基于触摸屏和PLC的动车组转向架联轴节自动装配系统设计.pdf

l 訇 似 基于触摸屏和P L C 的动车组转向架联轴节 自动装配系统设计 Aut om at ed as sem bl y s ys t em des i gn o f EM U bogi e coupl i ng bas ed on t he t ouch scr een and PLC 徐建，孟广耀，赵娟，刘松年 XU J i a n ， MENG Gu a n g ． y a o，ZHAO J u a n， L I U So n g - n i a n 青岛理工大学 机械工程学院，青岛 2 6 6 0 3 3 摘要以三菱G o - I- 1 2 7 5 触摸屏、F X 2 N - 0 0 1 P L C 和F X 2 N - 4 A D 为核心设计用于2 8 0 K m E M U 转向架联轴 节的自动装配系统，实现了装配的程序控制自动化和人机界面软件相结合。本系统中通过P L C F X2 N 一4 A／ D 模块把压力传感器接收到的压力值，转化为数字信号，将信号实时传送到三菱 G O T 触摸屏中进行折线图分析，根据输出结果自动或手动控制电磁阀，实现人机交互控制。 关键词E MU 转向架联轴节 ；模拟量 ；P L C；触摸屏；人机界面 中图分类号；T P2 7 3 ． 5 文献标识码 A 文章编号1 0 0 9 - 0 1 3 4 2 0 1 3 0 3 下 - 0 1 4 4 - 0 4 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． 1 s s n ． 1 0 0 9 -0 1 3 4 ． 2 0 1 3 ． 0 3 下 ． 4 3 0 引言 按照国际高 速铁 路的标准 ，火车转 向架 间的 异步 牵引电动机与齿轮箱驱动装置的轴通过联轴 器无 键过 盈联接 ，安装时通过压装设备把联轴节 压 装到轴 上去并保压 2 0 rai n 【 1 】 。然而我 国多数铁 路联 轴节组装单位使用 的压装设备还停留在八、 九十年代的水平 ，结构简单 ，性能单一 ，生产效 率低，设备完全用人工操作控制 ，精度低，而且 系统 落后，每安装一次都需要全部拆卸，手动操 作 ，人工检测，压装机的数据通过观察压 力表来 记录判断，误差大 ，精确度低 ，性能不稳定 ，已 经不 能满足高速列车对联轴节组装精度的要 求， 亟待进行设备的更新 。 通过对青岛南车 四方车辆股份有限公司联轴 节的组装工艺及压装机设备的实际调研I ，我们提 出并设计了基于P L C的自动化 、数字化 、智能化 的 联轴节压装机 。 1 系统控制方案和硬件组成 系统结构框图如图I N示。 图1 系统结构框 图 本 系统主要 包括P LC、压 力传感器、位移 传 感器 、AI D转换模块 、触摸屏 、二位三通 电磁 阀 以及3 0 0 Mp a 高压气液增压泵和4 0 Mp a 低压气液增 压泵等。其 中高压泵压力传感器量程为3 0 0 MP a 输 出电流值4 - 2 0 mA电流，低压泵压力传感器量程为 4 0 MP a 输出4 2 0 mA电流，分别采集高压泵与低压 泵 的压 力值 。压力传感器将采 集到 的电流信号通 过F X 2 N- 4 AD转化成数字信号传给P L C，经过算术 运算后与设定数值进行比较 ，得 出控制信号对电 磁阀 自动控制 。触摸屏与P L C 之 间采用R S 4 2 2 接 口 连接读取P L C中的数值并做折线图分析或 数值显 示 。 三菱F X2 N一 4 8 MR系列P L C。该机型在运算速 度，指令数量及通讯能力方面 占有优势 ，是一种 小型化 、高速度 、高性能、各方面都相当于F X系 列 中最高档次的超小型的P L C。性能稳定，完全符 合我们的使用要求 。系统原理图如图2 。 联轴节压装机工作过程 根据国际高速铁路的标准 要求并结合我们设 计的系统 ，压装过程分四步 1 高 压 气 液 驱 动泵 工 作 ，利 用2 6 0 MP a 一 3 0 0 MP a 超高压胀开联轴节轴毂。 2 观察到联轴节两端渗油时，开启低压气液 驱动泵，中空油缸推动联轴节移动 。 收稿日捆2 0 1 2 -1 1 -0 9 作者简介徐建 1 9 8 8 一 ，男，山东泰安人，硕士研究生，主要从事先进制造和制造业 自动化等工作。 [ 1 4 4 ] 第3 5 卷第3 期2 0 1 3 ～ 0 3 下 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务I 訇 似 图2 联轴节 自动压 装机 原理 图 3 当联轴节移动到与轴的端面平齐时不能继 续推动 ，这 时会 出现 低压压 力传感器的值 出现陡 升的现象，经与预设数据进行逻辑判断后，P L C 输 出控制信号 ，控制高压 气液驱动泵 自动停止工作 并进行卸荷。 4 手动 触发保压 按钮 进入 保压阶 段 ，保 压 2 0 mi n 后 由P L C控制 自动停止工作并行卸荷。此时 压装过程结束。 联轴节 自动压装机工作流程如图3 所示 否 否 否 图3 联轴节自动压装机工作流程图 2 系统软件设计 2 ． 