陳炯　高延杰

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)儀表式空氣壓縮機(jī)試驗(yàn)機(jī)功能落后、操作復(fù)雜的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了以WinCC為上位軟件，PLC及其擴(kuò)展模塊為核心測(cè)控單元的機(jī)車(chē)用螺桿空壓機(jī)測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)空壓機(jī)功率、排氣壓力、排氣溫度、容積流量等參數(shù)的測(cè)量與記錄，并根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)判斷空壓機(jī)各性能檢測(cè)結(jié)果，生成檢測(cè)報(bào)告。實(shí)踐表明，利用WinCC結(jié)合PLC開(kāi)發(fā)的機(jī)車(chē)用螺桿空壓機(jī)測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期短，測(cè)控功能穩(wěn)定、可靠，取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：WinCC；PLC；螺桿空壓機(jī)；測(cè)試系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP277.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.21.015

螺桿式空氣壓縮機(jī)因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、噪聲低、沒(méi)有易損件、工作可靠、維修簡(jiǎn)單、幾乎沒(méi)有脈動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于機(jī)車(chē)中?？諌簷C(jī)在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，為列車(chē)制動(dòng)、減速、空氣彈簧、“三閥一桿”等提供壓縮空氣，其性能對(duì)列車(chē)行車(chē)的安全具有重要影響。為了保證行車(chē)安全，必須對(duì)機(jī)車(chē)螺桿式空壓機(jī)進(jìn)行定期檢測(cè)。此外，故障空壓機(jī)修復(fù)后，在裝車(chē)之前也應(yīng)該進(jìn)行性能檢測(cè)。

傳統(tǒng)的儀表式空氣壓縮機(jī)試驗(yàn)機(jī)操作復(fù)雜、自動(dòng)化程度低，主要依靠人工切換控制空壓機(jī)的工作狀態(tài)，讀取、記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)等，性能計(jì)算與數(shù)據(jù)處理嚴(yán)重滯后于測(cè)控過(guò)程，測(cè)控精度低、實(shí)時(shí)性差，且一般情況下，只能對(duì)活塞式空壓機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，無(wú)法對(duì)螺桿式空壓機(jī)進(jìn)行頻繁起停試驗(yàn)。我國(guó)大量新型電力機(jī)車(chē)被陸續(xù)投放于市場(chǎng)，這對(duì)高性能、高可靠性機(jī)車(chē)用空壓機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)提出了更高的要求。目前，國(guó)內(nèi)外許多相關(guān)科研院所對(duì)機(jī)車(chē)用空壓機(jī)測(cè)試技術(shù)進(jìn)行了一系列研究。比如，王建紅、張俊利用PLC和觸摸屏開(kāi)發(fā)了內(nèi)燃機(jī)車(chē)用空壓機(jī)試驗(yàn)臺(tái)。該試驗(yàn)臺(tái)雖然占地面積小、功能完備，但觸摸屏誤操作容易引起生產(chǎn)事故，且觸摸屏試驗(yàn)系統(tǒng)可擴(kuò)展性較差。張芳璽、彭學(xué)院等利用PLC和組態(tài)王開(kāi)發(fā)了機(jī)車(chē)用空壓機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，使用電磁閥對(duì)多組文丘里管進(jìn)行切換，可以測(cè)量多種額定容積流量的空壓機(jī)。但該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，過(guò)于追求測(cè)量精度，制造成本高，只適合空壓機(jī)生產(chǎn)或研究院所使用?？傮w而言，目前空壓機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)在可靠性和性價(jià)比等方面都存在不足。

為解決機(jī)車(chē)用螺桿式空壓機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)中存在的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了利用WinCC 6.2作為上位監(jiān)控與數(shù)據(jù)處理軟件，西門(mén)子S7-200系列PLC及其擴(kuò)展模塊作為核心測(cè)控單元的性能測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)除了具備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與控制功能外，還能對(duì)被測(cè)空壓機(jī)進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，生成測(cè)試報(bào)告。此外，實(shí)驗(yàn)記錄還可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)備份，供機(jī)務(wù)段管理部門(mén)遠(yuǎn)程查詢。

