（交通信息工程及控制专业论文）机车辅助电机试验台研制.pdf

摘要 随着铁路提速和运营生产的市场化，机车运行负荷逐年增加，为了有效保 证机车的运行安全，机车检修必须从定期维修向状态维修转变，以提高机车检 修的速度和质量，降低机车检修成本，更重要实现检修自动化、数字化，完成 对机车检修数据进行有效的记录管理，建立机车关键设备的：状态参数数据库， 从而实现对机车状态有效控制。机车辅机试验台便是负责对直流电机、交流电 机、劈相机等机车辅机综合性能的试验检修测试的设备之一。 为适应机车检修水平现代化的发展步伐，本文研究设计了基于p l c 和触摸 屏技术控制的机车数字化辅机试验台，作为常规的手动开关和继电器控制试验 台的升级换代产品，通过人机界面( 玎i ) 触摸屏完成对直流电机、交流 电机、劈相机的试验检测操作。要求本试验台可以动态显示试验对象参数和故 障状态，自动存储试验结果，实时打印文字图表，有多种表达形式的试验记录 和故障信息，有自动保护功能、预置参数功能、信息实时上传和下载功能。同 时，试验台增加了密级和登记操作管理等智能化功能，实现记名记车检修，从 而有效提高辅机试验的自动化程度和机车检修生产管理水平。现场安装试验表 明，该系统操作简便，可靠性高，具有重要的推广应用价值。 关键词：数字化试验台，p l c 控制，触摸屏，机车检修 a b s t r a c t w i t ht h es p e e d r a i s i n go fr a i l w a ya n dt 1 1 em a r k e t i n go fm em a n a g e m e m ，也e l o a dt h a tt h ee l e c t r i cl o c o m o t i v eb u r d e n si n c r e a s e da r u l u a l ly i no r d e rt og u a m t e e t h es e c u r i t ) ，o ft h el o c o m o t i v e ，t h eo v e r h a u lm u s tb et r a n s i t e df b mp r e v e n t i v e m a i n t e n a n c et os t a t em a i n t e n a n c e ，w h i c hc a na c c e l e r a t em es p e e da n dt h eq u a l i 哆o f t h el o c o m o t i v eo v e r h a u la n dr e d u c em eo v e r h a u lc o s t t h em o s ti m p o n a n t a c h j e v e m e n ti st h a tt h eo v e r h a u lc a nb ep e r f o r m e da u t o m a t i c a l l ya n dd i g i t a l l ya n d c a nb ee f 俺c t i v e l yc o m p e t e n tf o rt h er e c o r dm a n a g e m e n to ft h eo v e r h a u ld a t a b e s i d e s ，i tc a ns e tu pad a t a b a s ea b o u ts o m ec e n t r a le q u i p m e n t ss t a t ep a m m e t e r s t h u si tc a ni n a k ee f 琵c t i v ec o n t r o lo ft h es t a t eo ft h el o c o m o t i v e ，t h ea u x i l i a r y m o t o rt e s t - b e di so n eo ft h ed e v i c e sw h i c hc a ne x a m i n a n ta n dt e s t st h ea u x i l a i y m o t o r sg e n e r a lp e r f b m a n c e ss u c ha sd ce n g i n e ，a ce n g i n ea n dp h a s ec o n v e r t e r i no r d e rt oa d 印tw e l lt ot h ed e v e l o p m e n to ft h eo v e r h a u lw i t ht 1 el o c o m o t i v e ， t h ea r t i c l ei n t r o d u c e sad i g i t a la u x i l i a r ym o t o rt e s t 由e db a s e dp l ca n dt o u c hs c r e e n t e c h n o l o g y ，b e i n ga nu p d a t e dp r o d u c to fr o u t i n em a l l u