地铁轨道工程车PLC高_低电平输入信号隔离降压板设计.pdf

2023 年 11 月（总第 445 期）57研究与交流STUDY AND COMMUNICATIONS第 51 卷Vol.51第 11 期No.11铁 道 技 术 监 督RAILWAY QUALITY CONTROL收稿日期：2023-02-23作者简介：邓举明，高级工程师；刘永兴，工程师；孙倩，工程师0引言轨道工程车是地铁公司常用装备之一，多采用柴油机作为牵引动力。因其具有小巧轻便等诸多优点，主要用于车辆段内的牵引调车和地铁车辆的正线救援。轨道工程车电气控制系统采用 DC 110 V蓄电池或由充电机供电，其高/低电平输入信号通常采用 110 V 高电平/0 V 低电平信号。当电气控制系统微机 CPU 接收到高电平或低电平输入信号后，按照程序内部的控制逻辑执行相应操作。可编程逻辑控制器（PLC）是面向工业控制系统的常规控制器，具有较强的可靠性和易用性。PLC 的工作电源为 DC 24 V 或 AC 220 V，其高/低电平输入信号电压等级通常为 DC 24 V 高电平/0 V 低电平或 AC 220 V 高电平/0 V 低电平。而轨道工程车的电气控制系统电源电压等级通常为 DC 110 V，与 PLC 电压等级不匹配。为了能将 PLC 应用到轨道工程车电气控制系统中，提高轨道工程车电气控制系统自动化程度，需要对输入到 PLC 的高/低电平输入信号进行隔离和降压转换，使之匹配 PLC 的高/低电平输入信号电压等级要求。为此，设计高电平为 DC 110V、低电平为 0 V 的 PLC 高/低电平输入信号隔离降压板（以下简称“隔离降压板”）。1隔离降压板功能在充分考虑轨道工程车电气控制系统 DC 110 V电压等级和使用环境差异等相关问题的基础上，隔离降压板应具备以下功能。（1）对输入信号具有降压转换功能。能够将110 V 高电平/0 V 低电平输入信号转换为 24 V 高电平/0 V 低电平输入信号，使隔离降压板直接与 PLC的高/低电平输入接口连接。（2）具备电气隔离功能。实现外部输入的110 V 高电平/0 V 低电平信号与输出的 24 V 高电平/0 V 低电平信号的电气隔离，以保护轨道工程车地铁轨道工程车 PLC 高/低电平输入信号隔离降压板设计邓举明，刘永兴，孙倩（青岛地铁运营有限公司，山东 青岛 266041）摘要：轨道工程车电气控制系统的高/低电平信号电压一般为 DC 110 V/0 V，而 PLC 高/低电平信号输入接口额定电压一般为 DC 24 V/0 V 和 AC 220 V/0 V，因此，PLC 无法直接应用到轨道工程车的电气控制系统中。为解决输入接口电压等级不匹配的问题，研发设计 PLC 高/低电平输入信号隔离降压板。隔离降压板主要由 TLP521-4 型光耦芯片、发光二极管、电阻和接线端子组等电子元件构成，经仿真试验验证，效果良好。关键词：轨道工程车；可编程逻辑控制器；输入信号；隔离降压板中图分类号：U216.61文献标识码：A文章编号：1006-9178（2023）11-0057-04Abstract：The high/low level signal voltage level of the electrical control system of the track engineering car is generally DC110 V/0V,while the rated voltage of the PLC high/low level signal input signal interface is generally dividedinto DC24 V/0V and AC220 V/0 V,so PLC cannot be directly applied to the electrical control system of the track engineering car.In order to solve the problem of mismatch of input interface