（机械工程专业论文）wd320型动力稳定车电气控制系统改进的研究.pdfVIP

摘要 摘要 铁道线路经大 中修后 通过动力稳定车的作业能迅速提高线路的横向阻力 和道床的整体稳定性 从而为取消作业后的列车慢行创造条件 但是在实际使用 中 w d 3 2 0 型动力稳定车的计算机控制系统的可靠性不高 影响了稳定车正常功 能的发挥 本文结合w d 3 2 0 动力稳定车的工作特点 对动力稳定车作业原理及计算机控 制系统进行分析研究 找出计算机控制系统可靠性不高的原因 在对p c 控制系 统 继电器控制系统和计算机控制系统进行比较分析的基础上 决定采用可编程 逻辑控制器和触摸屏的肝i 网络结构来构成稳定车自动控制系统 替代原稳定车 的上下微机控制模式 并利用s t e p 7 软件对p l c 控制系统进行硬件组态 对控制 系统的开关量的输入输出和对模拟量的输入输出进行设计 进而确定显示屏系统 及控制系统的的通信方式 采用梯形图语言分别对开关量和模拟量的控制程序进 行了编写 控制程序编好后 首先在计算机上利用s 7 p l c s 蹦软件进行模拟仿真 然后将p c 系统进行装机总调试 本课题的成功完成 可以使w d 3 2 0 型动力稳定车电气控制系统得到全面改 进 确保稳定车适宜于复杂的现场环境 解决以往稳定车的计算机控制系统可靠 性不高 作业质量不佳的状况 将p l c 可编程控制器作为大型养路机械控制系统 的核心元件 在我国引进技术生产的大型养路机械上尚属首次 它同时也是对大 型养路机械技术引进消化吸收国产化项目的有益尝试 关键词大型养路机械 w d 3 2 0 动力稳定车 控制系统 改造 b s h a c t a b s t 阳c t a i o n gw 阶a 怕r h a u ia n dm a i n t e n a n o f 阳i l w a y 怕c k t h eh o r i 趵n t a j 他s i s t a n a n dt h eo 怕怕 g t a b 时o ft h e 巾a d b e d nb ei m p n d v e d8 i g n 珩 n u y t h u g ht h ea p p t i o fd a m i c 伯c ks a b i 趵r w d 3 2 0 a n de 怕n t u a i i yt h e s i a w d o w n 伽1 eo ft 陷 n u i db ee l i m i n a t e d h a 岍帕r d 州n g 帕心t h e m p u 衙 n 怕is y s l e mo fw d 3 2 0i st h el d w 陀i i a b 够t h ep b i e m so ft h e m p u 衙 n 们is y s t e mw h i c hh a v ea 仟e c i e d 仇ed e s i g n e df u n d b n so fw d 3 2 0 a c 州i n gt ot h ew o m n gc h a 旧c i e r i 酬 o fw d 3 2 0 t h ew o 一 i 叼p r n c p i e a n d l m p u t e r n 酬s y s t e mh a v eb e e na n a i y z e da n ds t u d i e di nt h i s 小e s i s a n dt h e n 啊n dt h e 怕a s o no ft h e m p u t e rc o n t 巾is y 甜e m si o w 悖i a b j i i mb a s e d o nt h e m p a r i n ga n da n a i y z i n ga m o n go ft h ep r o g 阳m m a b i el o g i cc o 删i e r p l c a n dr e l a yc o n t d ls y s t e ma n d m p u t e r n t s y s t e m d e c 订e dt o a d o p tt h em p in e t l i i o r ks t c t u 怕w h i c hf o m e db yt h ep l ca n dh u m a n m a c h i n e i n t e 向 h m l t o m p o d 廿1 ea u t o m a t i c n t r o is y s t e mo fw d 3 2 0 丁h e e l e c i n j c n t r o is y s t e mo fw d 3 2 0h a sb ni m p n m ds i g n 坼 n 廿yb y 恻 l a c i n gt h eo n g i n a i n t r o im o d e nw h i c hb o t ht h eu p p e ri g 垤la n di o 怕ri e v 纠 m 叫t e 噶a 怕i n o i v e dw 阶t h ep l c w ms t e p 7 矾悯怕 m ep l c n t 向 s y s t e mh a v eb n 们n i s h e dt h eh a w a 怕 n 罚g u 阳t i o na n dd 岣n e dt h e n p