藍偉銘

（柳州職業(yè)技術(shù)學院 機電工程學院，廣西 柳州 545005）

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，對工程機械的質(zhì)量的要求也越來越高。裝載機的變速箱總成的質(zhì)量檢測，是保障變速箱質(zhì)量的重要手段，針對部分企業(yè)的老舊設(shè)備的檢測手段落后等問題，購置新檢測設(shè)備價格過高的情況，設(shè)計一臺變速箱的檢測系統(tǒng)實現(xiàn)對其多方位的質(zhì)量檢測，能低成本地實現(xiàn)對變速箱的質(zhì)量監(jiān)控。

1 生產(chǎn)企業(yè)對變速箱的檢測要求

工程機械零部件的發(fā)展是以大型客戶的要求為目標，所以訂單量大，質(zhì)量要求也更為嚴格。裝載機的變速箱是重要的傳動部件，對其質(zhì)量要求非常嚴格，檢測系統(tǒng)要從以下5個方面來考慮：

（1）對變速箱產(chǎn)品質(zhì)量要求更為苛刻，要求變速箱的各項技術(shù)指標都能完成精確檢測位，達到既定工藝指標符合技術(shù)質(zhì)量要求，且能檢測出變速箱的成品質(zhì)量。

（2）對生產(chǎn)檢測效率要求越來越高，這樣可以降低單件產(chǎn)品的成本，滿足交貨期。

（3）為適應(yīng)不同的變速箱的更新變化，自動檢測系統(tǒng)要具有高的柔性和靈活性，允許在一定的尺寸范圍內(nèi)變速箱可以快速更換進行檢測。因為不同的變速箱有不同的定位尺寸，可以通過更換工裝來配合完成變速箱的檢測，而不至于更換整臺檢測設(shè)備。

（4）對檢測工藝過程實施監(jiān)控手段，采用上位機組態(tài)完成對變速箱各項工藝參數(shù)的監(jiān)控。

（5）對檢測系統(tǒng)要求盡量易于維護，不涉及太復雜的程序調(diào)試，現(xiàn)場維護人員容易掌握。

2 自動監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計思路

設(shè)計變速箱的電氣改造系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以全面掌握WG系列變速箱運行的狀況，實現(xiàn)安全的自動檢測。各個采集點采用新型的智能傳感器進行信號數(shù)據(jù)采集，通過壓力、流量、溫度、扭矩、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)全面檢測變速箱生命周期運行情況。系統(tǒng)改造拓撲圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)改造拓撲圖

變速箱的質(zhì)量關(guān)乎工程車輛傳動及行車安全的重中之重，對變速箱的質(zhì)量要求較高，所以檢測設(shè)備需要更加智能、精準可靠的系統(tǒng)來實現(xiàn)。

（1）更換上位機中控臺。采用新設(shè)計的上位機中控臺及新款PLC對系統(tǒng)進行控制，實現(xiàn)對各個傳感器信息的讀取和分析處理。全面實現(xiàn)對整個檢測系統(tǒng)的監(jiān)控工作，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的在線監(jiān)控。

（2）更換新型信號傳感變送器、儀表、測量采集系統(tǒng)。采用新款智能傳感器、傳感變送器、儀表、測量采集系統(tǒng)進行升級改造，使原始傳感數(shù)據(jù)更加精準，掌握裝載機壓力、流量、溫度、扭矩、轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)并進行專業(yè)的反饋，得到真實裝載機變速箱的質(zhì)量情況。

（3）全新開發(fā)上位機界面（報表、動態(tài)曲線），測試數(shù)據(jù)存檔。全新的在線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計，可以全方面對檢測系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)顯示及控制，實時動態(tài)曲線展現(xiàn)檢測全過程，并可以產(chǎn)生報表。采用上位組態(tài)監(jiān)控方式對自動檢測全過程進行質(zhì)量控制及跟蹤，以及對變速箱質(zhì)量標準化進行管理，各種數(shù)據(jù)均可自動采集和計算，實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)均可隨時查看，并通過組態(tài)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的公開性和共享性，為質(zhì)量標準化管理提供了有效的展示平臺。提供完善的日常生產(chǎn)統(tǒng)計報表，為各級管理人員提供完善的、多種的統(tǒng)計報表和參數(shù)，為生產(chǎn)管理提供有力的數(shù)據(jù)分析。

