摘要：電力機車輔助電機主要是為了保證主電路的正常工作而設(shè)計的輔助設(shè)備，其是否投入工作取決于主電路的工作狀態(tài)，即使在環(huán)境溫度很低的情況下，盡管主電路工作在牽引或制動工況，但這些輔助設(shè)備服務(wù)的主電路電器設(shè)備的溫升并不高，這不僅造成能源浪費，增加了設(shè)備的損耗，降低其使用壽命，同時也產(chǎn)生很大的機械和電磁噪聲，影響乘務(wù)作業(yè)人員工作的舒適度。選擇PID控制策略，以新型傳感器為牽引電機的溫升檢測裝置，以PLC作為系統(tǒng)控制單元，以HMI為系統(tǒng)的人機界面，完成了系統(tǒng)硬件方案設(shè)計，借助專用工具設(shè)計PLC和HMI的軟件，實現(xiàn)了電力機車輔助電機的PID控制。
關(guān)鍵詞：電力機車；輔助電機；PID控制；研究
電力機車輔助電機主要是為了保證主電路的正常工作而設(shè)計的輔助設(shè)備，其是否投入工作取決于主電路的工作狀態(tài)，即使在環(huán)境溫度很低的情況下，盡管主電路工作在牽引或制動工況，但這些輔助設(shè)備服務(wù)的主電路電器設(shè)備的溫升并不高，這不僅造成能源浪費，增加了設(shè)備的損耗，降低其使用壽命，同時也產(chǎn)生很大的機械和電磁噪聲，影響乘務(wù)作業(yè)人員工作的舒適變。如果研究開發(fā)一個有閉環(huán)控制功能的控制系統(tǒng)，在需要輔助電機投入工作時控制其投入工作，不需要則使其停機，基于新型傳感器、PLC和HMI的輔助電機PID控制系統(tǒng)就是本課題的研究內(nèi)容。
輔助電機是電力機車輔助電路的重要設(shè)備，它包括異步劈相機、空氣壓縮機電機、牽引通風(fēng)機電機、制動通風(fēng)機電機、變壓器風(fēng)機電機和潛油泵電機。劈相機為輔助電路提供三相電源，壓縮機為機車提供風(fēng)源，牽引風(fēng)機對整流裝置、平波電抗器和牽引電機強迫冷卻，變壓器風(fēng)機和潛油泵則為變壓器散熱。這些電機的功率從10千瓦到35千瓦不等，是電力機車除牽引電機外功率最大的耗能設(shè)備，以一臺6軸電力機車為例，輔助電機的功率總和就達300 kW，韶山4型等8軸電力機車的輔助電機的功率總和甚至更大。更重要的是，這些功率很大的耗能設(shè)備控制完全是由司機進行人工控制的。在這些輔助電機中，牽引風(fēng)機電機的功率僅次于劈相機，出于電力機車運行安全的考慮，在邏輯控制環(huán)節(jié)設(shè)置了聯(lián)鎖，在制動工況和牽引工況的高級位，即使在寒冷的冬季，在環(huán)境溫度很低，無需對牽引電機、平波電抗器、主變壓器等設(shè)備強迫冷卻的的情況下，也必須開啟牽引風(fēng)機，也就是說風(fēng)機開啟的條件和時機不是根據(jù)上述設(shè)備的溫升，而是由機車所處的工況決定的。這樣的控制策略存在明顯的不足，既不科學(xué)也不節(jié)能，在提倡節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟成為社會共識的大背景下，應(yīng)根據(jù)機車具體情況，研究并優(yōu)化機車輔助電機控制系統(tǒng)具有現(xiàn)實的經(jīng)濟意義。
對于電力機車輔助電機控制，首先應(yīng)該明確控制對象，分析它們的特點和控制要求，研究控制策略，設(shè)計控制系統(tǒng)方案，確定具體的實現(xiàn)途徑。在上述的輔助電機中，劈相機的作用是把單相工頻交流電變成三相工頻交流電，是其他輔助電機正常工作的前提條件，它的控制是人工控制的，此外，空氣壓縮機根據(jù)總風(fēng)缸的壓力由壓力控制器控制，制動通風(fēng)機是電阻制動工況時由司機控制，它們的控制方式不做改變。牽引通風(fēng)機、變壓器通風(fēng)機的控制是司機人工控制的，它們的控制策略有待優(yōu)化，控制方式改為PID控制，因此它們的控制是本文研究的對象。
1 控制策略的選擇
牽引風(fēng)機的作用是給牽引電機冷卻，變壓器風(fēng)機的作用是給變壓器冷卻，因此控制策略的選擇應(yīng)即能保證上述電氣設(shè)備的正常可靠工作，又要考慮節(jié)能，安全、可靠、合理是基本要求，同時也要兼顧有較高的自動化程度、較低的成本和技術(shù)上容易實現(xiàn)等因素。風(fēng)機控制問題的實質(zhì)就是要根據(jù)控制對象的溫升和環(huán)境溫度的變化科學(xué)合理控制風(fēng)機的啟動和停止，也就是控制對象需要通風(fēng)時啟動，不需要通風(fēng)時就停止。但是，牽引電機溫升控制的特點是有較大的滯后性，當溫升過高時，再進行通風(fēng)冷卻，會造成電機溫度過高，影響到電機的可靠工作，對電機本身有一定危害，甚至?xí)斐呻姍C損壞，這種現(xiàn)象稱為欠調(diào)。隨著電機的通風(fēng)冷卻，電機溫度隨之下降，當降到電機的安全工作溫度時，再控制風(fēng)機停止，電機的溫度可能已經(jīng)很低了，電機本身不再需要通風(fēng)，這又會造成浪費，起不到合理控制的作用，這種現(xiàn)象稱為過調(diào)，上述問題就是溫度控制系統(tǒng)的滯后性問題。
