（机械制造及其自动化专业论文）机车闸片性能检测控制系统集成方法研究与实现.pdf

武汉理jr ：人学硕士学位论文 摘要 制动装置是列车安全减速或停车的重要装置。为确保列车的安全，必须在 各种条件下都保证列车的制动性能。随着列车运行速度的不断提高，对制动装 置的制动性能要求也更高，。目前我国的铁路客车基本都已采用了盘形制动，机 车闸片是盘形制动装置的重要组成部件，它对制动性能有着举足轻重的作用。 为了研制出摩擦性能更好的机车闸片，闸片制动性能试验台的开发成为列车制 动领域中的一个重要课题。机车闸片性能检测装置是模拟实际中的制动工况， 对机车闸片的摩擦性能进行试验的装置。随着计算机技术、自动控制技术、微 电子技术、现代检测传感技术的发展，逐渐形成和发展了工业计算机监控系统。 本文介绍了该检测装置的控制检测系统的设计。 本文按照盘形制动试验大纲要求，提出了对机车闸片性能测试装置的 测试与控制系统的设计方案。在详细分析闸片试验过程测控技术及其系统研究 现状的基础上，研究基于p l c 的闸片性能测控系统的集成，给出了系统的体系 结构、控制功能描述和集成方法，对主轴转速、摩擦力、闸片及制动盘温度的 测量方式进行设计和设备选型。结合机车闸片性能检测装置的试验过程及参数 检测和控制的特点，集成了以f x - 2 np l c 为现场测控单元的智能化测控系统， 给出了相应的软硬件设计。 硬件部分主要对上位机、下位机( p l c ) 、变频调速系统和供电系统进行硬 件选型和硬件接线设计，并且设计了各个传感器同可编程控制器的接线及其数 据传输方式。软件部分包括下位机和上位机的应用软件程序的编制。上位机运 用组态软件( m c g s ) 作为用户可定制功能的软件丌发平台工具，利用其良好的 人机界面和通信能力，在p c 机上丌发出有好的人机界面。下位机采用三菱p l c 的专用编程软件在p c 机上编制控制机车闸片性能检测试验台运行的控制程序。 实验结果表明，采用该控制系统，使机车闸片性能检测试验台工作可靠，使用 方便，所集成的过程测控系统信号输入、输出模块配置合理，系统运行稳定可 靠，满足了试验过程参数检测和控制要求。 关键词：工控机，可编程控制器，测控系统，组态软件 武汉理工人学硕士学位论文 a b s t r a c t b r a k ei st h ei m p o r t a n te q u i p m e n tw h i c ho f f e r e de m e r g e n c yb r a k i n ga n ds a f e t y d e c e l e r a t i o nw h e nt r a i nr u n so nt r a c k s i no r d e rt oe n s u r es a f e t yo ft h et r a i n ，g o o d b r a k e 。p e r f o r m a n c es h o u l db ep r o v i d e du n d e ra n yc o n d i t i o n a s t h es p e e do f o p e r a t i o ni sc o n t i n u a l l yr i s i n g ，t r a d i t i o n a lb r a k es h o eb r a k i n gb el o n g e rf i tt h eh i 曲 s p e e dt r a i n sd e v e l o p m e n t ，s og o o dp e r f o r m a n c eo fb r a k ee q u i p m e n t i st ob er e q u e s t a tp r e s e n t ，d i s cb r a k i n gh a sa p p l i e da l m o s ti n a l lo u rc o u n t r y sp a s s e n g e rt r a i n b r a k ep a d si sa ni m p o r t a n tc o m p o s i t i o np a r to fd i s cb r a k ee q u i p m e n t ，i th a sp i v o t a l f u n c t i o nt ot h eb r a k i n gq u a l i t y t h e r e f o r e ，t h ee x p l o i t a t i o no fb r a k ep a d sb r a k i n g a b i l i t yt e s tb e dw i l lb e c o m eav i t a lt o p i ci n t h ed o m a i no ft r a i nb r a k i n g ；b e t t e r l o c o m o t i v eb r a k ep a d sa r e r e q u i r e dt o b ed e v e l o p e d t h et e s t e q u i p m e n to f l o c o m o t i v eb r a k i n gp a d si sa na