（计算机应用技术专业论文）基于plc的全自动单车试验器的研制.pdf

桂林理工大学硕士学位论文 摘要 为适应全国铁路第六次大面积提速的需要，铁路货车的检修标准也随之提高。单车 试验器主要用来对铁路货车制动系统进行检测，其性能的好坏将直接影响到铁路货车运 行的安全。在2 0 0 8 年5 实行的铁路货车制动装置检修规则( 铁运 2 0 0 8 1 5 号) 中对 单车试验器的检修精度及抗干扰能力等提出了更高的要求，还明确规定了关于单车试验 器必须采用微机控制具有联网功能的系统。现有的单车试验器，在主控制系统方面主要 采用单片机控制，由于单片机比较容易受到外界电磁干扰，而现场检测环境又比较复杂， 车间设备如动力机械、电焊机等的起停、继电器的吸合、断开等动作都可能产生各种干 扰，在一定程度上影响了设备测控的精度和稳定性；在联网方面主要采用有线连接，这 种方式由于信号线过长容易产生信号不稳。信号中断，计算机死机等现象，造成试验数 据丢失。 针对目前单车试验器的现状。同时为了能够更好的满足铁路提速货车检修要求，需 将现有的单车试验器进行升级改造。在控制系统上，将原有的单片机控制更新为抗干扰 能力更强的工业级p l c 控制。人机交互方式上，将原有的键盘操作改为触摸屏式的操作 方式。同时，为了进一步提高设备的检测精度，更换了检测精度更高一级的压力变送器， 与分辨率更高一级的数模转换装置，从而使设备满足更高的检测要求。此外，还为独立 式单车试验器增加了联网功能。在网络连接方式上，为了避免有线连接方式的弊端，鉴 于目前国内无线网络通讯系统的成熟，在单车试验器上增加了无线网络传输模块，同时 将无线模块与管理服务器相连，从而实现数据通讯的无线网络硬件连接。 本论文以齐齐哈尔四达铁路设备有限责任公司单车试验器技术升级改造为项目背 景，系统地阐述了以p l c 与触摸屏为核心的全自动单车试验器的设计方法。本文从硬件 的选型，通信网络的设计，系统的组态，p l c 程序的编写，触摸屏界面的设计，管理服务 器程序设计等方面，详细地叙述了整个系统的开发设计过程。本文完成的工作主要有三 部分内容：硬件平台设计与实现部分，介绍单车试验器各部分的结构组成与相应功能、 电路连接方法及整个系统的工作流程；软件平台设计部分，介绍p l c 以及触摸屏开发环 境，p l c 程序和触摸屏界面的开发等；管理服务器程序设计。介绍管理服务器程序的开发 环境、后台数据库环境以及管理服务器程序的开发和数据库设计等。 关键词p l c ，单车试验器，空气制动，触摸屏，p b ，o r a c l e 第1 页 a b s t r a c t t oa d a p tt ot h en e e d so ft h es i x t hn a t i o n a lr a i l w a ys p e e d sa r ei n c r e a s l n g ， t h er a i l w a yv e h i c l e sm a i n t e n a n c es t a n d a r d sw i l l a l s oi m p r o v e 。s i n g l ev e h i c l e t e s ：t e ri sm a i n l yu s e dt ot e s tt h er a i l w a yv e h i c l e sb r a k es y s t e m ，i t sp e r f o r m a n c e i sg o o do rb a dw i l ld i r e c t l ya f f e c tt h er a i l w a yv e h i c l e ss a f e t y i n2 0 0 8 ，b e c a u s e o ft h ei m p l e m e n t a t i o no f ( t h er a i l w a yv e h i c l e sb r a k es y s t e m a n dm a i n t e n a n c er u l e s ) ( r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n 2 0 0 8 1 5 ) ，t h i sp u t sf o r w a r dah i g h e rd e m a n df o r n o to n l y s i n g l ev e h i c l et e s t e r sm a i n t e n a n c ea c c u r a c ya n d a n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t y ，b u t a l s oi tc l e a r l yd e f i n e do nt h et e s t e rm u s tb eu s e dm i c r o c o m p u c e rc o n t r o ls y s t e m w i t hn e t w o r k i n gf u n c t i o n a l i t y a tp r e s e n t ，s i n g l ev e h i c l et e