列車輪對測量機控制系統的設計與實現

張 爽，陳文東，高金剛，王 華

（1.長春工程學院，長春 130012；2.中車長春軌道客車股份有限公司，長春 130062）

列車輪對測量機控制系統的設計與實現

張 爽1，陳文東2，高金剛1，王 華1

（1.長春工程學院，長春 130012；2.中車長春軌道客車股份有限公司，長春 130062）

針對目前國內列車輪對人工檢測的現狀，提出了在VS2010軟件開發平臺上，利用工控機+運動控制卡+PLC控制+數據采集卡，即1機3卡完成輪對自動測量的控制系統方案。在此理念下完成了控制系統的硬件和軟件設計，實現了對輪對關鍵參數的全自動測量。此控制系統滿足企業的精度和生產節拍的要求，體現了輪對測量機控制系統的高度集成性。

輪對測量機；控制系統；PLC；運動控制卡

0 引言

列車輪對是車輛轉向架中的重要部件，輪對不僅僅要承受高速重載列車的所有靜、動載荷，還直接決定著影響到車輛運行的安全和品質的好壞。當前，鐵路列車正朝著高速度、大載重、輕結構方向發展，對輪對制造質量提出了更高的要求。

目前，國內軌道客車生產企業在列車輪對制造質量檢測方面大都處在手工測量階段。列車輪對檢測過程中的車輪旋轉和輪對參數記錄也是靠手工完成，人工測量不僅勞動強度大，而且測量工具相對落后，不能消除人為的測量誤差。

為了改變目前輪對測量的現狀，自主研發了“輪對自動測量機”，實現列車車輪 軸端號字符識別、 車輪端跳、車輪徑跳、輪到軸肩值、車輪直徑、輪緣厚度、輪輞寬度、輪對內側距離和QR值 等關鍵參數的全自動測量，檢測參數如圖1所示。所研發的輪對測量機能滿足檢測精度和節拍的生產需求，為全面推進列車智能檢測提供了技術保障。本文詳細闡述其控制系統的設計與實現過程。

圖1 列車輪對需檢測的參數

1 列車輪對測量機的機械結構

列車輪對測量機由機械結構和控制系統組成。其中機械結構包括基座、框架、撥叉輸送機構、頂尖定位頂緊機構、托舉機構和摩擦電機驅動機構、檢測機構組成。其中檢測機構左右對稱安裝水平移動平臺、垂直移動平臺、旋轉平 臺，在平臺終端安裝2個點激光位移傳感器，通過平臺運動控制點激光位移傳感器的運動進行被測輪對數據的采集。機械結構如圖2所示。本測量機的原理是采用相對測量達到自動測量上述提到的輪對關鍵參數的目的。

2 列車輪對測量機控制系統硬件設計

2.1 控制系統硬件組成

根據列車輪對測量機的測量要求和所設計的機械結構，設計的總控制系統如圖3所示。控制系統由3條控制回路組成，第一條是由工控機發出命令，傳送給PLC，PLC控制液壓系統實現輪對的輸送動作（左右撥叉），輪對的頂緊松開動作（左右頂尖），輪對的升降動作（左右托舉油缸），和摩擦驅動輪旋轉帶動輪對旋轉動作；第二條是工控機通過運動控制卡控制6個伺服放大器，實現在檢測機構上安裝的左右水平、左右垂直和左右旋轉伺服電機的位置控制；第三條是工控機發出命令控制數據采集卡，采集左右2只點激光位移傳感器的數據。

2.2 輪對測量機的工作順序

輪對測量工作時，第一，通過開始檢測控制按鈕發出指令，PLC接到指令控制拍攝的光電開關動作控制輪對到達檢測位置，同時光源自動打開，相機采集軸端圖像并回傳至工控機進行識別；第二，拍照完畢后撥叉將輪對撥入檢測位置；第三，托舉油缸將輪對頂起，左右頂尖頂緊輪對，托舉油缸回原位；第四，摩擦驅動輪旋轉帶動輪對旋轉；第五，檢測輪對需要檢測的參數；第六，尺寸檢測完畢后，托舉油缸托舉輪對，頂尖松開，托舉油缸放下輪對；第七，右撥叉將輪對撥出檢測工位。為了提高檢測的可靠性，采用多次測量求平均值的方法。對于測量車輪端跳、車輪徑跳，采用輪對旋轉三圈求平均值；對于測量輪到軸肩值、車輪直徑、輪緣厚度、輪輞寬度、輪對內側距離和QR值，采用輪對在初始位置0度、旋轉120度、旋轉240度三個位置求平均值。整個控制流程如圖4所示。

