李 軍 賴飛云 黃 強

(九江學院機械與材料工程學院 江西九江 332005)

鐵路貨車輪對軸承壓裝機過程控制系統(tǒng)的設計

李 軍 賴飛云 黃 強

(九江學院機械與材料工程學院 江西九江 332005)

根據(jù)軸承壓裝機系統(tǒng)工作流程和控制要求，從網(wǎng)絡級、監(jiān)控級、控制級對系統(tǒng)進行了總體設計。以工控機為上位機，PLC為下位機模式，通過FX2-485通訊協(xié)議實現(xiàn)上、下位機之間的通訊。上位機由組態(tài)王軟件提供友好的人機界面，下位機編制了基于三菱PLC控制程序。通過現(xiàn)場實踐證明，該設計能較好地完成系統(tǒng)要求的各項功能，效果良好。

軸承壓裝機，過程控制，組態(tài)王，PLC

鐵路貨車在鐵路運輸中起著重要作用，為保證車輛的運輸安全，這些鐵路貨車的滾動軸承在使用一定時間或里程后都要返場進行維修和重新壓裝，鐵路貨車軸承壓裝機就是一種專用于鐵路貨車車輛滾動軸承壓裝的設備，它采用的方式為冷壓壓裝。在壓裝過程中，由于主軸軸承和主軸為過盈配合，所以壓裝力較大，很容易產(chǎn)生熱軸和切軸事故。為提高壓裝精度和效率，需將自動化控制、液壓、計算機監(jiān)控等先進技術引入壓裝機，對壓裝設備過程控制系統(tǒng)的設計。

1 系統(tǒng)工作流程和控制要求

通常軸承壓裝機由機體、液壓站和控制臺三部分組成，控制部分能自動實現(xiàn)對壓裝機的操作，實時顯示壓力曲線，同時對壓力數(shù)據(jù)進行計算、判斷，打印出壓力曲線、軸號、壓裝力和貼合力，并最終顯示壓裝是否合格。

1.1 工作流程

壓裝機的工作流程為操作員推入輪對，按下自動壓裝按鈕，電磁閥產(chǎn)生動作控制頂出油缸進油，千斤頂上升，左壓裝快進，右壓裝快進，定心缸前進(兩側(cè)同時進行)，軸向定位鎖緊，壓裝缸工進，壓裝缸退回，軸向鎖緊放松，千斤頂下降。手動壓裝則是將上述步驟分步進行。

1.2 控制要求

系統(tǒng)控制要求主要包括：①設備應按照工作流程選擇自動或手動動作，各動作之間應有一定的安全互鎖；②能夠批量化輸入多個軸承的壓裝參數(shù)，在實際壓裝過程中能自動或手動選擇要壓裝的軸承；③對于程序和數(shù)據(jù)要進行密碼保護，防止非授權人員進行非法操作或修改相關參數(shù)；④實時顯示壓裝機左右端的壓力和位移，并實時生成和顯示時間_壓力曲曲線或位移_壓力曲線；⑤能夠?qū)ο到y(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)和圖形自動生成歷史紀錄，可實時或事后查詢打印相關圖表；⑥為了與鐵路管理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信，還要按鐵路管理系統(tǒng)的要求生成相應的管理文件。

2 系統(tǒng)的總體設計

基于組態(tài)王和PLC建構的過程控制系統(tǒng)采用分布式控制結(jié)構如圖1所示。以研華工控機UNO-2172-C22E為上位機，以FX2N-80MR-001三菱PLC為下位機，通過COM串口，以FX2-485通訊協(xié)議實現(xiàn)上下位機的通訊，實現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場的監(jiān)控。并通過網(wǎng)線接到以太網(wǎng)上，從而實現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場的“分散控制，集中管理”。

圖1 軸承壓裝機系統(tǒng)結(jié)構圖

2.1 網(wǎng)絡級

網(wǎng)絡級的拓撲結(jié)構采用Internet網(wǎng)通過網(wǎng)線與生產(chǎn)監(jiān)控級相連，實現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場的集中管理。

2.2 監(jiān)控級

監(jiān)控級采用研華工控機(UNO-2172-C22E)機作為上位機，并通過組態(tài)王6.5實現(xiàn)系統(tǒng)功能，利用COM串口與PLC通訊，實現(xiàn)對各個工業(yè)現(xiàn)場的監(jiān)控。左軸承位移、左軸承壓力、右軸承位移、右軸承壓力，壓力傳感器安裝在靠近壓裝缸的油管處，直接反應壓裝缸壓裝軸承時的模擬信號量。位移傳感器的鐵心桿安裝在壓裝缸的活塞上，并隨活塞的運動而作同步直線運動，由差動變壓原理反應出相應的模擬電壓量。