s t e rm a i n l yu s e st h e s i n g l e c h i p c o n t r o li nt h em a i nc o n t r o ls y s t e m t h es i n g l e c h i p i sm o r e s u s c e p t i b l et oe x t e r n a le l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，b u tt h es c e n ed e t e c t i o n o fi sm o r ec o m p l e xe n v i r o n m e n t ：w o r k s h o pe q u i p m e n ts u c ha sp o w e rm a c h i n e r y ， e l e c t r i cw e l d i n gm a c h i n e s ，t h ep u l l i nr e l a ya n dd i s c o n n e c t ，e t c s u c ha c t i o n s m a yh a v ev a r i o u sk i n d so fi n t e r f e r e n c e ，t oa c e r t a i ne x t e n to nt h ei m p a c to ft h e e q u i p m e n tm o n i t o r i n ga n dc o n t r o lo fp r e c i s i o na n ds t a b i l i t y s i m u l t a n e o u s l y ， b e c a u s eo fn e t w o r k i n gm a i n l yu s e sw i r e dc o n n e c t i o n ，a n dt o ol o n gs i g n a ll i n e s a r et o op r o n et os i g n a li n s t a b i l i t y ，s i g n a li n t e r r u p t i o n ，c o m p u t e rc r a s h ，i tw i l l r e s u lti nt h el o s so ft e s td a t a a c c o r d i n gt ot h ep r e s e n ts i t u a ti o no fb i c y c l et e s t i n gt e s t e r ，i n o r d e rt o b e t t e rm e e tt h er a il w a ys p e e d - u pa n dt h ev e h i cl em a i n t e n a n c e ，t h i sn e e df o rt h e e x i s t i n gc y c l et e s t e ri su p g r a d e d i nt h ec o n t r o ls y s t e m ，t h eo r i g i n a ls i n g l e c h i p c o n t r 0 1u p d a t e sf o ra n t i - j a m m i n ga b i l i t ys t r o n g e ri n d u s t r i a lp l c c o n t r o l i nt h e m a n m a c h i n ei n t e r a c t i v ew a y ，t h et o u c hs c r e e no p e r a t i o nm o d ew l li n s t e a d t h e o r i g i n a lk e y b o a r do p e r a t em o d e a tt h es a m et i m e ，i no r d e rt of u r t h e ri m p r o v e e q u i p m e n tt e s t i n gp r e c i s i o n ， i tc h a n g e s d e t e c t i o na c c u r a c yo fp r e s s u r e t r a n s m i t t e r ，ah i g h e rr e s o l u t i o n a n dah i g h e rl e v e lo fa n a l o g t o d i g i t a l c o n v e r s i o nd e v i c e ，t os a t i s f yh i g h e r d e t e c t i o ne q u i p m e n t i na d d i t i o n ， i n d e p e n d e n ts i n g l ev e h i c l et e s t e ri n c r e a s e sn e t w o r k i n g i no r d e rt o