a is w i t c ha n dr e l a y - c o n t r o i l e d t e s t _ b e d ，i t c a na c c o m p l i s hm em n c t i o n ss u c ha s t e s t i n g ，c h e c 妯n g a n do t h e r m a n i p u l a t i o n st od ce n g i n e ，a ce n g i n ea n dp h a s ec o n v e r t e rt h r o u g h i t o u c h s c r e e n i ti sd e m a n d e dt 1 1 a tt h et e s t - b e dc a i ld y n a m i c a l l yd i s p l a yt h ep a r a m e t e r so f t e s t e dd e v i c ea 1 1 di t sm a i f u n c t i o ns t a t e s ，s t o r et h er e s u l t so fm et e s ta u t o m a t i c a l l y a n dp r i n ts o m ec h a r a c t e r sa n dg r a p h si nr e a lt i m e b e s i d e s ，i ts h o u l db ep r o v i d e d w i t ht h em a j l ym n c t i o n s i n c l u d i n gm u l t i f h r i o u st e s t i n gr e c o r d sa 1 1 dm a l f u n c t i o n i n f o m l a t i o n ，a u t o m a t i cp r o t e c t i o n ，p r e s e t t i n gp a m m e t e r s ，d o 、v n l o a da n du p l o a di n i i r e a lt i m e m e a n w h i l e ，s o m ei n t e l i e c t u a i i z e dm n c t i o n ss u c ha se n c r y p t i o nt e c h n i q u e s ， m a l l i p u l a t i n ga n dm a n a g i n ga r e rr e g i s t e r ，m e m o r i z i n gt h e1 0 c o m o t i v e sn a m e w h e n r e p a i r i n ga r ea d d e di n t o t h es y s t e m ，w h i c hw i l le f 艳c t i v e l yi m p r o v et h el e v e lo f a u t o m a t i o no ff o rt e s t i n gt h ea u x i l i a 叫m o t o ra sw e l la st h el e v e lo ft h ep r o d u c i n g ， o v e r h a u l i n g ， a n dt h e m a n a g e m e n t t ot h e1 0 c o m o t i v e t h ei n s t a l l a t i o na n d e x p e r i m e n t a t i o no nm es i t es h o w sm a tt h es y s t e mi se a s i l ym a n i p u l a t e da n di nh i 曲 r e l i a b i l i t ys oi td e s e r v e sf o re x t e n d i n gu s e k e yw o r d s ：d i g i t a lt e s t b e d ，p l c ，t o u c hs c r e e n ，t h eo v e r h a u lo fi o c o m o t i v e i i i 材l 军辅助电机试验台研制 第一章绪论 1 1 前言 随着铁路提速和运营生产的市场化，机车运行负荷逐年增加，为了有效保证机车的运行 安全，机车检修必须从定期维修向状态维修转变，以期提高机车检修的速度和质量，降低机 车检修成本，实现检修自动化、数字化，完成对机车检修数据进行有效的记录管理，建立机 车关键设备的状态参数数据库，从而实现对机车状态有效控制。 但是，目前机车检修生产的工装设备多为八九十年代期间投入使用的模拟接触式设备， 主要采用手动调节旋钮和开关控制方式，大部分的电气节点是继电器阵列，它们的故障率而， 受操作工人技术水平和责任心的影响大，机车检修的技术信息更是难以建立完备的数据信息 库。如今，该类非标设备已经成为制约检修生产信息化和数字化的瓶颈。因此，对检修生产 非标设备的数字化改造已经成为刻不容缓的关键问题。 