2.3 控制級

控制級采用三菱FX2N-80MR-001型PLC作為下位機，實現(xiàn)對現(xiàn)場的控制。PLC中配電源模塊、開關量輸出模塊、模擬量輸入模塊、COM串行口。

模擬量輸入模塊：接受左右位移傳感器送過來的0～5V的電壓信號，并將其轉(zhuǎn)化為0-1000的數(shù)字量，設置第1和第3路A/D轉(zhuǎn)換器工作，則模擬量輸入通道地址為D40、D44。接受左右壓力傳感器送過來的4～20mA的電流信號，并將其轉(zhuǎn)化為0-5000 的數(shù)字量，設置第2和第4路A/D轉(zhuǎn)換器工作，則模擬量輸入通道地址為D42、D46。

開關量輸出模塊：通過上位機直接給M寄存器地址賦值，然后觸動壓裝機電磁閥工作。具體有千斤頂下降、千斤頂上升、定心缸前進、定心缸后退等17項，開關量輸出模塊通訊地址為M51-M67。

3 過程控制系統(tǒng)的軟件設計與實現(xiàn)

軟件設計主要包括上位機組態(tài)王監(jiān)控軟件和下位機PLC軟件設計。

3.1 組態(tài)王監(jiān)控軟件設計

軸承壓裝機組態(tài)王監(jiān)控系統(tǒng)程序流程見圖2。

圖2 軸承壓裝機監(jiān)控系統(tǒng)程序流程圖

上位機設計采用組態(tài)王6.5軟件。組態(tài)王是一種工業(yè)組態(tài)軟件，它自帶大量的I/O設備驅(qū)動程序，用戶可以方便地構建實時的監(jiān)控系統(tǒng)。利用工程管理器建立工程后，通過工程瀏覽器建立相關畫面，結(jié)合工程需要，鐵路貨車輪對軸承壓裝機壓裝系統(tǒng)主要建立有以下主要畫面：壓軸機主畫面，批量參數(shù)輸入主界面，時間-壓力打印界面，時間-壓力打印界面，壓裝廠家設置界面、符合條件界面等。通過數(shù)據(jù)詞典建立左軸承壓力、左軸承位移、右軸承壓力、右軸承位移等內(nèi)存和I/O變量。通過給界面命令語言、按鈕、菜單等編寫相應的腳本，從而使系統(tǒng)可以實現(xiàn)自動和手動壓裝控制功能。在自動狀態(tài)下，工進壓裝時，可以看到顯示器上有兩條曲線(時間—壓力曲線、位移—壓力曲線)隨時間(t)、壓力值(KN)、位移(mm)的增加而有規(guī)律的遞增，直至保壓結(jié)束。自動壓裝結(jié)束后，系統(tǒng)自動判斷壓裝力，貼合壓力，壓裝結(jié)果，顯示在顯示器上，并由打印機自動打印出相應的數(shù)據(jù)，包括時間—壓力曲線、位移—壓力曲線、壓裝力、貼合壓力、壓裝結(jié)果、軸號、軸承編號、壓裝日期等。壓裝過的所有輪對的數(shù)據(jù)均存入數(shù)據(jù)庫，供隨時調(diào)用查看和打印。某一軸承壓裝完成后顯示的綜合曲線和相關信息截圖如圖3所示。

圖3 軸承壓裝信息截圖

3.2 PLC軟件設計

本系統(tǒng)的編程軟件采用三菱PLC編程軟件GX Developer8.86版本，主要完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、自動計時、部件驅(qū)動等功能。

因為需要控制的節(jié)點較多，控制任務較為復雜，所以采用了模塊化編程的思想。整個程序包括個主程序塊和手動運行、自動運行、運行計時、數(shù)據(jù)采集處理等幾個子程序塊，其中主程序流程如圖4所示。

圖4 PLC主程序流程圖

3.3 本設計中的幾個關鍵問題

3.3.1 結(jié)構變量的設計 在該設計中由于要進行批量化操作，即一次要輸入多根要壓裝軸的軸號，然后在實際壓裝過程中選擇要壓裝的某一軸號進行壓裝即可。但是，每一個要壓裝的軸號下面都包含有20多條信息，因此，在本設計中考慮采用結(jié)構變量，由于一次最多輸入10個軸號，所以本設計中設置了10個結(jié)構變量，每個結(jié)構變量下面都包含了軸型、壓裝方式、壓裝力、貼合力等20多個不同類型的成員。