p p a r a t u sw h i c hc a ns i m u l a t ed a m p e dc o n d i t i o no ft h e p r a c t i c ea n dp r o s e c u t eap e r f o r m a n c et e s ta b o u tt h ef r i c t i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n to f c o m p u t e rt e c h n o l o g y , a u t o m a t i o nt e c h n o l o g y , m i c r o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , m o d e m m e a s u r e m e n ta n ds e n s et e c h n o l o g y , i n d u s t r yc o m p u t e rs u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e m i sg r a d u a l l yd e v e l o p e d t h ec o n t r o l t e s ts y s t e mo ft h ee q u i p m e n ti si n t r o d u c e di nt h i s p a p e r ad e s i g np r o p o s a lo ft e s ta n dc o n t r o ls y s t e mo fl o c o m o t i v eb r a k ep a d s t e s t - e q u i p m e n tw a si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r , w h i c hb a s e do nt h er e q u i r e m e n to f “o u t l i n eo ft h eb r a k ep a dp e r f o r m a n c et e s t ”o nt h eb a s i so fd e t a i l e da n a l y s i so f r e s e a r c hp r o g r e s sm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g ya n ds y s t e mi nt h et e s tp r o g r e s s ，t h e i n t e g r a t i o no fm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mb a s e do np l ci sr e s e a r c h e d t h e s y s t e mf r a m e w o r k ，c o n t r o lf u n c t i o nd e s c r i p t i o na n di n t e g r a t i o nm e t h o di sg i v e n a n d d e s i g n e dt h em e a s u r e m e n to ft h er o t a t i o ns p e e do fm a i na x i s ，f r i c t i o nf o r c e ， t e m p e r a t u r eo fb r a k ep a da n dt h eb r a k ed i s c a c c o r d i n gt ot h et e c h n i c a lp r o c e s sa n d c h a r a c t e r i s t i co fp a r a m e t e rd e t e c t i o na n dc o n t r o l ，t h ei n t e l l i g e n tm e a s u r e m e n ta n d c o n t r o ls y s t e mi nt h ee q u i p m e n ti si n t e g r a t e da n dt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eb a s e d o nf x - 2 np l ci sd e s i g n e d w ec h o s et y p e sa n dd e s i g n e dh o wt oc o n n e c tl i n e sf o rt h eh a r d w a r es y s t e m ， w h i c hm a i n l yi n c l u d e s l o c a t i o ng o i n gt om a c h i n e ( i n d u s t r yt o u c h s e n s i t i v es c r e e n s y s t e m ) ，t h en e x tm a c h i n e ( p l cc o n t r o ls y s t e m ) ，f r e q u e n c yc o n v e r s i o ns y s t e m 锄d p o 、耽rs u p p l ys y s t e m d e s i g n i n gt h es o f t w a r es y s t e mi n c l u d e sw r i t i n gp r o g r a m sf o r i p ca n dp l c t h ec o n f i g u r a t i o n s o f t w a r e ( m c g s ) c a l lc u s t o m i z et h es p e c i a l f u n c t i o ns o f t w a r ep l a t f o r mf o r u s e r s ，u t i l i z ei t sg o o dm a n m a c h i n ei n t e r f a c ea n d c o m m u n i c a t i o nc a p a c i t y , c a nd e v e l o pt h e f r i e n d l ym a n m a c h i n ei n t e r f a c eo nt h ep c o p e r a t i o nc o n t r o lp r o c e d u r e sf o rl o c o m o t i v eb r a k ep e r f o r m a n c et e s t b e dw e r e p r e p a r e do nt h ep cw i t hm i t s u b i s h ip l cp r o g r a m m i n gs o f t w a r e t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t si n d i c a t e ，a d o p t i n gt h i sc o n t r o ls y s t e m ，i ti sr e l i a b l et om a k et h ee q u i p m e n t w o r ka n de a s yt ou s e m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e me s t a b l i s h e di nt h e t e s t j n g p r o c e s sr u n sw e l la n di m p l e m e n t st h et a s ko fp a r a m e t e rm e a s u r e m e n t 锄dc o n t r 0 1 k e yw o r d s ：i n d u s t r yc o n t r o lc o m p u t e r , p l c ，m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l s y s t e m ， c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e i v 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：耋担红敬e l期： 2 q q 垒：墨 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公柿论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：拙纽导师签名：釉只 期：2 州譬 武汉理j j ：人学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 近年来，随着机车运行速度的提高，列车的高速化对与之配套的列车运行 关键技术之一的制动技术提出了更高的要求。那么，如何检测制动材料的制动 性能成为一个重要的研究课题。到上世纪8 0 年代，铁路机车制动系统的固定设 备试验均在简便试验台上进行。这种试验台由惯性轮构成，还包括试验用车轮 和闸瓦。但是这样简单试验台不可能达到高速要求。随着盘形制动的出现，原 有试验台无法提供制动盘和制动闸片的数据p i 。为了强化转速和各项功能，对 制动性能试验台的改造一直在进行。一般的制动性能试验台的试验过程是：开 始电机将惯性装置加速至初始速度，闸片在制动装置的驱动下，以一定的制动 压力与制动盘接触，实施制动。制动丌始后，同步记录摩擦系数、闸片温度以 及主轴转速等参数。所以，由于试验需要，迫切要求有可靠的、实时性的测控 系统，来大大提高试验台的试验效率及准确性。 铁道部“九五 发展目标提出繁忙于干线客运列车时速要提高到1 4 0 1 6 0 k m h ，其它线路客运列车时速要逐步提高到8 0 一l o o k m h ，货运列车时速要 提高到9 0 k m h ，货运重载技术在铁路繁忙于干线上普遍推广。