本项目的合作单位江岸机务段拥有d f 7 、d f 4 、s s 4 等机车类型，每年中修d f 7 机车3 6 台左右、小辅修d f 7 和d f 4 机车2 4 0 台左右、小辅修s s 4 机车4 3 0 台左右。辅机运行状态的 好坏直接影响着行车安全与质量，各机务段都非常重视辅机的检修质量，江岸机务段每年须 检修辅机3 0 0 台左右。 辅机试验台负责对直流电机、交流电机、劈相机等机车辅机综合性能的试验测试。目前， 江岸机务段等机车检修单位所使用的辅机试验台仍然停留在采用手动调节旋钮、开关和继电 器等器件来完成对不同电机的调压、运转时间控制等操作，目测并记录面板仪表和信号指示 灯等显示的试验数据和结果。试验操作的动作繁琐，试验设各的安全系数低，不能直接显示 故障信息，特别是人工操作的差异导致辅机试验精确度和报表可信度降低。 为了适应机车检修水平现代化的发展步伐，本文研究设计了基于触摸屏和p l c 控制技术 的数字化辅机试验台，作为常规的手动开关和继电器控制试验台的升级换代产品，通过人机 界面( h m i ) 触摸屏完成对机车辅机( 包括直流电机、交流电机、劈相机) 的试验操作。 试验台可以自动记录、显示或打印文字图表等多种表达形式的试验数据、结果以及试验故障 信息等。同时，试验台增加了密级和登记操作管理等智能化功能，实现记名记车检修，实验 数据可直接送入站段管理数据库进行分析统计，从而有效地提高辅机试验的自动化程度和机 车检修生产管理水平。 基于以上检修生产及管理的需求，中南大学和江岸机务段合作开展了数字化辅机试验台 研制开发项目。 1 2 国内外研究现状与水平 机车辅助电机试验苗研制i 目前，在国内的机车检修设备的生产厂家和使用单位中，大多数的机车检修工装设备仍 属于触点控制的非标准设各，数字化程度偏低，少数产品中尝试使用了数字技术，但也只是 在单片( 板) 机这一技术层次，例如江岸机务段使用的水泵油泵试验台，并没有从根本上改 变触点控制的主电路模式，而且单片机在机车检修的现场工况恶劣电磁环境条件下，由于它 的抗高压大电流的冲击能力差，造成控制电路的故障率偏高，现场应用效果不好。因此必须 引用新的技术从根本上解决以上问题。 可编程逻辑控制器p l c 是当今世界上在工业现场应用最为广泛的电力电子器件，它具有 控制逻辑简单直观，功能组合便捷，电气性能良好等优点，可以直接对数孚量和模拟量进行 控制和驱动，尤其是随着现场总线技术和组态技术的发展，对p l c 编程设计和产品应用具有 决定性的推动意义。尤其是具有嵌入式操作系统和p l c 组态软件的触摸屏，为p l c 的现场控 制和人机交互操作进一步提供了便利的条件。但是受技术推广力度和铁道系统行业的限制， 目前还未见到有将p l c 技术和触摸屏技术联合应用到机车辅助电机试验台的应用先例，本文 提出的基于p l c 和触摸屏技术的机车辅机试验台技术研究将有力于推动机车检修工装设备数 字化发展，也将为机车定期维修向状态维修转变提供基础设备的保证。 特别是随着办公管理信息化的发展，机务段建立了段内信息局域网，在原来的非标机车 检修试验台的条件下，机车检修工装设备的试验数据等技术信息不能直接进入信息局域网 络，机车检修质量分析一直停留在纸上。而本文提出的基于p l c 和触摸屏技术的机车辅机试 验台，可以通过数字化的信息提取接口将试验数据实时上传到计算机进行数据分析，从而实 现机车检修质量网络化管理，增强对机车检修质量的跟踪与管理，以期提高机车检修时效性， 推动机车状态检修的发展进程。 1 3 研究目的与意义 目前国内的机车试验设备主要采用的仍然是功能单一的触点电器作为控制与保护系统， 此类设备的故障率较高，可靠性也较差，试验数据可信度低，容易造假，由于维修不当造成 的机车故障率较高，现场管理层用来分析故障原因的数据资料偏少，且缺少一定的说服力。 采用此技术制造的试验设备能有效地避免以上的缺点，试验数据的打印与存取极方便地解决 了数据造假与故障原因分析的资料来源问题。这一研究项目的成功将有效地提高机车检修质 量，为机车检修由定期维修向状态维修提供一定的设备基础，在机车检修系统具有广泛的推 广意义。 1 4 论文研究的主要内容 舸l 车辅助电机试验台研制1 本论文以p l c 控制系统理论和触摸屏应用理论为基础，研制了机车辅助电机试验台，采 用功能强、速度快、扩展灵活、模块化的s 7 2 0 0 p l c 实现试验控制，通过组态技术与人机界 面触摸屏配套使用。主要分析、解决以下几个问题： 1 分析提出与辅机试验台数字化、标准化以及检修生产信息集成化等有关的技术指 标和参数要求； 2 对辅机试验台p l c 控制技术的应用开发，包括电气设计和软件编程； 3 应用触摸屏的嵌入式操作系统及其组态软件，设计开发试验台的人机操作界面， 以及与p l c 之间的通信连接和控制； 4 开发设计数字式辅机试验台检修数据的通信接口，支持机车检修信息集成和生产 管理的现代化。 数字式辅机试验台必须实现以下功能： ( 1 ) 满足各类机车辅助电机的试验要求。解决目前现场交、直流电机不能同用一台试 验设备的难题。 ( 2 ) 试验台操作简单、直观，界面友好。 ( 3 ) 强大的故障自动保护功能，大大加强设备的安全性和可靠性。 ( 4 ) 提高机车辅助电机试验的数据精确度，提高机车检修质量。 ( 5 ) 减少试验设备的故障率，提高了试验设备的通过能力。 ( 6 ) 实现试验数据的实时打印，减轻操作工人的劳动强度。 ( 7 ) 实现试验数据的存储，为机车检修质量分析提供有效的数据。 ( 8 ) 试验数据可通过预留通信接口进入数据库进行管理分析。 ( 9 ) 为其它试验提供连续可调的直流电压。 ( 1 0 ) 试验台有自动和手动两种方式。 ( 1 i ) 设计预留一定容量，扩展性强。 机车辅助电机试验台研制l 第二章机车辅助电机试验台的原理 2 1现场机车辅助电机试验要求及参数指标 本试验台可以按不同的用户要求，增减相应的功能或输入和输出参数量的大小。在这里 根据合作单位江岸机务段的生产实际，机车辅助电机试验有如下要求。 2 1 1 d f 7 机车辅助电机试验要求 1 空转试验：在最高转速下，按其实际工作方向持续运转6 0 分钟，不得有异常、甩油，轴 承温升( 4 0 。 2 负载试验：发现电机整流子发黑、烧痕、温升高、甩锡等现象要进行负载试验，在额定 工况下运转1 0 分钟应无机械损伤、闪络、环火及永久损伤，火花等级不大于1 1 。级。 3 超速试验：更换电枢绕组或重新扎线的电枢，在1 2 倍的额定转速下运转2 分钟，不得 发生损坏和残余变形。 4 匝间耐压试验：在电枢绕组经过处理后，电机应在热态下通以1 1 倍额定电压运转5 分 钟，电枢匝间不得发生击穿闪络现象。 j 辅助电机参数表。 表2 1d f 7 辅助电机参数表 、电机型号 z t p 1 2z k b l 2 t hs 6 6 l t h1 1 5 2 5 9s 6 6 l 守八 燃油泵和预热锅炉水泵预热锅炉预热锅热风机空气压缩 辅助机油电动机风油泵电炉风机电动机机电动机 参泵电动机 动机电动机 项目数 额定功率( k w ) 1 1 o 8 0 2 0 4 o 2 32 2 额定电压( v ) 1 l o1 1 01 1 01 1 01 1 01 1 0 额定电流( a ) 1 2 g1 02 65 63 5 82 3 8 额定转速( r p m )3 0 0 0 3 0 0 03 0 0 03 0 0 02 4 0 0l 0 0 0 运转方式连续短时o 5 小时连续 连续连续 断续 机车辅助电机试验台! i i f 制 2 1 2d f 4 机车辅助电机试验要求 1 空载起动电流的测定：启动前先把可调变压器置于零位，闭合按钮，然后慢慢调节电压， 逐渐升高，注意观察，当电机刚刚开始转动时，电流表的读数即为电动机启动电流值，燃 料泵电机启动电流应不大于8 a ，启动滑油泵电机应不大于1 8 a 。 2 空转试验：在最高转速下，正、反转各3 0 分钟，不得有异音、甩油、轴承温升( 4 0 ， 并检查电机振动情况。 3 负载试验：燃料泵电机带泵负载启动时，启动瞬间电流应小于3 0 a ，此时电流越小越好。 电机在额定工况运转一分钟，应无机械损伤，闪络、环火及永久性变形。 4 超速试验：更换电枢绕组或重新扎线的电枢，在1 2 倍的额定转速下运转2 分钟，不得 发生损坏和残余变形。 j 匝间耐压试验：在电枢绕组经过处理后，电机应在热态下通以1 1 倍额定电压运转5 分 钟，电枢匝间不得发生击穿闪络现象。 j 各项试验完毕并符合要求后，填写检修记录，办理验收手续。 6 辅助电机技术参数表。 表2 2d f 4 辅助电机技术参数表 电机性质直流电机直流发直流电动机直流电 电机扇电机 电机型号 z 2 4 1 z 2 1 2 z 2 1 2z k l 3 1 1 1 0 s z 5 9s 6 6 1 z j ，az d p 一1 2d y f 一3 0 0 装车用途润滑燃料泵测速发预热锅预热锅预热锅炉车体通司机室 油泵 ( r b d )电机 炉水泵炉风泵燃料泵 风机风扇s d ( q b d ) 预热炉滑 ( c f ) y s dy f d ( y r d ) r d f d l 热风机 油泵 ( r d f ) ( y h d ) 功率( k w ) 45o 6o 60 8o 40 0 21 o0 0 3 3 电压( v ) 9 6l l o1 1 01 1 09 61 1 01 1 01 1 0 电流( a ) 5 7 87 6 87 6 8 牛1 0牛5 5 牛2 6 1 2 9 转速( 印m ) 2 2 0 01 5 0 02 6 8 03 0 0 03 0 0 03 0 0 0 3 0 0 0 1 3 5 0 2 1 3s s 4 电力机车辅助电机试验要求 1 用5 0 0 v 兆欧表测量定子绕组对地( 机壳) 绝缘电阻值；进行对地耐电压实验，新品 5 机车辅助电机试验台研制 2 0 0 0 v ，1 m i n ：旧品1 7 0 0 v ，lm i n ，不许有击穿现象( 允许未组装前定子单独进行) 。 如若绕组更新后，须进行匝问绝缘试验，绕组匝问绝缘应能承受4 6 u 士+ 1o o o v 波高 值的脉冲电压试验( 允许采用其它等效考核匝间绝缘方法) ，并记录之。 2 劈相机空载试验，电机应连续起动十次以上无异常，电机无剧烈振动，轴承应平稳轻 快，无停滞现象，声音均匀和谐而无任何不正常的杂音，并测量电压及三相空载电流， 空载电流与出厂值偏差不大于15 。