WG系列工程機械變速箱測試系統的設計及應用

藍偉銘

（柳州職業技術學院 機電工程學院，廣西 柳州 545005）

0 引言

隨著現代工業的飛速發展，對工程機械的質量的要求也越來越高。裝載機的變速箱總成的質量檢測，是保障變速箱質量的重要手段，針對部分企業的老舊設備的檢測手段落后等問題，購置新檢測設備價格過高的情況，設計一臺變速箱的檢測系統實現對其多方位的質量檢測，能低成本地實現對變速箱的質量監控。

1 生產企業對變速箱的檢測要求

工程機械零部件的發展是以大型客戶的要求為目標，所以訂單量大，質量要求也更為嚴格。裝載機的變速箱是重要的傳動部件，對其質量要求非常嚴格，檢測系統要從以下5個方面來考慮：

（1）對變速箱產品質量要求更為苛刻，要求變速箱的各項技術指標都能完成精確檢測位，達到既定工藝指標符合技術質量要求，且能檢測出變速箱的成品質量。

（2）對生產檢測效率要求越來越高，這樣可以降低單件產品的成本，滿足交貨期。

（3）為適應不同的變速箱的更新變化，自動檢測系統要具有高的柔性和靈活性，允許在一定的尺寸范圍內變速箱可以快速更換進行檢測。因為不同的變速箱有不同的定位尺寸，可以通過更換工裝來配合完成變速箱的檢測，而不至于更換整臺檢測設備。

（4）對檢測工藝過程實施監控手段，采用上位機組態完成對變速箱各項工藝參數的監控。

（5）對檢測系統要求盡量易于維護，不涉及太復雜的程序調試，現場維護人員容易掌握。

2 自動監控系統的設計思路

設計變速箱的電氣改造系統，該系統可以全面掌握WG系列變速箱運行的狀況，實現安全的自動檢測。各個采集點采用新型的智能傳感器進行信號數據采集，通過壓力、流量、溫度、扭矩、轉速數據全面檢測變速箱生命周期運行情況。系統改造拓撲圖如圖1所示。

圖1 系統改造拓撲圖

變速箱的質量關乎工程車輛傳動及行車安全的重中之重，對變速箱的質量要求較高，所以檢測設備需要更加智能、精準可靠的系統來實現。

（1）更換上位機中控臺。采用新設計的上位機中控臺及新款PLC對系統進行控制，實現對各個傳感器信息的讀取和分析處理。全面實現對整個檢測系統的監控工作，實現實時數據的在線監控。

（2）更換新型信號傳感變送器、儀表、測量采集系統。采用新款智能傳感器、傳感變送器、儀表、測量采集系統進行升級改造，使原始傳感數據更加精準，掌握裝載機壓力、流量、溫度、扭矩、轉速等數據并進行專業的反饋，得到真實裝載機變速箱的質量情況。

（3）全新開發上位機界面（報表、動態曲線），測試數據存檔。全新的在線監控系統設計，可以全方面對檢測系統進行數據顯示及控制，實時動態曲線展現檢測全過程，并可以產生報表。采用上位組態監控方式對自動檢測全過程進行質量控制及跟蹤，以及對變速箱質量標準化進行管理，各種數據均可自動采集和計算，實時數據和歷史數據均可隨時查看，并通過組態實現了數據的公開性和共享性，為質量標準化管理提供了有效的展示平臺。提供完善的日常生產統計報表，為各級管理人員提供完善的、多種的統計報表和參數，為生產管理提供有力的數據分析。

（4）改善水冷卻系統。由于在進行檢測過程中會出現溫度過高的情況，導致部分原始傳感數據因為溫度過高而產生異常，干擾了正常的檢測數據，所以需要采用專用制冷機進行水冷卻系統的升級改造。

3 控制系統硬件總體設計

3.1 系統控制方案的確定

系統控制部分由PLC與遠程I/O模塊組成，檢測系統完成對各個參數進行逐一信號監測，變速箱的壓力、流量、溫度、扭矩、轉速等數據通過遠程I/O模塊進行信號采集，再將數據傳回PLC進行集中處理及轉換，并進行數據處理并判斷是否合格。由一臺工控機進行現場操作及監控，將信息共享并可通過報表打印。系統網絡連接如圖2所示。

