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[摘 要]电力机车在我国经济建设中发挥的作用越来越突出，人们更倾向于选择电力机车作为交通工具。由于电力机车的发展时间较长，所有具有运输量大、维修简单、技术成熟等优点。为了提高我国交通运输效益，必须在现有电力机车的基础上进行进一步的发展和完善。
[关键词]电力机车；网络化；电气控制系统；设计
中图分类号：TM571 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）45-0089-02
由于交流传动机车具有等效干扰电流小、功率因素高、电机维护简单、恒功率范围广、启动牵引力大等优势，已经成为我国铁路发展的主要趋势。本文主要从软件设计和硬件设计两个方面探讨电力机车网络化电气控制系统的设计
1 电力机车网络化电气控制系统总体设计方案
以电力机车目前普遍的电气控制系统结构为基础，设计以PROFIBUS为基础的电力机车网络化电气控制系统总体方案，其核心为S7-200和S7-300可编程控制器，以先进专业技术和自动控制理论为知道，被控对象为某列电力机车，手段为上位监控和检测，对电力机车模型的软件系统、硬件系统以及上位监控系统进行科学的设计，从而达到改进和完善控制系统功能的最终目的。以某一列车为模型，每个车厢的核心都是可编程控制器，和其他电气设备相互协作，从而实现每个车厢的单独控制。列车的主站和机头车厢从站选择S7-300（组态模块如图1所示），其他的车厢从站选择S7-200（组态模块如图2所示），主站和从站之间借助于PROFIBUS现场总线实现通讯。机头车厢主要通过变频的方式，来对牵引电机进行减速、加速、停止以及启动等操作。列车车厢选择闭环PID控制来对温度进行适当的调节，通过变频调速方式来进行制冷，此外，该系统还可以对照片、供电、供水等措施进行控制[1]。
2 电力机车网络化电气控制系统硬件设计
电力机车网络化电气控制系统硬件设计主要包括西门子S7-300、变频调速开环控制系统设计、变频调速闭环控制硬件设计、车厢空气调节系统设计等方面
2.1 车厢空气调节系统设计
列车车厢空气调节系统中的空调装置主要包括净化器、加湿器、冷却器、空气加热器等，为了满足节能要求，所以空调系统还需要设置回风口，新设置的回风口可以根据实际需要选择回风送风的方式，通过新风和部分回风的混合，也就是15%的新鲜空气和85%的室内循环空气，对其进行加热和加湿处理措施，送到各个空调车厢。空调系统首先是由压差传感器、风量传感器、湿度传感器以及温度传感器等得到送风、回风以及信封的风机风量、温湿度等参数。然后通过模拟量输入通道，将其送入CPU。CPU要对送来的参数进行计算，然后从输出通道中输出模拟量，对各个执行器进行调节，从而达到洁净空气、恒温恒湿的目的[2]。
2.2 变频调速闭环控制硬件设计
闭环系统形成之后，要传递速度信息，可以通过PLC或者光电编码器来对速度进行测量。速度采集的方法如下：由于S7-300具有高速脉冲采集功能，采集的频率高达60兆赫兹，在固定的时间间隔内，对脉冲差值进行采集，然后进行相应的计算，就可以算出电力机车目前的转速。闭环控制是将电力机车的速度信号传递给PLC ，然后将其和定量进行比较，输入到PID控制系统，从而使调节速度可以满足要求。闭环控制系统的结构图如图3所示。首先，对PLC 进行给定输入，然后通过PLC对变频器进行有效控制，借助于变频器来控制电机，从而达到变频调速的最终目的，此外，这样的操作还可以实现上位机的有效监控，对电力机车的速度进行合理的控制，还可以对交流电机的速度、正反转进行调节。最后向PLC传递电力机车转速的信息，经过比较，将信息传递给变频器，从而实现无静差调速[3]。
2.3 变频调速开环控制系统设计
本次研究主要通过S7-300可编程控制器来对电力机车的变频调速系统进行有效的控制。三相异步电机速度调节是交流传动电力机车变频调速的关键，其中，变频器发挥的作用不容忽视。如果没有反馈信息，可以将直接给定控制信息的控制调速系统称为开环调速系统，在PLC中输入给定的速度，然后经过变频器进行变频之后，控制电力机车的实际运行[4]。
