基于PLC模糊控制的列车制动软管试验台的设计与应用.pdf

2 0 1 2年 3月 第 4 0卷 第 5期 机床与液压 MACHI NE T 0OL HYDRAUL I C S Ma t ．2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 5 1 01 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 0 5 ． 0 3 4 基于 P L C模糊控制的列车制动软管试验台的设计与应用 刘丽华 ，易毅 坚。 1 ．广州铁路职业技术学院，广 东广州 5 1 0 4 3 0 ； 2 ．广州地铁总公 司，广东广州 5 1 0 3 8 0 摘要根据列车制动软管试验台手动加载不稳定的情况，利用步进电机把手动加载阀改造成数字阀，采用模糊控制与 P L C 相结合的方式 ， 设计试验台自 动控制系统。实际应用结果表明 该控制系统具有稳定可靠、控制精确的特点。 关键词列车制动软管试验台；模糊控制；P L C ；步进电机 中图分类号T P 2 7 3 文献标识码 B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 51 1 23 De s i g n a nd Ap p l i c a t i o n o f Tr a i n Br a k i ng Tu be Ex p e r i me n t a l Stat i o n Ba s e d o n PLC． f uz z y Co nt r o l L I U L i h u a ，Y I Y i j i a n 1 ． G u a n g z h o u R a i l w a y V o c a t i o n a l a n d T e c h n i c a l C o l l e g e ，G u a n g z h o u G u a n g d o n g 5 1 0 4 3 0 ，C h i n a ； 2 ． G u a n g z h o u M e t r o C o mp a n y ， G u a n g z h o u G u a n g d o n g 5 1 0 3 8 0 ，C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e i n s t a b i l i t y s t a t i o n o f ma n u a l l y l o a d o f t h e t r a i n b r a k i n g t u b e e x p e r i me n t a l s t a t i o n，t h e ma n u al l o a d i n g v a l v e w a s t r a n s f o r me d i n t o d i g i t a l v alv e b y u s i n g s t e p p e r mo t o r ．B y t h e wa y o f c o mb i n i n g f u z z y c o n t r o l a n d P L C， t h e a u t o ma t i c c o n t r o l s y s t e m o f t h e e x p e r i me n t al s t a t i o n wa s d e s i g n e d ．T h e p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n i n d i c a t e s t h a t t h e c o n t r o l s y s t e m i s s t a b l e ，r e l i a b l e a n d p r e - c i s e ． Ke y wo r d s T r a i n b r a k i n g t u b e e x p e r i me n t s t a t i o n ；F u z z y c o n t r o l ；P L C；S t e p p e r mo t o r 列车制动软管是列车车辆之间制动系统的连接部 件 ，列车制动软管最常发生的故障是泄漏和鼓包。为 保证列车运行的安全性，必须在接近实际工况的条件 下，采用风压和水压试验 台检测制动软管的密封性 能，以确保制动软管的质量。目 前 ，国内的列车制动 软管风压和水压试验多采用手动试验台进行检测。手 动试验台的加载阀用手动加压，在压力较高时难以保 持加压速度 ，易导致压力陡升。由于阀门角度与压力 的关系很难用数学模型精确描述，在实际工程中，控 制阀门开关的过程通常由有经验的操作员完成。因 此，采用常规的基于被控对象精确数学模型的P I D控 制器控制系统难以取得理想的控制效果。 