voltage levels,the PLC high/low level inputsignal isolation and voltage reduction circuit board was developed and designed.The isolation and voltage reductioncircuit board is mainly composed of TLP521-4 optocoupler chip,light-emitting diode,resistor,terminal group andother electronic components.The simulation results show that the isolation and voltage reduction circuit board hasgood effect.Keywords：Track Engineering Car;PLC;Input Signal;Isolation and Voltage Reduction Circuit Board58地铁轨道工程车 PLC 高/低电平输入信号隔离降压板设计研究与交流PLC 高/低电平输入接口不因外部电源错接导致过压而损坏。（3）隔离降压板采用模块化设计理念，各输入/输出通道间彼此独立，以提高通用性，即可替换性。（4）为便于隔离降压板在轨道工程车电器柜内安装，应配备塑料安装底板及 4 个安装孔。2隔离降压板工作原理隔离降压板硬件如图 1 所示。将接线端子组 A 作为隔离降压板输入端子组合，用于与轨道工程车控制系统 110 V 高电平/0 V低电平输入信号连接。将接线端子组 B 作为隔离降压板输出信号端子组合，用于外接 PLC 的 24 V高电平/0 V 低电平输入端。为了在输出侧实现独立电源供电，隔离降压板需由外部 DC 24 V 电源供电，用于隔离降压板的输出信号供电和显示。当接线端子组 A 有输入信号时，需显示输入信号状态，故设计发光二极管和限流电阻等。发光二极管和限流电阻共同组成输入信号指示电路，并与接线端子组 A 连接。当接线端子组 A 有 110 V 高电平信号输入时，发光二极管发光，表示此时有 110 V 高电平信号输入。否则，说明此时接线端子组 A 为 0 V 低电平信号（或无信号）输入。在隔离降压板中设置 1 块光耦芯片，用于实现隔离降压板输入侧信号和输出侧信号的电气隔离。光耦芯片输入侧与隔离降压板输入侧的发光二极管和限流电阻等相连，由发光二极管和限流电阻为光耦芯片预处理和传递输入信号。当外部输入信号出现意外过压或接线错误时，仅损坏光耦芯片，而不会损坏 PLC的高/低电平输入信号接口，从而有效保护 PLC。光耦芯片的输出侧与隔离降压板输出侧的发光二极管和限流电阻等组合连接。隔离降压板发光二极管和限流电阻等组合，共同构成高/低电平信号输出指示电路。当隔离降压板输出 24 V 高电平时，发光二极管得电发光；否则，发光二极管不发光。3隔离降压板设计方案3.1主要元器件参数3.1.1TLP521-4 型光耦芯片选用 TLP521-4 型光耦芯片，这是一款广泛应用在测量仪器和家用电器的可控制光耦合器件。TLP521-4 型光耦芯片的推荐工作条件是：电源电压为 5 V，最大值为 24 V；正向电流为 16 mA，最大值为 25 mA；集电极电流典型值为 1 mA，最大值为 10 mA；工作温度为-25 85；正向电压为 1.15 V，集电极发射极击穿电压最小值为65 V，隔离电压为 2 500 V。3.1.2发光二极管发光二极管直径为 3 mm，正常工作时，额定工作电流为1 mA20 mA。发光二极管不发光时，为无色透明；发光时，为红色。3.1.3接线端子组在充分考虑信号实际使用数量和未来升级需要，以及接线便捷性等因素基础上，接线端子组 A 和 B均选择规格为 15P 的接线端子，型号为 KF128-5.08-15P 螺钉式 PCB 端子，引脚间距为 5.08 mm。3.1.4电阻为缩小集成电路板体积，降低物料成本，选择贴片电阻，封装规格为 0805。