（4）改善水冷卻系統(tǒng)。由于在進行檢測過程中會出現(xiàn)溫度過高的情況，導致部分原始傳感數(shù)據(jù)因為溫度過高而產(chǎn)生異常，干擾了正常的檢測數(shù)據(jù)，所以需要采用專用制冷機進行水冷卻系統(tǒng)的升級改造。

3 控制系統(tǒng)硬件總體設(shè)計

3.1 系統(tǒng)控制方案的確定

系統(tǒng)控制部分由PLC與遠程I/O模塊組成，檢測系統(tǒng)完成對各個參數(shù)進行逐一信號監(jiān)測，變速箱的壓力、流量、溫度、扭矩、轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)通過遠程I/O模塊進行信號采集，再將數(shù)據(jù)傳回PLC進行集中處理及轉(zhuǎn)換，并進行數(shù)據(jù)處理并判斷是否合格。由一臺工控機進行現(xiàn)場操作及監(jiān)控，將信息共享并可通過報表打印。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接圖

從系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接圖中可以看到，網(wǎng)絡(luò)總體框架為PROFINET通信，由上位機負責整體監(jiān)控測試，設(shè)計PLC作為檢測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換品臺，下掛3個IO-LINK用于新增加的傳感器通過網(wǎng)絡(luò)傳回PLC進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理、并能控制外部電磁閥等，網(wǎng)絡(luò)下掛3個PROFINET I/O用于對原先設(shè)備的部分既有功能的數(shù)據(jù)對接交互使用。

3.2 控制器件硬件選型

系統(tǒng)主要設(shè)備硬件均采用西門子和德國工控產(chǎn)品，主控采用西門子S7-1200 PLC，遠程I/O模塊均為西門子產(chǎn)品，傳感器采用IFM易福門等傳感器，同時配置上位工控計算機進行上位監(jiān)控[1]。

3.3 PLC各站網(wǎng)絡(luò)地址分配

在博圖TIA中進行1200 PLC及各站遠程I/O組態(tài)，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接及IP地址如圖3所示[2]。

圖3 網(wǎng)絡(luò)連接及IP地址

通過對各個遠程模塊的GSD文件導入，并對模塊進行硬件組態(tài)，其中有兩路信號來自IFM（易福門）遠程I/O PROFINET通信模塊，將壓力和流量等信號通過此模塊與1200PLC進行信號數(shù)據(jù)的采集。以太網(wǎng)地址分別為192.168.0.20和192.168.0.21。AL1102_1模塊主要用于對離合器倒擋、離合器4檔壓力、離合器前時檔壓力、變矩器輸入端壓力、泵壓力、變矩器流量（潤滑）帶溫度等物理量進行信號采集。AL1102_2模塊主要對離合器1、2、3擋壓力、變矩器輸出壓力、變矩器循環(huán)壓力（潤滑）、變矩器出口溫度檢測。

另有3路遠程Profinet IO模塊（華杰智控BLUEONE）。其中HJ3206為數(shù)字輸出模塊，以太網(wǎng)地址為192.168.0.31；HJ3207為數(shù)字輸入模塊，以太網(wǎng)地址為192.168.0.30；HJ3205為數(shù)字量和模擬量的輸入/輸出模塊，以太網(wǎng)地址為192.168.0.32。用于對檢測系統(tǒng)原設(shè)備電子信號的對接使用。此部分屬于原裝德國進口設(shè)備與檢測主體硬件對接的電子部分，在沒有完全清楚其電子線路原理基礎(chǔ)上，依舊利用原先的電子控制系統(tǒng)，只需要用遠程模塊將其原有信號對接即可。

3.4 控制系統(tǒng)程序設(shè)計

控制系統(tǒng)1200 PLC通過若干個遠程模擬量模塊進行各路信號的數(shù)據(jù)采集，通過總線將數(shù)據(jù)采集到PLC后再進行工程化的處理。處理后的數(shù)據(jù)與上位工控機連接，由上位工控機進行工程數(shù)據(jù)的顯示及后續(xù)顯示監(jiān)控和處理工作。