1 系统功能设计 联轴节 自动压装系统利用增压控制和P L C 等关 键技术 的高度集 成化 ， 同 时 配 备 人 性 化 操 作 界 面和触 摸显示 屏实现 2 8 0 k m／ h E MU转 向架联 轴 节无键 锥度过 盈联接 压 装过程 的程 序控 制和 自动 化操作 。以解决现 有压 装 系统存 在 的联 轴 节和轴出现蠕退现象 。 2 ． 1 ． 1联轴节压装机压装 参数与运行状态的 监测与显示 本联 轴 节压 装机 系 统可 以采集并 显示设 备 的运 行状态 ，集 中显示 于触 摸屏监控 界面 ，便 于对压 装参数 和设备 工 作状态的监测。 2 ． 1 ． 2信息的显示、存储 该系统设有 员工登录界面 ，需输 入员工号及 登录密码 才能进入操作界面及监控界面等；操作 界面设置 有启动按钮 、保压 按钮 、急停按钮 以及 用 于突发状 况的卸荷按钮 ；监控界面设置 有设备 运行 显示页面 ，显示 当前 的工作状 态 各泵 的压 力值 以及保压 时间及其他信 息 比如 故 障类 型、发生的时间等。 该系统将所有数据每隔l s 采集1 次，并将数据 存储 于开头 为员工号、工作 日期的文件 中并保存 在C F 存储卡中，便于 以后分析联轴节压装机的工 作 状 态 。 2 ． 1 ． 3 联轴节压装机的控制 联轴节压装机的控制可以采用远距离手柄控制 或者采用触摸屏人机交互界面上的按钮来实现。 2 ．2 系统程序设计 压装软件分为P L C 控制软件和触摸屏人机界面 软件2 部分 。P L C 程序实现数据计算、逻辑判断与 输 出控制等功能 。触摸屏程序直接通过R S 4 2 2 数据 线无 缝访问和修改P L C变量 ，实现控制功 能，数 据、状态的处理 ，显示和存储等功能 】 。 2 ． 2 _ 1 P L C 控制程序设计 实 际工作 中，共有4 个 二位三 通 电磁 换 向阀 来控制 高压气 液驱动泵 与低压气液驱动泵 的开启 与卸荷 。在准备工序完成后，高压泵 的开启X0 0 1 第3 5 卷第3 期2 0 1 3 - 0 3 下 [ 1 4 5 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务l 甸 似 由手动 通过 按钮 或者 触摸 屏来 触发 ，使 继 电器 Y0 0 1 得电，控制电磁 阀换向来启动 ；当观察到联 轴节 两端 往外渗 油时 ，手 动触发开 关X0 0 2 开 启 低压泵 ，进行联 轴节的压装 。等到压装到预定位 置时 ，低压泵的压力值会出现 陡升 ，此时经过一 个 比较运算得 出控制信号M6 0 来控制高压泵的停 止与卸荷 。等完成高压泵 的拆 卸之后 ，手动触发 X0 0 3 来完成保压；保压时间由定时器触发 自动完 成并控制 自动卸荷 。最后拆卸 低压泵 ，则整个压 装过程全部完成低压泵卸荷则 由保压时间的定时 器触发 自动完成 。通过对上述压装机工作流程 的 研究和分析 ，对P L C的I ／ O输入和输出点进行 了合 理的分配 。如表1 所示。 表1 P L C 输入输出点分配 输入点 名称 输出点 名称 X0 o 0 急停开关 Y0 0 0 低压泵卸荷电磁阀 X 0 0 1 高压泵启动 Y 0 0 1 高压泵启动电磁阀 X 0 0 2 低压泵启动 Y0 0 2 高压泵卸荷电磁阀 低压泵 保压 X 0 0 3 Y o 0 3 低压泵启动电磁阀 启动 高压泵 油箱 X 0 O 4 Y 0 0 6 蜂鸣报警器 油位信号 低压泵油箱 X 0 o 5 油位信号 4 37 2 ． 2 ． 2 ND 模拟量， 数字量 转换模块程序设计 根据工作 流程 的分析 ，系统是根据压力传感 器传递的数值进行分析控制 。压力传感器传递的 信号是4 2 0 mA的电流信号，而P L C只能处理二进 制数字量，因此需要把模拟量变换 成数字量 。我 们对F X2 N一 4 A／ D进行编程变换。 F X2 N一 4 AD模拟特殊模块有 四个输入通道 。 输入通道接收模拟信号并将其转换 成数字量 ，这 称为A ／ D转换 。F X2 N一 4 A D最大分辨率是1 2 位 。基 于电压或 电流的输入／ 输出的选择通过用户配线来 完成，可选用的模拟值范围是一 1 0 V到1 0 VDC 分 辨率5 mV，或者4 到2 0 mA， 一 2 0 到2 0 mA 分辨 率 2 0 u A。F X2 N一 4 AD和F X2 N主单元之间通过 缓冲存储器交换数据 ，F X2 N 一 4 AD 共有3 2 个缓冲存 储器 每个 l 6 位 。F X2 N一 4 AD占用F X2 N扩展总 线的8 个点。这8 点可以分配成输入或输出。F X2 N一 4 AD消耗F X2 N主单元或有源扩展单元5 V电源槽 3 0 m A电流 一 。 该程 序中用A ／ D模块把传感器采 集到 的电流 信号转化成数字信号后存储在P L C的2 个存储单元 中。P L C 中显示出来的数字是二进制的，为了方便 我们 的读数 ，需要把二进制数转换成实际的压力 值 。具体程序如图4 所示。 [ 1 4 6 1 第3 5 卷第3 期2 0 1 3 - 0 3 下 图4 A ／ D 模拟量／ 数字量 转换模块具体程序 H0 X2 Hl H3 Kl K1 K1 K1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m