铁路货车轮对轴承压装机过程控制系统的设计

李 军 赖飞云 黄 强

(九江学院机械与材料工程学院 江西九江 332005)

铁路货车轮对轴承压装机过程控制系统的设计

李 军 赖飞云 黄 强

(九江学院机械与材料工程学院 江西九江 332005)

根据轴承压装机系统工作流程和控制要求，从网络级、监控级、控制级对系统进行了总体设计。以工控机为上位机，PLC为下位机模式，通过FX2-485通讯协议实现上、下位机之间的通讯。上位机由组态王软件提供友好的人机界面，下位机编制了基于三菱PLC控制程序。通过现场实践证明，该设计能较好地完成系统要求的各项功能，效果良好。

轴承压装机，过程控制，组态王，PLC

铁路货车在铁路运输中起着重要作用，为保证车辆的运输安全，这些铁路货车的滚动轴承在使用一定时间或里程后都要返场进行维修和重新压装，铁路货车轴承压装机就是一种专用于铁路货车车辆滚动轴承压装的设备，它采用的方式为冷压压装。在压装过程中，由于主轴轴承和主轴为过盈配合，所以压装力较大，很容易产生热轴和切轴事故。为提高压装精度和效率，需将自动化控制、液压、计算机监控等先进技术引入压装机，对压装设备过程控制系统的设计。

1 系统工作流程和控制要求

通常轴承压装机由机体、液压站和控制台三部分组成，控制部分能自动实现对压装机的操作，实时显示压力曲线，同时对压力数据进行计算、判断，打印出压力曲线、轴号、压装力和贴合力，并最终显示压装是否合格。

1.1 工作流程

压装机的工作流程为操作员推入轮对，按下自动压装按钮，电磁阀产生动作控制顶出油缸进油，千斤顶上升，左压装快进，右压装快进，定心缸前进(两侧同时进行)，轴向定位锁紧，压装缸工进，压装缸退回，轴向锁紧放松，千斤顶下降。手动压装则是将上述步骤分步进行。

1.2 控制要求

系统控制要求主要包括：①设备应按照工作流程选择自动或手动动作，各动作之间应有一定的安全互锁；②能够批量化输入多个轴承的压装参数，在实际压装过程中能自动或手动选择要压装的轴承；③对于程序和数据要进行密码保护，防止非授权人员进行非法操作或修改相关参数；④实时显示压装机左右端的压力和位移，并实时生成和显示时间_压力曲曲线或位移_压力曲线；⑤能够对系统监控数据和图形自动生成历史纪录，可实时或事后查询打印相关图表；⑥为了与铁路管理系统进行数据通信，还要按铁路管理系统的要求生成相应的管理文件。

2 系统的总体设计

基于组态王和PLC建构的过程控制系统采用分布式控制结构如图1所示。以研华工控机UNO-2172-C22E为上位机，以FX2N-80MR-001三菱PLC为下位机，通过COM串口，以FX2-485通讯协议实现上下位机的通讯，实现对工业现场的监控。并通过网线接到以太网上，从而实现对工业现场的“分散控制，集中管理”。

图1 轴承压装机系统结构图

2.1 网络级

网络级的拓扑结构采用Internet网通过网线与生产监控级相连，实现对工业现场的集中管理。

2.2 监控级

监控级采用研华工控机(UNO-2172-C22E)机作为上位机，并通过组态王6.5实现系统功能，利用COM串口与PLC通讯，实现对各个工业现场的监控。左轴承位移、左轴承压力、右轴承位移、右轴承压力，压力传感器安装在靠近压装缸的油管处，直接反应压装缸压装轴承时的模拟信号量。位移传感器的铁心杆安装在压装缸的活塞上，并随活塞的运动而作同步直线运动，由差动变压原理反应出相应的模拟电压量。

2.3 控制级

控制级采用三菱FX2N-80MR-001型PLC作为下位机，实现对现场的控制。PLC中配电源模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、COM串行口。

模拟量输入模块：接受左右位移传感器送过来的0～5V的电压信号，并将其转化为0-1000的数字量，设置第1和第3路A/D转换器工作，则模拟量输入通道地址为D40、D44。接受左右压力传感器送过来的4～20mA的电流信号，并将其转化为0-5000 的数字量，设置第2和第4路A/D转换器工作，则模拟量输入通道地址为D42、D46。

开关量输出模块：通过上位机直接给M寄存器地址赋值，然后触动压装机电磁阀工作。具体有千斤顶下降、千斤顶上升、定心缸前进、定心缸后退等17项，开关量输出模块通讯地址为M51-M67。