a v o i dt h e d i s a d v a n t a g e so f w i r ec o n n e c t i o n ，g i v e nt h e c u r r e n tt h em a t u r eo fd o m e s t i c w i r e l e s sn e t w o r kc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，s i n g l ev e h i c l et e s t e ri n c r e a s e sa w i r e l e s s n e t w o r kt r a n s m i s s i o nm o d u l ei nt h en e t w o r kc o n n e c t i o nm o d e ，w h i l et h i s m a k e s 第1 i 页 桂林理工大学硕士学位论文 w i r e l e s sm o d u l ea n dm a n a g e m e n ts e r v e rt o g e t h e rt or e a li z et h ew i r e l e s sd a t a c o m m u n i c a t i o nn e t w o r kh a r d w a r ec o n n e c t i o n t h i sp a p e ri st oq i q i h a rs i d ar a i l w a ye q u i p m e n tl i m i t e dl i a b i l i t yc o m p a n y s s i n g l ev e h i c l et e s t e ru p g r a d i n gt e c h n o l o g ya st h e p r o j e c tb a c k g r o u n d ， s y s t e m a t i c a l l ye x p o u n d e dt h ed e s i g nm e t h o db yp l ca n dt o u c hs c r e e na st h ec o r e o ft h ea u t o m a t i cs i n g l ev e h i c l et e s t e r i nt h i sp a p e r ，i td e s c r i b e di nd e t a i1 t h ed e v e l o p m e n to ft h ee n t i r es y s t e md e s i g np r o c e s s ，i n c l u d i n g ：t h es e l e c t i o n o f h a r d w a r e ， c o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k d e s i g n ，s y s t e mc o n f i g u r a t i o n ，p l c p r e p a r a t i o np r o c e d u r e s ，t o u c hp a n e li n t e r f a c ed e s i g n ，m a n a g e m e n ts e r v e rp r o g r a m d e s i g n t h ew o r ko ft h isp a p e rh a st h r e em a i np a r t s ：t h eh a r d w a r ep l a t f o r md e s i g n a n di m p l e m e n t a t i o n ，i n t r o d u c e dt h ec o m p o s i t i o no fs i n g l ev e h i c l et e s t e rw i t ht h e c o r r e s p o n d i n gf u n c t i o n ，t h ec i r c u i tc o n n e c t i o nm e t h o da n dw o r kp r o c e s si nt h e s y s t e m ；t h es o f t w a r ep l a t f o r md e s i g n ，i n t r o d u c e dp l ca n dt h ee n v i r o n m e n to f t o u c h s c r e e nd e v e l o p m e n t ，p l cp r o c e d u r e sa n dt o u c h - s c r e e ni n t e r f a c ed e v e l o p m e n t ： t h em a n a g e m e n ts e r v e rd e s i g n ，i n t r o d u c e dt h ee n v i r o n m e n to fm a n a g e m e n ts e r v