3.2硬件电路设计因为隔离降压板信号通道为 4 路，所以选择可靠性高、内有 4 路独立通道的 TLP521-4 型光耦芯片。隔离降压板硬件电路如图 2 所示。R1R2R3R4LD4LD3LD2LD1U1161514131211109R8R7R6R5LD8LD7LD6LD512345678123456789101112131415BA24 V+24 V-TLP521-4123456789101112131415图 2隔离降压板硬件电路图 1隔离降压板硬件轨道工程车电气控制系统110 V 高/0 V 低电平输入信号接线端子组 A发光二极管等限流电阻等发光二极管等限流电阻等DC 24 V电源接线端子组 B信号输入供电信号输入信号输出光耦芯片信号输出PLC 的 DC 24 V高/低电平输入信号隔离降压板59铁道技术监督第 51 卷第 11 期TLP521-4 型光耦芯片内部的每路独立光耦通道工作原理是：芯片 U1 的引脚 1 和引脚 2 为第 1路光耦通道输入侧引脚，引脚 16 和引脚 15 为第 1路光耦通道输出侧引脚；芯片 U1 的引脚 3 和引脚4 为第 2 路光耦通道输入侧引脚，引脚 14 和引脚13 为第 2 路光耦通道输出侧引脚。通道 1，2，3和 4，原理相同，彼此独立。接线端子组 A 的 1 针外接轨道工程车电气控制系统 110 V 高电平/0 V 低电平信号。为便于观察隔离降压板是否有高电平信号输出，在每路输入通道的前端设置发光二极管。接线端子组 A 的 1 针与发光二极管 LD1 和电阻 R1 串联连接，再与元件U1 的 1 脚相连。电阻 R1 主要用于限制发光二极管工作电流保持在额定范围内。当接线端子组 A的 1 针输入 110 V 高电平后，发光二极管 LD1 发光，光耦内部的发光二极管同时发光，电流从元件U1 的 2 脚流出。U1 的 2 脚与接线端子组 A 的 3 脚连接，电流经接线端子组 A 的 3 脚流回 DC 110 V电源负极。此时，发光二极管 LD1 发光，表示该通道有外部 DC 110 V+高电平输入信号接入，元件U1 的 1 脚和 2 脚间的发光二极管导通发光，元件U1 中与之对应的 16 脚与 15 脚间的光敏三极管导通，16 脚与 15 脚间近似短路导通，16 脚电位略高于 15 脚电位。因元件 U1 的 16 脚与 DC 24 V 电源正极连接，故元件 U1 的 15 脚电位为 24 V。元件U1 的 15 脚与接线端子组 B 的 3 针连接，3 针电位为 24 V 高电平信号，隔离降压板对外输出 24 V 高电平信号。为将流经发光二极管电流控制在 1.1 mA 左右，电阻 R1，R2，R3 和 R4 均为 100 k，封装规格也完全相同。R5 为贴片电阻，封装规格同 R1。但是，为了将发光二极管 LD5 的工作电流限制在 1.2 mA左右，R5 电阻为 20 k，电阻 R6，R7 和 R8 封装规格和阻值与 R5 完全相同。为便于观察输出信号的高/低电平状态，隔离降压板上还设置发光二极管LD5，用于指示是否有信号输出。元件 R5 一端与元件 U1 的 15 脚连接，另一端与发光二极管 LD5 的正极连接，发光二极管 LD5 的负极与接线端子组B 的 5 针连接，共同构成输出信号指示电路。为构成完整的 24 V 回路，接线端子组 B 的 5 针外接DC 24 V 电源负极。当元件 U1 的 15 针输出 24 V高电平信号时，发光二极管 LD5 发光，表示第 1通道输出引脚（接线端子组 B 的 3 针）对外输出24 V 高电平信号。4仿真试验首先，将接线端子组 A 的 2 针外接 DC 110 V电源负极，接线端子组 B 的 1 针外接 DC 24 V 电源正极，接线端子组 B 的 2 针外接 DC 24 V 电源负极，执行相关操作，记录检测结果，并逐条判断试验结果是否正常。隔离降压板试验记录见表 1。