基于PLC的相控機車牽引電機云母槽下刻機控制系統(tǒng)研究

丁景賢

通過對國內鐵路行業(yè)相控機車牽引電機換向器云母槽下刻工藝進行分析，設計了一套基于PLC的云母槽下刻機控制系統(tǒng)。介紹了該系統(tǒng)的組成及下刻過程，并對系統(tǒng)的軟硬件設計進行了闡述。通過對控制系統(tǒng)進行調試，分析了試驗參數，驗證了設計的合理性。

【關鍵詞】PLC 換向器 云母槽 下刻機

直流牽引電機是鐵路電傳動機車的牽引關鍵部件，換向器作為牽引電機的重要組成部分在電機運行過程中必須保證碳刷與換向器銅排之間具有良好的接觸性能。碳刷與換向器銅排之間的接觸摩擦會導致換向器表面磨損，磨損到一定程度時，會由于云母槽內積聚部分碳粉和銅粉的混合物使換向器相鄰銅排之間形成導電電橋，引起碳刷換向不良，嚴重時會造成換向器環(huán)火而致使電機不能正常工作。

因此，為了保證換向器正常工作，必須對云母槽進行重新下刻。國內一些企業(yè)采用人工操作的方法對云母槽下刻，效率較低，并且因為操作的不穩(wěn)定性會降低下刻精度，同時也無法滿足自動化生產的需求。本文設計了一套基于PLC的云母槽下刻機控制系統(tǒng)。

1 換向器結構

換向器由許多彼此絕緣的換向片組合而成。主要零件有換向片、云母片、V形環(huán)、絕緣套筒、換向器套筒以及組裝螺栓等，所有零件全部固定在換向器套筒上，而換向器套筒裝配在電樞軸上，圖1所示為換向器的結構。

2 下刻系統(tǒng)組成及工作過程

2.1 下刻系統(tǒng)硬件配置

下刻系統(tǒng)硬件主要包括步進電機及驅動器、霍爾開關、PLC和觸摸屏等，系統(tǒng)總成結構如圖2所示。

2.2 下刻系統(tǒng)工作過程

開始工作時，接通電源，按下“啟動”按鈕，系統(tǒng)啟動初始化程序。通過觸摸屏輸入一次下刻深度和下刻次數，PLC給步進電機驅動器發(fā)出一定頻率的脈沖信號，步進電機開始預期動作。按下SB1或SB2 按鈕，步進電機M1正轉或反轉，當到達云母槽中心線時，M1停止；按下SB3按鈕使M2正轉，刀具下行，直至換向器外邊緣，M2停止；按下SB4按鈕，刀具前進，右側霍爾開關檢測刀具是否前進至云母槽右側極限點，如是，刀具停車；M2正轉，當刀具下行至一次下刻深度，M2停止；刀具后退，左側霍爾開關檢測刀具是否后退至左側極限點，如是，刀具停車。

觸摸屏記錄下刻次數，如沒到下刻次數，則重復上述動作。若已到下刻次數，則檢測是否所有的槽都已刻完，如是，則按下“停機”按鈕，切斷電源；若不是，則按下SB5按鈕，M2反轉，刀具上行，回到上側極限點，M2停止。切換M1的旋轉方向，繼續(xù)其它槽的下刻。

3 PLC程序設計

3.1 下刻系統(tǒng)硬件配置

采用S7-200 SMART PLC為下位機，中央處理單元選用CPU SR30，繼電器輸出，220VAC供電，自帶DC24V電源，具有18點輸入和12點輸出，擁有18KB程序存儲器，集成了高速處理器芯片，位指令執(zhí)行時間可達 0.15μs，可以完全滿足運算需求。配有以太網接口和 RS485 接口，可與觸摸屏、計算機進行通信，程序下載方便。

3.2 下刻系統(tǒng)I/O接口

在將PLC的模塊進行組態(tài)后，就可以對各個接口的地址進行分配，使硬件連接點與程序中的地址一一對應。該下刻系統(tǒng)需要的輸入、輸出端口的地址分配如表1所示。

3.3 下刻程序設計

PLC程序使用STEP7 –Micro/WIN SMART編程軟件的邏輯梯形圖（LAD）編寫，使用分塊式結構，根據下刻機的不同功能在程序里建立相應的功能模塊，在運行時只需調用相應的模塊即可，提高了運行效率。下刻系統(tǒng)在啟動之后自動運行，并根據設定好的參數，自動下刻不同型號的轉子，其程序控制流程如圖3所示。

4 上位機程序設計

在下刻系統(tǒng)中，上位機負責向PLC發(fā)出指令并處理PLC上傳的數據。選用SMART LINE觸摸屏作為上位機，具有良好的人機交互界面，同時能與S7-200 SMART PLC進行有效連接，使用十分方便。

4.1 上位機與下位機通訊設置

4.1.1 計算機以太網端口參數設置

打開“本地連接屬性”對話框，選中“此連接使用下列項目”列表框下面的“Internet 協議版本4（TCP/IPv4）”，單擊“屬性”按鈕，打開“Internet 協議版本4（TCP/IPv4）屬性”對話框。選中“使用下面的IP地址”，設置IP地址為192.168.2.1。單擊“子網掩碼”輸入框，自動出現默認的子網掩碼255.255.255.0。

4.1.2 WinCC flexible與SMART LINE觸摸屏通訊設置

設置“通信模式”為以太網，將SMART 700 IE的IP地址設置為192.168.2.5。對觸摸屏進行畫面組態(tài)后，用以太網電纜連接計算機和SMART 700 IE，單擊“選擇設備進行傳送”對話框中的“傳送按鈕”，將編譯無誤的項目傳送到SMART 700 IE。

4.1.3 上位機和下位機通訊

在上述設置完成后，用以太網連接PLC和計算機，將程序下載到S7-200 SMART。然后用以太網連接S7-200 SMART和SMART 700 IE，接通電源，將PLC置于RUN模式，便能實現上位機與下位機之間的通訊。

4.2 SMART LINE觸摸屏程序設計

SMART LINE觸摸屏使用了模塊化設計，在程序中可以設置多個窗口，根據用戶需要進入相應的模塊。在用戶窗口中新建一個啟動窗口，在窗口中根據需要插入各種構件以實現控制和監(jiān)控的功能，對各個構件的屬性進行設置使其與PLC對應，便可以在畫面中實時顯示下刻結果。只需單擊畫面上“下刻次數”、“一次下刻深度”右側的輸入域，即可用彈出的鍵盤輸入下刻參數，系統(tǒng)顯示畫面如圖4所示。

5 結語

該系統(tǒng)采用了以PLC作為控制核心，與觸摸屏聯合的控制模式。對下刻機控制系統(tǒng)程序進行了調試，符合預期動作，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，操作簡便，同時系統(tǒng)的參數修改起來十分方便，只需少量改動便可對不同型號的轉子進行下刻，滿足實際工作要求，具有一定的推廣價值。

參考文獻

[1]張占軍.直流牽引電動機下刻機自動定位系統(tǒng)的研究[J].北京交通大學碩士學位論文，2005（03）.

[2]向曉漢.S7-200 SMART PLC完全精通教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013（08）.

[3]廖常初，戴小波.Smart 700 IE觸摸屏與S7-200通信的實現方法[J].自動化應用，2013（08）.

作者單位

蘭州交通大學機電工程學院 甘肅省蘭州市 730070