列車輪對(duì)測(cè)量機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 爽，陳文東，高金剛，王 華

（1.長(zhǎng)春工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012；2.中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，長(zhǎng)春 130062）

列車輪對(duì)測(cè)量機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 爽1，陳文東2，高金剛1，王 華1

（1.長(zhǎng)春工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012；2.中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，長(zhǎng)春 130062）

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)列車輪對(duì)人工檢測(cè)的現(xiàn)狀，提出了在VS2010軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)上，利用工控機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制卡+PLC控制+數(shù)據(jù)采集卡，即1機(jī)3卡完成輪對(duì)自動(dòng)測(cè)量的控制系統(tǒng)方案。在此理念下完成了控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輪對(duì)關(guān)鍵參數(shù)的全自動(dòng)測(cè)量。此控制系統(tǒng)滿足企業(yè)的精度和生產(chǎn)節(jié)拍的要求，體現(xiàn)了輪對(duì)測(cè)量機(jī)控制系統(tǒng)的高度集成性。

輪對(duì)測(cè)量機(jī)；控制系統(tǒng)；PLC；運(yùn)動(dòng)控制卡

0 引言

列車輪對(duì)是車輛轉(zhuǎn)向架中的重要部件，輪對(duì)不僅僅要承受高速重載列車的所有靜、動(dòng)載荷，還直接決定著影響到車輛運(yùn)行的安全和品質(zhì)的好壞。當(dāng)前，鐵路列車正朝著高速度、大載重、輕結(jié)構(gòu)方向發(fā)展，對(duì)輪對(duì)制造質(zhì)量提出了更高的要求。

目前，國(guó)內(nèi)軌道客車生產(chǎn)企業(yè)在列車輪對(duì)制造質(zhì)量檢測(cè)方面大都處在手工測(cè)量階段。列車輪對(duì)檢測(cè)過(guò)程中的車輪旋轉(zhuǎn)和輪對(duì)參數(shù)記錄也是靠手工完成，人工測(cè)量不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且測(cè)量工具相對(duì)落后，不能消除人為的測(cè)量誤差。

為了改變目前輪對(duì)測(cè)量的現(xiàn)狀，自主研發(fā)了“輪對(duì)自動(dòng)測(cè)量機(jī)”，實(shí)現(xiàn)列車車輪 軸端號(hào)字符識(shí)別、 車輪端跳、車輪徑跳、輪到軸肩值、車輪直徑、輪緣厚度、輪輞寬度、輪對(duì)內(nèi)側(cè)距離和QR值 等關(guān)鍵參數(shù)的全自動(dòng)測(cè)量，檢測(cè)參數(shù)如圖1所示。所研發(fā)的輪對(duì)測(cè)量機(jī)能滿足檢測(cè)精度和節(jié)拍的生產(chǎn)需求，為全面推進(jìn)列車智能檢測(cè)提供了技術(shù)保障。本文詳細(xì)闡述其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

圖1 列車輪對(duì)需檢測(cè)的參數(shù)

1 列車輪對(duì)測(cè)量機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

列車輪對(duì)測(cè)量機(jī)由機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)組成。其中機(jī)械結(jié)構(gòu)包括基座、框架、撥叉輸送機(jī)構(gòu)、頂尖定位頂緊機(jī)構(gòu)、托舉機(jī)構(gòu)和摩擦電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、檢測(cè)機(jī)構(gòu)組成。其中檢測(cè)機(jī)構(gòu)左右對(duì)稱安裝水平移動(dòng)平臺(tái)、垂直移動(dòng)平臺(tái)、旋轉(zhuǎn)平 臺(tái)，在平臺(tái)終端安裝2個(gè)點(diǎn)激光位移傳感器，通過(guò)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制點(diǎn)激光位移傳感器的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行被測(cè)輪對(duì)數(shù)據(jù)的采集。機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示。本測(cè)量機(jī)的原理是采用相對(duì)測(cè)量達(dá)到自動(dòng)測(cè)量上述提到的輪對(duì)關(guān)鍵參數(shù)的目的。