铁道部在“十五 和“十一五 ，铁路运输发展提出了更高的目标，随着铁路运输技术的发展，客 运高速和货运重载将成为铁路未来发展的方向，这就要求提高机车的运行速度 和运载功率 2 1 。 1 9 9 4 年广深高速列车的开行，1 9 9 8 年郑武线2 0 0 k m h 旅客列车正线总和性 能试验创造了2 4 0 k m h 的记录，使中国铁路真正跨入高速行列。目前我国列车 已处于第三次提速阶段，速度越高，也要求配备精良可靠的制动系统才能保证 行车安全。虽然现在制动闸片的制动特性满则制动的基本需要，但还远远不能 满足高速、高效、高性能的目标。我国应用于高速列车的制动闸片仍然依靠进 口，目前急需能自主生产出性能较高的机车闸片。所以针对采用机车制动试验 台进行制动闸片摩擦性能试验，研究出制动性能优异的新型摩擦制动闸片具有 重要的现实意义。1 ：1 机车闸片惯性制动试验台是在现运行状态下对机车制动 擞、闸片的制动特性等进行测试的试验台。罄于铁道车辆的高速化，有必要提 武汉理t 大学硕士学位论文 高机车闸片惯性试验台的高速适应性，提高对新型机车闸片的制动性能的测试 能力。机车车辆的制动过程本质上是一个能量转换的过程。1 ：1 机车闸片惯性 制动试验台以机车闸片为试验对象，以能量守恒原理为基础，即以机车闸片为 试验对象使其在机车闸片惯性制动试验台上承受的制动能量与其在机车上承受 的实际制动能量相等，试验条件与机车运行的实际条件相同；机车闸片惯性制 动试验台的等效运转速度与机车的实际运转速度等效。因而，在机车闸片惯性 制动试验台上获得的试验结果能够真实、准确地反映机车闸片的实际工作性 能。 1 2 机车闸片性能检测系统现状分析 2 0 世纪7 0 年代以后，由于微电子技术的飞速发展和普及，使计算机技术 成为自动化控制工程中的重要工具，广泛应用于各种生产过程和生产设备，构 成计算机测控系统。与其他应用领域相比，计算机技术在闸片制动性能测试中 的应用和推广比较晚，但发展比较快。 到上个世纪8 0 年代，铁路制动系统的固定设备试验均在简便的试验台上进 行。这种试验台由惯性轮组成，还包括试验用车轮和闸瓦。但是这样简单的试 验台不能达到高速要求。随着盘形制动的出现，原有试验台也无法提供制动盘 和制动闸片的数据。为了强化转速和各项功能，对制动性能试验台的改造一直 在进行。作为铁路客运比较发达的r 本、法国和德国等国家在上世纪9 0 年代就 已经研制出了性能比较高的闸片试验台1 3 1 。我国高速列车制动闸片性能试验的 研究起步较晚，目前对盘形制动用合成摩擦材料制动特性的研究主要分两种情 况：一种是使用一些试验室用的小型模拟摩擦磨损试验机，如m - 2 0 0 、d - m s 等， 测量滑动摩擦面的摩擦系数、接触面温度、磨损量的变化，这种方法成本低、 耗时短。但是由于本身结构限制却不能满足高速试验，因此只能用于闸片材料 的筛选研究，为进_ 步的试验提供性能较佳的闸片材料。另一种是采用模拟实 际工况的1 ：1 惯性制动试验台。我国于1 9 7 4 年研究成功第一台l ：1 制动动力 试验台，是世界上第六个拥有这项技术的国家【4 1 。目前国内拥有铁路车辆用1 ： 1 惯性力矩制动试验台的单位不多，这些试验台的工作原理基本相同，但是具 体的试验参数、测试技术存在一些差别，如试验数掘的计算机采集和处理系统、 制动盘摩擦表面温度测试方法等不尽相同，另外在设备状态的调整方面也存在 2 武汉理：i ：大学硕士学位论文 差别。近年来，随着计算机的迅速发展和性能价格比的提高，各有关实验室和 工厂都普遍采用计算机控制闸片性能检测过程。从闸片性能检测系统的测控方 法来看，目前用于这一检测过程的实时控制和数据处理系统主要有基于单片机 的嵌入式测控系统、基于工控机的测控系统。除了这两种测控系统外，p l c 、集 散控制系统( d s p ) 和现场总线系统( f c s ) 在其它的控制过程中也广泛应用。 根据被控过程的规模和应用场合不同要求不同的计算机测控系统的配置。 1 2 1 基于单片机的测控技术及闸片性能测控系统 单片计算机系统，即由嵌入式微控器( m c u ) 和外围器件组成的智能系统。 其硬件分为三个层次，核心处理层、外围电路层和外部设备层。核心处理层是 系统的核心，控制系统工作；外围电路层有i o 端口、内存、复位电源等，和 核心处理层构成基本的嵌入式系统：外部设备层是嵌入式系统和外部环境互动 的物理设备，如键盘、显示( l c d 、v d f ) 、i o 接口等。 在实际应用中，嵌入式系统可根据具体测控对象进行软硬件剪裁。系统一 般采用模块化结构，分为信号输入模块、驱动模块、主控模块、显示、键盘模 块等通过信号输入模块，对传感器送来的信号进行放大、滤波和变换，并使输 入信号和主控模块隔离；主控模块接触到输入模块传来的信号，经过m c u 运算， 输出到驱动模块，驱动执行机构动作；显示、键盘模块完成测控系统的人机交 互功能。 目前单片机系统在机车闸片性能检测控制系统中已有应用。如武汉理工大 学信息工程学院丌发的基于虚拟仪器技术的火车闸片摩擦系数测试系统，主要 是测试火车闸片在不同速度时的瞬时摩擦系数【5 l - 【6 i 。该系统是基于单片计算机 系统丌发的硬件系统和基于虚拟仪器开发的软件系统构成的。虽然该系统利用 计算机管理仪器、组织仪器系统，进而逐步代替了仪器的功能，降低了丌发成 本。