必要时，用点温计测量额定工况下轴承稳定温升 不得超过5 j k 。 3 、l 对劈相机定子或转子进行更换后，重新装配的劈相机应进行单相空载电压为最低时 的低压起动试验( 即3 0 l v 相当于网压为1 9 k v ) ，起动时间应不许超过1 5 s ( 若因试验 设备所限，可暂用三相对称交流电压6 5 v 进行) 。 4 各类风机电动机进行三相空载试验及实际负载( 指带叶风后) 试验，电机应连续起动 十次以上无异常，电机无剧烈振动，轴承应平稳轻快，无停滞现象，声音均匀和谐而 无任何不正常的杂音。测量三相空载电流，在三相电源平衡条件下，其空载电流的任 一相与三相平均值的差不大于l o ，并不得超过出厂值的1 0 ，转速应正常。测量三 相实际负载电流值并记录之。必要时，用点温计测量额定工况下轴承稳定温升不得超 过j 5 k 。 5 油泵电机通入3 8 0 v 三相电源进行油泵油循环试验。试验前先用5 0 0 v 兆欧表测量定子 绕组对地绝缘电阻值，并记录之。连续启动十次以上，电机无剧烈振动，轴承应平稳 轻快，无停滞现象，声音均匀和谐，而不夹杂有害的声音，并测量其三相电流值。 6 辅助压缩机电机起动运转试验，接通1 1 0 v 直流电源，电机连续起动十次以上的起动、 运转试验应无异常，电机无剧烈振动( 两倍振幅值为o 0 8 m ) ；轴承应平稳轻快，无 停滞现象，声音均匀和谐，无任何不j 下常的杂音。考核电机换向状态，换向火花等级 不超过1 4 级。 7 司机室风扇电机试验，接通1 1 0 v 直流电源进行运转试验，电机无剧烈振动，轴承应 平稳轻快，声音均匀和谐，无任何不正常的杂音。考核电机换向状态，换向火花等级 不超过1 1 4 级，风扇摇头装置转动灵活。 8 主要辅助电机定子绕组大修后结合电机空载试验进行短时升高电压试验，试验的外旌 电压为额定电压的1 3 0 ，试验时间为3 m i n 。 9 辅助电机技术参数表。 6 机车辅助电机试验台研制 表2 3s s 4 辅助电机技术参数表 扫扰型号 y p x ! y f d 一2 8y y d 一2 8q b 一8y 9 0 l 一y z f 一2 0y z f 1 6f d 3 0 0z 22 2 d 守八 一2 8 0o s 一4o s 一6o 2 02 一i fo l l 一2o m 一4l l o z m 一4牵引通空气压油泵硅风制动风主变压司机辅助压 i参劈相风机电缩机电电机机电机电机器风机 室冷 缩机电 项目数机机机机电机风扇动机 电机性质交流电机直流电机 额定功率( k w )3 23 7 3 71 32 2 3 0 l l 0 0 4 41 1 额定电压( v ) 3 8 03 8 03 8 03 8 03 8 03 8 03 8 01 1 01 1 0 额定电流( a ) 1 4 6 6 8 7 02 4 34 7 5 6 92 2 60 41 3 1 5 额定转速( r p m )1 4 9 9 1 4 8 09 8 32 8 6 02 8 4 02 9 5 01 4 6 01 5 0 0 运转方式连续连续 连续连续 2 1 4 机车辅助电机试验台要求 由d f 7 、d f 4 及s s 4 型机车辅助电机试验要求可知，用于上述三种机型的机车辅助电机 试验台要满足如下要求： 1 、能够输出交流0 5 0 0 v 、0 2 0 0 a 的电源和直流o 1 5 0 v 、0 2 5 0 a 的电源。 2 、能够提供可靠的运转时间、转速、温升等参数。 3 、可以动态显示试验对象参数和故障状态。包括赢流电压、电流，交流三相电压、电 流，系统当前时间，实验对象运转时间及运转指示，故障提示等。 4 、自动存储试验结果，实时打印文字图表等多种表达形式的试验记录和故障信息。 5 、有自动保护功能。包括过流保护，零位升压保护，三相不平衡保护，劈相机启动超 时保护等。 6 、预置参数功能。能预置试验电机型号，上下车号，操作员工号，试验时间，过流保 护值，过压保护值等试验参数。 7 、信息实时上传和下载功能。 8 、自动和手动切换功能。 2 2 机车辅助电机试验台的原理 7 塑!塑壁皇盟堕鉴鱼!堕!一 1 工作原理 为满足以上各项要求而研制的机车辅助电机试验台具有如下工作原理。 通过人机界面触摸屏和p l c 对数字化辅机试验台进行控制，完成对直流电机、交流 电机、劈相机的试验操作，并且可以自动记录、显示或打印文字图表等多种表达形式的试验 数据、结果以及试验故障信息等。同时，试验台增加了密级和登记操作管理等智能化功能， 实现记名记车检修，从而有效提高辅机试验的自动化程度和机车检修生产管理水平。 由于试验电机对电压、电流、运转时间及运转方式有不同的要求，本试验台利用p l c 控 制系统进行精确的电压、电流及运转时间的控制，实现不同电机的试验要求。 按控制耍求，设计出本系统的原理图如下： 图2 1 系统原理倒 系统中接触器包括1 m c ( 控制直流电机) 、2 m c ( 控制交流电机) 和3 m c 、4 ) f i c ( 控制劈相 机) ：整流模块为三相可控整流；传感器检测试验电机性能参数( 包括直流电流电压，交流 电流电压共8 个模拟量) ；p l c 扩展模块对电机模拟量的a d 转换，并输出整流模块的控制信 号：p l c 处理判断试验数据，产生故障保护信息；触摸屏则通过设计人机界面控制p l c 触点 动作、实时显示试验数据和故障信息。