e r d e v e l o p m e n t ，t h ee n v i r o n m e n to ft h eb a c k g r o u n dd a t a b a s e ，t h ed e v e l o p m e n to f m a n a g e m e n ts e r v e ra n dt h ed a t a b a s ed e s i g n k e y w o r d s ：p l c ；s i n g l ev e h i c l et e s t e r ；a i rb r a k e ；t o u c h s c r e e n ；p b ；o r a c l e ： 第1 i i 页 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权书 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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论文中作了明确的说明并表 示谢意。 学位论文作者( 签字) ：莎彩 1 、 签字日期：馥：笸：2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解( 学校) 有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的印刷本和电子版本，允许论文被查阅和借 阅。本人授权( 学校) 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国 科学技术信息研究所将本学位论文收录到 ： a ) s t i - 6 0 0 型为5 0 0 5 7 0 硼； b ) s t 2 - 2 5 0 型为2 0 0 - - 2 4 0 m m ； 6 确认单车试验器总风源压力须不低于6 0 0 k p a ，单车试验器压力为5 0 0 k p a ( 以下简 称定压) 。 2 ：2 2 单车试验步骤及技术要求 一、制动管漏泄试验 1 单车试验器与车辆一端软管连接，关闭该端折角塞门，单车试验器置1 位，制动 管充至定压后，移置3 位l m i n ，不得漏泄。 2 另一端软管加软管堵，开放两端折角塞门，截断塞门处关闭位，单车试验器置1 位，制动管充定压后，移置3 位保压l m i n ，用防锈检漏剂检查，管系各接头不得漏泄， 制动管漏泄量不大于5 k p a 。 3 关闭另一端折角塞门，卸下软管堵，保压i m i n ，制动管漏泄量不大于5 k p a 。 二、全车漏泄试验 开放截断塞门，单车试验器置1 位充风，待副风缸充至定压后，用防锈检漏剂检查制 动主支管及副风缸管系接头不得漏泄，保压i m i n ，漏泄量不大于5 k r a 。 三、制动、缓解感度试验 1 制动感度试验 第6 页 桂林理工大学硕士学位论文 单车试验器置1 位充气，待副风缸充至定压后，将单车试验器移置4 位。当制动管减 压4 0k p a 时立即将单车试验器移置3 位，制动机须在制动管减压4 0 k p a 以前发生制动作 用，其局部减压量：1 0 3 、1 2 0 、1 2 0 1 型不大于4 0k p a ；g k 型不大于5 0k p a 。局部减压 作用终止后，保压l m i n ，制动机不得发生自然缓解。 2 缓解感度试验 ( 1 ) 1 2 0 1 2 0 - 1 型制动机 a ) 制动管长度小于1 6 m 时，将单车试验器移置2 位充气，制动缸压力应在4 5 s 内缓解 至3 0 k p a 以下。 b ) 制动管长度为1 6 m - 2 4 m 时，在制动感度试验后，将单车试验器置4 位，使制动管 继续减压3 0 k p a ，然后移置3 位，待压力稳定后，将单车试验器置2 位充气，制动缸压力 应在4 5 s 内缓解至3 0 k p a 以下。 ( 2 ) g k 、1 0 3 型制动机：将单车试验器置2 位充气，制动机均须在4 5 s 内缓解完毕。 四、制动安定试验 1 1 2 0 1 2 0 1 型制动机：单车试验器置l 位充气，待副风缸充至定压后，置3 位保 压，开启专用安定试验位，制动管减压2 0 0 k p a 前，制动机不得发生紧急制动作用。关闭 专用安定试验位，保压i m i n ，制动缸漏泄量不大于5 k p a 。 2 g k 、1 0 3 型制动机：单车试验器置l 位充气，待副风缸充至定压后，置5 位制动 管减压1 4 0k p a 前，制动机不得发生紧急制动作用。压力稳定后，置3 位保压l m i n ，制 动缸漏泄量不大于5 k p a 。 保压时检查制动缸活塞行程，须符合如下表2 2 所示。 表2 2 制动缸活塞行程表单位：衄 制动缸规格装用闸调器未装闸调器 3 5 6 x 2 5 41 2 5 1 01 0 0 1 5 3 0 5 x 2 5 41 5 5 1 0 2 5 4 x 2 5 4 1 5 5 4 - 1 0 2 0 3 x 2 5 4 1 2 5 1 0 五、紧急制动试验 】1 2 0 1 2 0 一l 型制动机：单车试验器置l 位充气，待副风缸充气至定压后，置3 位 保压，开启专用紧急试验位，制动管减压i o o k p a 前，制动机须发生紧急制动作用。