3 过程控制系统的软件设计与实现

软件设计主要包括上位机组态王监控软件和下位机PLC软件设计。

3.1 组态王监控软件设计

轴承压装机组态王监控系统程序流程见图2。

图2 轴承压装机监控系统程序流程图

上位机设计采用组态王6.5软件。组态王是一种工业组态软件，它自带大量的I/O设备驱动程序，用户可以方便地构建实时的监控系统。利用工程管理器建立工程后，通过工程浏览器建立相关画面，结合工程需要，铁路货车轮对轴承压装机压装系统主要建立有以下主要画面：压轴机主画面，批量参数输入主界面，时间-压力打印界面，时间-压力打印界面，压装厂家设置界面、符合条件界面等。通过数据词典建立左轴承压力、左轴承位移、右轴承压力、右轴承位移等内存和I/O变量。通过给界面命令语言、按钮、菜单等编写相应的脚本，从而使系统可以实现自动和手动压装控制功能。在自动状态下，工进压装时，可以看到显示器上有两条曲线(时间—压力曲线、位移—压力曲线)随时间(t)、压力值(KN)、位移(mm)的增加而有规律的递增，直至保压结束。自动压装结束后，系统自动判断压装力，贴合压力，压装结果，显示在显示器上，并由打印机自动打印出相应的数据，包括时间—压力曲线、位移—压力曲线、压装力、贴合压力、压装结果、轴号、轴承编号、压装日期等。压装过的所有轮对的数据均存入数据库，供随时调用查看和打印。某一轴承压装完成后显示的综合曲线和相关信息截图如图3所示。

图3 轴承压装信息截图

3.2 PLC软件设计

本系统的编程软件采用三菱PLC编程软件GX Developer8.86版本，主要完成系统的数据采集、自动计时、部件驱动等功能。

因为需要控制的节点较多，控制任务较为复杂，所以采用了模块化编程的思想。整个程序包括个主程序块和手动运行、自动运行、运行计时、数据采集处理等几个子程序块，其中主程序流程如图4所示。

图4 PLC主程序流程图

3.3 本设计中的几个关键问题

3.3.1 结构变量的设计 在该设计中由于要进行批量化操作，即一次要输入多根要压装轴的轴号，然后在实际压装过程中选择要压装的某一轴号进行压装即可。但是，每一个要压装的轴号下面都包含有20多条信息，因此，在本设计中考虑采用结构变量，由于一次最多输入10个轴号，所以本设计中设置了10个结构变量，每个结构变量下面都包含了轴型、压装方式、压装力、贴合力等20多个不同类型的成员。

3.3.2 与数据库的通讯设计 这一过程中有大量的信息要存储在数据库中，并且要从数据库中实时查询数据生成报表或图形，因此，采用哪种方式与数据库通讯也非常重要。本文采用Access数据库设计相应的数据表格，通过SQL访问管理器建立与各数据表格相适应的记录体。在需要存取或调用数据库的画面插入通用控件KVADODBGrid class，并与相关数据库关联。在实际过程中，bind记录体起着联系通用控件和数据库桥梁的作用。本设计中建立了10多个记录体和相应的数据库表格，可以方便的完成数据库的存储和查询。

3.3.3 生成符合HMIS共享数据格式的文档本设计 由于要实现和HMIS系统的联网，需要在每次压装后生成符合HMIS共享数据格式的txt文档。本设计中在程序主界面上首先插入了一超级文本显示控件Rich Text，然后在主界面命令语言下写入了以下程序：

SaveText( ″Ctrl21″，″D：jksjDataFileFlag.NO″，″NO″ )；

FileWriteStr( ″D：jksjDataFileFlag.NO″， 0， ″[FLAG]″， 1)；

temp4= ″CurrentWriteNO=″+liushuihao；FileWriteStr( ″D：jksjDataFileFlag.NO″， 0，temp4， 1)；

……

以上程序主要完成在要求目录下实时建立某一序号的空白txt文件，然后按一要求的格式将数据写入到该txt文件中，以供HMIS系统使用。

4 结论

本文采用了以工控机为上位机，PLC为下位机模式设计了铁路运煤货车车辆滚动轴承压装机压装过程控制系统，上位机由组态王软件提供了友好的人机界面，通过FX2-485通就讯协议实现上下位机之间的通讯。通过现场实践证明，该系统能较好地完成系统要求的各项功能，压装结果判断准确，压装图表打印及时，而且可以实现批量化操作，过程数据能以管理层要求的格式上传，实现远程控制。

[1]杨淑贤，王志亮. 基于组态王的现代农业示范基地监控系统开发[J].中国新技术新产品，2010，18(20)：21.

[2]袁安富，蒋浩. 基于PLC的工业机械手控制设计与组态监控[J].制造业自动化，2011，33(18)：86.

[3]张冉，杨智利. 基于组态王的采油站锅炉监控系统设计与应用[J].机电工程技术，2011，40(6)：28.

(责任编辑李佳瑜)

Designing of Process Control System for the Bearing Mounting Machine of Railroad Truck Axlebox

LI Jun，LAIFeiyun，HUANG Qiang

(School of Mechamical & Materials Engineering of Jiujiang University，Jiujiang，Jiangxi 332005， China)

Based on the work process and control require of the bearing mounting machine，the total designing was made， which included three levels： the network level， the monitor level and control level. The industrial PC was adopted for the upper computer，and the PLC was adopted for the lower computer.The upper and lower computers communicated through the FX2-485 communication protocol implementation.The upper computer provided a friendly man-machine interface by kingview software， and the control program was compiled based on mitsubishi PLC for the lower computer.The designing could complete each function of the system requirements，and the result was good.

bearing mounting machine，process control，king view software，PLC

2014-8-28

李军(1974-)，男，湖北黄梅人，硕士，副教授，研究方向为机械设备的故障诊断与优化设计。Email：lj1102008@qq.com。

U 279.32

A

1674-9545(2014)04-0015-(04)