設(shè)計變速箱不同檔位的位置選擇，當切換不同檔位時各個傳感器模擬量的信號采集?？稍O(shè)計各個檔位的變量，M8.0-M8.4分別為檔位電磁閥的5個對應(yīng)檔位，檔選擇了對應(yīng)的檔位，通過程序即可對應(yīng)控制Q12.0～Q12.4檔位電磁閥動作。5個檔位變量如圖4所示。

圖4 檔位換擋變量

根據(jù)檔位換擋要求進行操作檔桿的檔位選擇，通過程序?qū)n位電磁閥進行輸出控制，完成換擋過程，梯形圖如圖5所示。

圖5 換擋程序

各傳感器實時模擬量信號采集，確定當前狀態(tài)是否符合要求，根據(jù)扭矩傳感器反饋至PLC進行模擬量的轉(zhuǎn)換得到實際扭矩值[3]。例如輸入端扭矩模擬信號輸入值IW96（Input_Torque），將該信號進行逐級轉(zhuǎn)換，現(xiàn)將其由整數(shù)轉(zhuǎn)換成實數(shù)，然后再將實際工程值（0.0～2500.0N）輸出至MD304進行存儲并能在工控機監(jiān)控顯示。輸入端轉(zhuǎn)速信號輸入值IW98（Input_speed），將該信號進行逐級轉(zhuǎn)換，將其由整數(shù)轉(zhuǎn)換成實數(shù)，然后再將實際工程值（0.0～7000.0R）輸出至MD320進行存儲并能在工控機監(jiān)控顯示。程序（部分）如圖6所示。

圖6 扭矩轉(zhuǎn)換圖

輸出扭矩模擬信號輸入值IW100（output_Torque），將該信號進行逐級轉(zhuǎn)換，將其由整數(shù)轉(zhuǎn)換成實數(shù)，然后再將實際工程值（范圍0.0～10000.0N）輸出至MD312進行存儲并能在工控機監(jiān)控顯示。輸入端轉(zhuǎn)速信號輸入值IW102（output_speed），將該信號進行逐級轉(zhuǎn)換，將其由整數(shù)轉(zhuǎn)換成實數(shù)，然后再將實際工程值（0.0～5500.0R）輸出至MD328進行存儲并能在工控機監(jiān)控顯示。程序（部分）如圖7所示。

圖7 輸出扭矩和轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換程序

在進行切換倒擋檔位時，可通過傳感器檢測離合器當前壓力值，通過遠程I/O模塊傳回PLC并把壓力轉(zhuǎn)換成實際工程值。倒擋離合器壓力經(jīng)過IW68進行整數(shù)轉(zhuǎn)換成實數(shù)，其值除以100為實際實數(shù)壓力值存放在MD1068進行存儲并在工控機監(jiān)控顯示。如圖8所示。

圖8 倒擋離合器壓力轉(zhuǎn)換工程值圖

3.5 工控機組態(tài)監(jiān)控界面設(shè)計

整套檢測系統(tǒng)由工控機進行全方位監(jiān)控，采用西門子WINCC軟件實現(xiàn)對系統(tǒng)的監(jiān)控，界面設(shè)計了監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時顯示、基本信息、曲線等功能。圖9工控機組態(tài)監(jiān)控界面。

圖9 工控機組態(tài)監(jiān)控界面

監(jiān)控界面中包含了變速箱檔位選擇、檢測變矩器輸入端壓力、變矩器輸出端壓力、離合器前時檔壓力、離合器倒擋壓力、離合器1、2、3、4檔位壓力、輸入轉(zhuǎn)矩、輸出轉(zhuǎn)矩、泵流量、變矩器流量（潤滑）、變矩器循環(huán)壓力（潤滑）、變矩器出口溫度檢測等。

當變速箱在1500 r/min轉(zhuǎn)的工況測試下，從V4-V1快速直接旋轉(zhuǎn)檔位從V4到V1實時監(jiān)控的曲線[4]。如圖10所示。