试验数据还可通过上位机进入网络服务器，以形成数 据库进行管理分析。 2 机车辅助电机试验台结构 图二所示为辅助电机试验台结构图，操作工人通过触摸屏对试验台进行操作以实现p l c 系统对整个试验过程的控制；p l c 系统接到触摸屏传来的各种操作指令后，按照不同的指令 8 机车辅助电机试验台研制 完成不同的动作，实现驱动电机、接收并处理电机运转参数、向打印机或存储器等传输试验 数据等等。 传 数操 感 誊篓 驱 和 动 p l c 输 操 辅 入 l i 作 参 p l c | 触撰屏 一卜一 1 二 助e p l c 人 * 扩 电 展 乒 驱 模 c p u 1新辗 机 卜一 动 块 1 y 控 接口 伟0 一数据存i 图2 2 辅助电机试验台结构图 机车辅助电机试验台研制 第三章p l c 与触摸屏技术 3 1p l c 技术 3 1 1p l c 的功能特点及其与其它工控系统的比较 可编程控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r 0 1 l e r ，简称p l c 或p c ) 是从早期的继电器逻 辑控制系统发展而来的综合计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的 一种新型t 业自动控制装置，它不断吸收微计算机技术使之功能不断增强，逐渐适合复杂的 控制任务，并迅速成为工业自动化系统的支柱，被广泛地应用于机械、冶金、化工、交通、 电力等领域中。 作为先进工业的三大支柱( 可编程序控制器、数字控制、机器人) 之一，p l c 之所以有 生命力，在于它采用了“三机一体化”的综合技术( 即集计算机、仪器仪表、电气控制于 身) ，从而更加适合工业现场和市场的要求：高可靠性、强抗各种干扰的能力、编程安装使 用简便、低价格长寿命。比之单片机，它的输入输出端更接近现场设备，不需添加太多的中 间部件或需要更多的接口，这样节省了用户时间和成本。p l c 的下端( 输入端) 为继电器、晶 体管和晶闸管等控制部件，而上端一般是面向用户的微型计算机。人们在应用它时，可以不 必进行计算机方面的专门培训，就能对可编程控制器进行操作及编程，用来完成各种各样的 复杂程度不同的工业控制任务。 自1 8 3 6 年继电器问世，人们就开始用导线将它同开关器件巧妙地连接，构成用途各异 的逻辑控制或顺序控制。至今，在p l c 的编程语言梯形图中还可以看到这些布线的影子。 直到6 0 年代末、7 0 年代初可编程控制器问世，随着微电子技术、计算机技术和数据通信技 术的飞速发展，以及微处理器的出现，p l c 产品朝小型和超小型化方面进行了一次飞跃，最 终使早期的p l c 从最初的逻辑控制、顺序控制，发展成为具有逻辑判断、定时、计数、记忆 和算术运算、数据处理、联网通信及p i d 回路调节等功能的现代p l c 。 一、可编程控制器的主要功能 p l c 是应用面很广，发展非常迅速的工业自动化装置，在工厂自动化( f a ) 和计算机集成 制造系统( c i m s ) 内占重要地位。今天的p l c 功能，远不仅是替代传统的继电器逻辑。 p l c 系统一般由以下基本功能构成：多种控制功能，数据采集、存储与处理功能，通信 联网功能，输入输出接口调理功能，人机界面功能，编程、调试功能。 1 、控制功能 逻辑控制：p l c 具有与、或、非、异或和触发器等逻辑运算功能，可以代替继电器进行 开关量控制。 1 0 ! ! 至翌墅! 坚! ! 堕墼笪望型! 定时控制：它为用户提供了若干个电子定时器，用户可自行设定：接通延时、关断延时 和定时脉冲等方式。 计数控制：用脉冲控制可以实现加、减计数模式，可以连接码盘进行位置检测。 顺序控制：在前道工序完成之后，就转入下一道工序，使一台p l c 可作为多部步进控制 器使用； 2 、数据采集、存储与处理功能 数学运算功能： 基本算术：加、减、乘、除。 扩展算术：平方根、三角函数和浮点运算。 比较：大于、小于和等于。 数据处理：选择、组织、规格化、移动和先入先出。 模拟数据处理：p i d 、积分和滤波。 3 、输入输出接口调理功能 具有川d 、d a 转换功能，通过i 0 模块完成对模拟量的控制和调节。位数和精度可以 根据用户要求选择。具有温度测量接口，直接连接各种电阻或电偶。 4 、通信、联网功能 现代p l c 大多数都采用了通信、网络技术，有r s 2 3 2 或r s 4 8 5 接口，可进行远程工o 控制，多台p l c 可彼此间联网、通信，外部器件与一台或多台可编程控制器的信号处理单元 之间，实现程序和数据交换，如程序转移、数据文档转移、监视和诊断。 通信接口或通信处理器按标准的硬件接口或专有的通信协议完成程序和数据的转移。如 西门子s 7 2 0 0 的p r o 舶u s 现场总线口，其通信速率可以达到1 2 m b p s 。 在系统构成时，可由一台计算机与多台p l c 构成“集中管理、分散控制”的分布式控制网 络，以便完成较大规模的复杂控制。通常所说的s c a d a 系统，现场端和远程端也可以采用 p l c 作现场机。 