但是单片机系统丌发难度大，扩展性不好，抗干扰性能差，很难获得很好 的控制效果。 1 2 2 基于工控机的测控技术及机车闸片性能测控系统 工业控制计算机( i p c ，i n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e r ) ，是一种加固增 强型的个人计算机，它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行【7 i 。8 0 年代初期，美国a d 公司推出了类似i p c 的m a c 一1 5 0 工控机，随后美国i b m 公司 3 武汉理：1 ：大学硕士学位论文 正式推出工业个人计算机i b m 7 5 3 2 。由于i p c 的性能可靠、软件丰富、价格低 廉，使其在现代工业控制中的应用日趋广泛。 图1 1 工业控制计算机直接控制图1 2 工业控制计算机二级控制 一方面，工业控制计算机可以通过各种输入输出板卡直接对生产过程进行 控制，如图1 1 ，工业控制计算机通过数据采集卡采集数据，并存储和处理， 然后通过控制输出板卡对生产过程进行控制；另一方面，可以将常规控制仪表 和工业控制计算机组成二级控制系统，如图1 2 所示。系统由常规控制仪表完 成基础级自动控制，工业控制计算机作为上位机完成数据存储、显示和各种高 级控制，如过程优化控制、储存式程序控制等。 工业控制计算机以其存储容量大、执行效率高等优点在机车闸片性能检测 控制系统中得到了广泛的应用。如中国北车集团四方车辆研究所所研制的制动 试验台，该试验台的测控系统由工控机对试验台的工作状况进行监控，可实时 测试、处理并显示试验台的试验转速、闸片压力、各种载荷、温度等数据i 引。 工业控制计算机小型化、模块化、组合化、标准化的特点和丌放式的结构，软 件兼容性好，使机车闸片测控系统丌发周期短；但与p l c 和d c s 相比，作为现 场控制器，它的可靠性不高；组建上规模的系统，成本也会随之升高。 1 2 3 基于p l b 的机车闸片性能测控系统 p l c 源于继电器控制装置。早期的p l c 主要由分立元件和中小规模集成电 路组成，简化了计算机的内部电路，对工业现场环境适应性较好，指令系统简 单，一般只有逻辑运算功能。近年来，随着计算机、控制以及通讯技术的高速 发展，p l c 已逐步发展成为一种以微控制器为核心，综合了自动控制、数据采 集与处理、网络通讯等功能于一体的高速集成化工业控制装置 9 1 。 4 武汉理：r 大学硕士学位论文 目前，世界上约有2 0 0 个p l c 生产厂家，占控制市场份额的3 0 。主要厂 家有美国的a b 公司、莫迪康公司、g e 公司，德国西门子公司，日本的欧姆龙 公司、三菱电机公司等。我国的p l c 生产和研制也有一定的发展，小型p l c 已 批量生产，中型p l c 已有产品，大型p l c 已经开始研制。国内p l c 形成产品化 的生产企业约有3 0 多家，主要生产单位有：苏州电子计算机厂、上海香岛机电 制造有 输 i 电源 l 输 入 i 出 接il 接 r n 1 1 一 i i 俐 _ - f 扩 i 外 鹱 存能猫 郝 啦设 ： 符7 c卜 拔 i 1 麦 ll 熊柑器l l l 图1 3p l c 硬件体系结构 限公司、天津市自动化仪表厂、杭州通灵控制电脑公司、北京机械工业自动化 所等。 p l c 的硬件结构主要由中央处理单元( c p u ) 、输入输出接口、存储器、扩 展接口等组成。图l 、3 为p l c 硬件体系结构。 c p u 是整个p l c 的核心，负责整个系统的控制和运算。系统可以通过输入 接口采集各种信号，包括数字量和模拟量，通过输出接口输出数字量和模拟量， 并且通过外部设备接口可以和其他设备相连，包括上位机计算机和打印机等， 同时通过扩展单元接口可以实现一些扩展功能，如网络通信等。系统程序和数 据可以存储在存储器中，并且可以通过编程器修改和下载。据物理结构形式的 不同，p l c 可分为整体式和组合式两类。整体式结构的p l c 是将中央处理器单 元( c p u ) 、存储器、输入输出单元、电源、通信端口、i o 扩展端口等组装在一 个箱体内构成主机。组合式p l c 将c p u 、输入单元、输出单元、电源单元、智 能i o 单元、通信单元等分别做成相应的模块，各模块可以插在带有总线的底 板上。 p l c 具有稳定性高，抗干扰能力强；使用方便、体积小；功能强、可扩展 性好的特点，是其它控制器所没有的。由此可见，p l c 是一种适合于乍产过程 武汉理丁大学硕十学位论文 和现场工程技术人员、具有广泛使用价值的工业控制装置。虽然p l c 作为控制 器有以上优点，但是现阶段在机车闸片性能测控系统中还没有应用。本论文即 将采用p l c 作为控制器组成机车闸片性能测控系统。p l c 的高度集成化、配置 灵活，使测控系统的组建难度降低，同时增强了测控系统的扩展性。构建基于 p l c 的测控系统是工业控制领域的重要发展方向。 1 2 4 基于集散控制系统和现场总线的机车闸片性能测控系统 由于现代生产规模日趋庞大，同一公司的各个工厂在地区上比较分散，工 艺过程愈趋复杂。工艺流程前后工序相关、互联与制约更加紧密，无聊平衡和 热量平衡相互依赖，能源得以充分利用。