u t o u t p u t o ft h e d j g 舱i s a n da n a i o g s t h e n 甜e n 堋e dt h em n so f m m u n i c a t i o nw h i c ho ft h eh m ia n dp l c t h e n t 帕lp c e d u 陀sa rp l i c la n d p l c 2w e 阳 d e s i g n e dw 胁l a d d 钟d i a g 阳mi a n g u a g e a 舱r t h e n t p r o d u r e sh a v ei e e n 们n i s h e d t h ep n c e d u r e sw o u i db e e ns l m u i a t e d i t h 仇e s 7 一p l c s i m nt h e m p u t e a n dt h e nf b rn l ed e b u g g e ra 他rt h ep l cs y s t e m i n s t a e d t h i sr e t 巾mh a sh e i p e d n i v n gt h ep 巾b i e mo fl o w 悖i i a b 酣i a n dt h e 他驯代e dp rw o 嘲n gq u a i 吼a lt h e 鞠m eu m e t h ew o r i d n g p a b i i j t yi l at o u g h w o 喇n ge n v i n m e n t s u c ha sw i d et e m p e 怕t u 怕阳n g ea n dv i b 阳t b ni m p a c t h a sb e e nm a d ep o s s i b i e ni st h e 们r s t 石m ei no u rc o u n t 哆t oa p p l yt h ep l ca s n i 山东大学硕士学位论文 t h e 怆o fe i e d r o n i c n t r o is y s t e mo ft h eh r m mw h i c hj sm a n u f a d u 他df m t h e m p o r t e dt e c h n o i o g y a n da l s o ni sau s e 儿ia 他m p tf o rl o 盱趵t i o no ft h e h e a v yr a i l w a ym a i n t e n a n m a c h n e 叫h r m m k e y w o r d s h e a v yr a i l i i a ym a i n t e n a n m a c h i n e 阱w d 3 2 0d y n a m i ct 陷c k s 七a b i 抬cc o n t 巾ls y g t e m r e t r o 讯 原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独 立进行研究所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果 对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担 论文作者签名 丑鲤望z日期 芝z 丛 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留 使用学位论文的规定 同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论 文被查阅和借阅 本人授权山东大学可以将本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 缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文 保密论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名 幽丝导师签张日 期 面 型 乙善 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景 铁道线路是一种特殊的工程结构物 它在使用过程中 除出现一般工程建筑 物所共有的弹性变形 磨耗 破损 腐蚀 脏污 老化等现象外 还具有一个特 性 即允许发生和保留一定程度的残余变形 为了对线路的老化 磨损和残余变形等进行事前预防和事后整治 人们必须 对线路进行严格的更新 修理和养护维修工作 做这种工作 一般通用的工程机 械难以胜任 必须采用适合于这种特殊结构的专门设备 养路机械 养路机械的发展 随着全社会的科学进步以及工业水平 生活水平和运输条 件变化而变化 自有铁路之始 就出现了简单的手工具 到十九世纪二十年代 少数工业发达国家就开始使用小型简单机械进行养路 第二次世界大战后 随着 经济建设的需要和科技水平的提高 养路机械便向重型 高效 综合和自动化方 向发展 随着列车重载 密度 速度大幅度地提高 列车运行间隔大大减小 传 统的养路方式和手段已无能为力 在此情况下 不得不采用大型机械 使用大型机械组成作业机组开 天窗 作业 地点集中 工艺程序严密 能 