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湖南铁道学院动模型试验台

湖南铁道学院动模型试验台

一、 项目背景
实验中心一直是我国高速列车领域重要科研单位,其研究成果一直走在国内外的前列。拥有高速铁路建造技术国家工程试验室和“重载铁路工程结构”、“轨道交通安全”教育部重点实验室等。其中,轨道交通安全教育部重点试验室承担了我国高速列车外型设计和列车撞击动力学的研究,是我国铁路列车空气动力学、列车撞击动力学的试验与研究基地。
动模型试验平台是“轨道交通安全教育部重点试验室”的重要组成部分。其根据流动相似原理,通过弹射方式使模型列车在模型线路上无动力高速运行(即动模型),真实再现高速列车交会、过隧道等空气三维非定常可压缩流动现象。主要开展明线列车交会空气动力性能、车-隧耦合空气动力效应等方面试验研究。
 但是动模型试验台由于建立时间早、使用频繁等原因,目前存在着很多的问题。如:
(1) 部分传感器失效或者设备老旧精度偏低,严重影响测试精度和实验成果。
(2) 控制系统结构与时代脱节,造成线路和操作台布局杂乱,容易发生强弱电之间的干扰造成控制系统信号和数据传输不稳定。
 (3) 实验系统上位机功能弱小,没有系统监控功能和数据存储和分析功能,不利于问题的及时发现和解决;
基于上述原因,同时为了适应以后的列车动模型实验需求,能使实验过程中的数据采集和控制更加自动化和精确化,实验操控简单化,就必须对动模型实验控制系统中的数据采集设备与方式、通信方式、控制软件等进行升级改造或者更换。
 
二、 系统结构
2.1 系统设计的基本点
根据动模型试验台的需求,本方案将从以下几点做设计的基本点:
(1)将操作台更换为HMI触摸屏操作。简化操作台,使其变得整洁、美观,同时减少控制线路。
(2)系统采用PROFINET作为通讯主干网,关键器件均采用PROFINET通讯进行连接。有利于对关键性器件进行实时状态跟踪,以及处理故障时通过PROFINET查询各逻辑器件的历史信息。这样大大提升数据交换速度,实现设备状态监控和优化故障分析。
(3)丰富上位机的功能,使其成为整个实验平台的监控中心和数据中心,操作中心。具有控制整个动模型实验台的作用,而且具有现场数据(时间、温度、湿度、拉力、拉伸距离、交汇时间、实验速度、交汇位置等)存储和分析功能,建立实验历史数据库,便于对以往实验数据进行分析,同时作为监控主机使用,便于实现实验过程的全程监控。
(4)将关键性器件进行更新。例如,更换变频器为西门子G120系列产品,并组建闭环控制,提高调速精度;更换损坏或者老化的器件,如拉力传感器更新为德国HBM公司的S9M拉力传感器等。
2.2 系统基本结构
    整个系统结构可分为3大部分:主控中心、南端部分、北端部分。系统结构示意图,如下:
 
其中,主控中心的工控机采用双硬盘结构,将数据进行冗余备份。工控机的显示屏为2个,一个用于动模型实验控制系统的操作与显示,一个用于进行实验环境监控。温湿度采用西门子的温湿度传感器,检测试验台室内环境因素。
南北两端的操作触摸屏采用西门子的KTP1000PN触摸屏,该型触摸屏同时带有8个按键,可以做到触摸与按键操作相结合。拉力传感器采用HBM公司的高精度传感器,以适应实验室的精度要求。
 
 
 
 
 
 
三、 系统功能
系统功能简单描述如下:
(1) 集控与本地操作切换。即系统可以实现南北端操作与主控中心操作两种方式切换,减少南北端操作存在的安全隐患。
(2) HMI全操作。触摸屏操作全面代替原来的按钮按键操作,并且在触摸屏上也进行关键信息显示,对操作安全性进一步提示。
(3) 上位机系统状态全面监控。上位机显示界面将显示系统整个现场的模拟画面,并提示相关状态。
(4) 系统故障信息的快速查询。由于系统中关键设备皆融入了PROFINET网络中,可以在上位机上对各设备的运行情况和故障信息进行快速查询。
(5) 数据记录。实验操作时,自动记录预设的相关关键性参数。将实验数据作为历史数据进行存储,并且在第二硬盘进行冗余存储;
(6) 数据整理和辅助分析、输出。根据预设判断对实验数据进行初步整理分析。实验历史数据将整理成报表,方便日后查询以及数据转移。
 
 
 
 
 
 
 
四、 设备清单

序号 名称 型号 数量
1 工控机 研华IPC-510 1
2 LED显示器 三星S22D300NY 1
3 工业交换机 6GK5 005-0BA00-1CA3 3
4 PLC_CPU 6ES7 5111-CK00-0AB0 1
5 PLC_PS 6ES7 307-1EA00-0AA0 1
6 PLC_RACK 6ES7 390-1AE80-0AA0 1
7 PLC_MMC 6ES7 953-8LG20-0AA0 1
8      
9 触摸屏KTP1200-DP 6AV2 123-2MA03-0AX0 2
10 ET200S接口模块 6ES7 151-3AA23-0AB0 2
11 电源模块 6ES7 138-4CA01-0AA0 2
12 输入模块 6ES7 131-4BF00-0AA0 4
13 输出模块 6ES7 132-4BF00-0AA0 4
14 PROFINET接头 6GK1 901-1BB10-2AA0 14
15 PROFINET电缆 6XV1 840-2AH10 300
16 编码器 HTL1024 2
17 编码器电缆 Encoder cable 10M 2
18 拉力传感器 梅特勒-托利多TSH-500 2
19 拉力变送器 梅特勒-托利多IND110 2
20 温湿度传感器 西门子温湿度传感器QFA2060 1
21 控制单元 6SL3 244-0BB12-1FA0 2
22 BOP面板 6SL3 255-0AA00-4CA1 2
23 电机模块 6SL3 224-0BE27-5UA0 2
24 动力电缆 变频器-电机连接电缆 2
25 进线电抗器 6SE6400 2
26 中控柜   1
27 控制柜   2
28 操作台   2
29 交流接触器 施耐德 2
30 中间继电器 施耐德 20
31 交流断路器 施耐德 12
32 直流电源 施耐德 3
33 辅助材料 1

公司地址:湖南省株洲市天元区长江北路三湘大厦1801-1803
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