2 列車輪對(duì)測(cè)量機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)硬件組成

根據(jù)列車輪對(duì)測(cè)量機(jī)的測(cè)量要求和所設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)的總控制系統(tǒng)如圖3所示。控制系統(tǒng)由3條控制回路組成，第一條是由工控機(jī)發(fā)出命令，傳送給PLC，PLC控制液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)輪對(duì)的輸送動(dòng)作（左右撥叉），輪對(duì)的頂緊松開(kāi)動(dòng)作（左右頂尖），輪對(duì)的升降動(dòng)作（左右托舉油缸），和摩擦驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)輪對(duì)旋轉(zhuǎn)動(dòng)作；第二條是工控機(jī)通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡控制6個(gè)伺服放大器，實(shí)現(xiàn)在檢測(cè)機(jī)構(gòu)上安裝的左右水平、左右垂直和左右旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)的位置控制；第三條是工控機(jī)發(fā)出命令控制數(shù)據(jù)采集卡，采集左右2只點(diǎn)激光位移傳感器的數(shù)據(jù)。

2.2 輪對(duì)測(cè)量機(jī)的工作順序

輪對(duì)測(cè)量工作時(shí)，第一，通過(guò)開(kāi)始檢測(cè)控制按鈕發(fā)出指令，PLC接到指令控制拍攝的光電開(kāi)關(guān)動(dòng)作控制輪對(duì)到達(dá)檢測(cè)位置，同時(shí)光源自動(dòng)打開(kāi)，相機(jī)采集軸端圖像并回傳至工控機(jī)進(jìn)行識(shí)別；第二，拍照完畢后撥叉將輪對(duì)撥入檢測(cè)位置；第三，托舉油缸將輪對(duì)頂起，左右頂尖頂緊輪對(duì)，托舉油缸回原位；第四，摩擦驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)輪對(duì)旋轉(zhuǎn)；第五，檢測(cè)輪對(duì)需要檢測(cè)的參數(shù)；第六，尺寸檢測(cè)完畢后，托舉油缸托舉輪對(duì)，頂尖松開(kāi)，托舉油缸放下輪對(duì)；第七，右撥叉將輪對(duì)撥出檢測(cè)工位。為了提高檢測(cè)的可靠性，采用多次測(cè)量求平均值的方法。對(duì)于測(cè)量車輪端跳、車輪徑跳，采用輪對(duì)旋轉(zhuǎn)三圈求平均值；對(duì)于測(cè)量輪到軸肩值、車輪直徑、輪緣厚度、輪輞寬度、輪對(duì)內(nèi)側(cè)距離和QR值，采用輪對(duì)在初始位置0度、旋轉(zhuǎn)120度、旋轉(zhuǎn)240度三個(gè)位置求平均值。整個(gè)控制流程如圖4所示。

圖2 列車輪對(duì)測(cè)量機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)

圖3 列車輪對(duì)測(cè)量機(jī)控制系統(tǒng)組成

圖4 列車輪對(duì) 測(cè)量機(jī)的控制流程圖

2.3 硬件的選擇

根據(jù)列車輪對(duì)測(cè)量機(jī)的控制回路（見(jiàn)圖5），為實(shí)現(xiàn)控制回路1，選用S7-200 CPU226小型PLC（24個(gè)輸入點(diǎn)，16個(gè)輸出點(diǎn)和2路高速通道）為主控設(shè)備，選用了S7-200 EM223（16個(gè)輸入點(diǎn)和16個(gè)輸出點(diǎn)）為擴(kuò)展模塊。此部分控制控制23個(gè)離散量輸入、20個(gè)離散量輸出和1個(gè)摩擦電機(jī)；為實(shí)現(xiàn)控制回路2，選用運(yùn)動(dòng)控制卡控制6個(gè)伺服放大器+6個(gè)伺服電機(jī)；為實(shí)現(xiàn)控制回路3，選用數(shù)據(jù)采集卡控制2只點(diǎn)激光位移傳感器；工控機(jī)作為顯示和控制設(shè)備。PLC的I/O分配如表1和表2所示。