够确保人身与行车的安全和线路的质量 这些大型机械机组主要由全断面道碴清 筛机 自动抄平起拨道捣固车 下称捣固车 动力稳定车和配碴整形车组成 全 断面道碴清筛机可以将道床内的石碴通过挖掘装置挖掘传送至振动筛 经振动筛 筛分后 将清洁 大小合适的石碴重新回填至道床内 污土及不符合尺寸的石碴 则抛至线路两侧或污土输送车 从而达到恢复道床弹性的目的 捣固车则能够进 行轨道拨道 起道抄平 钢轨两侧枕下道碴捣固和枕端夯实作业 并利用车上测 量系统 对作业前 后线路的轨道几何参数进行测量及记录 通过控制系统 实 现按设定的轨道几何参数进行作业 配碴整形车可将散放在路肩上的道碴收入道 床 能使道碴沿线路的纵向和横向移动 将多余的道碴补充到缺碴处 能够按标 准断面的要求将道床整平成形 它可放在捣固车之前 进行配碴及初步整形 也 可放在捣固车和动力稳定车之后 进行线路整形作业 铁路线路经过清筛 起道 拨道 捣固 整平作业后 道碴颗粒就会改变原 来的排列位置 重新组合 这样就会降低道床的密实度 导致线路初期下沉量大 山东大学硕士学位论文 下沉很不均匀 为确保行车安全 必须对列车限速运行 从而影响线路的通过能 力及运行秩序和运输效率 同时 线路的纵 横方向的阻力也会大大降低 国内 外实测资料表明 线路横向阻力在经小量起道和捣固以后 约可降低3 0 4 0 在较大量起道和捣固以后 约可降低3 0 4 5 1 因此 线路在平 纵断面内的良 好状态就难以保持 夏季无缝线路更容易发生线路失稳 胀轨跑道的事故 动力稳定车可以模拟列车运行时对轨道产生的压力和振动等综合作用 使道 碴重新捧列达到密实 并使轨道有控制地均匀下沉 从而迅速提高线路的横向阻 力和道床的整体稳定性 降低线路维修作业后列车限速运行的限定条件 为此 国内外铁路都十分重视道床稳定机械的研究 欧洲等许多国家采用动力稳定车对 线路进行动力稳定已有一定历史 我国1 9 8 4 年首次弓l 迸奥地利普拉塞公司生产的 d g s 6 2 型动力稳定车 对线路进行大修 维修的机械化配套作业 取得了很好 的效果 国外的经验和国内的实践说明 线路动力稳定车是一种现代化的先进的 线路机械设备 它可以高质量 高效率地使线路达到完好的技术状态 不但能在 铁路大修 维修机械化作业中发挥重要作用 而且在新线的道床的稳定中也有广 阔的应用前景 因此我国在从奥地利普拉赛一陶依尔公司引进了d g 争 6 2 型动力 稳定车后 于1 9 9 0 年7 月在昆明召开的大型养路机械工作会议上安摔了动力稳定 车的国产化前期工作 铁道部在1 9 9 1 年l o 月落实了动力稳定车的试制计划 1 9 9 3 年7 月 在昆明机械厂召开了动力稳定车样车技术评议会 确定样机在沈阳铁路 局进行工业性考核 1 9 9 6 年8 月 铁道部在昆明组织召开了肋3 2 0 型动力稳定车 研制成果鉴定会 认为动力稳定车通过工业性考核 可以组织生产 替代进口 n 1 我局自1 9 9 7 年引进动力稳定车来 至今已有八台 全部为肋3 2 0 型 然而 在近年来的使用中 肋3 2 0 型动力稳定车电气控制系统暴露了不少问 题 其中最为严重的是计算机控制系统的可靠性不高 该计算机控制系统由上 下位两台计算机组成 其间的通讯频繁 作业时易出现通讯不好 系统死机 c r t 显示器易损坏等问题 影响了稳定车正常功能的发挥和作业的质量 鉴于此 生 产厂家于2 0 0 3 年对其控制系统进行了全新设计并投入生产 同时停止了对原动力 稳定车电路板的生产与供应 我局的3 0 1 3 0 5 动力稳定车的c p u l 板出现故障 后 因无配件可换 只能通过在电路上进行部分改进 来保证动力稳定车的基本 第一章绪论 作业 但同时牺牲了部分作业功能 并容易造成作业质量的不稳定 新控制系统 的改造费用约计6 0 万元 台 价格昂贵 改造为新控制系统的意义不大 在上述背景下 本研究选择了肋3 2 0 型动力稳定车电气控制系统改进为课题 对肋3 2 0 动力稳定车的组成与工作原理 电气系统的组成及控制系统的工作原理 和特点进行分析和探讨 研究了利用可编程序控制器 p l c 对动力稳定车控制系统 进行改造的具体方法 1 2 动力稳定车组成及作用原理分析 1 2 1 组成 动力稳定车是集机 电 液 气和计算机控制于一体的自行式大型养路机械 其结构外形如图卜1 所示 它的主要结构由动力与走行传动系统 稳定装置 主 动与从动转向架 车架与顶棚 前后司机室 空调与采暖设备 单弦与双弦测量 系统 液压系统 电气系统 制动系统 气动系统和车钩缓冲装置等十二部分组 成 啪 图卜l 肋3 2 0 型动力稳定车 妇 卜后司机室 2 一主动转向架 3 制动系统 4 一顶棚 5 柴油机 6 走行制动系统 7 稳定装 置 8 一车架 9 双弦测量系统 1 0 电气系统 1 l 一液压系统 1 2 一单弦测量系统 1 3 气动系 统 1 4 从动转向架 1 5 空调与采暖设备 1 6 前司机室 1 7 一车钩缓冲装置 1 2 2 工作原理 动力稳定车是模拟列车运行时对轨道产生的压力和振动等综合作用而工作 的 山东大学硕士学位论文 在作业前 首先将单 双弦测量系统中的各测量小车降落到钢轨上 并给各 测量小车和中间测量小车的测量杆旌加垂直载荷 将单弦测量系统中的三个测量 小车同一侧的走行轮顶紧基准钢轨的内侧 张紧单弦和双弦 然后 再将稳定装 置降落到钢轨上 