基于WinCC的機車用螺桿空壓機測試系統(tǒng)設(shè)計

陳炯　高延杰

摘 要：針對傳統(tǒng)儀表式空氣壓縮機試驗機功能落后、操作復(fù)雜的問題，設(shè)計了以WinCC為上位軟件，PLC及其擴展模塊為核心測控單元的機車用螺桿空壓機測試系統(tǒng)，實現(xiàn)了對空壓機功率、排氣壓力、排氣溫度、容積流量等參數(shù)的測量與記錄，并根據(jù)相關(guān)標(biāo)準自動判斷空壓機各性能檢測結(jié)果，生成檢測報告。實踐表明，利用WinCC結(jié)合PLC開發(fā)的機車用螺桿空壓機測試系統(tǒng)開發(fā)周期短，測控功能穩(wěn)定、可靠，取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：WinCC；PLC；螺桿空壓機；測試系統(tǒng)

中圖分類號：TP277.2 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.21.015

螺桿式空氣壓縮機因結(jié)構(gòu)簡單、體積小、噪聲低、沒有易損件、工作可靠、維修簡單、幾乎沒有脈動等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于機車中。空壓機在列車運行過程中，為列車制動、減速、空氣彈簧、“三閥一桿”等提供壓縮空氣，其性能對列車行車的安全具有重要影響。為了保證行車安全，必須對機車螺桿式空壓機進行定期檢測。此外，故障空壓機修復(fù)后，在裝車之前也應(yīng)該進行性能檢測。

傳統(tǒng)的儀表式空氣壓縮機試驗機操作復(fù)雜、自動化程度低，主要依靠人工切換控制空壓機的工作狀態(tài)，讀取、記錄試驗數(shù)據(jù)等，性能計算與數(shù)據(jù)處理嚴重滯后于測控過程，測控精度低、實時性差，且一般情況下，只能對活塞式空壓機進行檢測，無法對螺桿式空壓機進行頻繁起停試驗。我國大量新型電力機車被陸續(xù)投放于市場，這對高性能、高可靠性機車用空壓機性能測試系統(tǒng)提出了更高的要求。目前，國內(nèi)外許多相關(guān)科研院所對機車用空壓機測試技術(shù)進行了一系列研究。比如，王建紅、張俊利用PLC和觸摸屏開發(fā)了內(nèi)燃機車用空壓機試驗臺。該試驗臺雖然占地面積小、功能完備，但觸摸屏誤操作容易引起生產(chǎn)事故，且觸摸屏試驗系統(tǒng)可擴展性較差。張芳璽、彭學(xué)院等利用PLC和組態(tài)王開發(fā)了機車用空壓機測控系統(tǒng)，使用電磁閥對多組文丘里管進行切換，可以測量多種額定容積流量的空壓機。但該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，過于追求測量精度，制造成本高，只適合空壓機生產(chǎn)或研究院所使用。總體而言，目前空壓機性能測試系統(tǒng)在可靠性和性價比等方面都存在不足。

為解決機車用螺桿式空壓機性能測試系統(tǒng)中存在的問題，本文設(shè)計了利用WinCC 6.2作為上位監(jiān)控與數(shù)據(jù)處理軟件，西門子S7-200系列PLC及其擴展模塊作為核心測控單元的性能測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)除了具備實時數(shù)據(jù)采集與控制功能外，還能對被測空壓機進行性能評價，生成測試報告。此外，實驗記錄還可以進行網(wǎng)絡(luò)備份，供機務(wù)段管理部門遠程查詢。

1 測試系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 總體需求分析

根據(jù)TB/T 2791—2009《機車用空氣壓縮機試驗臺》和GB/T 3853—1998《容積式壓縮機驗收試驗》等標(biāo)準，同時為了保證測試系統(tǒng)能完全模擬空壓機在列車上的工作狀況，并聯(lián)設(shè)置了兩個儲氣罐，選擇充罐法測量空壓機容積流量，采用電磁閥控制空氣管路的通斷。測試系統(tǒng)需要控制的原件有電磁閥、變頻器、繼電器等；需要采集的信號有電壓、電流、溫度、壓力等信號。

1.2 總體方案設(shè)計

如果單純地采集模擬量信號，可采用專用的嵌入式數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)。由于采集卡是直接嵌入主板的，因此占用的接口少。測試系統(tǒng)還要對電磁閥、變頻器、繼電器等需要較大強度控制信號的開關(guān)量進行控制。為了減少接口，需降低計算機的工作負荷，采用PLC輸入/輸出開關(guān)控制量，利用PLC模擬量擴展模塊進行模擬信號采集并實施模數(shù)轉(zhuǎn)換。西門子S7-200系列PLC因體積小、功能強大、性價比高等優(yōu)點得到了廣泛應(yīng)用。而西門子組態(tài)軟件WinCC內(nèi)嵌S7-200 PLC，因此利用WinCC作為上位數(shù)據(jù)處理軟件，無論從可靠性，還是從經(jīng)濟性角度都是較佳的選擇。最后使用PPI通信協(xié)議實現(xiàn)PLC與計算機通信。測控系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