5 、人机界面功能 提供操作者以监视机器过程工作必需的信息。允许操作者和p c 系统与其应用程序相互 作用，以便作决策和调整。 实现人机界面功能的手段：从基层的操作者屏幕文字显示，到单机的c r t 显示与键盘操 作和用通信处理器、专用处理器、个人计算机、工业计算机的分散和集中操作与监视系统。 6 、编程、调试等 使用复杂程度不同的手持、便携和桌面式编程器、：【作站和操作屏，进行编程、调试、 塑! 塑壁皇! ! 苎鉴塑笪型! 监视、试验和记录，并通过打印机打印出程序文件。 二、可编程控制器的主要特点 1 、可靠性高 p l c 的m 丁b f 般在4 0 0 0 0 5 0 0 0 0 h 以上，西门子、a b b 、松下等微小型p l c 可达l o 力h 以上，而且均有完善的自诊断功能，判断故障迅速，便于维护。 2 、模块化组合灵活 可编程控制器是系列化产品，通常采用模块结构来完成不同的任务组合。i 0 从8 8 1 9 2 点，有多种机型、多种功能模板可灵活组合，结构形式也是多样的。 3 、功能强 p l c 应用微电子技术和微计算机，简单型式都具有逻辑、定时、计数等顺序控制功能。 基本型式再加上模拟i o 、基本算术运算、通信能力等。复杂型式除了具有基本型式的功能 外，还具有扩展的计算能力、多级终端机制、智能i 0 、p i d 调节、过程监视、网络通信能 力、远程i ，o 、多处理器和高速数据处理能力。 4 、编程方便 p l c 适用针对工业控制的梯形图、功能块图、指令表和顺序功能表图( s f c ) 编程，不需 要太多的计算机编程知识。新的编程工作站配有综合的软件工具包，并可在任何兼容的个人 计算机上编程。 5 、适应工业环境 p l c 的技术条件能在一般高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境下工作，能在强电磁干扰 环境下可靠工作。这是p l c 产品的市场生存价值。 6 、安装、维修简单 与计算机系统相比，p l c 安装不需要特殊机房和严格的屏蔽。使用时只要各种器件连接 无误，系统便可工作，各个模件上设有运行和故障指示装置，便于查找故障，大多数模件可 以带电插拔，模件可更换，使用户可以在最短的时间内查出故障，并排除，最大限度地压缩 故障停机时问，使生产迅速恢复。然后再对故障模件进行修复，这对大规模生产场合尤为适 宜。 一些p l c 外壳由可在不良工作环境下工作的合金组成，结构简单，上面带有散热槽，在 高温下，该外壳不像塑料制品那样变形，还可抗无线电频率( r f 高频) 电磁干扰、防火等。 7 、运行速度快 随着微处理器的应用，使p l c 的运行速度增快，使它更符合处理高速度复杂的控制任务， 它与微型计算机之间的差别不是很明显。 机_ ，i 二辅助电机试验台研制 8 、总价格低 p l c 的重量、体积、功耗和硬件价格一直在降低，虽然软件价格占的比重有所增加，但 是各厂商为了竞争也相应地降低了价格。另外，采用p l c 还可以大大缩短设计、编程和投产 周期，使总价格进一步降低。 p l c 系统与工业总线计算机和d c s 系统相互渗透，互为借鉴，相互竞争而发展。促进 了工业的进步。 p l c 产品面临现场总线的发展，将再次革新，满足工业与民用控制的更高需要。 三、p l c 的通信及联网 p l c 的通信包括p l c 之间、p l c 与上位计算机之间以及p l c 与其他智能设备间的通信。 p l c 系统与通用计算机可以直接或通过通信处理单元、通信转接器相连构成网络，以实现信 息的交换，并可构成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统，满足工厂自动化( f a ) 系统发 展的需要，各p l c 系统或远程“o 模块按功能各自放置在生产现场分散控制，然后采用网络 连接构成集中管理的分布式网络系统。 以西门子公司的s i m a n cn e t 为例，在其提出的全集成自动化( t r a ) 的系统概念中，核 心内容即包括组态和编程的集成、数据管理的集成以及通信的集成。通信网络是这个系统重 要的、关键的组件，提供了部件和网络间完善的工业通信。 s i m a t i cn e t 包含了三个主要层次： a s i 网传感器和执行器通信的国际标准，扫描时间5 m s ，传输媒体为未屏蔽的双绞 线，线路长度为3 0 0 m ，最多为3 1 个从站。 p r o f i b u s 工业现场总线，用于车间级和现场级的国际标准，传输率最大1 2 州s ， 传输媒体为屏蔽双线电缆( 最长96 k m ) 或光缆( 最长9 0 k m ) ，最多可接1 2 7 个从站。 工业以太网用于区域和单元联网的国际标准，网络规模可达1 0 2 4 站1 5 k m f 电气网络) 或2 0 0 k m ( 光学网络) 。 在这一网络体系中，尤其值得一提的是p r o f i b u s 现场总线，p r o f i b u s 是目前最成功 的现场总线之一，已得到广泛地应用。它是不依赖生产厂家的、开放式的现场总线，各种各 样的自动化设备均可通过同样的接口交换信息。为数众多的生产厂家提供了优质的 p r o f i b u s 产品，用户可以自由地选择最合适的产品。