安装 手动空重车调整装置的车辆，制动缸压力达到1 9 0 k p a 前，安全阀须开始排风，压力降至 1 6 0 k p a 前安全阀须停止排风。 2 1 0 3 型制动机：单车试验器置1 位充气，待副风缸充至定压后置6 位，制动管减 压i o o k p a 前，制动机须发生紧急制动作用，空车位制动缸压力须为1 7 0 - - - 1 9 0 k p a 。 3 g k 型制动机：单车试验器置1 位充气，待副风缸充至定压后置6 位，制动管减压 1 4 0 k p a 前，制动机须发生紧急制动作用。制动缸压力达到1 9 0 k p a 前，安全阀须开始排风， 第7 页 桂林理工大学硕士学位论文 压力降至1 6 0 k p a 前安全阀须停止排风。 六、1 2 0 1 2 0 - 1 型制动机加速缓解阀试验 单车试验器置l 位充气，待副风缸充至定压后，将单车试验器置4 位减压i o o k p a ， 然后置3 位保压，待压力稳定后，单车试验器置2 位，制动缸开始缓解时，制动管压力 有明显跃升。 七、1 2 0 1 2 0 - 1 阀半自动缓解阀试验 1 主阀缓解试验 单车试验器置l 位，待副风缸充至定压后，将单车试验器置4 位减压5 0 k p a ，然后置 3 位保压，拉缓解阀手柄至全开位3 5 s 后松开，待制动缸压缩空气自动排完后，单车试 验器置5 位，再减压约5 0 k p a ，制动机须发生制动作用。然后单车试验器置1 位。 2 制动缸缓解试验 待副风缸充至定压后，单车试验器置3 位，开启专用紧急试验位，施行紧急制动，制 动管压缩空气排尽后，拉缓解阀手柄至全开位3 5 s 后松开，制动缸压力应能下降到零。 八、闸调器性能试验 1 闸瓦间隙减小试验 单车试验器置1 位，待制动机缓解完毕后，将垫板放入任一闸瓦与车轮之间，副风缸 充至定压后，单车试验器置5 位减压1 4 0 k p a ，制动缸活塞行程须变短。反复制动、缓解 3 次后，制动缸活塞行程与初始行程( 即未安装垫板时的行程) 之差须不大于l o m m 。 2 闸瓦间隙增大试验 制动机缓解后，撤去闸瓦与车轮之间的垫板，制动后制动缸活塞行程须变长。反复制 动、缓解3 次后，制动缸活塞行程与初始行程( 即未安装垫板时的行程) 之差须不大于 l o m m 。 九、空重车自动调整装置性能试验 1 k z w 系列空重车自动调整装置性能试验 ( 1 ) 制动机处于缓解状态时，k z w 系列空重车自动调整装置抑制盘下平面应坐落在 支架导管的顶端。抑制盘触头与横跨梁触板的间隙应符合如下2 2 的规定，触头与抑制 盘螺杆须用开口销锁定。 表2 3 触头与横跨梁触板的间隙号单位：硼 k z w 系列传感阀t w g - i 系列传感阀 测重行程2 l测重行程2 7t w g 一1 a 型 t w g i c 型 3 16 13 l6 l ( 2 ) 空车位试验 取出抑制盘触头与触板之间的试验垫板。将单车试验器置l 位充气。待副风缸充至定 压后，置5 位减压1 6 0 k p a ，置3 位保压，制动缸压力应符合如下表2 4 的规定。压力稳 定后，保压i m i n ，制动缸压力下降不大于5 k p a 。此时空重车位显示牌不应翻起。置1 位 第8 页 桂林理工大学硕士学位论文 缓解，制动缸压力须降至零。 表2 4t z w 系列空重车自动调整装置单车试验压力值单位：t p a 制动缸压力 工况k w z a k z w - 4 6 a bk z w - 4 g c dk z w - 4 gk z w 一4 自重( 2 8 t2 8 t ( 自重 3 3 t 空车位 1 4 0 2 01 8 0 2 02 2 0 2 01 6 0 4 - 2 01 6 0 4 - 2 01 6 0 2 01 5 0 4 - 2 0 半重车位 2 3 0 4 02 4 0 4 - 4 02 3 0 4 - 4 02 4 0 4 - 4 02 4 0 4 - 4 0 重车位不做要求 ( 3 ) 半重车位试验 将抑制盘上移，在触头与触板之间插入表2 1 规定的半重车试验垫板。单车试验器置 l 位充气，待副风缸充至定压后，置5 位减压1 6 0 k p a ，置3 位保压制动缸压力应符合 表2 。4 的规定。压力稳定后，保压l m i n ，制动缸压力下降不大于5 k p a 。置1 位缓解，制 动缸压力须降至零。 ( 4 ) 重车位试验 将抑制盘上移，在触头与触板间插入表2 1 规定的重车位试验垫板，单车试验器置l 位充气，待副风缸充至定压后，置5 位减压1 6 0 k p a ，置3 位保压。此时空重车位显示牌 翻起。压力稳定后，保压l m i n ，制动缸压力下降不大子5 k p a ；置l 位缓解，制动缸压力 须降至零，显示牌落下。 2 t w g - 1 系列空重车自动调整装置性能试验 ( 1 ) 制动机处于常用全制动状态时，检查传感阀触头与横跨梁触板间隙，应符合表 z 3 的规定。调整传感阀触头与横跨梁触板间隙时，可调整触头伸长量，触头在顶杆上的 拧出长度应小于2 0 r a m ；或在传感阀安装座与传感阀吊座之间加入调整垫。 a ) 调整触头伸长量时，须用2 个扳手，一个扳手固定住顶杆，另一个板手旋转触头以 调整间隙。 