与此同时，为连续、安全、平稳生产， 增加产量，提高质量，相应的对过程信息与控制管理提出了更高要求，也要求 计算机系统有更多的结构形式满足各种不同的需求。计算机网络和数据库技术 的发展，提供了实现的可能性，因而构成了计算机集散控制系统( d c s ) 。计算 机d c s 又称为分级计算机分布控制系统。这种系统根据分级设计的基本思想， 实现功能上分离，位置上分散，达到“分散控制，集中管理 。 d c s 是一种以微处理器为基础，结合了网络通讯、自动控制、冗余和自诊 断以及企业级管理等功能于一体的控制系统，出于采用了多级分层的结构形式， 不仅可以实现稳定的生产，而且可以满足企业管理的要求。在铁路车辆自动化 运行的今天，d c s 在车载实时控制过程中会得到广泛的应用i 1 0 1 。 现场总线控制系统( f c s ) 是2 0 实际9 0 年代兴起的新一代工业控制技术， 它将当今网络通信与管理的概念引入工业控制领域，被称之为“2 1 世纪控制 系统结构体系 。计算机技术、通信技术和计算机网络技术的发展，推动着工 业自动化系统结构的变革，模拟和数字混合的d c s 逐渐发展为全数字系统，由 此产生了工业控制系统中的现场总线。f c s 将构成自动化系统的各种传感器、 执行器及控制器通过现场网络联系起来，通过网络上的信息传输完成传统系统 中需要硬件连接才能传递的信号，并完成各设备的协调，实现自动控制。现场 总线控制系统作为一种新兴自动化控制技术，已经在工业控制应用领域中体现 出了其优越性，但技术还不成熟，致使现场总线控制技术还没有很好的在火车 车载或者试验系统中得到很好的应用。 综上所述，计算机控制在机车闸片性能测试系统中的应用极大的促进了检 测精度的提高，当然，一个成功的测试系统还包含其它的些技术问题，比如 6 武汉理：= 大学硕士学位论文 试验方法的选择、试验结果的分析与处理等。而选择与设计一个合理的计算机 控制系统对测控系统的实现非常重要。p l c 作为现代工业现场控制器，其体积 小、通信能力强、使用方便，具有开关量和模拟量控制功能，在工业过程控制 中得到了广泛应用。由此，可以看出构建基于p l c 的机车闸片性能测控系统是 合理的选择。 1 3 课题研究的目的、意义 制动装置是车辆安全减速或停车的重要装置。机械制动是将车辆的动能通 过摩擦转换为热能而产生制动力，因此必须采用耐热性强的摩擦材料。另外， 由于摩擦的作用，车轮和闸瓦或制动盘和闸片都会产生磨损，为了降低使用成 本，还必须尽量减小制动摩擦副的磨损量。特别是机车制动具有紧急制动和安 全制动的使命，为保证机车安全，必须在极其苛刻的条件下保证制动性能i 引。 在高速机车制动系统中采用盘式闸片摩擦制动最为广泛，因此制动中的制 动闸片是列车制动系统的关键元件之一。由于闸片是一种用量很大的一次性产 品，必须控制其成本【2 4 h 2 5 1 。要求通过合理的选择和搭配闸片材料的各种成分， 既要保证所研制的闸片满足我国提速列车用制动闸片的各项性能要求，又要保 证制动闸片具有较低成本。因此制动闸片在出厂或安装与车辆上之前，要对摩 擦系数、温度上升程度和磨耗情况等进行严格检验，还要确认反复制动情况的 制动材料的状态1 1 1 1 。此外，从检测过程的特点，可以看出性能检测过程是一个 动念的、时变性的过程。为了适应实际应用要求，就需要研制出可靠性、准确 度且效率较高的性能检测控制试验装置。先进的传感技术与p l c 作为控制器的 数据采集与处理在性能检测过程中的应用，可以取得良好的控制效果。因此， 研究基于计算机的测控技术，构建可靠、稳定的测控系统具有重要的理论和实 际应用价值。 1 4 课题研究的内容 本论文在查阅大量资料和进行多方面设计计算的基础上，完成对于机车闸 片性能检测控制系统的一系列设计工作，并在文中一次阐述了机车闸片性能检 测控制系统的各个重要环节的设计过程。主要内容以下： 7 武汉理工人学硕+ 学位论文 1 ) 测控系统集成方法选择 对现阶段的测控系统进行比较，选择适合机车闸片性能检测控制系统的测 控方法基于p l c 和组态软件的测控系统。 2 ) 基于p l c 机车闸片性能测控系统集成实现 对机车闸片性能检测装置的组成、功能和试验过程以及要达到的性能指标 进行简单介绍，并对该系统进行总体设计。具体介绍了机车闸片性能检测控制 系统的检测和控制方法，各检测传感器的原理的选型以及制动部分控制回路的 设计。 3 ) 测控系统的硬件集成 这部分主要是对上、下位机进行具体选型和硬件配置的选择，并具体介绍 了硬件上实现上、下位机的通信，变频器的选择以及同p l c 的通信的实现。电 气控制的电路的具体设计，包括系统供电部分设计和p l c 同各个传感器和其它 电器元件的接线实现。 4 ) 测控系统的软件集成 对下位机( p l c ) 和上位工控机的具体软件编程实现信号采集和控制进行了 具体设计。包括：p l c 信号地址的分配，控制流程图和控制程序的编写，上位 机组态软件选择m c g s 以及运用m c g s 实现机车闸片性能测控系统的工程组态。 5 ) 机车闸片性能检测控制系统的性能分析 对机车闸片性能检测控制系统的性能进行分析，主要分析了对系统影响较 大的p l c 的可靠性以及提高系统可靠性和准确性的方法。 1 5 本章小结 本章主要介绍了机车闸片性能检测控制系统设计这一课题的研究背景、目 的、意义以及国内外闸片试验台控制系统的发展状况，并陈述论文的主要研究 内容。 