使稳定装置与轨捧成为一个整体 使动力稳定车处于作业状态 在作业时 由一台液压马达同时驱动两套稳定装置的两个激振器 使激振器 和轨道产生强烈的同步水平振动 轨道在水平振动力的作用下 道碴重新排列和 密实 与此同时 稳定装置的垂直油缸分别给予两侧钢轨施加向下的压力 使轨 道均匀下沉 并达到预定的下沉量 在作业过程中 动力稳定车是连续移动进行作业的 轨道的预定下沉量是自 动实现的 在中间测量小车两侧的测量杆上 各有一个高度传感器 高度传感器 分别与双弦测量系统中的每条钢弦连接 它们每时每刻地测量着每条钢弦到轨面 的高度值 计算机把测得的高度值与轨道的预定下沉量的差值 转换为相对应的 电信号 控制液压系统的比例减压阀 使稳定装置的垂直油缸对每条钢轨产生不 同下压力 最终使轨道达到预定的下沉量 1 由上述可知 动力稳定车的工作原理就是 激振器使轨捧产生水平振动的同 时 再由稳定装置的垂直油缸对每条钢轨自动地施加必要的下压力 轨道在水平 振动力和垂直下压力的共同作用下 道碴重新排列达到密实 并使轨道有控制地 均匀下沉 动力稳定车一次作业后 线路的横向阻力值便恢复到作业前的8 0 以上 从 而有效地提高捣固作业后的线路质量 为列车的安全运行创造了必要的条件 旧 1 3 国外动力稳定车电气控制系统研究现状 1 3 1 电气系统的组成 电气系统是动力稳定车运行及作业的控制核心 它既要保证动力稳定车在区 间的正常运行 又要保证在作业时准确地控制和精密地测量 它包括柴油机和液 力变矩器控制系统 信号联锁与显示系统 模拟抄平控制系统 程序控制系统等 几部分 叫见图卜2 电气系统原理框图 第一章绪论 赡蕾机控秘夏缓张控捌幕筑 抨魁 仆 誓盖 穗皂 电 蠡齄 记t 美 算 印最 n 磅 馨囊 健 萼纛 机 控 薹 麓 l 刖 u l l 净 b i l l 一 壹艇矗控捌葺统 嚣夯 捌 酋开 詹弃 l 篡蒜爿l 善缀 理 精 舞 蛎 位甍 位凳 糟 r i l 鼍 鼎晴控甜累统 萋 瓣 l 鼍 ll 蝴暴蟪l卜蠢l 孽 鲁 燕 瞬 8i l 图l 2 电气系统原理框图 4 1 3 2 电子抄平系统 电子抄平系统是动力稳定车的作业检测和控制系统 它由四台测量小车 左 右高度传感器 正矢传感器 压电式加速度传感器 振动频率传感器 前 后电子摆 记录仪和模拟抄平控制装置等组成 门如图卜3 所示 a 5 图卜3 抄平系统示意图 订 a 后测量小车 哪间测量小车 咖矢测量小车 d 盲口测量小车 晰测杆 f l 前测杆 l 后电子摆 2 加速度传感器 3 一正矢传感器 4 正矢测量弦 5 一前电子摆 6 振频传感器 7 l 高度传感器 8 抄平弦 山东大学硕士学位论文 1 3 2 1 电子抄平系统的检测原理 1 双弦测量系统的检测原理 双弦测量系统通过前 后测杆上的钢弦 带动安装在中间测量小车测杆上的 高度传感器 对两条钢轨的的纵向高度进行检测 将给定下沉量与所检测轨道实 际下沉量的差值输入到模拟控制装置 控制对轨道的下压力 使轨道达到预定的 下沉量 2 单弦测量系统的检测原理 单弦系统主要测量曲线正矢 曲线正矢是根据三点法原理测量的 稳定车作 业时 通过前 后测量小车及正矢测量小车上的钢轨带动正矢传感器 从而测量 出曲线正矢值 其测量原理如图卜4 所示哪 c 图1 4 曲线正矢测量原理图 a 后测量小车眦矢测量小车 嘶测量小车h l 一曲线正矢的测量值 对于确定半径的圆曲线 a c d 三点的位置已确定 因此曲线正矢 日 彳c c d 2 r 的值是确定的 将其与曲线正矢的测量值比较并记录下来 可 作为稳定车作业后线路验收的依据 1 3 2 2 模拟抄平控制装置 动力稳定车的抄平系统的主要功能是测量与调整作业走行速度及振动频率 测量并记录曲线正矢 检测作业前后线路横向水平 检测线路在延长方向上的高 度 自动控制垂直下压力和测量稳定装置的振幅 口3 抄平系统由模拟抄平装置控 制 其控制原理框图见图卜5 6 第一章绪论 图1 5 模拟抄平控制框图 1 1 3 3 程序控制系统 程序控制系统采用以眦1 4 5 0 0 为核心的微型工业控制器 i c j 由e l 一5 0 2 p 程序控制板 e k 一5 5 3 p 输入输出板和e k 一5 5 4 p 继电器驱动板三部分组成 该控 制系统通过按键开关 限位开关 感应开关等 将检测到的各种开关量状态 即 稳定装置的上升与下降 测量小车的锁定与开启 抄平弦的张紧与松弛 滚轮夹 钳的夹紧与放松等开关量数据逐值输入给中央处理器单元i c u 通过固化于e p r 伽 中的程序进行逻辑运算与处理 其结果分别存入锁存器中 一部分输出给显示灯 发光管等 用于显示稳定车各种机构的状态 一部分通过功率放大 直接驱动稳 定车的液压系统和气动系统的各种电磁阀 完成稳定车的规定动作 1 4 国内动力稳定车电气控制系统研究现状 1 4 1 计算机系统的组成 我国研制的肋3 2 0 动力稳定车的电控系统 称之为动力稳定车的计算机控制 系统 该计算机控制系统 见图卜6 是一个两级计算机系统 上级计算机以 8 0 8 8 c p u 为主控制器 采用s t d 总线的形式 以满足工业现场的控制需要 下级 计算机采用8 0 3 l 单片机作为主控制器 在这两级计算机系统中 配上彩色显示板 i o 板 a d 转换板 d a 转换板 频率采样板 功率板和电源板等构成一套工业 7 山东大学硕士学位论文 控制计算机系统 