b ) 调整垫材质为钢质，厚度根据实际情况确定，原则上应与心盘垫总厚度基本一致。 ( 2 ) 空车位试验 单车试验器置l 位充气，待副风缸充至定压后，置5 位减压1 6 0 k p a ，置3 位保压， 待压力稳定后，制动缸压力应为( 1 6 0 2 0 ) k p a ，此时空重车位显示器应完全伸出。保 压l m i n ，制动缸压力下降不大于5 k p a 。置l 位缓解，制动缸压力须降至零。 ( 3 ) 半重车位试验 在触头与触板之间插入表2 1 规定的半重车试验垫板。单车试验器置l 位充气，待副 风缸充至定压后，置5 位减压1 6 0 k p a ，置3 位保压。待压力稳定后，制动缸压力应为 ( 2 5 0 _ + 3 0 ) k p a 。保压l m i n ，制动缸压力下降不大于5 k p a 。置l 位缓解，制动缸压力须 降至零。 ( 4 ) 重车位试验 第9 页 桂林理工大学硕士学位论文 在触头与触板之间插入表2 1 规定的重车位试验垫板。单车试验器置l 位充气，待副 风缸充至定压后，置5 位减压1 6 0 k p a ，置3 位保压。待压力稳定后，空重车位显示器不 得伸出。保压i m i n ，制动缸压力下降不大于5 k p a 。置l 位缓解，制动缸压力须降至零。 十、车辆处于制动状态时，各拉杆、杠杆不得与相邻件或其托、吊有非正常接触。 十一、手动空重车调整装置的转换手把作用须灵活，空重车转换塞门开闭位置准确， 缓触阀开、闭作用须良好。 十二、每辆车须在缓触状态以人力推动前制动杠杆，制动缸推杆应复位。 2 2 3 单车机能试验步骤及技术要求 1 将单车试验器与容积1 5 5 l 的列车管容积校验风缸相连。 2 将调压阀调整至5 0 0 k p a ，置1 位，待列车管容积校验风缸充至5 0 0 k p a 后，用防 锈检漏剂检查各连接处，不应出现漏泄现象。排气口处涂防锈检漏剂，肥皂泡在5 s 内不 应破裂。 3 待列车管容积校验风缸充至5 0 0 k p a 后，置3 位保压，排气口处涂防锈检漏剂，肥 皂泡在5 s 内直径不大于2 0 m m 。 4 各位置充气或排气时间应符合如下表2 5 规定。 表2 5 单车试验器充风或排风时问表 位置 充风或排风( k p a )孔径参考尺寸( 咖)时间( s ) i 位：急充风位a 6 4 2 位：缓充风位5 0 升至1 5 0a o 65 0 5 2 3 位：保压位 4 位：感度试验位5 0 0 降至4 0 0 e o 9 1 5 1 6 5 5 位：安定试验位 5 0 0 降至3 0 0 d 2 08 9 6 位：紧急制动位5 0 0 降至2 0 0a 3 73 5 5 安定试验位( 1 2 0 阀、1 2 0 1 阀用)5 0 0 降至3 0 00 2 84 - - - 5 紧急制动位( 1 2 0 阀、1 2 0 一i 阀用)5 0 0 降至2 0 0a 6 0 1 5 2 5 2 3 单车试验器系统总体设计方案 2 3 1 单车试验器概述 目前单车试验器电控系统主要以单片机为主进行独立自动地控制，所有控制指令由单 片机发出，经信号放大，实现设各试验动作。单车试验器主要采用车闯交流电网供电，使 用中由于车间设备如动力机械、电焊机等的起停、继电器的吸合、断开等动作都可能产 生各种干扰，而控制用单片机又很容易受到外界电磁干扰造成数据计算不正确。另外， 第l o 页 桂林理工大学硕士学位论文 此单车试验器还不具备联网功能，不能及时准确地将试验数据上报到h m i s 系统。 为了进一步避免这些问题，在硬件系统方面，我们将移动单车控制系统的单片机更新 为抗干扰能力更强的工业级p l c 。此种设计无论是设备日后的升级，还是设备运行的稳定 性，都将成倍的提高。p l c 是目前数控技术应用的核心元件，所以采用该控制器将更能提 高设备运行的稳定性与设备计算精度。本课题采用台达公司e h 级p l c 控制器d v p 2 0 e h o o r 作为主控制器，该种型号p l c 是目前台达公司最先进的小型p l c 控制器，它该采用 c p u + a s i c ( 高速处理器) 双处理器分工运算处理技术，基本指令运算速度可以达到0 2 4 u s ， 高速脉波输出可达2 0 0 k h z 。还将操作方式由键盘式操作改为触摸屏式的操作方式，使得 试验操作更加简单、直观。触摸屏选用台达公司的一款专业、耐用的工业用触摸屏 d o p - a 5 7 g s t d 。另外，将原有精度为5 的压力变送器更换为l 的，同时将数模转换模 块更换为分辨率更高级别的台达公司d v p 0 4 a d h ，这样整个设备检测精度将有明显的提 高。为了实现单车试验器的无线传输功能，选择具有m o d b u s 通讯协议无线网络模块。根 据设备现场的应用情况，该种模块必须适应工业现场低温、干扰大等特点的工业级产品。 所以，选择了西安达泰电子有限公司的m o d b u s 无线通讯模块d t d 4 6 5 b 。 单车试验器的软件系统可以分为移动端单车应用软件设计和管理服务器端程序设计 两大部分。移动端单车应用软件设计工作又分为p l c 程序设计和触摸屏界面程序开发两 个部分。