基于WinCC的機車用螺桿空壓機測試系統設計

陳炯　高延杰

摘 要：針對傳統儀表式空氣壓縮機試驗機功能落后、操作復雜的問題，設計了以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，實現了對空壓機功率、排氣壓力、排氣溫度、容積流量等參數的測量與記錄，并根據相關標準自動判斷空壓機各性能檢測結果，生成檢測報告。實踐表明，利用WinCC結合PLC開發的機車用螺桿空壓機測試系統開發周期短，測控功能穩定、可靠，取得了良好的效果。

關鍵詞：WinCC；PLC；螺桿空壓機；測試系統

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

螺桿式空氣壓縮機因結構簡單、體積小、噪聲低、沒有易損件、工作可靠、維修簡單、幾乎沒有脈動等優點被廣泛應用于機車中。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，故障空壓機修復后，在裝車之前也應該進行性能檢測。

傳統的儀表式空氣壓縮機試驗機操作復雜、自動化程度低，主要依靠人工切換控制空壓機的工作狀態，讀取、記錄試驗數據等，性能計算與數據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提出了更高的要求。目前，國內外許多相關科研院所對機車用空壓機測試技術進行了一系列研究。比如，王建紅、張俊利用PLC和觸摸屏開發了內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事故，且觸摸屏試驗系統可擴展性較差。張芳璽、彭學院等利用PLC和組態王開發了機車用空壓機測控系統，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。但該系統結構復雜，過于追求測量精度，制造成本高，只適合空壓機生產或研究院所使用。總體而言，目前空壓機性能測試系統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中存在的問題，本文設計了利用WinCC 6.2作為上位監控與數據處理軟件，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。該系統除了具備實時數據采集與控制功能外，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絡備份，供機務段管理部門遠程查詢。

1 測試系統總體設計

1.1 總體需求分析

根據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》等標準，同時為了保證測試系統能完全模擬空壓機在列車上的工作狀況，并聯設置了兩個儲氣罐，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 總體方案設計

如果單純地采集模擬量信號，可采用專用的嵌入式數據采集卡實現。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轉換。西門子S7-200系列PLC因體積小、功能強大、性價比高等優點得到了廣泛應用。而西門子組態軟件WinCC內嵌S7-200 PLC，因此利用WinCC作為上位數據處理軟件，無論從可靠性，還是從經濟性角度都是較佳的選擇。最后使用PPI通信協議實現PLC與計算機通信。測控系統總體方案如圖1所示。

2 測試系統硬件設計

2.1 空氣管路設計

為了能模擬空壓機在機車上的工作狀況，設置了兩個儲氣罐分別作為主、副風缸。為了減少系統控制量，在進行除溶劑流量試驗外的試驗時，均只讓主風缸工作。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。結合TB/T 2540—1995《內燃、電力機車空氣壓縮機排風量試驗方法》設計的空氣管路如圖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，是工業控制領域的首選。PLC選用西門子S7-200系列CPU224主機，具有14路數字量輸入，10路模擬量輸出。由于本測試系統需要控制的開關型原件較多，因此再選用一個同時具有8路數字量輸入和輸出的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、工作狀態易判斷的特點。當傳感器正常工作時，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，系統可以迅速檢測出故障傳感器。

3 測試系統軟件設計

3.1 測試軟件結構設計

測試軟件結構及工作流程如圖3所示。整個軟件系統包含人機交互模塊、測控模塊和數據處理模塊，可以實現無負荷試驗、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—排氣節流閥

圖2 測試系統空氣管路示意圖

圖3 測試軟件結構及工作流程

3.1.1 人機交互模塊

人機交互模塊主要包含系統登錄、空壓機參數選擇、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。該模塊應具有功能完備、操作簡便、顯示清晰的優點。

3.1.2 測控模塊

測控模塊主要負責利用OPC從PLC中讀取模擬量模塊采集的數據以及PLC主機相關寄存器的值，利用OPC向PLC寫入各執行元件的動作指令，是整個測試軟件系統的核心模塊。

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。當壓力或溫度信號達到設定值時，系統發出相應的動作指令，控制變頻器、繼電器、電磁閥等元器件動作，實現空氣管路的切換。

3.1.3 數據處理模塊

數據處理模塊主要負責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數據庫系統中。同時，該模塊還具備測試結果評價和報表生成的功能。

3.2 軟件界面設計

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、溫度等數據顯示區和工作狀態顯示欄；中間是空氣管路系統圖，可直觀地反映空氣管路的實時工作狀態，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顯示區，操作人員可以直接從試驗狀態顯示區查看試驗的進度和階段性判斷結果。

圖4 測試系統主界面

4 結論

利用WinCC組態軟件和西門子S7-200系列PLC開發了和諧機車用螺桿空壓機測試系統。該系統功能完備，數據采集迅速、準確，控制確切、可靠，生成的報表簡單明了。實踐表明，采用該方案開發測控系統，具有開發周期短，系統柔性大，只要相應地設置組態軟件就可以實現多種功能的優點。

參考文獻

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〔編輯：劉曉芳〕