2.4 西门子S7-300
西门子S7-300是面向制造工程的系统解决方案，具有以下优点：系统选择MMC来对程序和数据进行存储，所以无需维护；设计模块比较紧凑；模块化设计；性能好；CPU模块种类比较丰富等。S7-300属于可以扩展的模块系统，所有扩展的模块都可以有不同的组合，不同型号的CPU又有不一样的功能，并且所有的CPU都具备集成的输入点和输出点。但是不是所有的中央处理单元都具备通信接口。标准的S7-300温度范围为0°-60°，环境扩展型的S7-300温度范围为-25°-60°，耐污染特性更好。
3 电力机车网络化电气控制系统软件设计
3.1 车厢电气控制系统软件流程图
首先，要对变频器等系统的控制要求和参数进行适当的修改，然后处理现实数据。其次，借助于模拟量输入模块，对数据进行读取。最后，根据车厢空调系统的实际要求，选择S7-200PID控制模块进行有效控制。流程图如图4所示。
9600kW电力机车网络控制系统根据功能不同分成MC车和M车，通常情况下，由两节MC车构成十二轴9600kW机车；在中间增加一个M车构成十二轴14400kW机车。该系统采用分布式列车电子控制系统DTECS，DTECS是专为轨道车辆的列车控制和通信而设计的一套车载计算机系统，主要完机车及车辆的通信管理、功能控制、故障诊断、信息显示和事件记录等功能，系统包括车载硬件、操作系统、控制软件、诊断软件、监视软件和维护工具。系统设备主要包含ERM、GWM、AXM、DXM、DIM模块和其他设备（TCU、ACU、BCU）上的通讯板以及机车状态显示屏IDU。系统网络结构控制图如图5所示。 3.2 编程软件
编程软件选择STEP7 Micro WIN，在Windows环境下，对PLC 进行监控、调试和编程。在S7-200类型的PLC中，主要包含两种最基本的指令集，其一，IEC1131-3，；其二，SIMATIC。其中，SIMATIC主要包括连续功能图、语句表、梯形图三种指令。系统主要通过闭环控制方式来对电机的速度进行调节，由于PID控制的特殊性，所以实际编写程序时，要将程序分为主程序、中段程序以及子程序三部分。其中，主程序负责控制量的输入、输出以及中段程序的启动；中段程序负责调用PID指令，进行正确的运算，并转换数据类型；子程序负责设置PID的控制参数[5]。
3.3实验调试
PID参数的整定方法主要是通过微分时间、积分时间以及调节器的比例系数来确定，通过这三个方面，可以将这个系统的性能实现进一步的提升。在实际调试过程中，调试方法主要是衰减曲线法和经验法。其中，经验法又称为现场凑试法，调试之前，不需要进行理论计算，需要调试人员根据多年来积累的丰富经验，不断对参数进行修改，使工程的运行曲线可以满足要求[6]。
4 结束语
综上所述，电力机车在我国经济发展中的重要性有利于突出，但是电力机车网络化电气控制系统的设计仍然存在一些问题，已经引起社会各界的普遍关注，因此加强电力机车网络化电气控制系统设计的研究力度具有非常重要的意义，不仅是该领域目前的主要任务，也是未来数十年主要的发展方向。
参考文献
[1] 刘剑锋，黄志武. SS_4改进型电力机车电气控制系统无触点改造[J]. 机车电传动，2005，01：40-42.
[2] 李德仓，孟建军，张参参，杨艳梅. 基于PLC的电力机车整备作业控制系统设计与实现[J]. 微计算机信息，2012，02：38-40.
[3] 梁裕国，陈特放，孙宁，黄志武，李书涛，于江水. 8K型电力机车电气控制系统的无触点化改造[J]. 机车电传动，2003，01：54-55.
[4] 郭秀茂，胡桂荣. 我厂铸造车间砂处理自动线电气控制系统设计[J]. 铸造设备研究，1993，02：30-36.
[5] 李曙辉，张进思. 电力机车牵引运行动态过程仿真及其分析[J]. 铁道学报，1994，02：20-27.