其编辑工具分别采用台达公司提供的p l c 梯形图编程工具w p l s o f t 一2 0 8 以及 触摸屏编程工具s c r e e ne d i t o r1 0 5 7 9 进行设计。单车试验器管理服务器端程序设计 采用p o w e r b u i l d e r 8 0 编程工具开发。后台数据库采用o r a c l e 数据库设计。 2 3 2 单车试验器硬件结构分析 单车试验器的总体结构可分为电气控制系统、气动控制系统、无线通讯系统三部分组 成。 电气控制系统主要包括p l c 、嵌入式触摸屏、微型打印机、高精度压力传感器、数模 转换模块以及按钮开关、电源等。 气动控制部分主要包括软管连接器、油水分离器。电磁阔、气控阀，连接管路，压力 表等。 无线通讯系统包括p l c 、无线数传模块、管理服务器。试验器面板设计方案如下图2 2 所示： 第1 1 页 桂林理工大学硕士学位论文 图22 单车试验嚣面板设计图 i 一触摸屏2 一微型打印机3 - - 单针风压表4 一鼠针风压表5 一手，自动转换接缸 6 - - “克风按钮7 2 住充风按钮8 4 位排风按妞9 5 位排风按钮 l o 一6 住排风按枉1 i 一常用按粗1 2 一紧急接枉l3 一复啦按枉 气路原理图如下图2 3 所示。 囤23 单车试验器气路原理图 单车试验器的输入软管连接器与总风源相连，输出软管连接器与列车上的软管连接器 连接，从而使单车试验器管路与列车制动管相通。风源经由输入软管进入单车试验器 再经油水分离器过滤减压，产生5 0 0 k p a 稳定风源。单车试验器共设有七位气控阀，在试 验过程中达到充气、排气的作用。不同气控阀位的选择通过电磁阀进行操纵。电磁阀另 一端与p l c 输出信号连接，由p l c 直接控制。气控阀各位功能及孔径尺寸如下表26 所 示。 第1 2 页 桂林理工大学硕士学位论文 表2 6 气控阀位功能尺寸表 位置功能孔径( r m ) 1 位快速充风，也称急充风位e 6 4 2 位缓慢充风，也称缓充风位0 0 6 4 位慢排风，也称感度试验位0 0 9 5 位缓慢排风，也称安定试验位0 2 0 6 位快速排风，也称紧急制动位0 3 7 常用常速排风，也称安定试验位( 1 2 0 阀、1 2 0 - 1 阀用)0 2 8 紧急超速排风，也称紧急制动位( 1 2 0 阀、1 2 0 - 1 阀用)0 6 0 单车面板的单针压力表与总风管相连，用来测量总风源压力值。双针压力表有红黑二 个指针，红针指针与经油水分离器过滤减压后的风管相连，测量稳压风源压力；黑针指 针则于列车制动管相连，测量列车制动管压力。压力表严格按照t b l 4 9 2 - 8 3 和 q q c 3 5 0 7 5 - 2 0 0 0 标准执行。 单车试验器的控制主体由p l c 控制器，触摸屏，压力变送器，数据转换模块，电磁阀 组，气控阀组，无线传输模块，管理服务器等组成。系统结构框图如下图2 4 所示。 制 动 管 传 感 器 制 动 缸 传 感 器 c h lc h 2 扩 a d 鐾 放 口 h m i c o m i 口 r s 4 8 5 接口 扩 霪 p l c 控制器 口 数字量y o 电磁阀组 气控阀组 微型打印机 _ 二 无线传输模块 i 无线传输模块 s c o m 口 管理服务器 图2 4 单车试验器控制系统框图 本课题研制的单车试验器适用于g k 型、1 0 3 型、1 2 0 型、1 2 0 1 型等多种型号制动 机，以及装有闸调器、空重车自动调整装置、空重车手动调整装置在空车位和重车位的 制动机单车试验，试验过程可以采用独立控制和网络控制两种控制方式。每种方式下可 以单项连续地进行各项单车或机能试验。 独立控制方式下又可分为自动手动两种操作方式。自动控制方式，通过触摸屏界面 第1 3 页 桂林理工大学硕士学位论文 程序，对p l c 控制器中的继电器和寄存器单元进行读写控制，从而自动地操纵单车或机 能实验的试验过程；手动控制方式，通过单车试验器面板的各位按钮来进行手动操纵， 各位按钮分别与p l c 输入端子相连，通过旋转不同位置的按钮来达到充气和排气的过程， 从而控制单车或机能试验的进行。 网络控制方式，管理服务器程序发出控制指令，通过无线传输模块将指令传送到p l c 控制器，再由p l c 控制器对接收到的指令进行分析，按照指令的要求自动地进行单车或 机能实验。 试验过程中，制动管及制动缸的压力采集是通过制动管压力传感器、制动缸压力传感 器自动获得，传感器将风压信号转换成电流信号，然后再将电流信号通过数模转换模块 转换成数字信号传送到p l c 控制器。通过触摸屏界面程序显示出来。 电磁阀组与p l c 输出端子连接。试验过程中，根据p l c 的输出信号控制电磁阀组动作， 通过电磁阀选择相应的气控阀，以达到充气和排气不同档位的控制。 触摸屏通过c o m l 口与p l c 连接，用来实现系统参数设置、铁标参数设置、控制试验 过程及显示试验信息等：通过c o m 2 口与微型打印机连接，将试验的结果通过微型打印机 进行输出： 2 3 。3 单车试验器软件系统设计分析 单车试验器的软件系统可以分为移动端单车应用软件设计和管理服务器端程序设计 两大部分。移动端单车应用软件设计主要涉及p l c 主控制器程序设计、触摸屏界面程序 设计二个方面。