叫它将国外模拟抄平控制装置与程序控制装置合为一体 并增 加了故障诊断和c r t 屏幕显示 理论上使得电气控制系统更加先进 显示更加直 观 操作更加方便 1 4 2 计算机控制系统原理 计算机控制系统的控制对象主要是的模拟量 开关量和频率量 它主要包括 1 2 路输入模拟量 2 路输入频率量 8 0 路输入开关量 4 路输出模拟量和6 9 路输 出开关量 妇 g n d 至 l 胳 5 r 弧 刮竺p 1 5 v o a 1 5 v r 叫 叫竺降 曼 i 嚣 仁d 堇 互 垂 基 盆 l 誉 墨 已 u却 气丁讣 l 一纠髓皓 图l 6 计算机系统控制框图 1 p s 计算机电源板 c p u l 上位机控制板 d i s k 存贮器板 c p u 2 一下位机控制板 1 卜 模 拟 数字转换板 d a 数字 模拟转换板 陋 频率采样板 i o 输入 输出板 r e 一功率板 继电器板 c i c t 彩色显示器 k e l 键盘 豫卜寸丁印机 1 4 2 1 下级计算机工作流程 下级计算机工作流程如图卜7 所示 8 第一章绪论 图卜7 下级机工作流程 1 下级机不断地采集现场的7 9 路开关量 经逻辑运算后 分别从6 9 路开 关量输出口输出 完成整车联锁控制 2 不断采集现场1 2 路模拟信号 2 路频率信号 送通讯缓冲区 3 从通讯缓冲区取出上级机对模拟运算处理的结果 从4 路模拟口输出 4 同上级机通讯一次 1 4 2 2 上级计算机工作流程 上级机工作流程如图卜8 所示 图l 喝上级机工作流程 1 与下级机通讯一次 取出模拟量和频率量 2 按照指定的各种数学模型进行运算处理 求出下次的输出量 3 将需显示的量进行标度换算和2 一l o 进制处理 并按照特定格式屏幕化 排列好放在显示区 并送显示 4 将下级机采集的输入量按故障诊断学模型要求 进行一次故障判断和相 应处理 山东大学硕士学位论文 5 将需要输出的量送缓冲区 1 5 w d 3 2 0 动力稳定车计算机控制系统实际使用中存在的问题 肋3 2 0 动力稳定车是在国外d g s 一6 2 型动力稳定车的基础上研制开发的 我 国研制的邪3 2 0 动力稳定车的电控系统是一个两级计算机系统 上级计算机以 8 0 8 8 c p u 为主控制器 采用s t d 总线的形式 下级计算机采用8 0 3 1 单片机作为主 控制器 该计算机控制系统将d g s 一6 2 型动力稳定车的模拟电子抄平装置及程序 控制装置合为一体 将全部的开关量 数字量和模拟量进行全面采样管理 逻辑 处理 并进行各种控制模型的计算 同时在系统中完成监视 故障诊断 报警提 示和作业参数的显示 h 1 s t d 总线和c a m a c 总线是早期标准的 应用比较普遍的测试系统机箱底板总 线 s t d 总线予1 9 7 8 年推出 其s t d 总线最早是由美国p r o l 0 9 公司和1 1 0 s t e k 公司作为工业标准而制定的8 位工业i o 总线 随后发展成1 6 位总线 统称为 s t d 8 0 后被国际标准化组织吸收 成为i e e e 9 6 l 标准 国际上主要的s t d 总线工 控机制造商有p r o l 0 9 i n s y s t e 略 z i a t e c h 等 而国内企业主要有北京康拓公 司和北京工业大学等 s t d 总线工控机是机笼式安装结构 其插件板采用小尺寸 板子结构 印制电路板上带有边缘式印制插头 也叫 金手指 在同类扳子中 由于其尺寸小 因此耐振动 冲击 具有良好的坚固性和可靠性 适合于工业测 控场合的应用 由于这种总线标准的机箱 插件板结构简单 成本低 故而在一 段时间内 s t d 总线标准的产品在工业铡控领域得到普遍的应用 然而s t d 工控机存在以下不足 1 s t d 工控机板采用 金手指 拔插 间或造成印制板边缘插头近处铜箔 断裂或总线接触不良 2 模拟输入测量线和i 0 信号线采用前端扁平电缆连接使整个系统运行 的可靠性受到潜在威胁 3 原类似s t d 5 4 5 9 型号的智能a d 采集板采集速度较慢 且板上四选一 模拟开关 采样保持器软故障偶有发生 4 随着w i n 霄s 窗口系统的使用习惯养成 用户已明显感觉到在l e d 方 式下进行参数整定相当不方便 因为需要记忆过多的功能键 l o 第一章绪论 5 原s t d 工控机由于考虑到通用性和可扩充性 造成许多系统 冗余 系统资源浪费 叭1 在9 0 年代以后 由于s t d 工控机的不足 以及需要满足不同应用领域的高 性能 高可靠 高可用的经济型工业计算机的需求 s t d 总线的工控机逐渐被淘 汰 脚另外 由于动力稳定车一般都是在3 5 3 8 h 的频率下进行作业 1 其工作 环境特别恶劣 我国自行开发研制的计算机控制系统还不能完全适应其工作条件 因而 在动力稳定车作业时就经常出现系统上 下位机通讯不好 系统死机 c r t 显示器易损坏等问题 1 6 本论文的研究目的 内容 方法及意义 1 6 1 研究的目的 1 改进叨3 2 0 型动力稳定车电气控制系统 取消上下微机控制模式 采用目前较为流行的控制方法和国外稳定车的控制 模式 逻辑控制部分采用p l j c 可编程控制器 其比计算机控制在使用上有更好的 工业适应性和稳定性 采用数字输入模块把8 0 路输入采集进来 经过p l j c 逻辑运 算后 输出6 