表 1隔离降压板试验记录序号12345678通道名称通道 1通道 2通道 3通道 4试验操作接线端子组 A 的输入操作1 针外接 110 V+极1 针悬空5 针外接 110 V+极5 针悬空9 针外接 110 V+极9 针悬空13 针外接 110 V+极13 针悬空试验结果LD1发光不发光发光不发光发光不发光发光不发光LD5发光不发光发光不发光发光不发光发光不发光接线端子组 B 输出电压3 针电压：24 V3 针电压：0 V7 针电压：24 V7 针电压：0 V11 针电压：24 V11 针电压：0 V15 针电压：24 V15 针电压：0 V试验结论正常正常正常正常正常正常正常正常试验结果表明，隔离降压板能够实现预设功能：一方面，将外部输入 DC 110 V 高/0 V 低电平信号降压转换为 DC 24 V 高/低电平信号，使之与PLC 输入信号的电压等级有效匹配；另一方面，实现隔离降压板的输入侧信号和输出侧信号的电气隔离。5结语面向轨道工程车电气控制系统隔离降压板，能够将轨道工程车电气控制系统的 DC 110 V 高/0 V 低电平输入信号转换为 DC 24 V 高/低（下转第 70 页）70螺杆桩-土荷载传递规律和承载力研究现状研究与交流力性能J 江苏建筑，2013（5）：71-7324 杨克己实用桩基工程 M 北京：人民交通出版社，200425 李新凯螺杆灌注桩承载特性及承载力计算方法 D 重庆：重庆交通大学，201926 张伟，彭振斌，李志平螺杆桩在地基处理中的应用J 岩土工程界，2007（11）：38-3927 KUMARA J J，KIKUCHI Y，KURASHINA T Effects of the lateral stress on the inner frictional resistance of pipe piles driven intosandJ International journal of 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使用，解决输入接口电压等级不匹配问题，取得良好试验效果。参考文献1 刘火良，杨森STM32 库开发实战指南M 北京：机械工业出版社，20132 熙平，张宁测控技术与仪器专业导论M 北京：电子工业出版社，20183 王绍伟，郑德智，吴玉勇嵌入式微系统M 北京：机械工业出版社，20164 邓举明，贾海燕，刘嘉宇一种成本低廉的地铁列车数据记录仪 J 单片机与嵌入式系统应用，2018，18（6）：74-775 余军，于水波，杨兴宽重载铁路轮轨踏面摩擦控制器J 铁道技术监督，2013，41（5）：49-53（编辑尹红）（上接第 59 页）CRCC 完成我国首批电-电双源调车机车关键零部件检验检测为贯彻落实国家“双碳”战略部署，助力轨道交通行业实现绿色低碳转型，2023 年中铁检验认证中心有限公司（CRCC）为我国首批电-电双源调车机车关键零部件提供专业检验检测服务。电-电双源调车机车为复兴系列调车机车标准化人机工程样车，采用接触网与动力电池 2 种电源混合驱动模式，是基于国家科技创新发展战略、绿色发展及环保要求下研发的零排放、高性能、适用于所有调车工况的新能源调车机车。CRCC 在设计阶段结合主机厂技术力量，确定检测试验方案，全面参与调车机车关键部件的检验检测。CRCC 机车车辆检验站先后开展了转向架构架静态和疲劳试验、车体静强度和结构安全性试验、车轴尺寸及疲劳性能试验、轴承性能试验、电笛等警示系统性能试验、整车模态试验，以及受电弓、牵引变压器、牵引电机、牵引变流器等电器关键部件的性能、环境和可靠性试验，充分发挥 CRCC 在机车车辆领域的综合检验检测技术优势，切实把控好此型号调车机车关键零部件的源头质量。针对新能源动力技术的应用场景和特点，CRCC 组建了新能源试验小组。试验小组充分研究相关标准，实地考察核实工况，以客户需求为导向，制定合理可行的试验方案；同时，将新能源检验检测设备与现有成熟试验能力优化整合，设计研制了适合电-电、重混、轻混等机车车型的通用储能系统检测平台，首次全面对车载动力电池的电芯、电池包、电池系统、电池管理系统（BMS）和热保障系统等全类型车载动力电池产品开展了“一站式”全项检测。摘编自中铁检验认证中心微信公众号