基于PLC和觸摸屏的齒輪箱清洗機控制系統

郭景紅，徐曉明，張學斌，陳志江，郎東明，丁偉文

（中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，江蘇常州 213011）

基于PLC和觸摸屏的齒輪箱清洗機控制系統

郭景紅，徐曉明，張學斌，陳志江，郎東明，丁偉文

（中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，江蘇常州 213011）

以齒輪箱清洗機為研究對象，集成PLC控制技術與觸摸屏技術，對原始齒輪箱清洗機手動操作進行自動控制系統設計和應用。

齒輪箱；PLC；觸摸屏；控制系統

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.09.41

0 概述

將PLC和觸摸屏運用到現有設備控制系統的改造中，既能實現對設備清洗過程中的各項工藝參數的顯示和控制，保證清洗效果，還可根據不同用戶的需求，選擇清洗流程和清洗時間，達到對齒輪箱深度清洗的目的。

1 系統介紹

齒輪箱是齒輪傳動裝置的核心部件，是高鐵的驅動裝置，其質量直接關系到高速列車的運行安全。由于齒輪箱在生產加工過程中要經過多道工序，其中夾雜的鐵屑如不及時清理就會給齒輪箱的正常使用帶來影響。齒輪箱清洗機很好地解決了這一問題，它能迅速清除齒輪箱內的鐵屑和污垢，保證齒輪傳動裝置安全可靠，保證最大程度的使用價值，而且可以幫助企業減少資源浪費。齒輪箱清洗機工作過程見圖1，其中，箭頭代表油管。在這一清洗過程中油管瞬時流量、油管壓力、潤滑油溫度等工藝參數是影響清洗機能否清洗干凈的重要因素，傳統的清洗機（由接觸器、繼電器組成的控制系統）對上述工藝參數不能實現實時采集和監控，每次清洗完畢都需操作人員憑經驗來判斷清洗干凈與否，存在很大不確定性。

圖1 齒輪箱清洗機工作過程

由PLC和觸摸屏組成的監視控制系統不僅可代替原來的控制面板，而且操作者可以通過觸摸屏輸入的方式操作設備，操作簡單方便。它能實時顯示和控制清洗過程中的各項工藝參數，保證清洗效果，還可根據不同用戶的需求，選擇重復清洗流程達到對齒輪箱深度清洗的目的。

2 系統設計

控制系統結構見圖2，PLC與觸摸屏構成齒輪箱清洗機控制系統主要由吸油、進油、循環、測量、通信和輸入輸出模塊組成。執行設備清洗操作時，先啟動設備，當操作者利用觸摸屏輸入信息命令（清洗時間、油管進出油量、油管壓力和油箱溫度）后，控制系統自動調出PLC程序，PLC通過執行梯形圖程序來控制其觸點，從而達到對接觸器、變頻器、電機以及設備各個部件控制的目的。同時，PLC還會把流量傳感器、溫度傳感器等檢測到的信息以及齒輪箱清洗機的工作狀態傳送至觸摸屏，操作者可通過觸摸屏調整相關參數信息來實時調整齒輪箱清洗機的工作狀態。如設備出現故障，PLC將傳感器傳送的故障信號進行比較判斷設備故障原因，并且具備自我診斷的功能。

圖2 控制系統結構

3 硬件設計

根據設備的工藝參數要求（16個信號輸入、20個信號輸出），本控制系統的PLC選用功能和兼容性都很強大的三菱系列PLC FX2N-48MR，其內部集成了24路輸入接口和24路輸出接口，2個高速脈沖輸出，1個RS232通信/編程口，其高速計數器可以采集100 kHz的脈沖，輸出脈沖也可以達到100 kHz。該系統需要采集4路模擬量輸入信號，輸出3路模擬量信號，采集和輸出1路溫度信號，為滿足接口的需求，需要分別增加1個模數轉換模塊（FX2N-4AD）、數模轉換模塊（FX2N-4DA）和溫度采集轉換模塊（FX2N-4AD-PT）。為使系統具有更好的兼容性和可靠性，選擇三菱GT1265觸摸屏，其提供了3MB的內存空間，1個RS422/RS232接口，其內置的USB高速通信接口可以實現最高115.2 kbps的通信。在變頻器部分，也分別選用了3臺三菱D700變頻器，這3臺變頻器分別驅動3臺油泵電機，負責對電機的變頻調速，最終控制油管的進出油流量。在硬件設計中同時需要考慮抗干擾措施，根據設備的使用環境，如周圍有大功率的設備（尤其是大功率變頻設備）更應該考慮抗干擾，比如，在該系統硬件設計過程中模擬量信號線路要與主電路電源線路成90°的排布，同時信號線要用雙絞線，以降低對信號的干擾。

4 軟件設計

4.1 PLC程序設計

圖3為自動控制系統流程圖，本系統采用三菱PLC配套的編程工具GX 8.0 developer對系統設置參數、編制程序、測試和調試。在軟件的設計過程中將采用模塊化+狀態機的設計思路，將控制系統中的功能按照模塊區分，根據狀態機的原理對控制系統的狀態進行劃分，如可以涵蓋以下幾個狀態，上電狀態、初始化狀態、準備狀態、正常運行狀態、故障狀態。對于不同的狀態需要結合硬件進行功能安全分析，看是否符合目標安全需求。

4.2 觸摸屏界面設計

根據設備工藝和控制要求，采用GT-designer 3軟件編寫觸摸屏界面，主要包括主界面、操作界面和故障報警界面。操作界面主要包括輸入和顯示兩部分，在輸入部分通過點擊按鍵可直接設定清洗機的進油數值、出油數值、清洗時間數值、溫度上下限數值等，在顯示部分則分別顯示清洗機當前的進出油流量數值、在線壓力數值、溫度數值等信息。故障報警界面主要是顯示設備故障報警時間、現象。

圖3 自動控制系統流程

5 結束語

由PLC和觸摸屏組成的齒輪箱清洗機控制系統操作方便，運行可靠、穩定，既能夠滿足該設備控制系統的需要，也可應用于其他設備的改造，具有較高的使用和推廣價值。

U260.6+6

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〔編輯 凌 瑞〕