轮轨摩擦发热试验装置控制系统设计

吴增彬,谢小鹏,李光乐,张迎新,王新华

（1.华南理工大学 广东 广州 510640；2.广州市特种机电设备检测研究院 广东 广州 510180）

轮轨摩擦发热试验装置控制系统设计

吴增彬1,谢小鹏1,李光乐1,张迎新2,王新华2

（1.华南理工大学 广东 广州 510640；2.广州市特种机电设备检测研究院 广东 广州 510180）

研究轮轨摩擦发热的机理，需研制了一台轮轨摩擦发热模拟试验装置。为满足试验要求，对试验装置测控系统功能进行需求分析，明确试验装置需要控制的参数。轮轨摩擦试验装置控制系统以S7-200系列可编程控制器为处理器，采用多路温度巡检采集器进行温度测量，通过拓展模块扩展接口满足控制功能要求。设计结果表明：轮轨摩擦试验装置能有效的模拟各种工况运行，并能准确、全面记录压力、温度、转速等各种数据。

轮轨；摩擦发热；控制；硬件设计

轮轨摩擦生热机理的研究对车轮、轨道使用寿命及机车运行的安全性具有非常重要的意义，因此需要研制一台轮轨摩擦发热试验装置，为实验室对该机理的研究提供条件[1]。结合试验装置的机械结构，需要对其控制系统进行设计，设计满足模拟试验要求的控制系统。轮轨摩擦发热模拟试验装置要求能准确的模拟轮轨运行的实际工况，准确的测量各种控制和反馈量，该试验装置需要测控的量较多，因此要完整并且准确测控，需对其控制系统进行模块化设计[2]。本文重点对轮轨摩擦发热试验装置控制系统硬件进行设计，首先结合机械机构进行需求分析，然后对设备装置控制系统进行总体设计，采用S7-200系列可编程控制器作为处理器进行控制，温度数据选用多路温度巡检采集器进行采集。设计结果表明该轮轨模拟试验装置控制系统能满足试验要求。

1 轮轨摩擦发热试验装置控制系统需求分析

轮轨摩擦发热试验装置需要控制得到量有：速度大小、车载大小、啃轨力大小、液压控制信号控制、运行状态控制，如原地打滑、急停、刹车等。此外，还需要对试验装置进行测量的量有：压力值大小、扭矩大小、温度大小、液压流量大小等，这些变量的控制均通过控制系统实现。那么首先结合轮轨摩擦发热试验装置的机械结构，对控制系统进行需求分析，以便确定轮轨摩擦发热试验装置控制系统所需实现的功能，图1为轮轨摩擦发热试验装置的机械结构图。

轮轨摩擦发热试验装置需要模拟啃轨、原地打滑、抱死滑动等工况的踏面温升，需要控制输入变量，载荷及转速等。从轮轨摩擦发热试验装置实现的功能看，需要有两个加载缸及两个液压马达。从轮轨摩擦发热试验装置得到测试类型看，需要进行温度测试、压力测试、转速测试等，根据分析，表1为试验装置主体需要进行测控的变量。

表1 试验装置主体需要测控的量Tab.1 Amount of the test apparatus body measurement and control

图1 轮轨摩擦发热装置三维结构图Fig. 1 Three-dimensional structure of wheel-rail friction heating device

2 轮轨摩擦发热试验装置控制系统总体设计

轮轨摩擦发热试验装置试验室分为3个子部分：中央控制室、轮轨摩擦发热试验装置部分、液压站部分。中央控制室通过交换机将轮轨摩擦试验装置及液压站的信息传送并反馈到控制室的监控电脑中，监控电脑可以监控其他部分的运行情况，并进行有效的控制，3个部分组成Internet内部网。

轮轨摩擦发热试验装置控制部分，选用S7-200系列可编程控制器作为处理器，该控制器带有3个扩展单元。S7-200系列可编程控制器通过MPI RS485连接触摸屏，触摸屏可进行显示轮轨摩擦试验装置运行参数等。温度巡检仪对试验装置轮轨接触部分进行测温，通过RS232反馈到TPC7062K触摸屏上显示。液压站同样选用S7-200系列可编程控制器，该部分需要控制的参数较多，因此带有6个拓展模块。液压站的信息同样传动到触摸屏上显示，同时，轮轨摩擦试验装置同液压站点的通过PPI进行通讯，实现控制信号的交互。