基于上述控制要求及其特點，我們決定采用目前應(yīng)用較為普遍，控制性能優(yōu)良的PID控制器控制。PID是比例積分微分控制器的簡稱，它能通過設(shè)置正確的參數(shù)，有效防止溫度調(diào)節(jié)過程中的欠調(diào)和超調(diào)，獲得較為理想的控制性能。PID控制器的主要參數(shù)有：測量值、設(shè)定值、比例系數(shù)、積分時間、微分時間、取樣時間、調(diào)節(jié)死區(qū)等。其中測量值就是牽引電機的溫度值，設(shè)定值是根據(jù)電機的具體型號確定的參考值，比例系數(shù)的值為一百分比，是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用以減少偏差，比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減小偏差，但是過大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分時間的調(diào)節(jié)作用是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度，因為有誤差，積分調(diào)節(jié)就進行，直至無差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一常值，積分作用的強弱取決于積分時間，積分時間越大，積分作用就越強，調(diào)節(jié)回應(yīng)就越慢，反之，積分作用就越弱，調(diào)節(jié)回應(yīng)就越快，加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)回應(yīng)變慢。微分時間反應(yīng)系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除，因此，可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，在微分時間選擇合適的情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時間。取樣時間是系統(tǒng)檢測電機溫度的周期。調(diào)節(jié)死區(qū)是當測量值與設(shè)定值的差值小于調(diào)節(jié)死區(qū)的值時，系統(tǒng)不起調(diào)節(jié)作用，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
電機溫升是決定電機額度功率和額定電流的主要因素，電機的發(fā)熱程度不僅取決于電機內(nèi)部單位時間內(nèi)所產(chǎn)生的熱量，而且還取決于電機散熱條件，因此，必須進行通風(fēng)計算，以此來設(shè)置合理的參數(shù)。在進行電機的通風(fēng)計算時，要確定帶走電機內(nèi)部產(chǎn)生的熱量所必須的風(fēng)耗量。當電機在持續(xù)工控下工作時，吹過電機內(nèi)部的風(fēng)量，應(yīng)能帶走電機內(nèi)部產(chǎn)生的熱耗，而電機則在符合標準的穩(wěn)定溫升下工作。計算電機通風(fēng)量的公式為∑△P∞=CBγB△θBQ，式中∑△P∞是持續(xù)工控下電機的損耗；CB=1．1是壓力為760 mm汞柱及溫度為50 ℃時空氣的密度(Kg ／m3)；γB=1000空氣比熱(W·s／Kg·℃)△θB空氣通過電機后的溫升，由此計算得出所需的風(fēng)耗量 。
2 硬件方案設(shè)計
硬件方案設(shè)計是輔助電機控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，整個系統(tǒng)的設(shè)計首先應(yīng)滿足故障導(dǎo)向安全原則，其次要求可靠性高、功能豐富、自動化程度高、經(jīng)濟性好、技術(shù)先進。
本系統(tǒng)的主要硬件模塊包括可編程控制器(PLC)、溫度傳感器、風(fēng)速傳感器、速度傳感器、電流傳感器、人機界面(HMI)和電源模塊等。 PLC為本系統(tǒng)的核心控制裝置，實現(xiàn)環(huán)境溫度和電機溫度的多路檢測，風(fēng)機電機轉(zhuǎn)速的檢測和牽引電機風(fēng)路通風(fēng)量的檢測以及輔助電機各相電流的檢測等，這些檢測到的電信號從PLC的模擬量AIO口輸入，經(jīng)PLC處理后實現(xiàn)輔助電機的控制和保護。此外，PLC數(shù)字量輸入DI口和數(shù)字量輸出口DO作為輔助電機的邏輯控制環(huán)節(jié)的輸入和輸出。溫度傳感器用來檢測環(huán)境溫度和牽引電機等的溫度，環(huán)境溫度是電機溫升的參照點，為可靠性考慮，環(huán)境溫度的檢測至少要檢測不同的3個點，因此檢測環(huán)境溫度的傳感器要有3路。電機溫度也要用溫度傳感器檢測，每1臺牽引電機溫度的檢測也要3路，檢測牽引電機不同部位的溫度。