根据步进 电机驱动加载阀组成数字 阀的特点 ，文 中以某公司现有的手动试验台为实际改进对象 ，提出 了用步进电机对试验台加载方式进行数字化改造 ，采 用 P L C和模糊控制相结合的方式对试验台风压和水 压系统进行智能化控制。所设计的试验台具有 自动化 程度高、控制稳定性好、动态响应快等特点 ，避免了 超调和压力波 动。 1 试验台的结构与工作原理 根据国家行业标准，列车制动软管的试验内容分 为两项 1 风压试验。将制动软管总成置于水槽 内，缓慢通 以0 ． 60 ． 6 5 M P a的压缩空气，保压 5 m i n ，制动软管总成无泄漏 、破裂，软管发生气泡在 1 0 m i n内逐渐减少并消失者可以使用 ； 2 水压试 验。风压试验合格后，以1 ． 5 M P a 的水压进行强度试 验，保压 2 ra i n无破损 、外径无局部凸起，软管膨胀 后直径大于 7 m m时报废。原有的手动试验台用人 手来调节加载阀的开口量，以达到调压的目的。由于 手动调节加载时，很小的手柄转角都会导致两头被封 堵的列车制动软管内压力徒升 ，控制具有明显的滞后 性，使实验结果不准确 ，也无法实现 自动控制。 作者所设计的试验台由机体、水压和风压系统、 检测系统和控制系统组成。机体包括支架和水槽，支 架和水槽都采用不锈钢材料制作，耐腐蚀和防生锈。 检测和控制系统完成试验动作的控制与性能检测。被 检测的制动软管放入水槽 ，制动软管的一端接在水槽 的管路上 ，另一端用自制堵头封堵 ，待制动软管内充 收稿 日期 2 0 1 1 0 1 2 7 基金项目广州铁路职业技术学院科技基金资助项目 G T X Y Z 1 0 0 1 作者简介刘丽华 1 9 7 1 一 ，女，硕士，副教授，主要从事机电一体化方面的科研和教学工作。Em a i l k t l l h 2 0 0 3 1 63 ．c o rn。 第 5期 刘丽华 等基于 P L C模糊控制的列车制动软管试验台的设计与应用 1 1 3 高压水或高压空气时，呈密封状态。 试验 台的水 压 和风压 系统 工作原 理如 图 1 所示 。 V l 是加气压电磁阀，v 2 是泄压电磁阀，V 3是试验管 注水 电磁 阀，V 4是水槽 注水 电磁 阀，v 5是水 槽排水 电磁阀，V 6 是水压阀，试验台以步进电机代替人手来 调节加载阀，可实现系统无级调节。步进电机是靠数 字脉冲来驱动，所以不必经过数模转换，就可用计算 机自动控制，具有误差小、精度高、结构简单等特点。 图 1 列车制动软管水压和风压系统原理图 2测控系统设计 目前，用于列车制动软管试验台的控制器主要有 单片机、可编程控制器和工控机。由于可控制控制器 具有可靠性好、抗干扰能力强的特点，适用于开关量 控制 。该试验 台控制 系统 I ／ 0点数 较多 ，控制过程较 复杂 ，所 以本 试 验 台的控 制系 统采 用 P L C和 触摸 屏 控制，控制系统结构如图 2所示 。采用 Wi n C C组态 软件开发监控界面作为下位机，操作者可用触摸屏直 接对试验台进行手动／自动／ 步进操作，并且可记录检 测的数量，实时显示水压。P L C、现场监控仪表和压 力传感器作为上位机。在水压试验时 ，用水压传感器 检测加载时 的实 际水压 ，P L C通过模拟量输入模 块接 收水压传感器发出的模拟信号，并转换为数字信号 ， P L C根据列车制动软 管的设定 压力 和实际压力误差 和 控制策略，输出脉冲控制步进电机的步距角，实现软 管压力 的调节 。 l 槽 ll 槽 ll l 排 ll 注 ll 导 l水 ll水 ll 输出模块 PLC 模拟量输入模块 通 讯 工 作 状 态 和 内 部 参 数 显 不 触 摸屏 水压传感器 0 各种开封 模拟量输入信号 图2 测控系统结构 采用 P L C控制，试验台具有手动／ 自动／ 步进 3 种操作模式，方便操作者使用。在 自动模式下，设有 试验延时保压装置和报警提示 ，提示操作人员软管保 压完毕是否进行延 时保压 ，操作人员可 以根据现场实 际情况 ，在水压试验 过程 中调用加 载子程 序 ，直 到水 压传感器检测到水压为 1 ． 5 M P a时保压 2 m i n ，用仪 器检查或 目测软管有没有爆破和鼓包 ，然后进行手动 泄压或 自动延时泄压 ，操作方便灵活、安全可靠。列 车制动 软管水 压加载试 验和风压试 验过主要流程 如图 3所示 ’ [ I调用调 I 整加压 l ’ I速度子程序 I 保压 2 rai n 二] 水压 检 测结 束 皇 充风 匠力 等于 0 ． 6 M I Y 主 保 压 5rai n 童 风压 检测 结束 一 图 3 列 车制动软管试验台流程 图 3 模糊控制器设计 采用二维模糊控制，给定压力 1 ． 5 MP a 与精 确测量值偏差为 e ，偏差变化率为 e c ，E 、E C分别为 e 、e c 模糊化后的模糊量，控制器结构如图4所示。 图 4 模块 控制器结构 在系统正常情 况下，给定的最高压力 P 。1 ． 5 M P a ，偏差 e p - p ， P 为水压传感器实际测量的压 力。