1 測(cè)試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 總體需求分析

根據(jù)TB/T 2791—2009《機(jī)車(chē)用空氣壓縮機(jī)試驗(yàn)臺(tái)》和GB/T 3853—1998《容積式壓縮機(jī)驗(yàn)收試驗(yàn)》等標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)為了保證測(cè)試系統(tǒng)能完全模擬空壓機(jī)在列車(chē)上的工作狀況，并聯(lián)設(shè)置了兩個(gè)儲(chǔ)氣罐，選擇充罐法測(cè)量空壓機(jī)容積流量，采用電磁閥控制空氣管路的通斷。測(cè)試系統(tǒng)需要控制的原件有電磁閥、變頻器、繼電器等；需要采集的信號(hào)有電壓、電流、溫度、壓力等信號(hào)。

1.2 總體方案設(shè)計(jì)

如果單純地采集模擬量信號(hào)，可采用專用的嵌入式數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)。由于采集卡是直接嵌入主板的，因此占用的接口少。測(cè)試系統(tǒng)還要對(duì)電磁閥、變頻器、繼電器等需要較大強(qiáng)度控制信號(hào)的開(kāi)關(guān)量進(jìn)行控制。為了減少接口，需降低計(jì)算機(jī)的工作負(fù)荷，采用PLC輸入/輸出開(kāi)關(guān)控制量，利用PLC模擬量擴(kuò)展模塊進(jìn)行模擬信號(hào)采集并實(shí)施模數(shù)轉(zhuǎn)換。西門(mén)子S7-200系列PLC因體積小、功能強(qiáng)大、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用。而西門(mén)子組態(tài)軟件WinCC內(nèi)嵌S7-200 PLC，因此利用WinCC作為上位數(shù)據(jù)處理軟件，無(wú)論從可靠性，還是從經(jīng)濟(jì)性角度都是較佳的選擇。最后使用PPI通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)PLC與計(jì)算機(jī)通信。測(cè)控系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

2 測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 空氣管路設(shè)計(jì)

為了能模擬空壓機(jī)在機(jī)車(chē)上的工作狀況，設(shè)置了兩個(gè)儲(chǔ)氣罐分別作為主、副風(fēng)缸。為了減少系統(tǒng)控制量，在進(jìn)行除溶劑流量試驗(yàn)外的試驗(yàn)時(shí)，均只讓主風(fēng)缸工作。進(jìn)行負(fù)荷試驗(yàn)和超負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)，為了保證空壓機(jī)排氣口壓力及空壓機(jī)所受負(fù)荷達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，選擇背壓閥給空壓機(jī)施加負(fù)荷。由于背壓閥是機(jī)械式壓力控制閥，因而該方法具有壓力控制準(zhǔn)確、可靠的優(yōu)點(diǎn)，可以避免電動(dòng)閥沒(méi)有電源及控制信號(hào)就無(wú)法工作的弊端。結(jié)合TB/T 2540—1995《內(nèi)燃、電力機(jī)車(chē)空氣壓縮機(jī)排風(fēng)量試驗(yàn)方法》設(shè)計(jì)的空氣管路如圖2所示。圖中，大氣壓力傳感器和大氣溫度傳感器未畫(huà)出。

2.2 主要元器件選型

工控機(jī)選用研華IPC-610L型。該型號(hào)的工控機(jī)接口多、抗干擾能力強(qiáng)，是工業(yè)控制領(lǐng)域的首選。PLC選用西門(mén)子S7-200系列CPU224主機(jī)，具有14路數(shù)字量輸入，10路模擬量輸出。由于本測(cè)試系統(tǒng)需要控制的開(kāi)關(guān)型原件較多，因此再選用一個(gè)同時(shí)具有8路數(shù)字量輸入和輸出的EM223CN模塊。采用3個(gè)EM231CN模擬量輸入模塊采集測(cè)試系統(tǒng)的模擬量信號(hào)。所有傳感器均選擇4～20 mA輸出的電流型一體化變送器。該類型傳