8 武汉理工人学硕十学位论文 第2 章基于p l c 机车闸片性能测控系统集成研究 p l c 是一种用于工业现场控制的计算机系统。2 0 世纪6 0 年代末，美国数 字设备公司( d e c ) 集合计算机的通用、灵活和继电器系统的简单、易懂、操作方 便等优点，首先研制成功面向工业环境可编程序的现场控制器。其采用可编程 序的存储器，内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操 作指令，并通过数字、模拟输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。随 着微电子技术和计算机技术的发展，现代p l c 不仅能进行逻辑控制，而且在模 拟量闭环控制、数字量的智能控制、数据采集、监控、通信联网等方面都得到 了广泛的应用【1 2 1 。 信息技术的飞速发展，促使自动化技术领域发生深刻变革。以p l c 为测控 单元，构建p l c 现场控制系统，在工业控制中的应用越来越广泛。它适应了工 业控制系统的分散化、网络化、智能化的发展方向，为现代工业控制系统提供 了完整的解决方案。由于机车闸片性能检测技术自身发展的特点，使其检测控 制水平远落后于其他的工业生产过程控制，因此基于p l c 的测控系统引入机车 闸片性能检测控制过程，建立可靠、实用性强的性能测控系统，将是机车自动 化控制发展的一个方向。 本章研究基于p l c 的机车闸片性能测控系统集成方法，其中包括测控系统 的体系结构、功能描述和集成方法。 2 1 基于p l c 机车闸片性能检测控制系统结构 2 1 1 机车闸片性能检测控制系统设计方案 p l c 是计算机技术、电子技术和控制技术相结合的产物。作为工业现场控 制器，p l c 为现场检测设备和执行机构提供了信号输入、输出模块，根掘信号 输入类型不同，可以配置合适的模块。模块化结构的p l c 为工业测控系统的组 建带来了更大的灵活性和可靠性。 随着工业自动化技术的不断发展，组建整个工业生产过程的分御式测控系 统，要求不同厂家的现场可编程设备连接在单层或多层网络上，相互之间进行 9 武汉理： 大学硕+ 学位论文 数据通信，因此通信于网络已经成为控制系统不可缺少的重要组成部分。为了 实现p l c 与其他控制设备的无缝结合，各p l c 厂家均为p l c 开发了各种通信的 模块及属于其自己独特的通信接口。例如西门子公司的s 7 3 0 0 4 0 0 系列p l c ， 为用户提供了多点接口( m p i ) 协议、现场总线p r o f i b u s t 业以太网、点对点 连接( r s - 2 3 2 或r s - 4 8 5 ) 、a s - i 过程通信等多种通信方式，为实现全车间或全 厂的综合自动化提供了方便。 组态软件技术和h m i ( 人机界面) 技术的发展为p l c 分布式测控系统实现 人机对话、系统管理提供了方便。功能强大的组态软件可以方便快捷地构建系 统监控软件平台，通过软件组态可以实现对控制现场的监控、数据显示、管理 和操作信息额下达等操作：h m i 设备为p l c 测控系统的现场过程监视和控制提 供了软硬件的支持，通过h m i ，操作人员可以在线监视生产过程状况，并可以 随时修改生产过程参数。 p l c 控制模块功能的增强、通讯方式的多样化和组态软件技术的发展为p l c 构建先进的测控系统提供了保证。 2 1 2 基于p l o 机车闸片性能测控系统结构组成 基于p l c 的机车闸片性能测控系统的体系结构是组建系统的规范化准则， 它描述了系统的内外特性，体现了系统的硬件和软件的优化配置，是构建测控 系统的关键环节。体系结构分控制结构、现场控制器结构和软件结构。 1 ) 测控系统结构 现代p l c 通过符合m a p 通信协议与上位机连接，实现对性能检测过程的监 控与管理。基于p l c 的测控系统基本结构，控制层采用p l c 测控单元对机车闸 片性能测控系统现场进行数据采集和控制输出，充分发挥p l c 系统资源，完成 现场测控任务；监控层采用工控计算机对数掘进行有效管理，并通过监控机形 成控制策略，对控制器进行实时控制命令的下达，且可以对现场p l c 进行软、 硬件组态和管理。 2 ) 测控系统的控制器结构 控制器结构由控制器的电源、输入输出模板、智能i o 、通信模块和控制 器软件结合而成，其结构体现了控制对象的要求和控制规模的大小。从系统的 设计者角度来看，控制器的结构是与机车闸片性能检测的参数检测和控制功能 要求完全契合的，是如何最佳、最合理地将p l c 的c p u 、输入输出模板、专用 1 0 武汉理：i = 大学硕士学位论文 功能模块、通信模块集成在一起，满足系统控制任务要求，因此，控制器的结 输输通秘 i 乜 c 入j | 讯 熊 p 帧 梭4 ；i |帧 源 u 块缺驮臭 m h 竹：麓涮扮系统软作 葜块 p l c 彰锄i 软f ： 慨控；软件 数l 参l 州i 敞lr 据i 数i 络l 障l 艺 震i 控i 通i 诊ii 2 f 浆l 捌i 讯l 断i 膻舞i 茎l 萎l 量 图2 1 现场控制器结构图2 2 闸片性能测控系统软件结构 构实际体现在机车闸片性能测控系统的组成和实现两个方面，实现是指控制器 软件的编制和传感器信号的输入匹配。