周傳頌 齊向東

（太原科技大學，太原 030024）

1 引言

在列車中，風缸是制動系統(tǒng)的動力儲備元件，如果風缸應用時沒有經(jīng)過嚴格檢驗，其儲備的氣體壓力將無法確保證達到列車行駛中的制動要求，不能使列車準確及時的制動，將會造成嚴重事故，所以風缸出廠前要經(jīng)過嚴格的檢測，以防漏泄，確保列車行駛安全。鐵道部的標準：通過微機檢測，給風缸內(nèi)打水壓900kPa以上，觀察5m in是否漏泄；給風缸充氣壓600kPa以上，觀察5m in是否漏泄，要求漏泄量均為0。傳統(tǒng)的檢測方式只是通過肉眼觀察壓力表的指針來觀察其是否漏泄，存在誤差；且由于人為因素，檢測時間也無法保證，為此我們設計了風缸自動檢測系統(tǒng)。

風缸如圖1所示，風缸有兩個接口。法蘭口A端用于進水和進氣，法蘭口B用于排水排氣，由于接口標準不一，我們均采用軟管試連接的方法。采用循環(huán)水箱供水。水密性試驗時先用水泵供水，注滿水后則用高壓泵打水壓至900kPa以上進行試驗。氣密性試驗用風炮進風，至壓力到600kPa以上。先進行水密性試驗，然后通過氣壓使水排凈再進行氣密性試驗。全過程除手動翻轉(zhuǎn)缸排水外，其余均可由電腦控制完成。

圖1 氣缸

2 系統(tǒng)硬件組成

本檢測系統(tǒng)的硬件部分由下位機（西門子PLC S7-200）和上位機（華碩工控機和mcgs組態(tài)軟件）組成。兩者通過PPI轉(zhuǎn)換線連接。為使壓力能夠平滑快速的上升到要求值，采用PLC控制變頻器，利用PID控制器原理，從而控制水泵的轉(zhuǎn)速。采用量程為20MPa傳感器通過PLC轉(zhuǎn)換后上傳給上位機。上位機對取到的壓力值信號進行處理，得出缸內(nèi)壓力的曲線，根據(jù)曲線的形狀判斷辨別氣缸是否漏泄。

3 系統(tǒng)流程的設計

本系統(tǒng)可以在手動與自動兩種方式下工作，手動狀態(tài)即可進行傳統(tǒng)式檢測。將旋鈕打到自動擋位就可以進行自動操作。系統(tǒng)自動操作流程如圖2所示。

圖2 風缸檢測流程

4 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計有兩部分組成，一是上位機監(jiān)控軟件MCGS編程，一是下位機PLC編程。

4.1 系統(tǒng)上位機設計

圖3為上位機監(jiān)控界面。本系統(tǒng)有良好的人機界面，可實現(xiàn)對PLC的運行情況以及執(zhí)行機構(gòu)進行實時監(jiān)視和控制，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集和歷史數(shù)據(jù)打印功能，具有登錄權(quán)限和幫助窗口，告訴用戶操作方法和機器維護方式，能完美的完成檢測任務和數(shù)據(jù)報表輸出，滿足檢測要求。

圖3 上位機監(jiān)控界面

歷史數(shù)據(jù)窗口中設置了數(shù)據(jù)查詢和打印報表功能，試驗前操作員必須填寫風缸號碼，操作人員可以根據(jù)風缸號進行查詢，也可以根據(jù)日期進行查詢。顯示該風缸的試驗結(jié)果。若發(fā)現(xiàn)該風缸不合格則可以重新檢測，也可以單獨做水密性試驗或者氣密性試驗，不影響其他信息。如果該編號已經(jīng)存在，則提示用戶該編號已經(jīng)存在是否重新檢測。打印報表這一項，操作人員可以點擊打印報表安鈕然后選擇按照風缸號或者日期打印。就可以打印出關(guān)于該風缸的檢測信息。

4.2 系統(tǒng)下位機設計

本系統(tǒng)選用西門子公司生產(chǎn)的S7-200系列PLC，S7-200系列它的結(jié)果緊湊，擁有良好的擴性，指令功能強大，既能完成控制功能，還具有輸入輸出功能，并且它的價格低廉，非常適合各種小型控制工程。完全能達到我們的使用要求。其設計步驟如圖4所示。

圖4 PLC設計步驟

通過對風缸檢測流程的分析和研究，把PLC的I/O點進行了合理的分配，其分配點如表1所示。

表1 PLC輸入輸出點分配

由輸入輸出點的分配，可以得出本系統(tǒng)需要數(shù)字量信號2個輸入點，6個輸出點;模擬量信號1個輸入點，1個輸出點.考慮到適用性和經(jīng)濟性，選取PLC的型號S7-224（8輸入6輸出）和S7-235（模擬信號4輸入1輸出）。

在進行水密性試驗時，注水過程采用PID調(diào)節(jié)控制水泵使壓力緩慢的上升。本系統(tǒng)中采用PLC中的PID參數(shù)，將微分控制器命為零，比例控制器的參數(shù)基本調(diào)節(jié)為1.05，積分控制器的參數(shù)經(jīng)多次試驗取3最佳，得到了很好的效果使壓力曲線平滑的上升，從而避免了壓力在900kPa附近振蕩。節(jié)省了水壓穩(wěn)定時間，提高了效率。

排水過程在水密性試驗結(jié)束后需要將風缸的排水口向下，接著靠缸內(nèi)氣壓排水，排水結(jié)束后關(guān)閉排水閥緊接著進行氣密性試驗。排水是否完畢靠壓力傳感器的變化上位機智能的分析，來自動的關(guān)閉排水閥。這樣排水過程就由電腦自動的完成，減少了人工排水的麻煩。

5 問題

5.1 效率問題

由于鐵道部要求水密性試驗要進行測試5min，氣密性試驗要進行5min。加上注水時間（此過程與缸的大小有關(guān)），排水時間以及試驗的穩(wěn)定時間，整個檢查過程至少20min。改善方法可選用更多輸入輸出點的PLC同時控制多個檢測臺位，監(jiān)控界面增加多個窗口，各個臺位檢測流程相互獨立，互不干擾。

5.2 衰減問題

水密性試驗和氣密性試驗在打壓后關(guān)閉閥門時，壓力值隨著時間的推移會緩慢的下降，其壓力曲線如圖5所示。由于完全等待水壓或者氣壓趨于平穩(wěn)所需要的時間很長，設計時采用了截取某個時間進行檢測將其壓力曲線下降斜率進行監(jiān)控。如果在特定的時間內(nèi)超過下降的斜率，就對系統(tǒng)進行報警，提示用戶發(fā)生漏泄。

圖5 壓力的穩(wěn)定曲線圖

6 結(jié)論

利用風缸壓力檢測系統(tǒng)，在保證風缸質(zhì)量的前提下，提高了風缸檢測效率。很好地避免了傳統(tǒng)檢測的不準確，效率低下等問題。由于全過程實現(xiàn)了自動控制，界面形象簡潔，操作簡單，只需經(jīng)過簡單培訓，便可以操作，節(jié)省了人力資源，提高了生產(chǎn)的經(jīng)濟性。

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