元件OL0创建并显示试验信息,同时将信息通过寄存器地址LW传输至试验数据页面,通过数值元件NE改变对应PLC寄存器VW的值来设置制热制冷时间。通过位状态切换开关元件TS0～3选择空调工作模式,其对应PLC寄存器M3.1、3.2、3.5,为防止误动作,设置长按0.2 s切换动作。通过位状态指示灯BL1对应PLC Q0.7。灯亮表示当前故障已发生,灯灭表示试验正常。通过事件登录编写事件对应关系,设置故障显示元件显示报警信息。

使用STEP 7 MicroWIN SP9编写PLC程序,采用梯形图语言,根据控制系统要求,把主程序设计为3大模块,每个模块对应系统相应的工作模式,如图6所示。

图6 程序结构示意

SS7E空调试验控制程序分为手动制热、手动制冷和自动模式3种,当自动按钮动作时,空调工作过程为通风—制热—制冷—通风—停止。其中机组动作顺序为K1接触器吸合通风机启动通风,随后K4接触器吸合电加热启动制热,K4接触器断开电加热停止,K2接触器吸合冷凝风机启动,K3接触器吸合压缩机启动制冷,K2、K3接触器断开制冷停止,K1接触器断开通风停止。手动模式为制热和制冷2种,其中制热工作过程为通风—制热—通风—停止;制冷工作过程为通风—制冷—通风—停止。

软件控制原理：在M0.3值为1时启动,分为手动(M3.5值为0时)和自动(M3.5值为1时)2种模式,控制过程以自动模式工作为例,系统启动自检,无故障(I0.0～0.2值为1,I0.3～0.5值为0)时,启动通风机(Q0.1值为1),经过定时器T41延时启动电加热(Q0.4值为1),加热至定时器T46所设定时长,加热停止(Q0.4值为0)。同时定时器T50延时2 s后启动冷凝风机(Q0.2值为1)制冷模式开始,经过定时器T44启动压缩机(Q0.3值为1),制冷工作至定时器T47所设定时长,制冷停止(Q0.2、Q0.3值为0)。经过定时器T48延时通风机停止(Q0.1值为0)自动模式结束运行。

1.5 外接电路设计

为方便试验及试验台维护,试验台外接电路采用组合式航空插头设计,试验时按需接插外部试验插头,试验完毕及时存放线缆,操作方便快捷。图7为空调机组各风机加热体等与试验台连接电缆插头对接详细信息示意图。

图7 连接插头编号示意

1.6 柜体设计

柜体分为控制显示区和线缆存放区,控制显示区由触摸屏、急停开关、电源开关、电源显示灯、工作状态灯组成。系统控制电器线路部分安置于左侧箱体内部,外部为显示控制区,使试验线路集中于柜体内便于维护。使用AutoCAD绘制柜体尺寸图,采用SolidWorks进行柜体外观设计,设计图如图8(a)所示,实物如图8(b)所示。

图8 柜体外观设计

2 应用效果

空调检修完成后,检测机组各部分绝缘阻值是否满足要求,连接机组与试验台电缆,进行机组性能试验。试验台应用后可完成对机车空调的整机性能试验需求,能够对通风机、冷凝风机、压缩机、电加热加热体、温度保护、高低压压力保护进行性能试验。可通过触摸屏直观显示空调运行时的各种电流、电压数据,发挥自动化设备带来的优势,极大提升检修效率。

SS7E机车空调完全攻克试验技术壁垒,故障空调外修数量直线下降,自主修水平明显提高,节约成本预计达32万元,经济效果明显。

3 结束语

本文基于威纶通触摸屏和PLC制作了一种机车空调试验台,设计了触摸屏可视化操作界面、编写了PLC控制软件,试验台具有交互友好、使用简单、实用性强等优势,在机车空调机组性能试验中的应用具有十分重要的意义,给铁路运输设备检修带来了积极促进的作用。其在机车空调检修相关单位推广前景非常可观,为机车运输行业检修设施提供了坚实的力量。