3 轮轨摩擦发热试验装置控制系统模块设计

3.1 多路温度巡检采集器

图2 轮轨摩擦发热试验装置总体设计Fig. 2 Wheel-rail friction the heating test device overall design

由于该试验装置温度测量量较多，因此我们采用SWP-T16多路温度巡检采集器来采集一部分温度数据。图3为SWP-T16多路温度巡检采集器，可进行8组数据的温度采集，其温度采集原理属于接触式的，选择需要测温的零部件，然后在其中嵌入温度传感器，通过温度传感器检测温度的大小反馈到处理器中进行处理。第一组测量车轮左右轴承的温度；第二组测量轨道轮左右轴承的温度；第三组测量传动轴前后侧轴承的温度，第四组测量的空气的温度，第五组测量液压油的温度，另外存在三组可拓展使用。温度巡检仪的引脚RXT、TXD、GND用于连接显示器，传送温度数据进行显示。L及N接口则连接电源线[3]。

图3 多路温度巡检采集器Fig. 3 Multi-channel temperature logging logger

3.2 轮轨摩擦试验装置硬件设计

图4为S7-226可编程控制器及其扩展模块，S7-226可编程控制器具有高速计数器、RS232/485通讯端口、24输入/16输出端口、执行时间为0.22 μs，程序及数据存储量大等优点。该可编程控制器主要是用于控制轮轨摩擦发热试验装置运行工况、速度大小、信号显示及轮轨踏面温度检测、车轮及轨道轮位移、反馈力矩的检测。图中S7-226中I0.0-I0.5用于接编码器，检测轨道轮及车轮的速度；I0.6-I1.4用于控制试验装置加载缸、啃轨缸的复位；I1.5-I2.0用于试验装置的启动、急停、停止；O0.0-O0.2连接试验装置启动、急停、停止的指示灯。如下图所示，扩展模块连接压力传感器及位移电子尺，用于测量啃轨及车轮载荷的压力及车轮、轨道轮基座的位移[4-5]。

3.3 液压站可编程控制器硬件模块设计

图4 轮轨摩擦试验装置部分S7-226及扩展模块Fig. 4 Wheel-rail friction test device part of the S7-226 and expansion module

图5为S7-224可编程控制器及其扩展模块，该部分需要控制的量较少，选择I/O口较少的S7-224作为处理器，该处理同样具有高速计数器、RS232/485通讯端口、执行时间短，程序及数据存储量大等优点。S7-224主要处理液压站的控制及显示信息；I0.6和I0.7用于显示液压油位处于高位还是低位 ；I1.1-I1.4用于接收4个液压元件的报警信号；O0.0-O0.3用于控制4个电液伺服使能运行；O0.5-O1.1则进行电液伺服故障的复位；S7-224右端的接扩展接口，第一个扩展模块对4个状态（旋转、载荷、啃轨、制动）下进行电液伺服准备，同时提供电液伺服电源；第二个扩展模块是对旋转、载荷、啃轨、制动4个液压驱动元件进行换向控制[6-7]，由于其原理和S7-200系列的控制方式类似，这里不具体说明。

图5 液压站部分S7-224及扩展模块Fig. 5 Hydraulic station part of the S7-224 expansion module

图6 液压站液压马达测控接线图Fig. 6 Hydraulic station hydraulic motor monitoring and control wiring diagram

图6为液压站液压马达控制接线图，液压马达的控制接线图，X1，X2接口接收可编程控制器伺服使能及故障复位的信号；F1，F2口接压力传感器，传递反馈压力信号及控制设定压力；Y1、Y2、Y3用来接收伺服就绪、伺服报警及零速检出信号，保证对液压马达的有效控制。液压马达编码器脉冲输入信号通过P接口输入到控制模块，实现对其运行速度的监测。