圖10 工控機實時監(jiān)控曲線界面

界面中還針對檢測的零件批次和型號，變速箱序列號、工單號、客戶信息、測試時間等進行監(jiān)控設(shè)計。

4 系統(tǒng)調(diào)試及驗證分析

4.1 系統(tǒng)硬件安裝及調(diào)試

WG系列工程機械變速箱測試系統(tǒng)的設(shè)計及現(xiàn)場安裝，通過與原有測試對象進行對接調(diào)試與功能測試，實現(xiàn)了多個方面的升級改造功能。系統(tǒng)平臺增加上位監(jiān)控工作站，由傳統(tǒng)的儀表平臺升級成了工控機控制系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)平臺改造前后的監(jiān)控臺和遠程I/O實物圖如圖11、圖12所示。

圖11 改造前后的監(jiān)控臺實物圖

圖12 升級遠程I/O

4.2 系統(tǒng)功能

通過3個月的前期準備及3個月的現(xiàn)場調(diào)試，系統(tǒng)完成了以下多項功能，達到了企業(yè)預(yù)期設(shè)計要求并進入試運行階段。

（1）工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)更新，實現(xiàn)主控PLC與遠程I/O的PROFINET通信。改造后的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，彌補了原先設(shè)備不具備網(wǎng)絡(luò)通信的缺陷，提升了設(shè)備的自動化程度以及監(jiān)控數(shù)據(jù)的可控性和可靠性。通信采用的PROFINET通信方式將傳感器和控制器進行網(wǎng)絡(luò)化，減少了設(shè)備的線路敷設(shè)。

（2）新型傳感器的更換，測量采集系統(tǒng)更加準確和安全可靠。采用新型傳感器進行物理信號的采集，大大提高了精度等級，并且以德系的產(chǎn)品為主，加以配合西門子的PROFINET以太網(wǎng)的通信，極大地方便了設(shè)備的組態(tài)和精準控制。

（3）人機界面能夠?qū)崿F(xiàn)修改參數(shù)、錯誤顯示、合格率。組態(tài)監(jiān)控通過西門子WINCC（WINCC 7.5版本）實現(xiàn)整個系統(tǒng)的操作和監(jiān)控。WinCC 7.5版是一款功能強大的可視化組態(tài)軟件，此軟件集成了工廠智能、高效維護的創(chuàng)新過程可視化，具有可擴展、開放、靈活的特點，是西門子全集成自動化系統(tǒng)的核心組成部分，可完整的應(yīng)用于各類工業(yè)開發(fā)領(lǐng)域。使用該組態(tài)軟件可以將各個工控環(huán)節(jié)的信息集中進行控制和數(shù)據(jù)處理，例如修改參數(shù)、錯誤顯示、合格率等，大大提高了工作效率。

（4）全新開發(fā)上位監(jiān)控界面（報表、動態(tài)曲線），測試數(shù)據(jù)并可以存檔。在監(jiān)控系統(tǒng)中為了對全流程的變速箱各個檢測數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控，開發(fā)了上位監(jiān)控界面，應(yīng)用了報表、動態(tài)曲線等方式將動態(tài)檢測過程進行全程記錄，每臺變速箱測試的數(shù)據(jù)可以存檔，通過階段性分析得出變速箱的產(chǎn)品質(zhì)量報表。

（5）提供完善的日常生產(chǎn)統(tǒng)計報表。系統(tǒng)除了對檢測過程進行報表輸出，還為各級管理人員提供完善的、多種的統(tǒng)計報表和參數(shù)，為生產(chǎn)管理提供有力的數(shù)據(jù)分析。

5 結(jié)語

通過改造升級新的自動檢測系統(tǒng)提高了檢測效率，保障了檢測質(zhì)量。

基于設(shè)計時間和成本投入等客觀因素的情況下，系統(tǒng)還未能對該設(shè)備的德國原裝電子系統(tǒng)也進行全部改造，因為此部分與變速箱內(nèi)部幾個關(guān)鍵部件進行連接，目前還未能開發(fā)和設(shè)計此部分改造內(nèi)容，如果此部分內(nèi)容也能突破，加上對測試箱箱體的重新設(shè)計，將能擺脫對此類設(shè)備進口的依賴程度，極大提高國產(chǎn)裝備的應(yīng)用競爭力。