9 路开关量 模拟量信号同样利用p l c 模拟量输入输出模块 包括2 路模拟量和2 路频率 信号 采集信号后p l c 对其进行运算处理 然后输出4 路模拟控制信号 采用工业液晶触摸屏作控制和显示的终端 由于它是专门为工业控制而设计 的产品 质量可行 工业防护等级高 适宜于复杂的现场环境 同时操作简单 与p l c 通讯方便快捷稳定 可以监控控制系统的运行情况 显示故障报警 记录 打印参数报表 还可以设定运算参数 2 动力稳定车电气控制系统软硬件的设计制造 改进系统的硬件设计 制作 改进系统的软件设计 编程 调试 1 6 2 研究内容 首先通过对现代控制技术的比较分析 选择一种适于动力稳定车现场作业要 求的控制系统 进而根据以往动力稳定车控制系统出现问题的原因 对采用的p l c 控制系统进行总体方案设计 并利用编程语言进行p l j c 硬件组态 为确保改进的 山东大学硕士学位论文 p l c 控制系统适应现场振动 粉尘的恶劣作业环境 对该控制系统进行必要的抗 干扰设计 其次 根据各开关量的逻辑关系以及模拟量的控制要求 选择合适的 编程方法 完成控制程序的编写 最后 将编写的程序进行计算机模拟调试和装 机总调试 1 6 3 研究方法 1 编程软件 电气控制系统改进的主要工作是采用编程软件s t e p7 在计算机上进行p l c 控制系统硬件配置 参数设置及其编程工作 并采用s 7 一p l c s i m 仿真软件在计算 机上对所编写的程序进行修改调试 以尽早发现和排除错误 最大限度地提高所 研究项目的成功率 减少试验的费用 s t e p7 是用于s i m a t i c 可编程逻辑控制器组态和编程的标准软件包 支持自 动任务创建过程的各个阶段 包括建立和管理项目 对硬件和通信组态和参数赋 值 管理符号 创建程序 下载程序到可编程序控制器 测试自动化系统 诊断 设备故障等 在s t e p 7 中 可以用项目来管理一个自动化系统的硬件和软件 采 用s i m a t i c 管理器对项目进行集中管理 可以方便浏览s i m a t i cs 7 m 7 c 7 和 w i n a c 的数据 可以在计算机屏幕上直接生成和编辑各种文本程序或图形程序 设计方法形象直观 规律性强 易学易懂 2 试验设备 试验安捧在计算机及动力稳定车上进行 首先在计算机上使用s 7 一p l c s i m 仿 真p l c 来模拟实际p l c 的运行 实现对仿真p l c 内的各种变量的监视与修改 在计算机上试验成功后 将改造的p l c 控制系统安装在3 0 1 号动力稳定车上 进行试运行 3 0 l 号动力稳定车于1 9 9 5 年由昆明机械厂生产制造 至2 0 0 6 年末 共作业3 0 0 0 k m 将动力稳定车作业参数通过触摸屏输入3 0 1 号动力稳定车 在现场进行作业 试验 使用振动测试仪测量动力稳定车作业时振动频率及振动加速度的实际输出 使用秒表测量稳定车作业时的走行时间 以进一步计算稳定车的作业走行速度 使用经纬仪测量作业后线路的下沉变化情况 3 试验方法 第一章绪论 在本次设计中 是将以往在上 下位机上对动力稳定车的数字 模拟量的控 制变为在可编程控制器p l c 上进行控制 从而提高控制的可靠性和稳定性 故在 对动力稳定车的控制系统改进完成后 需要利用计算机的仿真程序对动力稳定车 的各个数字量和模拟量的输入 输出进行模拟 以前的计算机控制系统的控制对 象主要是现场的模拟量 开关量和频率量 它主要包括 1 2 路模拟量 2 路输入 频率量 8 0 路输入开关量 4 路输出模拟量和6 9 路输出开关量 因此在对动力稳 定车控制系统采用可编程控制器完成后 借助计算机的仿真程序和各种电子电路 对1 2 路模拟量 2 路输入频率量 8 0 路输入开关量 4 路输出模拟量和6 9 路输 出开关量进行逐个模拟检验 最后将完成设计后的控制系统安装在动力稳定车上 进行试验 以确定设计的准确无误 1 6 4 研究意义 p l c 对工作环境的要求较低 抗外部干扰的能力强 平均无故障工作时问长 能够更适用于动力稳定车的恶劣作业环境 p l c 可编程序控制器应用于动力稳定 车的控制系统 可以很好地弥补原计算机控制系统s t d 总线的不足 解决以往经 常出现的系统上 下位机通讯不好 系统死机 c r t 显示器易损坏等问题 同时 也是对大型养路机械技术引进消化吸收国产化项目的实施进行有益的尝试 山东大学硕士学位论文 第二章控制系统改进方案的选择 2 1 现代控制技术比较 由于信息技术的飞速发展 网络化 信息化概念向自动化领域的渗透 使得 自动化系统的体系结构面临一场深刻的变革 这种变革也必将对工业控制行业产 生重大影响 现代的控制技术主要有 继电器控制系统 计算机控制系统 以及 现在在各行各业应用广泛的可编程控制器 p l c 控制系统等 m 1 国产的1 d 3 2 0 型 动力稳定车的电控系统基本上可称作为计算机控制系统 由于该计算机控制系统 由上 下位两台计算机组成 其间的通讯频繁 作业时易出现通讯不好 系统死 机 c r t 显示器易损坏等问题 影响了稳定车正常功能的发挥和作业的质量 因此 本章对各种控制系统进行比较以选择满足国产的仰3 2 0 型动力稳定车作业要求的 控制系统 2 1 1 p l c 控制系统 p l c 控制系统由硬件和软件两大部分组成 硬件是指p l c 