3.3.2 與數(shù)據(jù)庫的通訊設計 這一過程中有大量的信息要存儲在數(shù)據(jù)庫中，并且要從數(shù)據(jù)庫中實時查詢數(shù)據(jù)生成報表或圖形，因此，采用哪種方式與數(shù)據(jù)庫通訊也非常重要。本文采用Access數(shù)據(jù)庫設計相應的數(shù)據(jù)表格，通過SQL訪問管理器建立與各數(shù)據(jù)表格相適應的記錄體。在需要存取或調(diào)用數(shù)據(jù)庫的畫面插入通用控件KVADODBGrid class，并與相關數(shù)據(jù)庫關聯(lián)。在實際過程中，bind記錄體起著聯(lián)系通用控件和數(shù)據(jù)庫橋梁的作用。本設計中建立了10多個記錄體和相應的數(shù)據(jù)庫表格，可以方便的完成數(shù)據(jù)庫的存儲和查詢。

3.3.3 生成符合HMIS共享數(shù)據(jù)格式的文檔本設計 由于要實現(xiàn)和HMIS系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)，需要在每次壓裝后生成符合HMIS共享數(shù)據(jù)格式的txt文檔。本設計中在程序主界面上首先插入了一超級文本顯示控件Rich Text，然后在主界面命令語言下寫入了以下程序：

SaveText( ″Ctrl21″，″D：jksjDataFileFlag.NO″，″NO″ )；

FileWriteStr( ″D：jksjDataFileFlag.NO″， 0， ″[FLAG]″， 1)；

temp4= ″CurrentWriteNO=″+liushuihao；FileWriteStr( ″D：jksjDataFileFlag.NO″， 0，temp4， 1)；

……

以上程序主要完成在要求目錄下實時建立某一序號的空白txt文件，然后按一要求的格式將數(shù)據(jù)寫入到該txt文件中，以供HMIS系統(tǒng)使用。

4 結(jié)論

本文采用了以工控機為上位機，PLC為下位機模式設計了鐵路運煤貨車車輛滾動軸承壓裝機壓裝過程控制系統(tǒng)，上位機由組態(tài)王軟件提供了友好的人機界面，通過FX2-485通就訊協(xié)議實現(xiàn)上下位機之間的通訊。通過現(xiàn)場實踐證明，該系統(tǒng)能較好地完成系統(tǒng)要求的各項功能，壓裝結(jié)果判斷準確，壓裝圖表打印及時，而且可以實現(xiàn)批量化操作，過程數(shù)據(jù)能以管理層要求的格式上傳，實現(xiàn)遠程控制。

[1]楊淑賢，王志亮. 基于組態(tài)王的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范基地監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)[J].中國新技術新產(chǎn)品，2010，18(20)：21.

[2]袁安富，蔣浩. 基于PLC的工業(yè)機械手控制設計與組態(tài)監(jiān)控[J].制造業(yè)自動化，2011，33(18)：86.

[3]張冉，楊智利. 基于組態(tài)王的采油站鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)設計與應用[J].機電工程技術，2011，40(6)：28.

(責任編輯李佳瑜)

Designing of Process Control System for the Bearing Mounting Machine of Railroad Truck Axlebox

LI Jun，LAIFeiyun，HUANG Qiang

(School of Mechamical & Materials Engineering of Jiujiang University，Jiujiang，Jiangxi 332005， China)

Based on the work process and control require of the bearing mounting machine，the total designing was made， which included three levels： the network level， the monitor level and control level. The industrial PC was adopted for the upper computer，and the PLC was adopted for the lower computer.The upper and lower computers communicated through the FX2-485 communication protocol implementation.The upper computer provided a friendly man-machine interface by kingview software， and the control program was compiled based on mitsubishi PLC for the lower computer.The designing could complete each function of the system requirements，and the result was good.

bearing mounting machine，process control，king view software，PLC

2014-8-28

李軍(1974-)，男，湖北黃梅人，碩士，副教授，研究方向為機械設備的故障診斷與優(yōu)化設計。Email：lj1102008@qq.com。

U 279.32

A

1674-9545(2014)04-0015-(04)