p r o f i b u s 已经成为德国国家标准 d i n l 9 2 4 5 和欧洲标准p r e n 5 0 1 7 0 ，并在世界拥有了最多的用户数量。 四、p l c 与工业控制计算机( i p c ) 和集散控制系统( d c s ) 的比较 1 、各自技术发展的起源 计算机是为了满足快速大量数据处理要求的设备。硬件结构方面，总线标准化程度高， 1 机车辅助电机试验台研制 兼容性强，软件资源丰富，特别是有实时操作系统的支持，故对要求快速、实时性强、模型 复杂和计算工作量大的工业对象的控制占有优势。 集散系统从工业自动化仪表控制系统发展到以工业控制计算机为中心的集散系统，所以 其在模拟量处理、回路调节方面具有一定优势，初期主要用在连续过程控制，侧重回路调节 功能。 p l c 是由继电器逻辑系统发展而来，主要用在离散制造、工序控制，初期主要是代替继 电器控制系统，侧重于开关量顺序控制方面。 近年来随着微电子技术、大规模集成电路技术、计算机技术和通信技术等的发展，p l c 在技术和功能上发生了飞跃。在初期逻辑运算的基础e ，增加了数值运算、闭环调节等功能， 增加了模拟量和p i d 调节等功能模块；运算速度提高，c p u 的能力赶上了工业控制计算机； 通信能力的提高发展了多种局部总线和网络( l a n ) ，因而也可构成为一个集散系统。特别是 个人计算机也被吸收到p l c 系统中。 p l c 在过程控制的发展将是一智能变送器和现场总线，暨向下拓展功能，开放总线。 2 、相同点 在微电子技术发展的背景下，从硬件的角度来看，p l c 、工业计算机、集散系统f d c s l 之间的差别正在缩小，都将由类似的一些微电子元件、微处理器、大容量半导体存储器和i o 模件组成。编程方面也有很多相同点。 3 、区别点 由于p l c 和计算机属于两类产品，经过几十年的发展都形成了自身的装置特点和软件工 具。实际上的区别继续存在。 p l c 用编程器或计算机编程，编程语言是梯形图、功能块图、顺序功能表图和指令表等。 集散系统自身或用计算机结构形成组态构成开发系统环境。 特别提出的是与s t d 总线工控机的区别，无论从维修、安装和模件功能都很相似。p l c 更适用于黑模式下运行，但在线运行时若要进行较大的程序修改，其能力略逊于s t d 工控机， 但是从开关量控制而言，p l c 的性能优于s t d 工控机。 需要补充说明的是，以p l c 作为控制器的p l c 控制系统从根本上改变了传统的继电器控 制系统的工作原理和方式。继电器控制系统的控制功能是通过采用硬件接线的方式柬实现 的，而p l c 控制系统的控制功能是通过存储程序来实现的，不仅可以实现开关量控制，还可 以进行模拟量控制、顺序控制。另外，它的定时和计数的功能也远比继电器控制系统强，一 般可以为用户提供几十甚至上百个定时器、计数器。随着计算机和通信技术的发展，现代的 p l c 控制系统已远不是几十年前的那个样子，p l c 的控制从早期的单机控制发展到多机控制， 1 4 机车辅助电机试验台研制 实现了工厂自动化。尽管现代的p l c 控制系统己发生了很大的变化，但是从自动控制的角度 柬看，p l c 控制系统与传统的继电器控制系统在结构上仍有相似之处。现以集中型的p l c 控 制系统为例说明集中型p l c 控制系统与继电器控制系统在结构上有哪些相同之处和不同之 处。继电器控制系统的结构如图3 1 所示，集中型p l c 控制系统的结构如图3 2 所示。 图3 1继电器控制系统的结构图 图3 2 集中型p l c 控制系统的结构图 将图3 2 与图3 1 相比较，就会发现p l c 控制系统与继电器控制系统输入、输出部分基 本相同，输入电路也都是由按钮、开关、传感器所构成；输出电路也都是由接触器、执行器、 电磁阀所构成。不同的是继电器控制系统的控制线路被p l c 中的程序所替代，这样一旦生产 工艺发生变化，就只需修改程序就可以了。正是上述原因，p l c 控制系统除了可以完成传统 多级分布控制。随着微电子技术的进一步发展，p l c 成本也在降低，传统的继电器控制系统 被p l c 控制系统所代替已是发展的必然趋势。 总的来说，在选择控制器时，首先要从工程要求、现场环境和经济性等方面考虑。没有 什么控制器绝对完善，也没有哪种产品绝对差，只能说选择更适用的产品。 4 、增长趋势比较( 见表3 1 ) 表3 11 9 9 5 年四类控制产品的初步统计 产品类别 p l cp i dd c si p c 控制软件 名次 l ? 345_ 销售额( 美元)3 9 亿( 不包括软件) 2 9 亿2 8 亿 1 5 亿 7 8 亿 机车辅助电机试验台研制 5 0 亿( 包括软件) 增长率( ) 1 59 1 4 25 71 491 5 】 p l c 自问世以来，经过2 0 多年的发展，在美国、欧洲、日本等工业发达国家已成为重 要产业，1 9 8 7 年世界p l c 的销售额为2 5 亿美元，此后每年以2 0 左右的速度递增。进入9 0 年代以来，世界p l c 的年平均销售额在5 5 亿美元以上，其中我国约占1 。当前，p l c 在 国际市场上已成为最受欢迎的工业控制畅销产品，用