设压力的变化 e 的基本论域 为[ 一1 0 0 ，1 0 0 ] ， 选定 E 的离 散 论域 为 { 一6 ， 一5 ， 一4 ， 一3 ， 一2 ， 一 1 ，0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6} ，e的量化 因子 K 6 ／1 0 00 ． 0 6。 根据工艺要求和现场的操作经验 ，设压力的变化 率 e c 的基本论域 y为 [一1 0 ，1 0 ] ，选定 E C的离 散论域为{ 一 6 ，一5 ，一 4 ， 一 3 ，一2 ， 一1 ，0 ，1 ， 2 ，3 ，4 ，5 ，6 } ，e c的量化 因子 K 6 ／ 1 0 0 ． 6 。 设控制变化 “的基本论域 z为[ 一 6 ， 6 ] ，选定 U的离散论域为 { 一6 ， 一5 ，一 4 ， 一3 ， 一 2 ，一1 ， 1 1 4 机床与液压 第 4 0卷 0 ，1 ，2 ，3 ， 4 ，5 ，6 } ，则 U的量化 因子 K 1 。 取各语言变量 的语言值为{ N B 、N M、N S 、0 、 、P 、胎 } ，N B 、N M、N S 、0、P S 、P M、P B分 别为正大、正中、正小、零 、负小、负中、负大。考 虑到压力很容易徒升，e 、e c 和 “的隶属函数采用响 应较灵敏的非均匀分布的三角形函数 ，控制规则选用 “ 如果 e a n d e c t h e n u ”的形式 ，根据现场控制经验， 得到系统的控制规则表后 ，再采用 M A T L A B的工具 F u z z y ，离线得到模糊控制查询表，如表 1 所示。 表 1 模糊控制查询表 一 6 5 4 3 2 一l 0 l 2 4 6 5 4 3 2 1 1 1 2 一 l 一 2 2 一 一 1 2 2 4 一直 一 1 2 2 3 4 4 1 一 l 一 2 3 3 4 5 1 1 2 3 3 4 4 6 1 2 3 3 4 5 5 6 4 模糊控制在 P L C中的实现 设计好模糊控制器后 ，利用 P L C程序实现模糊 控制。模糊控制实现的流程如图5 所示，实现方法如 下 1 通过 P L C的模拟量模块采集压力 ，设定采 样周期，计算 e 和 e c ，并存入 P L C中； 2 量化比 例因子的初始值存人数据存储器中； 3 变量模糊 化处理，通过量化因子把 e 和 从基本论域转换到 相应 的模糊论域中； 4 通过查表功能子程序将查 询表中的 1 6 9个数值依次存储到 P L C中，然后采用 “ 基址 变址”的方式进行数值查取 ； 5 U乘以比 例因子，清晰化。 ＼ 将量化因子存入P L C中 N 主N I 磊 查 模糊控 制 查询 表求 得 乘 以比例 因 子，清 晰化 输 出控制量 工一 图5 P L C模糊控制程序设计流程图 5 实验结果 按照实验要求使用实验台进行实验，达到的技术 指标如下最大试验气压为 1 ． 0 M P a ；最大试验水压 为 1 ． 5 M P a ；每次可试验管数量为 1 6条；单次试 验管时间 水气联合 自动试验为 1 5 m i n ；单次气 压试验时间为 1 1 m i n ；单次水压试验时间为 4 m i n ； 每小时最大试验数量为 2 4 条。该实验台已投入使用 ， 工作可靠，完全满足批量检测制动软管的要求。 6 结束语 该试验台利用步进 电机带动加载阀实现数字控 制，并结合 P L C与模糊控制实现了高精度的检测与 控制，不但能实现手动／自动／ 步进等控制方式 ，并且 制动软管检测效率和控制精度都得到了明显的提高， 满足了试验需要。 参考文献 【 1 】杜体育， 陈昌煦． 微机控制制动软管风水压试验机的研 制[ J ] ． 铁路机车车辆， 2 0 0 8 1 0 6 5 6 7 ． 【 2 】沈培辉 ， 陈淑梅． 计算机智能控制方法在液压测试系统 中的应用[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 9 9 1 4 7 1 4 9 ． 【 3 】 蔡小亮 ， 罗益民， 孙锋 ， 等． 基于 P L C和 W i n C C的智能双 腔监测换热器系统 [ J ] ． 化工自动化与仪表， 2 0 1 0 2 8 18 3 ． 【 4 】罗志辉． 基于 P L C模糊控制的回转布料机控制系统研 究[ D] ． 长沙 中南大学， 2 0 0 9 ． 【 5 】陈峰， 闵新和， 黄志坚 ， 等． 基于 P L C的汽车制动软管爆 裂试验台控制系统的改造 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 7 7 2 5 42 5 5 ． 【 6 】闫飞飞， 石春， 吴刚， 等． 基于 P L C和触摸屏 的电动缸自 动测试系统设计[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 0 1 4 3 7 4 0 ． l 2 3 3 4 5 6 6 6 o o o o 0 4