基于PLC和觸摸屏的齒輪箱清洗機控制系統(tǒng)

郭景紅，徐曉明，張學(xué)斌，陳志江，郎東明，丁偉文

（中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，江蘇常州 213011）

基于PLC和觸摸屏的齒輪箱清洗機控制系統(tǒng)

郭景紅，徐曉明，張學(xué)斌，陳志江，郎東明，丁偉文

（中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，江蘇常州 213011）

以齒輪箱清洗機為研究對象，集成PLC控制技術(shù)與觸摸屏技術(shù)，對原始齒輪箱清洗機手動操作進行自動控制系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用。

齒輪箱；PLC；觸摸屏；控制系統(tǒng)

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.09.41

0 概述

將PLC和觸摸屏運用到現(xiàn)有設(shè)備控制系統(tǒng)的改造中，既能實現(xiàn)對設(shè)備清洗過程中的各項工藝參數(shù)的顯示和控制，保證清洗效果，還可根據(jù)不同用戶的需求，選擇清洗流程和清洗時間，達(dá)到對齒輪箱深度清洗的目的。

1 系統(tǒng)介紹

齒輪箱是齒輪傳動裝置的核心部件，是高鐵的驅(qū)動裝置，其質(zhì)量直接關(guān)系到高速列車的運行安全。由于齒輪箱在生產(chǎn)加工過程中要經(jīng)過多道工序，其中夾雜的鐵屑如不及時清理就會給齒輪箱的正常使用帶來影響。齒輪箱清洗機很好地解決了這一問題，它能迅速清除齒輪箱內(nèi)的鐵屑和污垢，保證齒輪傳動裝置安全可靠，保證最大程度的使用價值，而且可以幫助企業(yè)減少資源浪費。齒輪箱清洗機工作過程見圖1，其中，箭頭代表油管。在這一清洗過程中油管瞬時流量、油管壓力、潤滑油溫度等工藝參數(shù)是影響清洗機能否清洗干凈的重要因素，傳統(tǒng)的清洗機（由接觸器、繼電器組成的控制系統(tǒng)）對上述工藝參數(shù)不能實現(xiàn)實時采集和監(jiān)控，每次清洗完畢都需操作人員憑經(jīng)驗來判斷清洗干凈與否，存在很大不確定性。

圖1 齒輪箱清洗機工作過程

由PLC和觸摸屏組成的監(jiān)視控制系統(tǒng)不僅可代替原來的控制面板，而且操作者可以通過觸摸屏輸入的方式操作設(shè)備，操作簡單方便。它能實時顯示和控制清洗過程中的各項工藝參數(shù)，保證清洗效果，還可根據(jù)不同用戶的需求，選擇重復(fù)清洗流程達(dá)到對齒輪箱深度清洗的目的。

2 系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2，PLC與觸摸屏構(gòu)成齒輪箱清洗機控制系統(tǒng)主要由吸油、進油、循環(huán)、測量、通信和輸入輸出模塊組成。執(zhí)行設(shè)備清洗操作時，先啟動設(shè)備，當(dāng)操作者利用觸摸屏輸入信息命令（清洗時間、油管進出油量、油管壓力和油箱溫度）后，控制系統(tǒng)自動調(diào)出PLC程序，PLC通過執(zhí)行梯形圖程序來控制其觸點，從而達(dá)到對接觸器、變頻器、電機以及設(shè)備各個部件控制的目的。同時，PLC還會把流量傳感器、溫度傳感器等檢測到的信息以及齒輪箱清洗機的工作狀態(tài)傳送至觸摸屏，操作者可通過觸摸屏調(diào)整相關(guān)參數(shù)信息來實時調(diào)整齒輪箱清洗機的工作狀態(tài)。如設(shè)備出現(xiàn)故障，PLC將傳感器傳送的故障信號進行比較判斷設(shè)備故障原因，并且具備自我診斷的功能。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 硬件設(shè)計

根據(jù)設(shè)備的工藝參數(shù)要求（16個信號輸入、20個信號輸出），本控制系統(tǒng)的PLC選用功能和兼容性都很強大的三菱系列PLC FX2N-48MR，其內(nèi)部集成了24路輸入接口和24路輸出接口，2個高速脈沖輸出，1個RS232通信/編程口，其高速計數(shù)器可以采集100 kHz的脈沖，輸出脈沖也可以達(dá)到100 kHz。該系統(tǒng)需要采集4路模擬量輸入信號，輸出3路模擬量信號，采集和輸出1路溫度信號，為滿足接口的需求，需要分別增加1個模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（FX2N-4AD）、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊（FX2N-4DA）和溫度采集轉(zhuǎn)換模塊（FX2N-4AD-PT）。為使系統(tǒng)具有更好的兼容性和可靠性，選擇三菱GT1265觸摸屏，其提供了3MB的內(nèi)存空間，1個RS422/RS232接口，其內(nèi)置的USB高速通信接口可以實現(xiàn)最高115.2 kbps的通信。在變頻器部分，也分別選用了3臺三菱D700變頻器，這3臺變頻器分別驅(qū)動3臺油泵電機，負(fù)責(zé)對電機的變頻調(diào)速，最終控制油管的進出油流量。在硬件設(shè)計中同時需要考慮抗干擾措施，根據(jù)設(shè)備的使用環(huán)境，如周圍有大功率的設(shè)備（尤其是大功率變頻設(shè)備）更應(yīng)該考慮抗干擾，比如，在該系統(tǒng)硬件設(shè)計過程中模擬量信號線路要與主電路電源線路成90°的排布，同時信號線要用雙絞線，以降低對信號的干擾。

4 軟件設(shè)計

4.1 PLC程序設(shè)計

圖3為自動控制系統(tǒng)流程圖，本系統(tǒng)采用三菱PLC配套的編程工具GX 8.0 developer對系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)、編制程序、測試和調(diào)試。在軟件的設(shè)計過程中將采用模塊化+狀態(tài)機的設(shè)計思路，將控制系統(tǒng)中的功能按照模塊區(qū)分，根據(jù)狀態(tài)機的原理對控制系統(tǒng)的狀態(tài)進行劃分，如可以涵蓋以下幾個狀態(tài)，上電狀態(tài)、初始化狀態(tài)、準(zhǔn)備狀態(tài)、正常運行狀態(tài)、故障狀態(tài)。對于不同的狀態(tài)需要結(jié)合硬件進行功能安全分析，看是否符合目標(biāo)安全需求。

4.2 觸摸屏界面設(shè)計

根據(jù)設(shè)備工藝和控制要求，采用GT-designer 3軟件編寫觸摸屏界面，主要包括主界面、操作界面和故障報警界面。操作界面主要包括輸入和顯示兩部分，在輸入部分通過點擊按鍵可直接設(shè)定清洗機的進油數(shù)值、出油數(shù)值、清洗時間數(shù)值、溫度上下限數(shù)值等，在顯示部分則分別顯示清洗機當(dāng)前的進出油流量數(shù)值、在線壓力數(shù)值、溫度數(shù)值等信息。故障報警界面主要是顯示設(shè)備故障報警時間、現(xiàn)象。

圖3 自動控制系統(tǒng)流程

5 結(jié)束語

由PLC和觸摸屏組成的齒輪箱清洗機控制系統(tǒng)操作方便，運行可靠、穩(wěn)定，既能夠滿足該設(shè)備控制系統(tǒng)的需要，也可應(yīng)用于其他設(shè)備的改造，具有較高的使用和推廣價值。

U260.6+6

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〔編輯 凌 瑞〕