基于PLC 的風(fēng)缸壓力檢測(cè)系統(tǒng)

周傳頌 齊向東

（太原科技大學(xué)，太原 030024）

1 引言

在列車中，風(fēng)缸是制動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力儲(chǔ)備元件，如果風(fēng)缸應(yīng)用時(shí)沒(méi)有經(jīng)過(guò)嚴(yán)格檢驗(yàn)，其儲(chǔ)備的氣體壓力將無(wú)法確保證達(dá)到列車行駛中的制動(dòng)要求，不能使列車準(zhǔn)確及時(shí)的制動(dòng)，將會(huì)造成嚴(yán)重事故，所以風(fēng)缸出廠前要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的檢測(cè)，以防漏泄，確保列車行駛安全。鐵道部的標(biāo)準(zhǔn)：通過(guò)微機(jī)檢測(cè)，給風(fēng)缸內(nèi)打水壓900kPa以上，觀察5m in是否漏泄；給風(fēng)缸充氣壓600kPa以上，觀察5m in是否漏泄，要求漏泄量均為0。傳統(tǒng)的檢測(cè)方式只是通過(guò)肉眼觀察壓力表的指針來(lái)觀察其是否漏泄，存在誤差；且由于人為因素，檢測(cè)時(shí)間也無(wú)法保證，為此我們?cè)O(shè)計(jì)了風(fēng)缸自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。

風(fēng)缸如圖1所示，風(fēng)缸有兩個(gè)接口。法蘭口A端用于進(jìn)水和進(jìn)氣，法蘭口B用于排水排氣，由于接口標(biāo)準(zhǔn)不一，我們均采用軟管試連接的方法。采用循環(huán)水箱供水。水密性試驗(yàn)時(shí)先用水泵供水，注滿水后則用高壓泵打水壓至900kPa以上進(jìn)行試驗(yàn)。氣密性試驗(yàn)用風(fēng)炮進(jìn)風(fēng)，至壓力到600kPa以上。先進(jìn)行水密性試驗(yàn)，然后通過(guò)氣壓使水排凈再進(jìn)行氣密性試驗(yàn)。全過(guò)程除手動(dòng)翻轉(zhuǎn)缸排水外，其余均可由電腦控制完成。

圖1 氣缸

2 系統(tǒng)硬件組成

本檢測(cè)系統(tǒng)的硬件部分由下位機(jī)（西門子PLC S7-200）和上位機(jī)（華碩工控機(jī)和mcgs組態(tài)軟件）組成。兩者通過(guò)PPI轉(zhuǎn)換線連接。為使壓力能夠平滑快速的上升到要求值，采用PLC控制變頻器，利用PID控制器原理，從而控制水泵的轉(zhuǎn)速。采用量程為20MPa傳感器通過(guò)PLC轉(zhuǎn)換后上傳給上位機(jī)。上位機(jī)對(duì)取到的壓力值信號(hào)進(jìn)行處理，得出缸內(nèi)壓力的曲線，根據(jù)曲線的形狀判斷辨別氣缸是否漏泄。

3 系統(tǒng)流程的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)可以在手動(dòng)與自動(dòng)兩種方式下工作，手動(dòng)狀態(tài)即可進(jìn)行傳統(tǒng)式檢測(cè)。將旋鈕打到自動(dòng)擋位就可以進(jìn)行自動(dòng)操作。系統(tǒng)自動(dòng)操作流程如圖2所示。

圖2 風(fēng)缸檢測(cè)流程

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)有兩部分組成，一是上位機(jī)監(jiān)控軟件MCGS編程，一是下位機(jī)PLC編程。

4.1 系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)

圖3為上位機(jī)監(jiān)控界面。本系統(tǒng)有良好的人機(jī)界面，可實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC的運(yùn)行情況以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和歷史數(shù)據(jù)打印功能，具有登錄權(quán)限和幫助窗口，告訴用戶操作方法和機(jī)器維護(hù)方式，能完美的完成檢測(cè)任務(wù)和數(shù)據(jù)報(bào)表輸出，滿足檢測(cè)要求。

圖3 上位機(jī)監(jiān)控界面

歷史數(shù)據(jù)窗口中設(shè)置了數(shù)據(jù)查詢和打印報(bào)表功能，試驗(yàn)前操作員必須填寫風(fēng)缸號(hào)碼，操作人員可以根據(jù)風(fēng)缸號(hào)進(jìn)行查詢，也可以根據(jù)日期進(jìn)行查詢。顯示該風(fēng)缸的試驗(yàn)結(jié)果。若發(fā)現(xiàn)該風(fēng)缸不合格則可以重新檢測(cè)，也可以單獨(dú)做水密性試驗(yàn)或者氣密性試驗(yàn)，不影響其他信息。如果該編號(hào)已經(jīng)存在，則提示用戶該編號(hào)已經(jīng)存在是否重新檢測(cè)。打印報(bào)表這一項(xiàng)，操作人員可以點(diǎn)擊打印報(bào)表安鈕然后選擇按照風(fēng)缸號(hào)或者日期打印。就可以打印出關(guān)于該風(fēng)缸的檢測(cè)信息。