表1 S7-200 CPU226 I/O分配

圖5 列車輪對(duì)測(cè)量機(jī)控制回路

輸入地址輸入含義輸出地址輸出含義I1.7壓力繼電器1 Q1.7泄壓閥I2.0壓力繼電器2 I2.1左電機(jī)OUT1 I2.2右電機(jī)OUT1 I2.3拍攝到位I2.4檢測(cè)到位

表2 S7-200 EM223 I/O分配

3 列車輪對(duì)測(cè)量機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在Visual Studio 2010(簡(jiǎn)稱VS2010) 軟件開(kāi)發(fā)編程平臺(tái)上，完成輪對(duì)測(cè)量機(jī)三個(gè)控制回路的集成控制。編程中使用運(yùn)動(dòng)控制API接口函數(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)控制卡資源的使用；運(yùn)動(dòng)控制卡通過(guò)發(fā)送脈沖的方式控制伺服驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制伺服電機(jī)、通過(guò)讀取輸入信號(hào)、控制輸出信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器、傳感器、液壓缸等輸入輸出的控制。測(cè)量檢測(cè)時(shí)，通過(guò)調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)、數(shù)據(jù)采集函數(shù)和數(shù)據(jù)處理函數(shù)實(shí)現(xiàn)。軟件處理流程如圖6所示。

此控制系統(tǒng)需完成PLC與工控機(jī)的通訊，其中PLC的通訊參數(shù)設(shè)定情況如表3所示。

圖6 軟件處理流程

完成以上步驟后，在VS2010平臺(tái)進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC、運(yùn)動(dòng)控制卡、數(shù)據(jù)采集卡的控制，并完成數(shù)據(jù)的處理。下面為VS2010的程序片段。

表3 PLC的通訊參數(shù)設(shè)定

在上位機(jī)上設(shè)置了輪對(duì)測(cè)量機(jī)的監(jiān)控界面，如圖7所示。在該界面上包含了測(cè)量參數(shù)圖形顯示、檢測(cè)數(shù)據(jù)的顯示記錄并統(tǒng)計(jì)合格率、故障代碼信息、軟件操作按鈕、管理員權(quán)限等。

圖7 列車輪對(duì)測(cè)量機(jī)的監(jiān)控界面

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在VS2010軟件開(kāi)發(fā)編程平臺(tái)上，利用工控機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制卡+PLC控制+數(shù)據(jù)采集卡，完成列車輪對(duì)測(cè)量機(jī)控制系統(tǒng)集成控制。當(dāng)控制柜與設(shè)備上的各種光電開(kāi)關(guān)、限位開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)、液壓電磁閥、伺服電機(jī)等連接完成后，進(jìn)行調(diào)試和試運(yùn)行，結(jié)果表明，輪對(duì)測(cè)量機(jī)完成對(duì)軸端號(hào)字符識(shí)別、車輪端跳、車輪徑跳、輪到軸肩值、車輪直徑、輪緣厚度、輪輞寬度、輪對(duì)內(nèi)側(cè)距離和QR值等關(guān)鍵參數(shù)的自動(dòng)測(cè)量，重復(fù)測(cè)量精度和測(cè)量精度達(dá)到生產(chǎn)需求；測(cè)量節(jié)拍在10分鐘以內(nèi)，提高檢測(cè)效率；并且消除人為因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。此控制方案充分利用了工控機(jī)的數(shù)據(jù)處理功能、運(yùn)動(dòng)控制卡的運(yùn)動(dòng)功能，同時(shí)也保留了PLC在邏輯控制方面的優(yōu)勢(shì)。

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Design and implementation of control system for train wheelset measuring instrument

ZHANG Shuang1, CHEN Wen-dong2, GAO Jin-gang1, WANG Hua1

TP271

：A

1009-0134(2017)03-0082-05

2017-01-15

吉林省科技發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目）：列車輪對(duì)制造質(zhì)量在線檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究（20160204005G X）

張爽（1979 -），女，吉林人，副教授，博士研究生，研究方向?yàn)橹悄芟到y(tǒng)檢測(cè)與控制。