圖2 系統網絡連接圖

從系統網絡連接圖中可以看到，網絡總體框架為PROFINET通信，由上位機負責整體監控測試，設計PLC作為檢測數據轉換品臺，下掛3個IO-LINK用于新增加的傳感器通過網絡傳回PLC進行數據轉換處理、并能控制外部電磁閥等，網絡下掛3個PROFINET I/O用于對原先設備的部分既有功能的數據對接交互使用。

3.2 控制器件硬件選型

系統主要設備硬件均采用西門子和德國工控產品，主控采用西門子S7-1200 PLC，遠程I/O模塊均為西門子產品，傳感器采用IFM易福門等傳感器，同時配置上位工控計算機進行上位監控[1]。

3.3 PLC各站網絡地址分配

在博圖TIA中進行1200 PLC及各站遠程I/O組態，系統網絡連接及IP地址如圖3所示[2]。

圖3 網絡連接及IP地址

通過對各個遠程模塊的GSD文件導入，并對模塊進行硬件組態，其中有兩路信號來自IFM（易福門）遠程I/O PROFINET通信模塊，將壓力和流量等信號通過此模塊與1200PLC進行信號數據的采集。以太網地址分別為192.168.0.20和192.168.0.21。AL1102_1模塊主要用于對離合器倒擋、離合器4檔壓力、離合器前時檔壓力、變矩器輸入端壓力、泵壓力、變矩器流量（潤滑）帶溫度等物理量進行信號采集。AL1102_2模塊主要對離合器1、2、3擋壓力、變矩器輸出壓力、變矩器循環壓力（潤滑）、變矩器出口溫度檢測。

另有3路遠程Profinet IO模塊（華杰智控BLUEONE）。其中HJ3206為數字輸出模塊，以太網地址為192.168.0.31；HJ3207為數字輸入模塊，以太網地址為192.168.0.30；HJ3205為數字量和模擬量的輸入/輸出模塊，以太網地址為192.168.0.32。用于對檢測系統原設備電子信號的對接使用。此部分屬于原裝德國進口設備與檢測主體硬件對接的電子部分，在沒有完全清楚其電子線路原理基礎上，依舊利用原先的電子控制系統，只需要用遠程模塊將其原有信號對接即可。

3.4 控制系統程序設計

控制系統1200 PLC通過若干個遠程模擬量模塊進行各路信號的數據采集，通過總線將數據采集到PLC后再進行工程化的處理。處理后的數據與上位工控機連接，由上位工控機進行工程數據的顯示及后續顯示監控和處理工作。

設計變速箱不同檔位的位置選擇，當切換不同檔位時各個傳感器模擬量的信號采集?？稍O計各個檔位的變量，M8.0-M8.4分別為檔位電磁閥的5個對應檔位，檔選擇了對應的檔位，通過程序即可對應控制Q12.0～Q12.4檔位電磁閥動作。5個檔位變量如圖4所示。

圖4 檔位換擋變量

根據檔位換擋要求進行操作檔桿的檔位選擇，通過程序對檔位電磁閥進行輸出控制，完成換擋過程，梯形圖如圖5所示。

圖5 換擋程序

各傳感器實時模擬量信號采集，確定當前狀態是否符合要求，根據扭矩傳感器反饋至PLC進行模擬量的轉換得到實際扭矩值[3]。例如輸入端扭矩模擬信號輸入值IW96（Input_Torque），將該信號進行逐級轉換，現將其由整數轉換成實數，然后再將實際工程值（0.0～2500.0N）輸出至MD304進行存儲并能在工控機監控顯示。輸入端轉速信號輸入值IW98（Input_speed），將該信號進行逐級轉換，將其由整數轉換成實數，然后再將實際工程值（0.0～7000.0R）輸出至MD320進行存儲并能在工控機監控顯示。程序（部分）如圖6所示。

圖6 扭矩轉換圖

輸出扭矩模擬信號輸入值IW100（output_Torque），將該信號進行逐級轉換，將其由整數轉換成實數，然后再將實際工程值（范圍0.0～10000.0N）輸出至MD312進行存儲并能在工控機監控顯示。輸入端轉速信號輸入值IW102（output_speed），將該信號進行逐級轉換，將其由整數轉換成實數，然后再將實際工程值（0.0～5500.0R）輸出至MD328進行存儲并能在工控機監控顯示。程序（部分）如圖7所示。