[6] 丁荣军，桂卫华，陈高华. 电力机车交流传动系统的半实物实时仿真[J]. 中国铁道科学，2008，04：96-102.
[关键词]电力机车；网络化；电气控制系统；设计
中图分类号：TM571 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）45-0089-02
由于交流传动机车具有等效干扰电流小、功率因素高、电机维护简单、恒功率范围广、启动牵引力大等优势，已经成为我国铁路发展的主要趋势。本文主要从软件设计和硬件设计两个方面探讨电力机车网络化电气控制系统的设计
1 电力机车网络化电气控制系统总体设计方案
以电力机车目前普遍的电气控制系统结构为基础，设计以PROFIBUS为基础的电力机车网络化电气控制系统总体方案，其核心为S7-200和S7-300可编程控制器，以先进专业技术和自动控制理论为知道，被控对象为某列电力机车，手段为上位监控和检测，对电力机车模型的软件系统、硬件系统以及上位监控系统进行科学的设计，从而达到改进和完善控制系统功能的最终目的。以某一列车为模型，每个车厢的核心都是可编程控制器，和其他电气设备相互协作，从而实现每个车厢的单独控制。列车的主站和机头车厢从站选择S7-300（组态模块如图1所示），其他的车厢从站选择S7-200（组态模块如图2所示），主站和从站之间借助于PROFIBUS现场总线实现通讯。机头车厢主要通过变频的方式，来对牵引电机进行减速、加速、停止以及启动等操作。列车车厢选择闭环PID控制来对温度进行适当的调节，通过变频调速方式来进行制冷，此外，该系统还可以对照片、供电、供水等措施进行控制[1]。
2 电力机车网络化电气控制系统硬件设计
电力机车网络化电气控制系统硬件设计主要包括西门子S7-300、变频调速开环控制系统设计、变频调速闭环控制硬件设计、车厢空气调节系统设计等方面
2.1 车厢空气调节系统设计
列车车厢空气调节系统中的空调装置主要包括净化器、加湿器、冷却器、空气加热器等，为了满足节能要求，所以空调系统还需要设置回风口，新设置的回风口可以根据实际需要选择回风送风的方式，通过新风和部分回风的混合，也就是15%的新鲜空气和85%的室内循环空气，对其进行加热和加湿处理措施，送到各个空调车厢。空调系统首先是由压差传感器、风量传感器、湿度传感器以及温度传感器等得到送风、回风以及信封的风机风量、温湿度等参数。然后通过模拟量输入通道，将其送入CPU。CPU要对送来的参数进行计算，然后从输出通道中输出模拟量，对各个执行器进行调节，从而达到洁净空气、恒温恒湿的目的[2]。
2.2 变频调速闭环控制硬件设计
闭环系统形成之后，要传递速度信息，可以通过PLC或者光电编码器来对速度进行测量。速度采集的方法如下：由于S7-300具有高速脉冲采集功能，采集的频率高达60兆赫兹，在固定的时间间隔内，对脉冲差值进行采集，然后进行相应的计算，就可以算出电力机车目前的转速。闭环控制是将电力机车的速度信号传递给PLC ，然后将其和定量进行比较，输入到PID控制系统，从而使调节速度可以满足要求。闭环控制系统的结构图如图3所示。首先，对PLC 进行给定输入，然后通过PLC对变频器进行有效控制，借助于变频器来控制电机，从而达到变频调速的最终目的，此外，这样的操作还可以实现上位机的有效监控，对电力机车的速度进行合理的控制，还可以对交流电机的速度、正反转进行调节。最后向PLC传递电力机车转速的信息，经过比较，将信息传递给变频器，从而实现无静差调速[3]。
2.3 变频调速开环控制系统设计
本次研究主要通过S7-300可编程控制器来对电力机车的变频调速系统进行有效的控制。三相异步电机速度调节是交流传动电力机车变频调速的关键，其中，变频器发挥的作用不容忽视。如果没有反馈信息，可以将直接给定控制信息的控制调速系统称为开环调速系统，在PLC中输入给定的速度，然后经过变频器进行变频之后，控制电力机车的实际运行[4]。
2.4 西门子S7-300
