基于PLC的電空閥教學實訓系統(tǒng)的設計

付建勛　張文輝

摘 要：結合動車組開關型電空閥的具體技術要求，利用歐姆龍CPIH-XA40DT-D型PLC、威達工控機、壓力傳感器等設計實現(xiàn)一種開關型電空閥教學實訓系統(tǒng)。介紹實訓系統(tǒng)具體設計方案和教學實訓功能，在實訓教學中取得了很好的效果。

關鍵詞：PLC；閥門控制；實訓系統(tǒng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.194

電空閥是高速動車組制動控制系統(tǒng)的重要組成部分。目前，我國的CRH1、CRH3、CRH5、CRH380B等型號的動車組均采用開關型電空閥。對于高速動車組檢修專業(yè)的學生來說，在沒有實車的實訓室，研制出體現(xiàn)實車工作環(huán)境和操作條件的教學實訓系統(tǒng)成為當務之需。為了便于教學，節(jié)約成本，本文利用通用的工業(yè)氣動閥加上空氣壓力傳感器和PLC，設計了一種可以模擬開關型電空閥控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設計原則

1.1 技術要求

CRH380B型動車組制動控制裝置中的EP閥（電空閥）系統(tǒng)主要用于將制動指令由電信號轉變?yōu)榭諝庑盘枴Ｆ渲饕ぷ髟硎牵河砂惭b在EP閥出口的壓力傳感器實時檢測輸出風壓，送至系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集與處理單元PLC，并由PLC發(fā)送電信號控制相關風路電磁閥的開閉。同時通過顯示儀表和上位計算機的顯示器在司機室等地作以顯示。

1.2 總體設計原則

（1）整個實訓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、處理與顯示、風壓調(diào)節(jié)與控制等核心設備要使用實車設備，既要包含實車系統(tǒng)的基本功能，同時也要兼顧系統(tǒng)教學，為學生和地勤技術人員進行系統(tǒng)調(diào)試、參數(shù)觀察、故障分析與處理等操作創(chuàng)造條件；（2）系統(tǒng)所使用的風壓傳感器和風路電磁閥要具備普遍性和代表性，要以滿足實訓要求，并且節(jié)約成本為準則，區(qū)別于實車；（3）風壓檢測、電磁閥得失電狀態(tài)由PLC采集和控制，而控制信息的顯示要靠PLC與上位機的通訊和上位機顯示器完成。

2 系統(tǒng)設計方案

2.1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)的主要工作原理：制動時，制動電磁閥A1在PLC的控制下得電，閥口打開，預控壓力風路導通，同時，壓力傳感器將其測得的輸出壓力值反饋給PLC，PLC將指令信號與反饋信號進行比較，如果實際的壓力值低于指令值，那么保持制動電磁閥A1的得電狀態(tài)，使其閥口保持開通狀態(tài)；如果實際的壓力值高于指令值，那么使制動電磁閥A1變?yōu)槭щ姞顟B(tài)，使其閥口關閉，并且此時緩解電磁閥A2得電排風，直到壓力信號達到預定指令值。通過PLC控制制動電磁閥A1和緩解電磁閥A2的通斷電狀態(tài)，可以實現(xiàn)預控壓力的升高或者下降，最終使輸出壓力按照預控壓力的變化而變化。制動緩解時，制動電磁閥A1失電，緩解電磁閥A2得電，把壓力空氣排向大氣直至輸出口壓力降為零。

2.2 系統(tǒng)的主要設備

本系統(tǒng)由控制器PLC、壓力傳感器、信號發(fā)生器（用來模擬控制電流）和兩個二位二通電磁閥（A1制動電磁閥、A2緩解電磁閥）組成。

（1）控制器PLC的選型與配置。PLC型號為CPIH-XA40DT-D型，基本參數(shù)：1）I/O點 40點；2）A/D模塊：擴展兩個單極性，分辨率為1/4 096的模擬量輸入模塊；3）內(nèi)存：程序存儲量20K，數(shù)據(jù)存儲量32K；（2）上位機的選型與配置。系統(tǒng)中負責與PLC通信和監(jiān)控的上位機選擇威達工控機RACK-360，具體配置如下。CPU：Socket-478架構，支持Pentium 4/Cerleron，外頻533/800MHz；系統(tǒng)芯片組Intel 865G+ICH5；總線 AGP 4X/8X，1個10/100 Mbit/s i82562ET以太網(wǎng)；2個RS-232串口，1個LPT并口（支持SPP/ECP/EPP模式），8個USB接口等；（3）壓力傳感器。將EP閥輸出口的風壓變換為電流模擬信號（4-20mA）經(jīng)A/D模塊傳送給PLC，具有數(shù)據(jù)準確、可靠度高、工作壽命長等優(yōu)點；（4）信號發(fā)生器。用信號發(fā)生器模擬BCU（制動控制單元）輸向EP閥的預控電流信號，這個信號經(jīng)A/D模塊傳送給PLC，PLC將這個信號和壓力傳感器信號進行比較；（5）電磁閥。用兩個二位二通的電磁換向閥分別用作制動電磁閥A1和緩解電磁閥A2，電磁閥電磁鐵的得失電狀態(tài)由控制器PLC的輸出指令控制。

2.3 PLC程序設計

（1）控制原理。本控制程序按照兩個參數(shù)（壓力傳感器測得的反饋壓力值和預控壓力值）的大小比較對電磁閥A1和A2進行控制。傳感器反饋壓力值通過模擬量輸入通道201傳遞給PLC，預控壓力信號用信號發(fā)生器生成的電流模擬，通過模擬量輸入通道202傳遞給PLC，PLC經(jīng)過運算后，通過開關量輸出通道0.00、0.01分別控制制動電磁閥A1和緩解A2的通斷電，從而控制輸出風壓的大小，實現(xiàn)EP閥制動、保壓、緩解三個工作狀態(tài)；（2）PLC 控制梯形圖設計。系統(tǒng)的主程序為一循環(huán)程序，PLC在工作狀態(tài)下不停地循環(huán)掃描，不斷地從模擬量輸入通道讀取來自信號發(fā)生器和壓力傳感器反饋的電流值，并對它們的差值和零進行比較，實時監(jiān)控EP閥輸出的壓力值，直到輸出壓力值與預控壓力值相等時為止。

3 系統(tǒng)教學實訓功能

（1）開關型EP閥的組成、分布及其工作原理演示；（2）系統(tǒng)功能及動作過程演示；（3）系統(tǒng)自身故障檢測動態(tài)顯示；（4）人為設置傳感器或者PLC故障，觀察故障現(xiàn)象，進行故障診斷和排除的訓練；（5）在上位機組態(tài)軟件頁面上觀察BCU輸入給EP閥電流的大小與EP閥輸出壓力大小的隨動關系和動態(tài)響應過程；（6）編制系統(tǒng)運行日志文件。

4 結束語

以PLC為控制器搭建了EP閥實訓控制系統(tǒng)，既展示了動車組開關型EP閥的組成結構、工作原理與工作過程，又兼顧了教學與實訓功能。應用該實訓系統(tǒng)進行教學，學生能深入的理解組合型開關EP閥的工作原理，提高學生動手動腦設計、調(diào)試、操作的能力，提高學生的綜合素質(zhì)。同時，也為其它動車組檢修專業(yè)實訓設備的開發(fā)提供了借鑒與思路。

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作者簡介：付建勛（1983-），男，河北石家莊人，碩士研究生，助教，教師，研究方向：動車組制動系統(tǒng)檢修與調(diào)試。