圖7 輸出扭矩和轉速轉換程序

在進行切換倒擋檔位時，可通過傳感器檢測離合器當前壓力值，通過遠程I/O模塊傳回PLC并把壓力轉換成實際工程值。倒擋離合器壓力經過IW68進行整數轉換成實數，其值除以100為實際實數壓力值存放在MD1068進行存儲并在工控機監控顯示。如圖8所示。

圖8 倒擋離合器壓力轉換工程值圖

3.5 工控機組態監控界面設計

整套檢測系統由工控機進行全方位監控，采用西門子WINCC軟件實現對系統的監控，界面設計了監測數據的實時顯示、基本信息、曲線等功能。圖9工控機組態監控界面。

圖9 工控機組態監控界面

監控界面中包含了變速箱檔位選擇、檢測變矩器輸入端壓力、變矩器輸出端壓力、離合器前時檔壓力、離合器倒擋壓力、離合器1、2、3、4檔位壓力、輸入轉矩、輸出轉矩、泵流量、變矩器流量（潤滑）、變矩器循環壓力（潤滑）、變矩器出口溫度檢測等。

當變速箱在1500 r/min轉的工況測試下，從V4-V1快速直接旋轉檔位從V4到V1實時監控的曲線[4]。如圖10所示。

圖10 工控機實時監控曲線界面

界面中還針對檢測的零件批次和型號，變速箱序列號、工單號、客戶信息、測試時間等進行監控設計。

4 系統調試及驗證分析

4.1 系統硬件安裝及調試

WG系列工程機械變速箱測試系統的設計及現場安裝，通過與原有測試對象進行對接調試與功能測試，實現了多個方面的升級改造功能。系統平臺增加上位監控工作站，由傳統的儀表平臺升級成了工控機控制系統等組成。系統平臺改造前后的監控臺和遠程I/O實物圖如圖11、圖12所示。

圖11 改造前后的監控臺實物圖

圖12 升級遠程I/O

4.2 系統功能

通過3個月的前期準備及3個月的現場調試，系統完成了以下多項功能，達到了企業預期設計要求并進入試運行階段。

（1）工業網絡系統更新，實現主控PLC與遠程I/O的PROFINET通信。改造后的網絡控制系統，彌補了原先設備不具備網絡通信的缺陷，提升了設備的自動化程度以及監控數據的可控性和可靠性。通信采用的PROFINET通信方式將傳感器和控制器進行網絡化，減少了設備的線路敷設。

（2）新型傳感器的更換，測量采集系統更加準確和安全可靠。采用新型傳感器進行物理信號的采集，大大提高了精度等級，并且以德系的產品為主，加以配合西門子的PROFINET以太網的通信，極大地方便了設備的組態和精準控制。

（3）人機界面能夠實現修改參數、錯誤顯示、合格率。組態監控通過西門子WINCC（WINCC 7.5版本）實現整個系統的操作和監控。WinCC 7.5版是一款功能強大的可視化組態軟件，此軟件集成了工廠智能、高效維護的創新過程可視化，具有可擴展、開放、靈活的特點，是西門子全集成自動化系統的核心組成部分，可完整的應用于各類工業開發領域。使用該組態軟件可以將各個工控環節的信息集中進行控制和數據處理，例如修改參數、錯誤顯示、合格率等，大大提高了工作效率。

（4）全新開發上位監控界面（報表、動態曲線），測試數據并可以存檔。在監控系統中為了對全流程的變速箱各個檢測數據的實時監控，開發了上位監控界面，應用了報表、動態曲線等方式將動態檢測過程進行全程記錄，每臺變速箱測試的數據可以存檔，通過階段性分析得出變速箱的產品質量報表。

（5）提供完善的日常生產統計報表。系統除了對檢測過程進行報表輸出，還為各級管理人員提供完善的、多種的統計報表和參數，為生產管理提供有力的數據分析。

5 結語

通過改造升級新的自動檢測系統提高了檢測效率，保障了檢測質量。

基于設計時間和成本投入等客觀因素的情況下，系統還未能對該設備的德國原裝電子系統也進行全部改造，因為此部分與變速箱內部幾個關鍵部件進行連接，目前還未能開發和設計此部分改造內容，如果此部分內容也能突破，加上對測試箱箱體的重新設計，將能擺脫對此類設備進口的依賴程度，極大提高國產裝備的應用競爭力。