4.2 系統(tǒng)下位機(jī)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用西門子公司生產(chǎn)的S7-200系列PLC，S7-200系列它的結(jié)果緊湊，擁有良好的擴(kuò)性，指令功能強(qiáng)大，既能完成控制功能，還具有輸入輸出功能，并且它的價(jià)格低廉，非常適合各種小型控制工程。完全能達(dá)到我們的使用要求。其設(shè)計(jì)步驟如圖4所示。

圖4 PLC設(shè)計(jì)步驟

通過(guò)對(duì)風(fēng)缸檢測(cè)流程的分析和研究，把PLC的I/O點(diǎn)進(jìn)行了合理的分配，其分配點(diǎn)如表1所示。

表1 PLC輸入輸出點(diǎn)分配

由輸入輸出點(diǎn)的分配，可以得出本系統(tǒng)需要數(shù)字量信號(hào)2個(gè)輸入點(diǎn)，6個(gè)輸出點(diǎn);模擬量信號(hào)1個(gè)輸入點(diǎn)，1個(gè)輸出點(diǎn).考慮到適用性和經(jīng)濟(jì)性，選取PLC的型號(hào)S7-224（8輸入6輸出）和S7-235（模擬信號(hào)4輸入1輸出）。

在進(jìn)行水密性試驗(yàn)時(shí)，注水過(guò)程采用PID調(diào)節(jié)控制水泵使壓力緩慢的上升。本系統(tǒng)中采用PLC中的PID參數(shù)，將微分控制器命為零，比例控制器的參數(shù)基本調(diào)節(jié)為1.05，積分控制器的參數(shù)經(jīng)多次試驗(yàn)取3最佳，得到了很好的效果使壓力曲線平滑的上升，從而避免了壓力在900kPa附近振蕩。節(jié)省了水壓穩(wěn)定時(shí)間，提高了效率。

排水過(guò)程在水密性試驗(yàn)結(jié)束后需要將風(fēng)缸的排水口向下，接著靠缸內(nèi)氣壓排水，排水結(jié)束后關(guān)閉排水閥緊接著進(jìn)行氣密性試驗(yàn)。排水是否完畢靠壓力傳感器的變化上位機(jī)智能的分析，來(lái)自動(dòng)的關(guān)閉排水閥。這樣排水過(guò)程就由電腦自動(dòng)的完成，減少了人工排水的麻煩。

5 問(wèn)題

5.1 效率問(wèn)題

由于鐵道部要求水密性試驗(yàn)要進(jìn)行測(cè)試5min，氣密性試驗(yàn)要進(jìn)行5min。加上注水時(shí)間（此過(guò)程與缸的大小有關(guān)），排水時(shí)間以及試驗(yàn)的穩(wěn)定時(shí)間，整個(gè)檢查過(guò)程至少20min。改善方法可選用更多輸入輸出點(diǎn)的PLC同時(shí)控制多個(gè)檢測(cè)臺(tái)位，監(jiān)控界面增加多個(gè)窗口，各個(gè)臺(tái)位檢測(cè)流程相互獨(dú)立，互不干擾。

5.2 衰減問(wèn)題

水密性試驗(yàn)和氣密性試驗(yàn)在打壓后關(guān)閉閥門時(shí)，壓力值隨著時(shí)間的推移會(huì)緩慢的下降，其壓力曲線如圖5所示。由于完全等待水壓或者氣壓趨于平穩(wěn)所需要的時(shí)間很長(zhǎng)，設(shè)計(jì)時(shí)采用了截取某個(gè)時(shí)間進(jìn)行檢測(cè)將其壓力曲線下降斜率進(jìn)行監(jiān)控。如果在特定的時(shí)間內(nèi)超過(guò)下降的斜率，就對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警，提示用戶發(fā)生漏泄。

圖5 壓力的穩(wěn)定曲線圖

6 結(jié)論

利用風(fēng)缸壓力檢測(cè)系統(tǒng)，在保證風(fēng)缸質(zhì)量的前提下，提高了風(fēng)缸檢測(cè)效率。很好地避免了傳統(tǒng)檢測(cè)的不準(zhǔn)確，效率低下等問(wèn)題。由于全過(guò)程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制，界面形象簡(jiǎn)潔，操作簡(jiǎn)單，只需經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單培訓(xùn)，便可以操作，節(jié)省了人力資源，提高了生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。

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