西门子S7-300是面向制造工程的系统解决方案，具有以下优点：系统选择MMC来对程序和数据进行存储，所以无需维护；设计模块比较紧凑；模块化设计；性能好；CPU模块种类比较丰富等。S7-300属于可以扩展的模块系统，所有扩展的模块都可以有不同的组合，不同型号的CPU又有不一样的功能，并且所有的CPU都具备集成的输入点和输出点。但是不是所有的中央处理单元都具备通信接口。标准的S7-300温度范围为0°-60°，环境扩展型的S7-300温度范围为-25°-60°，耐污染特性更好。
3 电力机车网络化电气控制系统软件设计
3.1 车厢电气控制系统软件流程图
首先，要对变频器等系统的控制要求和参数进行适当的修改，然后处理现实数据。其次，借助于模拟量输入模块，对数据进行读取。最后，根据车厢空调系统的实际要求，选择S7-200PID控制模块进行有效控制。流程图如图4所示。
9600kW电力机车网络控制系统根据功能不同分成MC车和M车，通常情况下，由两节MC车构成十二轴9600kW机车；在中间增加一个M车构成十二轴14400kW机车。该系统采用分布式列车电子控制系统DTECS，DTECS是专为轨道车辆的列车控制和通信而设计的一套车载计算机系统，主要完机车及车辆的通信管理、功能控制、故障诊断、信息显示和事件记录等功能，系统包括车载硬件、操作系统、控制软件、诊断软件、监视软件和维护工具。系统设备主要包含ERM、GWM、AXM、DXM、DIM模块和其他设备（TCU、ACU、BCU）上的通讯板以及机车状态显示屏IDU。系统网络结构控制图如图5所示。 3.2 编程软件
编程软件选择STEP7 Micro WIN，在Windows环境下，对PLC 进行监控、调试和编程。在S7-200类型的PLC中，主要包含两种最基本的指令集，其一，IEC1131-3，；其二，SIMATIC。其中，SIMATIC主要包括连续功能图、语句表、梯形图三种指令。系统主要通过闭环控制方式来对电机的速度进行调节，由于PID控制的特殊性，所以实际编写程序时，要将程序分为主程序、中段程序以及子程序三部分。其中，主程序负责控制量的输入、输出以及中段程序的启动；中段程序负责调用PID指令，进行正确的运算，并转换数据类型；子程序负责设置PID的控制参数[5]。
3.3实验调试
PID参数的整定方法主要是通过微分时间、积分时间以及调节器的比例系数来确定，通过这三个方面，可以将这个系统的性能实现进一步的提升。在实际调试过程中，调试方法主要是衰减曲线法和经验法。其中，经验法又称为现场凑试法，调试之前，不需要进行理论计算，需要调试人员根据多年来积累的丰富经验，不断对参数进行修改，使工程的运行曲线可以满足要求[6]。
4 结束语
综上所述，电力机车在我国经济发展中的重要性有利于突出，但是电力机车网络化电气控制系统的设计仍然存在一些问题，已经引起社会各界的普遍关注，因此加强电力机车网络化电气控制系统设计的研究力度具有非常重要的意义，不仅是该领域目前的主要任务，也是未来数十年主要的发展方向。
参考文献
[1] 刘剑锋，黄志武. SS_4改进型电力机车电气控制系统无触点改造[J]. 机车电传动，2005，01：40-42.
[2] 李德仓，孟建军，张参参，杨艳梅. 基于PLC的电力机车整备作业控制系统设计与实现[J]. 微计算机信息，2012，02：38-40.
[3] 梁裕国，陈特放，孙宁，黄志武，李书涛，于江水. 8K型电力机车电气控制系统的无触点化改造[J]. 机车电传动，2003，01：54-55.
[4] 郭秀茂，胡桂荣. 我厂铸造车间砂处理自动线电气控制系统设计[J]. 铸造设备研究，1993，02：30-36.
[5] 李曙辉，张进思. 电力机车牵引运行动态过程仿真及其分析[J]. 铁道学报，1994，02：20-27.
[6] 丁荣军，桂卫华，陈高华. 电力机车交流传动系统的半实物实时仿真[J]. 中国铁道科学，2008，04：96-102.