本身及其外围设备 软件是指管理p l j c 的系统软件 p l c 应用程序 编程语言和编程支持工具软件 盯 目前 p l j c 在国内外已广泛应用有所有的工业部门 随着其性能价格比的不断提高 应用范围不断扩大 使用情况主要分为以下几类 1 开关量逻辑控制取代传统的继电器电路 实现逻辑控制 顺序控制 既可用于单台设备的控制 也可用于多机群控及自动化流水线 如注塑机 印刷 机 订书机械 组合机床 磨床 包装生产线 电镀流水线等 2 工业过程控制在工业生产过程当中 存在一些如温度 压力 流量 液位和速度等连续变化的量 即模拟量 p l c 采用相应的a d 和d a 转换模块及 各种各样的控制算法程序来处理模拟量 完成闭环控制 p i d 调节是一般闭环控制 系统中用得较多的一种调节方法 过程控制在冶金 化工 热处理 锅炉控制等 场合有非常广泛的应用 3 运动控制p l c 可以用于圆周运动或直线运动的控制 一般使用专用 的运动控制模块 如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块 广 泛用于各种机械 机床 机器人 电梯等场合 第二章控制系统改进方案的选择 4 数据处理p l c 具有数学运算 含矩阵运算 函数运算 逻辑运算 数据传送 数据转换 排序 套表 位操作等功能 可以完成数据的采集 分析 及处理 数据处理一般用于如造纸 冶金 食品工业中的一些大型控制系统 5 通信及联网p l c 通信含p l c 间的通信及p l c 与其它智能设备间的通 信 随着工厂自动化网络的发展 现在的p l c 都具有通信接口 通信非常方便 m 1 2 1 1 1 硬件组成 典型的p l c 控制系统的硬件组成框图如图2 1 所示 p l c 控制系统的硬件是由 p l c 输入输出 i o 电路及外围设备等组成的 系统的规模可根据实际应用的 需要而定 可大可小 开关量l 输入模路 穹 一l l c p u 存储l 系 仁 爿嚣 用户存i l 储嚣 通信l 被周 输入模际 岛i 接口 r 1 兰兰i 块l 统 控 输出模际 毒 总 对 i 一 百丑 一输舻l 每号 线 圆 象 凹 习件 叫装置 l1 图2 lp l c 控制系统硬件组成框图 o 1 p l c 系统p l c 系统主要由主控模块 输入输出模块及电源模块等组成 主控模块除了早期生产的整体式p l c 外 目前市场多数的p l c 都采用模 块化的结构 在p l c 中各个模块均通过系统总线相互连接起来构成一个系统 在 这个系统中最核心的模块是主控模块 它包括c p u 存储器 通信接口等部分 输入输出模块p l c 的控制对象是工业生产过程 它与工业生产过程的联系 是通过i o 模块实现的 生产过程有许多控制变量 如温度 压力 液位 速度 山东大学硕士学位论文 电压 开关量 继电器状态等 因此 需要有相应的i 0 模块作为c p u 与工业生 产现场的桥梁 电源模块该模块将交流电源转换成供c p u 存储器等所需的支流电源 是 整个p l c 系统的能源供给中心 它的好坏直接影响到p l c 的功能和可靠性 1 5 2 i o 电路p l j c 的基本功能就是控制 它采集被控对象的各种信号 经 过p l c 处理后 通过执行装置实现控制 输入电路就是被控对象进行检测 采集 转换和输入 另外 安装在控制台上的按钮 开关等也可以向p l c 发送控制指令 输出电路的功能就是接收p l c 输出的控制信号 对被控对象执行任务 1 3 1 3 p l c 外围设备 p l c 外围设备很多 但基本功能不外乎是对信息和数据的处理 常用的有编 程器 可编程终端 打印机 条码读入机等等 编程器是p l c 的重要外围设备之 一 它可以将用户编写的程序送到p l j c 的用户程序编程器 因此 它的主要任务 是输入程序 调试程序和监控程序的执行过程 可编程终端是兼有i 0 功能的p l c 人机界面产品 人可以通过触摸屏幕将信息输入到p l c 中 同样可编程器也可以 将p l c 的输出数据和信息显示在屏幕上 m 2 1 1 2 软件组成 p l c 控制系统的软件主要是由系统软件 应用软件 编程语言及编程支持工 具软件几个部分组成 i 叼 p l c 系统软件是p l c 工作所必需的软件 在系统软件支持下 p l j c 对用户程序 进行逐条的解释 并加以执行 直到用户程序结束 然后返回到程序的起始又开 始新一轮的扫描 p l j c 这种工作方式称之为循环扫描 叼值得注意的是继电器控制 系统中 一个继电器的线圈被接通或断开 继电器的所有触点都会立刻动作 但 在p l c 中 由于采用的是循环扫描的工作方式 所以只有扫描到 线圈 的触点 时 才会动作 没有扫描到 触点就不动作 p l c 控制系统的应用软件是指为完成p l c 实际控制任务而编制的各种软件 随着p l c 应用领域范围的不断扩大 应用水平的提高 p l c 应用软件也大大丰富起 来了 p l j c 控制系统功能的实现 效果的好坏不是单单取决于硬件或软件 而是由 硬件和软件系统共同决定的 对于一个已经配置好的控制系统 其硬件部分已经 第二章控制系统改进方案的选择 相对确定 余下来的大量工作就是应用软件的设计 p l c 有多种编程语言 助记符语言 梯形图语言 逻辑功能图语言 布尔代 数语言和某些高级语言 