基于PLC和触摸屏的齿轮箱清洗机控制系统

2018-01-03郭景红徐晓明张学斌陈志江郎东明丁伟文

设备管理与维修 2017年9期

关键词：清洗机齿轮箱触摸屏

郭景红，徐晓明，张学斌，陈志江，郎东明，丁伟文

（中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司，江苏常州 213011）

基于PLC和触摸屏的齿轮箱清洗机控制系统

郭景红，徐晓明，张学斌，陈志江，郎东明，丁伟文

（中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司，江苏常州 213011）

以齿轮箱清洗机为研究对象，集成PLC控制技术与触摸屏技术，对原始齿轮箱清洗机手动操作进行自动控制系统设计和应用。

齿轮箱；PLC；触摸屏；控制系统

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.09.41

0 概述

将PLC和触摸屏运用到现有设备控制系统的改造中，既能实现对设备清洗过程中的各项工艺参数的显示和控制，保证清洗效果，还可根据不同用户的需求，选择清洗流程和清洗时间，达到对齿轮箱深度清洗的目的。

1 系统介绍

齿轮箱是齿轮传动装置的核心部件，是高铁的驱动装置，其质量直接关系到高速列车的运行安全。由于齿轮箱在生产加工过程中要经过多道工序，其中夹杂的铁屑如不及时清理就会给齿轮箱的正常使用带来影响。齿轮箱清洗机很好地解决了这一问题，它能迅速清除齿轮箱内的铁屑和污垢，保证齿轮传动装置安全可靠，保证最大程度的使用价值，而且可以帮助企业减少资源浪费。齿轮箱清洗机工作过程见图1，其中，箭头代表油管。在这一清洗过程中油管瞬时流量、油管压力、润滑油温度等工艺参数是影响清洗机能否清洗干净的重要因素，传统的清洗机（由接触器、继电器组成的控制系统）对上述工艺参数不能实现实时采集和监控，每次清洗完毕都需操作人员凭经验来判断清洗干净与否，存在很大不确定性。

图1 齿轮箱清洗机工作过程

由PLC和触摸屏组成的监视控制系统不仅可代替原来的控制面板，而且操作者可以通过触摸屏输入的方式操作设备，操作简单方便。它能实时显示和控制清洗过程中的各项工艺参数，保证清洗效果，还可根据不同用户的需求，选择重复清洗流程达到对齿轮箱深度清洗的目的。

2 系统设计

控制系统结构见图2，PLC与触摸屏构成齿轮箱清洗机控制系统主要由吸油、进油、循环、测量、通信和输入输出模块组成。执行设备清洗操作时，先启动设备，当操作者利用触摸屏输入信息命令（清洗时间、油管进出油量、油管压力和油箱温度）后，控制系统自动调出PLC程序，PLC通过执行梯形图程序来控制其触点，从而达到对接触器、变频器、电机以及设备各个部件控制的目的。同时，PLC还会把流量传感器、温度传感器等检测到的信息以及齿轮箱清洗机的工作状态传送至触摸屏，操作者可通过触摸屏调整相关参数信息来实时调整齿轮箱清洗机的工作状态。如设备出现故障，PLC将传感器传送的故障信号进行比较判断设备故障原因，并且具备自我诊断的功能。

图2 控制系统结构

3 硬件设计

根据设备的工艺参数要求（16个信号输入、20个信号输出），本控制系统的PLC选用功能和兼容性都很强大的三菱系列PLC FX2N-48MR，其内部集成了24路输入接口和24路输出接口，2个高速脉冲输出，1个RS232通信/编程口，其高速计数器可以采集100 kHz的脉冲，输出脉冲也可以达到100 kHz。该系统需要采集4路模拟量输入信号，输出3路模拟量信号，采集和输出1路温度信号，为满足接口的需求，需要分别增加1个模数转换模块（FX2N-4AD）、数模转换模块（FX2N-4DA）和温度采集转换模块（FX2N-4AD-PT）。为使系统具有更好的兼容性和可靠性，选择三菱GT1265触摸屏，其提供了3MB的内存空间，1个RS422/RS232接口，其内置的USB高速通信接口可以实现最高115.2 kbps的通信。在变频器部分，也分别选用了3台三菱D700变频器，这3台变频器分别驱动3台油泵电机，负责对电机的变频调速，最终控制油管的进出油流量。在硬件设计中同时需要考虑抗干扰措施，根据设备的使用环境，如周围有大功率的设备（尤其是大功率变频设备）更应该考虑抗干扰，比如，在该系统硬件设计过程中模拟量信号线路要与主电路电源线路成90°的排布，同时信号线要用双绞线，以降低对信号的干扰。

4 软件设计

4.1 PLC程序设计

图3为自动控制系统流程图，本系统采用三菱PLC配套的编程工具GX 8.0 developer对系统设置参数、编制程序、测试和调试。在软件的设计过程中将采用模块化+状态机的设计思路，将控制系统中的功能按照模块区分，根据状态机的原理对控制系统的状态进行划分，如可以涵盖以下几个状态，上电状态、初始化状态、准备状态、正常运行状态、故障状态。对于不同的状态需要结合硬件进行功能安全分析，看是否符合目标安全需求。

4.2 触摸屏界面设计

根据设备工艺和控制要求，采用GT-designer 3软件编写触摸屏界面，主要包括主界面、操作界面和故障报警界面。操作界面主要包括输入和显示两部分，在输入部分通过点击按键可直接设定清洗机的进油数值、出油数值、清洗时间数值、温度上下限数值等，在显示部分则分别显示清洗机当前的进出油流量数值、在线压力数值、温度数值等信息。故障报警界面主要是显示设备故障报警时间、现象。