圖2 列車輪對測量機機械結構

圖3 列車輪對測量機控制系統組成

圖4 列車輪對 測量機的控制流程圖

2.3 硬件的選擇

根據列車輪對測量機的控制回路（見圖5），為實現控制回路1，選用S7-200 CPU226小型PLC（24個輸入點，16個輸出點和2路高速通道）為主控設備，選用了S7-200 EM223（16個輸入點和16個輸出點）為擴展模塊。此部分控制控制23個離散量輸入、20個離散量輸出和1個摩擦電機；為實現控制回路2，選用運動控制卡控制6個伺服放大器+6個伺服電機；為實現控制回路3，選用數據采集卡控制2只點激光位移傳感器；工控機作為顯示和控制設備。PLC的I/O分配如表1和表2所示。

表1 S7-200 CPU226 I/O分配

圖5 列車輪對測量機控制回路

輸入地址輸入含義輸出地址輸出含義I1.7壓力繼電器1 Q1.7泄壓閥I2.0壓力繼電器2 I2.1左電機OUT1 I2.2右電機OUT1 I2.3拍攝到位I2.4檢測到位

表2 S7-200 EM223 I/O分配

3 列車輪對測量機控制系統軟件設計

在Visual Studio 2010(簡稱VS2010) 軟件開發編程平臺上，完成輪對測量機三個控制回路的集成控制。編程中使用運動控制API接口函數，來實現對控制卡資源的使用；運動控制卡通過發送脈沖的方式控制伺服驅動器來控制伺服電機、通過讀取輸入信號、控制輸出信號來實現對繼電器、傳感器、液壓缸等輸入輸出的控制。測量檢測時，通過調用運動控制函數、數據采集函數和數據處理函數實現。軟件處理流程如圖6所示。

此控制系統需完成PLC與工控機的通訊，其中PLC的通訊參數設定情況如表3所示。

圖6 軟件處理流程

完成以上步驟后，在VS2010平臺進行編程實現對PLC、運動控制卡、數據采集卡的控制，并完成數據的處理。下面為VS2010的程序片段。

表3 PLC的通訊參數設定

在上位機上設置了輪對測量機的監控界面，如圖7所示。在該界面上包含了測量參數圖形顯示、檢測數據的顯示記錄并統計合格率、故障代碼信息、軟件操作按鈕、管理員權限等。

圖7 列車輪對測量機的監控界面

4 結束語

本文在VS2010軟件開發編程平臺上，利用工控機+運動控制卡+PLC控制+數據采集卡，完成列車輪對測量機控制系統集成控制。當控制柜與設備上的各種光電開關、限位開關、接近開關、液壓電磁閥、伺服電機等連接完成后，進行調試和試運行，結果表明，輪對測量機完成對軸端號字符識別、車輪端跳、車輪徑跳、輪到軸肩值、車輪直徑、輪緣厚度、輪輞寬度、輪對內側距離和QR值等關鍵參數的自動測量，重復測量精度和測量精度達到生產需求；測量節拍在10分鐘以內，提高檢測效率；并且消除人為因素對測量結果的影響。此控制方案充分利用了工控機的數據處理功能、運動控制卡的運動功能，同時也保留了PLC在邏輯控制方面的優勢。

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Design and implementation of control system for train wheelset measuring instrument

ZHANG Shuang1, CHEN Wen-dong2, GAO Jin-gang1, WANG Hua1

TP271

：A

1009-0134(2017)03-0082-05

2017-01-15

吉林省科技發展計劃資助項目（重點科技攻關項目）：列車輪對制造質量在線檢測關鍵技術研究（20160204005G X）

張爽（1979 -），女，吉林人，副教授，博士研究生，研究方向為智能系統檢測與控制。