现场控制器的结构如图2 1 所示。 3 ) 测控系统的软件结构 机车闸片性能测控系统软件由p l c 软件和监控组态软件组成，如图2 2 所 示：p l c 软件完成现场设备的测控任务，包括如下部分：数据采集、参数控制、 网络通讯、故障诊断和工艺进度。监控组念软件由人机接口、数据管理、任务 调度、监控日志组成。测控软件在硬件的基础上完成了系统现场测控任务和系 统运行状况的监控。 通过对机车闸片性能检测工作过程、测控方法及p l c 机制的分析，从系统 总结构、现场控制器结构和系统软件三个方面完善了基于p l c 的机车闸片性能 测控系统的结构。 2 2 基于p l c 测控系统的功日m 匕：；佃i 4 4 - 述 建立机车闸片性能检测过程的p l c 测控系统，结合检测试验台的工作过程 的特点、信号特征、控制要求和体系结构，该测控系统应具备：参数检测、控 制信号输出、系统组念、人机界面、嵌入先进控制算法等基本功能。 1 ) 参数检测功能 该测控系统应具有参数检测功能，通过p l c 的模拟输入通道对传感器的输 出信号进行获取、转换处理。 机车闸片性能参数获取是测控系统的首要任务。性能检测过程的主要检测 参数有：主轴速度、闸片温度、闸片压力、制动盘温度、制动盘所受惯性力以 武汉理j 【人学硕士学位论文 及气路压力，在闸片工作过程中，既试验台制动过程中，这几个参数会发生实 时的变化，有不确定性的特点。 2 ) 信号的分析、处理和输出功能 机车闸片性能测控系统应具有控制信号分析、处理和输出的功能。p l c 对 采集到的参数信号进行分析，通过对要求参数的检测，测控系统会做出控制决 策，并通过p l c 的输出模块输出控制信号，来控制执行机构的动作。输出的控 制信号主要为开关信号。机车闸片性能测控系统的控制信号的输出可以通过修 改p l c 的用户程序，来修改它对控制对象实施的控制功能。在用户程序中，可 对输出接口在满足系统控制要求的范围内进行合理规划，使控制装置易于维护 和更新 1 3 1 。 3 ) 系统的组态功能 基于p l c 的测控系统具有硬件和软件组态功能。根据机车闸片控制对象的控 制要求，对p l c 的输入模块、输出模块、通信模块等进行选择并硬件组态。硬件 组态使测控系统具有更大的灵活性和扩展性，用户可以很方便的为现行系统进行 功能扩展。软件组态能根据用户对被控对象和控制目的要求在模块间进行任意组 合，不仅满足了被控对象的个性要求，也缩短了软件开发的时间，节省了开发费 用。通过软件组态可实现系统的数据采集与输出，数据处理与算法实现，图形显 示及人机对话，实时数据及历史数据的储存和检索，实时通讯等多个任务。提高 了监控系统的可靠性、适应性和维护性1 1 6 】。 4 ) 人机界面功能 人机界面功能是测控系统的一个重要的组成部分，用户对系统进行参数设 置、监督机车闸片性能测控过程和输出数据等，都是通过人机界面完成的。人机 界面是用户和测控系统实现人机对话的通道，它提供的功能强弱、是否容易被用 户接受，是人机界面的设计关键。 2 3 基于p l o 机车闸片性能检测控制系统集成方法 2 3 1 机车闸片性能测控系统的理论基础 机车闸片性能测控系统以机车闸片性能检测装置工作过程中的制动装置为 控制对象，通过传感器对主轴速度的检测，由控制器形成控制决策，并通过现场 1 2 武汉理j f 火学硕十学位论文 执行机构完成控制功能。控制回路是系统控制功能实现的基本单元，图2 3 为p l c 测控系统的组成结构图【2 6 1 【蕊1 。 图2 3p l c 测控系统的组成结构图 在进行机车闸片性能测控系统的控制回路设计中，可将图2 3 用传递函数来描 述如图2 4 所示，系统的传递函数关系可以用式2 1 表示，通过传递函数运算， y o ) t 雨丽g o ( s )r ( s ) + 雨c 页i 丽( s ) f o ) ( 2 1 ) 可以对系统进行相关分析。由控制回路的结构图可以看出，参数的测量是过程 控制的基础。测控系统是通过p l c 的模拟量输入通道将输入的连续信号进行采 集和量化的，这个过程可以用采样定理来分析。在对p l c 模拟输入模板的选取 幽2 4 反馈控制系统 上，采样频率和量化误差是两个重要的技术指标。在试验过程中，信号一般是 比较稳定的信号，所以采样频率一般都能满足要求，量化误差是测量误差的一 部分，合适的选择输入通道的量化等级，可以提高参数测量的精度。 2 3 2 基于p l o 机车闸片性能检测控制系统硬件支撑 基于p l c 机车闸片性能测控系统的硬件环境包括上位机( 工控机) 、下位机 ( 控制器) 以及变频器和传感器。这些硬件都是构成陔测控系统必不可少的硬 件基础【1 4 l 。 工控机是在个人计算机的基础上发展起来的，采用总线式结构，硬件的兼 容性强f2 9 1 。i p c 有各种各样的输入输出板卡供用户选用，有很强的高速浮点数 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 运算、图像处理、通信和人机交互等功能，容易实现管理控制网络的一体化。 上位工控机可作为系统监控机，用户可通过它对系统参数进行设置、直接观察 系统参数输出和系统工作状况进行监控m l 。 下位机