2 測試系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 空氣管路設(shè)計

為了能模擬空壓機在機車上的工作狀況，設(shè)置了兩個儲氣罐分別作為主、副風(fēng)缸。為了減少系統(tǒng)控制量，在進行除溶劑流量試驗外的試驗時，均只讓主風(fēng)缸工作。進行負荷試驗和超負荷試驗時，為了保證空壓機排氣口壓力及空壓機所受負荷達到標(biāo)準，選擇背壓閥給空壓機施加負荷。由于背壓閥是機械式壓力控制閥，因而該方法具有壓力控制準確、可靠的優(yōu)點，可以避免電動閥沒有電源及控制信號就無法工作的弊端。結(jié)合TB/T 2540—1995《內(nèi)燃、電力機車空氣壓縮機排風(fēng)量試驗方法》設(shè)計的空氣管路如圖2所示。圖中，大氣壓力傳感器和大氣溫度傳感器未畫出。

2.2 主要元器件選型

工控機選用研華IPC-610L型。該型號的工控機接口多、抗干擾能力強，是工業(yè)控制領(lǐng)域的首選。PLC選用西門子S7-200系列CPU224主機，具有14路數(shù)字量輸入，10路模擬量輸出。由于本測試系統(tǒng)需要控制的開關(guān)型原件較多，因此再選用一個同時具有8路數(shù)字量輸入和輸出的EM223CN模塊。采用3個EM231CN模擬量輸入模塊采集測試系統(tǒng)的模擬量信號。所有傳感器均選擇4～20 mA輸出的電流型一體化變送器。該類型傳

感器具有抗干擾能力強、工作狀態(tài)易判斷的特點。當(dāng)傳感器正常工作時，輸出的電流在4～20 mA之間，傳感器故障時輸出的電流為0時，系統(tǒng)可以迅速檢測出故障傳感器。

3 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 測試軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

測試軟件結(jié)構(gòu)及工作流程如圖3所示。整個軟件系統(tǒng)包含人機交互模塊、測控模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，可以實現(xiàn)無負荷試驗、密封性試驗和壓力控制試驗等七大空壓機主機測試試驗。

1—螺桿空壓機；2—波紋管；3—水分離器；4—壓力傳感器；5—溫度傳感器；6—安全閥；

7—電磁閥；8—儲氣罐；9—排水閥；10—9 bar背壓閥；11—11 bar背壓閥；12—排氣節(jié)流閥

圖2 測試系統(tǒng)空氣管路示意圖

圖3 測試軟件結(jié)構(gòu)及工作流程

3.1.1 人機交互模塊

人機交互模塊主要包含系統(tǒng)登錄、空壓機參數(shù)選擇、功能模塊選擇、運行畫面顯示和訊響顯示等功能。該模塊是測試系統(tǒng)與操作人員交流的窗口，所有信息都通過人機交互界面反饋給操作人員。該模塊應(yīng)具有功能完備、操作簡便、顯示清晰的優(yōu)點。

3.1.2 測控模塊

測控模塊主要負責(zé)利用OPC從PLC中讀取模擬量模塊采集的數(shù)據(jù)以及PLC主機相關(guān)寄存器的值，利用OPC向PLC寫入各執(zhí)行元件的動作指令，是整個測試軟件系統(tǒng)的核心模塊。

對于EM231模擬量模塊采集到的模擬量信號，濾波處理后，再運算和比較。當(dāng)壓力或溫度信號達到設(shè)定值時，系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的動作指令，控制變頻器、繼電器、電磁閥等元器件動作，實現(xiàn)空氣管路的切換。

3.1.3 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊主要負責(zé)對每次測試的操作人員、空壓機信息、警報信息作記錄，并將記錄的信息保存至SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中。同時，該模塊還具備測試結(jié)果評價和報表生成的功能。

3.2 軟件界面設(shè)計

利用WinCC圖形編輯器制作的軟件主界面如圖4所示。最上面是壓力、溫度等數(shù)據(jù)顯示區(qū)和工作狀態(tài)顯示欄；中間是空氣管路系統(tǒng)圖，可直觀地反映空氣管路的實時工作狀態(tài)，并且每個電磁閥、空壓機都具有手動控制模式，可以單獨控制，方便不定期地對每個元件進行在線檢測；最下方是試驗選擇按鈕和試驗狀態(tài)顯示區(qū)，操作人員可以直接從試驗狀態(tài)顯示區(qū)查看試驗的進度和階段性判斷結(jié)果。

圖4 測試系統(tǒng)主界面

4 結(jié)論

利用WinCC組態(tài)軟件和西門子S7-200系列PLC開發(fā)了和諧機車用螺桿空壓機測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)功能完備，數(shù)據(jù)采集迅速、準確，控制確切、可靠，生成的報表簡單明了。實踐表明，采用該方案開發(fā)測控系統(tǒng)，具有開發(fā)周期短，系統(tǒng)柔性大，只要相應(yīng)地設(shè)置組態(tài)軟件就可以實現(xiàn)多種功能的優(yōu)點。

參考文獻

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〔編輯：劉曉芳〕