感器具有抗干擾能力強(qiáng)、工作狀態(tài)易判斷的特點(diǎn)。當(dāng)傳感器正常工作時(shí)，輸出的電流在4～20 mA之間，傳感器故障時(shí)輸出的電流為0時(shí)，系統(tǒng)可以迅速檢測(cè)出故障傳感器。

3 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 測(cè)試軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

測(cè)試軟件結(jié)構(gòu)及工作流程如圖3所示。整個(gè)軟件系統(tǒng)包含人機(jī)交互模塊、測(cè)控模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)負(fù)荷試驗(yàn)、密封性試驗(yàn)和壓力控制試驗(yàn)等七大空壓機(jī)主機(jī)測(cè)試試驗(yàn)。

1—螺桿空壓機(jī)；2—波紋管；3—水分離器；4—壓力傳感器；5—溫度傳感器；6—安全閥；

7—電磁閥；8—儲(chǔ)氣罐；9—排水閥；10—9 bar背壓閥；11—11 bar背壓閥；12—排氣節(jié)流閥

圖2 測(cè)試系統(tǒng)空氣管路示意圖

圖3 測(cè)試軟件結(jié)構(gòu)及工作流程

3.1.1 人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊主要包含系統(tǒng)登錄、空壓機(jī)參數(shù)選擇、功能模塊選擇、運(yùn)行畫(huà)面顯示和訊響顯示等功能。該模塊是測(cè)試系統(tǒng)與操作人員交流的窗口，所有信息都通過(guò)人機(jī)交互界面反饋給操作人員。該模塊應(yīng)具有功能完備、操作簡(jiǎn)便、顯示清晰的優(yōu)點(diǎn)。

3.1.2 測(cè)控模塊

測(cè)控模塊主要負(fù)責(zé)利用OPC從PLC中讀取模擬量模塊采集的數(shù)據(jù)以及PLC主機(jī)相關(guān)寄存器的值，利用OPC向PLC寫(xiě)入各執(zhí)行元件的動(dòng)作指令，是整個(gè)測(cè)試軟件系統(tǒng)的核心模塊。

對(duì)于EM231模擬量模塊采集到的模擬量信號(hào)，濾波處理后，再運(yùn)算和比較。當(dāng)壓力或溫度信號(hào)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的動(dòng)作指令，控制變頻器、繼電器、電磁閥等元器件動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)空氣管路的切換。

3.1.3 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)每次測(cè)試的操作人員、空壓機(jī)信息、警報(bào)信息作記錄，并將記錄的信息保存至SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中。同時(shí)，該模塊還具備測(cè)試結(jié)果評(píng)價(jià)和報(bào)表生成的功能。

3.2 軟件界面設(shè)計(jì)

利用WinCC圖形編輯器制作的軟件主界面如圖4所示。最上面是壓力、溫度等數(shù)據(jù)顯示區(qū)和工作狀態(tài)顯示欄；中間是空氣管路系統(tǒng)圖，可直觀地反映空氣管路的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，并且每個(gè)電磁閥、空壓機(jī)都具有手動(dòng)控制模式，可以單獨(dú)控制，方便不定期地對(duì)每個(gè)元件進(jìn)行在線檢測(cè)；最下方是試驗(yàn)選擇按鈕和試驗(yàn)狀態(tài)顯示區(qū)，操作人員可以直接從試驗(yàn)狀態(tài)顯示區(qū)查看試驗(yàn)的進(jìn)度和階段性判斷結(jié)果。

圖4 測(cè)試系統(tǒng)主界面

4 結(jié)論

利用WinCC組態(tài)軟件和西門(mén)子S7-200系列PLC開(kāi)發(fā)了和諧機(jī)車(chē)用螺桿空壓機(jī)測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)功能完備，數(shù)據(jù)采集迅速、準(zhǔn)確，控制確切、可靠，生成的報(bào)表簡(jiǎn)單明了。實(shí)踐表明，采用該方案開(kāi)發(fā)測(cè)控系統(tǒng)，具有開(kāi)發(fā)周期短，系統(tǒng)柔性大，只要相應(yīng)地設(shè)置組態(tài)軟件就可以實(shí)現(xiàn)多種功能的優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：劉曉芳〕