由于牽引電機溫度不能進行直接接觸檢測，所以要采用紅外線溫度傳感器。風(fēng)速傳感器的作用是測量牽引電機風(fēng)道的風(fēng)速，從而計算出牽引電機的通風(fēng)量，作為設(shè)置PID參數(shù)的重要數(shù)據(jù)。速度傳感器監(jiān)視風(fēng)機電機的轉(zhuǎn)速，以判斷風(fēng)機是否真正啟動以及工作是否正常。電流傳感器檢測風(fēng)機電機的電流，以實現(xiàn)風(fēng)機電機的過流保護。人機界面(HMI)則實現(xiàn)系統(tǒng)相應(yīng)工作參數(shù)的設(shè)置，相關(guān)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)工作狀態(tài)，數(shù)據(jù)的記錄和存儲以及故障檢測和診斷信息等的顯示。PLC和HMI的通信用Modbus通信總線連接，通信協(xié)議遵循通用的標準Modbus通信協(xié)議，實現(xiàn)兩者的信息交換。硬件方案的設(shè)計如圖1所示。
3 軟件設(shè)計
軟件設(shè)計包括HMI軟件設(shè)計和PLC軟件設(shè)計。HMI軟件設(shè)計是借助文本顯示器專用軟件開發(fā)工具設(shè)計主界面、參數(shù)設(shè)置界面、記錄查詢界面、曲線顯示界面及系統(tǒng)管理界面。主界面是系統(tǒng)正常工作時顯示的界面，也是系統(tǒng)開機后默認進入的界面，主要分牽引電機溫度、風(fēng)機參數(shù)、環(huán)境溫度和機車型號、操作按鈕、系統(tǒng)日期和時間顯示區(qū)域。牽引電機溫度顯示區(qū)域依次顯示每臺牽引電機的實時溫度。風(fēng)機參數(shù)顯示區(qū)域顯示每臺風(fēng)機的當前轉(zhuǎn)速和風(fēng)量參數(shù)。主界面底部顯示環(huán)境溫度和機車型號，環(huán)境溫度也是實時的，機車型號是在系統(tǒng)管理界面預(yù)先設(shè)置的。為了在主界面中實現(xiàn)其他界面的切換，在主界面中設(shè)計了參數(shù)、記錄、曲線和系統(tǒng)四個按鈕，用手觸摸即可進入相應(yīng)界面進行操作。此外，主界面還顯示系統(tǒng)的當前日期和時間。參數(shù)設(shè)置界面是設(shè)置PID控制器的自動控制方式、作用控制方式、設(shè)定值、比例系數(shù)、積分時間、微分時間、取樣時間、調(diào)節(jié)死區(qū)、輸入上限、輸入下限、輸出上限、輸出上限等系統(tǒng)參數(shù)的界面，機車型號不同，電機的型號也不盡相同，對應(yīng)的PID的控制參數(shù)也不同，機車型號在本界面中用下拉菜單選擇，PID控制器的每一個參數(shù)都有上限值和下限值，輸入的參數(shù)超出上下限則設(shè)置無效。
記錄查詢界面是查詢歷史記錄的界面，在系統(tǒng)運行過程中，出現(xiàn)牽引電機溫升異常，溫度過高，風(fēng)機電機轉(zhuǎn)速異常甚至停轉(zhuǎn)，傳感器開路，以及更改參數(shù)等情況時，系統(tǒng)立即啟動事件相應(yīng)，記錄發(fā)生的異常事件日期和時間、事件名稱及恢復(fù)時間等信息，并保存在存儲器中，這些歷史記錄既可以在本界面中查看，也可以以只讀文件的形式存儲在U盤中，在PC上用專用的軟件處理生成EXCEL格式的文件。曲線顯示界面實時顯示牽引電機隨時間連續(xù)變化的溫度，1臺電機對應(yīng)1條曲線，所有曲線在一屏中顯示，以不同的顏色相互區(qū)別。系統(tǒng)管理界面用來設(shè)置系統(tǒng)的日期和時間，操作密碼的設(shè)置和更改。
PLC軟件設(shè)計在PLC專用軟件設(shè)計工具中用梯形圖編程實現(xiàn)，主要內(nèi)容包括PLC型號的選擇，開關(guān)量輸入的濾波時間、模擬量輸入輸出的上限和下限、數(shù)據(jù)的采集和處理以及以PID控制器的參數(shù)自動調(diào)節(jié)為主要功能的主程序設(shè)計嘲。PLC和HMI的通信采用應(yīng)用廣泛的Modbus通信協(xié)議實現(xiàn)，通信參數(shù)設(shè)置為：波特率19 200，無校驗位，8位數(shù)據(jù)為，2位停止位。為了滿足故障導(dǎo)向安全原則，在系統(tǒng)故障的情況下保證機車正常工作，在PLC軟件中設(shè)計了故障診斷功能，一旦出現(xiàn)系統(tǒng)故障，本控制系統(tǒng)將立即停止工作，同時PLC的數(shù)字量輸出接通相應(yīng)的邏輯控制電路，切換到由機車工況決定的人工控制。
4 結(jié)束語
通過分析控制對象的特點和要求，在滿足故障導(dǎo)向安全原則的前提下，提出了利用PID控制作為控制策略，設(shè)計了硬件實現(xiàn)方案，分別編制了PLC和HMI的軟件，通過模擬運行，實現(xiàn)了文中提出的控制功能。
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