管理服务器端程序设计主要涉及前台应用程序设计和后台数据库建立二 个方面。因此在软件设计上，我们把单车软件系统分为以下几个部分： 1 p l c 主控制器程序以及与管理服务器通讯程序的设计。 2 触摸屏界面程序以及与微型打印机通讯程序的设计。 3 管理服务器程序、通讯程序的设计，以及后台数据库的建立。 单车试验器软件系统结构框图如下图2 5 所示。 第1 4 页 桂林理工大学硕士学位论文 图2 5 单车软件系统结构框图 p l c 主控制器程序主要用来控制单车试验、单车机能试验的试验过程，以及与管理服 务器程序进行通讯。p l c 程序的设计是在p c 机上利用台达公司提供的梯形图编辑软件 w p l s o f t 一2 0 8 来进行设计的，程序设计完成后通过计算机串口写入p l c 控制器中。 p l c 软件系统由系统程序和用户程序两部分组成。系统程序包括监控程序、编译程序、 诊断程序等，主要用于管理全机、将程序语言翻译成机器语言，诊断机器故障。系统程 序由p l c 厂家提供并已固化在e p r o m 中，不能直接存取和干预。用户程序是用户根据现 场控制要求，用p l c 的程序语言编制的应用程序( 也就是逻辑控制) 用来实现各种控制。 p l c 程序设计最常用的一种标准编辑语言是梯形图语言，它有以下特点： 1 它是一种图形语言，沿用传统控制图中的继电器触点、线圈、串联等术语和一些 图形符号构成，左右的竖线称为左右母线。 2 梯形图中接点( 触点) 只有常开和常闭，接点可以是p l c 输入点的开关也可以是 p l c 内部继电器的接点或内部寄存器、计数器等的状态。 3 梯形图中的接点可以任意串、并联，但线圈只能并联不能串联。 4 内部继电器、计数器、寄存器等均不能直接控制外部负载，只能做中间结果供c p u 内部使用。 5 p l c 是按循环扫描事件，沿梯形图先后顺序执行，在同一扫描周期中的结果留在 输出状态暂存器中，所以输出点的值在用户程序中可以当做条件使用。 触摸屏界面程序提供了一个人机交互的窗1 2 1 ，操作人员通过触摸屏界面程序设置相应 的系统参数、铁标参数、操纵单车或机能试验过程、以及将试验结果上报或通过微型打 第1 5 页 桂林理工大学硕士学位论文 印机输出等。触摸屏界面程序的设计是在p c 机上利用台达公司提供的触摸屏组态软 s c r e e ne d i t o r1 0 5 7 9 来进行编写的，编写完成之后通过u s b 接口写入到触摸屏中。 s c r e e ne d i t o r 组态软件是一组功能强大的软件包，它具有友好的图形界面和丰富的 可视化组件。还提供了大量的宏命令，可以帮助p l c 处理复杂的运算功能，并配合通讯 指令，可以自行撰写通讯协议，通过串口与特定系统连接。开发过程简易灵活，开发产 品直观生动、显示画面丰富。它还提供了线上模拟和离线模拟功能，编辑完成后，可直 接使用p c ( 不连接控制器) 进行离线模拟，检验人机动作是否正确。 管理服务器端应用程序主要通过无线数传模块与p l c 进行通信，远程控制单车或机能 试验过程、实时地进行数据采集、数据管理并将试验结果上报h m i s 系统。管理服务器端 前台应用程序使用p o w e r b u i l d e r 8 0 数据窗口技术进行开发。后台数据库管理使用 o r a c l e8 o 数据库进行数据维护。 第1 6 页 桂林理工大学硕士学位论文 3 1 主控制器分析 第3 章系统的硬件设计 3 1 1 单片机与p l c 的比较与分析 对于很多控制任务和要求，无论采用单片机方案还是p l c 方案都能够完成，所以我们 要详细分析对于个具体的设计任务，究竟哪种方案能够实现用相对较低的设计成本达 到更为理想的控制效果。 1 二者的发展与基本概念 众所周知，电子计算机的发展经历了四个阶段。现在广泛使用的微型计算机就是第四 代超大规模集成电路技术发展的产物，而单片机则是微型计算机的一个分支。它是指把组 成微型计算机的各种功能部件，包括c p u 、随机存取存储器r a m 、只读存储器r o m 、基本输 入输出接口电路、定时器计数器等部件都制作在一块集成芯片上，构成一个完整的微型 计算机，从而实现微型计算机的基本功能心们。 p l c 的英文全称是p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ( 可编程序逻辑控制器) 。1 9 6 8 年 美国g m ( 通用汽车) 公司提出取代继电气控制装置的要求。第二年，美国数字公司研制 出了基于超大规模集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气 控制，这就是第一代可编程序控制器。随着技术的发展，很多厂商开始采用单片机或8 0 8 6 系列微机作为中央处理器，使其不仅可以进行逻辑控制，而且还可以对模拟量进行控制， 进而又实现了运动控制、数据处理和通信联网等功能，所以可编程逻辑控制器后又被更名 为可编程控制器( p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ，简称p c ) ，但由于与个人电脑( p e r s o n a l c o m p u t e