4 结 论

文中主要介绍了轮轨摩擦发热试验装置控制系统设计，重点设计了试验装置控制系统的硬件部分。由需求分析及总体设计，列出轮轨摩擦试验装置需要控制的参数，将轮轨摩擦试验装置试验室分为3个模块，利用SW-700系列的可编程控制器进行控制，温度数据选择多路温度巡检采集器进行采集。该控制系统的设计表明：该试验装置控制系统满足试验要求，轮轨摩擦试验装置能有效的模拟各种工况进行运行，并能准确、全面记录压力、温度、转速等各种数据。该试验装置为实验室研究的展开奠定基础，为轮轨摩擦发热机理研究积累数据。

[1] 吴磊,温泽峰,金学松.轮轨摩擦温升有限元分析[J].铁道学报,2008,30 (3):19-25.

WU Lei,WEN Zeng-feng,JIN Xue-song.Finite Element Analysis of the wheel-rail friction temperature rise [J].China Railway Society,2008,30(3): 19-25.

[2] 潘兴武,吕志强. 基于可穿戴计算机的动态重构硬件模块设计[J].电子科技大学学报,2010,39:50-53.

PAN Xing-wu,LU Zhi-qiang. Dynamically reconfigurable hardware modules based on wearable computer design [J].University of Electronic Technology,2010,39: 50-53.

[3] 刘毅力，郭昆丽，邵文权.多路温度巡检仪与PC机的RS2485通讯[J].西安工程科技学院学报,2007,21(2):223-225.

LIU Yi-li,GUO Kun-li,SHAO Wen-quan. The RS2485 communication of multi-channel temperature logging devices and PC [J]. Xi'an Engineering Science and Technology,2007,21(2):223-225.

[4] 倪原,任展鹏,刘智平,等.某飞行器舵机控制系统硬件设计[J].电子设计工程,2013,21(6):85-86.

NI Yuan,REN Zhan-peng,LIU Zhi-ping,et al An aircraft steering gear control system hardware design [J]. Electronic Design Engineering,2013,21(6): 85-86.

[5] 王坤，盖国权，贾义,等.基于PLC的售油控制系统设计与实现[J].电子设计工程,2012,20(21):77-79.

WANG Kun,GAI Guo-quan,JIA Yi,et al.Design and implementation of PLC-based control system of oil sales [J].Electronic Design Engineering,2012,20(21):77-79.

[6] 胡佳丽,闫宝瑞,张安震,等. S7_200PLC在伺服电机位置控制中的应用[J].自动化仪表,2009,30(12): 39-42.

HU Jia-li,YAN Bao-rui,ZHANG An-zheng. Application of S7_200PLC servo motor position control system [J].Automation Instrumentation,2007,21(2): 223-225.

[7] 赵升吨,魏树国,王军.液压伺服控制系统研究现状的分析[J].伺服控制,2006(6):16-23.

ZHAO Sheng-dun,WEI Shu-guo,WANG Jun. The analysis of Hydraulic servo control system for the status quo [J].Servo Control,2006(6):16-23.

The wheel-rail friction heat test apparatus control system design

WU Zeng-bin1, XIE Xiao-peng1, LI Guang-le1, ZHANG Ying-xin2, WANG Xin-hua2
（1. South China University of Technology, Guangzhou 510640,China;2. Guangzhou Special Mechanical and Electrical Equipment Inspection Institute, Guangzhou 510180,China）

For making a research of wheel-rail friction heating mechanism,it need develope a wheel-rail friction heat simulation test device. In order to meet the test requirements,it should make a requirements analysis to get test device control parameters for test device. Wheel-rail friction test device uses S7-200 series programmable controller as processor, uses multi-channel temperature logging logger for temperature detection, and uses a module extension interfaces to meet the requirements of the control function. The design results show that: the wheel-rail friction test device can effectively run to simulate a variety of conditions , and can make an accurate, comprehensive record of pressure, temperature, speed and other data.

wheel-rail; friction heat; control; hardware design

TP311.1

A

1674-6236(2014)03-0107-04

2013–05–13 稿件编号：201305128

国家质检总局科技计划项目(2011QK322)

吴增彬(1988—)，男，广东梅州人，硕士研究生。研究方向：机电控制系统设计。