但使用最广泛的还是梯形图语言和助记符语言 钉现在 世界上各个p l c 生产厂家都研制出了自己的p l j c 编程支持工具软件和监控组态软 件 用户可以根据自己的需要利用这些软件来改善软件的开发环境 提高编程效 率 2 1 2p l c 控制系统与继电器控制系统 继电器控制系统在传统的工业生产中曾经起着不可替代的作用 随着生产规 模的逐步扩大 市场经济竞争的日趋激烈 继电器控制系统已越来越难以适应 因为继电器控制电路常常是针对着某一固定的动作顺序或生产工艺而设计的 它 的控制功能也仅仅只局限与逻辑控制 定时 记数等这样一些简单的控制 一旦 动作顺序或生产工艺发生变化 就必须进行重新设计 布线 装配和调试 m 1 显 然 这样的控制系统完全无法满足日新月异且竞争激烈的市场经济发展需要 这 就迫使人们要放弃原来已占统治地位的继电器控制系统 研制可以替代继电器控 制系统的新型的工业控制系统 p l c 控制系统与继电器控制系统输入 输出部分基本相同 输入电路也都是 由按钮 开关 传感器所构成 输出电路也都是由接触器 执行器 电磁阀所构 成 不同的是继电器控制系统的控制线路被p l c 中的程序所替代 这样一旦生产 工艺发生变化 就只需修改程序就可以了 另外 p l c 不仅可以实现开关量控制 还可以进行模拟量控制 顺序控制 它的定时和计数的功能也远比继电器控制系 统强 一般可以为用户提供几十个甚至上百个定时器 计数器 因此可以说以眦 作为控制器的p l c 控制系统从根本上改变了传统的继电器控制系统的工作原理和 方式 1 9 1 p l c 控制系统与继电器控制系统的比较见表2 l 由表2 一l 可以的出结论 由于p l c 控制系统与继电器控制系统相比具有无法 比拟的优点 因此 在今后的控制系统中 传统的继电器控制系统被p l c 控制所 替代是大势所趋 l 山东大学硕士学位论文 表2 一lp l c 控制系统与继电器控制系统的比较表 3 比较项目继电器控制系统p l c 控制系统 由许多继电器 采用接线各种控制功能 通过编制的程序 控制功能的实现 的方式来完成控制功能来实现 适应性差 需要重新设 对生产工艺过程变更的适应性适应性强 只需对程序进行修改 计 改变继电器和接线 控制速度低 靠机械动作实现极快 可微处理器进行处理 计数及其他特殊功能一般没有 有 安装 施工连线多 施工繁安装容易 施工方便 高 因元器件采取了筛选和老化 可靠性差 触点多 故障多 等可靠性措施 寿命短长 可扩展性困难容易 工作量大 有白诊能力 维护 故障不容易查找维护工作量小 2 1 3p l c 控制系统与计算机控制系统 2 0 世纪6 0 年代 由于小型计算机的出现 有人曾试图用小型计算机来取代 当时占统治地位的继电器控制系统 结果未获成功 代之的却是p l c 的出现 通用计算机与p l c 本身在工作目的 原理和方式上都存在较大的差异 其比 较结果见表2 2 从表2 2 可以得出结论 一般情况下 在工业自动化工程中采用 p l c 可靠 方便 易于维护 进入2 0 世纪7 0 年代 采用微处理器的工业控制计算机出现了 它与p l c 共 同推动着传统工业的技术改造 经过较长时间的实践 人们又发现 p l c 与一般的 工业控制计算机相比 p l c 有着较强的优势 其原因是用于工业控制时 工业控制 计算机的可靠性 可维护性及适应恶劣工作环境的能力却大大不如p l j c p l c 专为 在工业环境下的应用而设计 在p l c 中采用了如下的硬件和软件措施 1 光电耦合隔离和r c 滤波器 有效地防止了干扰信号的进入 2 内部采用电磁屏蔽 防止辐射干扰 3 采用优良的开关电源 防止电源线引入的干扰 4 具有良好的自诊断功能 可对c p u 等内部电路进行监测 一旦出错 立即 1 8 第二章控制系统改进方案的选择 报警 5 对程序及有关数据用电池供电进行后备 一旦断电或运行停止 有关状态 和信息不会丢失 6 对采用的器件都进行了严格的筛选和简化 排除了因器件问题而造成的故 障 7 采用了冗余技术进一步增强了可靠性 对某些大型的p l c 还采用了双c p u 结构成冗余系统 或三c p u 构成表决式系统 表2 2p l c 控制系统 卅与计算机控制系统 2 1 1 的比较 比较项目通用计算机系统p l c 控制系统 工作目的科学计算 数据管理等工业自动控制 对环境要求低 可在恶劣的工业 工作环境对工作环境的要求很高 现场工作 工作方式中断处理方式循环扫描方式 系统软件需配备功能强大的系统软件一般只需简单的监控程序 采用多种抗干扰措施 自诊断 采用的特殊措施掉电保护等一般性措施 掉电保护 可在线维修 梯形图 助记符语言 s f c 标准化 编程语言汇编语言 高级语言 语言 需专门培训 并具有 定的计算一般技术人员 稍加培训即可操 对工作人员的要求 机基础作使用 对内存的要求容量大容量小 价格价格高价格较低 其他若用于控制 一般需自行设计机种多 模块种类多 易于集成 随着构成p l c 的元器件性能的提高 p l j c 的可靠性也在相应地提高 一般p l c 的平均无故障时间可达几万小时以上 陋3 某些p l c 的生产厂家甚至宣布 今后生 产的p l c 不再标明可靠性这一指标 因为对p l j c 来讲这一指标已经毫无意义了 经过大量实践人们发现p l c 系统在使用中发生的故障大多是由于p l c 的外部开关