丁景賢

通過對國內(nèi)鐵路行業(yè)相控機車牽引電機換向器云母槽下刻工藝進行分析，設(shè)計了一套基于PLC的云母槽下刻機控制系統(tǒng)。介紹了該系統(tǒng)的組成及下刻過程，并對系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計進行了闡述。通過對控制系統(tǒng)進行調(diào)試，分析了試驗參數(shù)，驗證了設(shè)計的合理性。

【關(guān)鍵詞】PLC 換向器 云母槽 下刻機

直流牽引電機是鐵路電傳動機車的牽引關(guān)鍵部件，換向器作為牽引電機的重要組成部分在電機運行過程中必須保證碳刷與換向器銅排之間具有良好的接觸性能。碳刷與換向器銅排之間的接觸摩擦?xí)?dǎo)致?lián)Q向器表面磨損，磨損到一定程度時，會由于云母槽內(nèi)積聚部分碳粉和銅粉的混合物使換向器相鄰銅排之間形成導(dǎo)電電橋，引起碳刷換向不良，嚴(yán)重時會造成換向器環(huán)火而致使電機不能正常工作。

因此，為了保證換向器正常工作，必須對云母槽進行重新下刻。國內(nèi)一些企業(yè)采用人工操作的方法對云母槽下刻，效率較低，并且因為操作的不穩(wěn)定性會降低下刻精度，同時也無法滿足自動化生產(chǎn)的需求。本文設(shè)計了一套基于PLC的云母槽下刻機控制系統(tǒng)。

1 換向器結(jié)構(gòu)

換向器由許多彼此絕緣的換向片組合而成。主要零件有換向片、云母片、V形環(huán)、絕緣套筒、換向器套筒以及組裝螺栓等，所有零件全部固定在換向器套筒上，而換向器套筒裝配在電樞軸上，圖1所示為換向器的結(jié)構(gòu)。

2 下刻系統(tǒng)組成及工作過程

2.1 下刻系統(tǒng)硬件配置

下刻系統(tǒng)硬件主要包括步進電機及驅(qū)動器、霍爾開關(guān)、PLC和觸摸屏等，系統(tǒng)總成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 下刻系統(tǒng)工作過程

開始工作時，接通電源，按下“啟動”按鈕，系統(tǒng)啟動初始化程序。通過觸摸屏輸入一次下刻深度和下刻次數(shù)，PLC給步進電機驅(qū)動器發(fā)出一定頻率的脈沖信號，步進電機開始預(yù)期動作。按下SB1或SB2 按鈕，步進電機M1正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，當(dāng)?shù)竭_云母槽中心線時，M1停止；按下SB3按鈕使M2正轉(zhuǎn)，刀具下行，直至換向器外邊緣，M2停止；按下SB4按鈕，刀具前進，右側(cè)霍爾開關(guān)檢測刀具是否前進至云母槽右側(cè)極限點，如是，刀具停車；M2正轉(zhuǎn)，當(dāng)?shù)毒呦滦兄烈淮蜗驴躺疃?，M2停止；刀具后退，左側(cè)霍爾開關(guān)檢測刀具是否后退至左側(cè)極限點，如是，刀具停車。

觸摸屏記錄下刻次數(shù)，如沒到下刻次數(shù)，則重復(fù)上述動作。若已到下刻次數(shù)，則檢測是否所有的槽都已刻完，如是，則按下“停機”按鈕，切斷電源；若不是，則按下SB5按鈕，M2反轉(zhuǎn)，刀具上行，回到上側(cè)極限點，M2停止。切換M1的旋轉(zhuǎn)方向，繼續(xù)其它槽的下刻。

3 PLC程序設(shè)計

3.1 下刻系統(tǒng)硬件配置

采用S7-200 SMART PLC為下位機，中央處理單元選用CPU SR30，繼電器輸出，220VAC供電，自帶DC24V電源，具有18點輸入和12點輸出，擁有18KB程序存儲器，集成了高速處理器芯片，位指令執(zhí)行時間可達 0.15μs，可以完全滿足運算需求。配有以太網(wǎng)接口和 RS485 接口，可與觸摸屏、計算機進行通信，程序下載方便。

3.2 下刻系統(tǒng)I/O接口

在將PLC的模塊進行組態(tài)后，就可以對各個接口的地址進行分配，使硬件連接點與程序中的地址一一對應(yīng)。該下刻系統(tǒng)需要的輸入、輸出端口的地址分配如表1所示。

3.3 下刻程序設(shè)計

PLC程序使用STEP7 –Micro/WIN SMART編程軟件的邏輯梯形圖（LAD）編寫，使用分塊式結(jié)構(gòu)，根據(jù)下刻機的不同功能在程序里建立相應(yīng)的功能模塊，在運行時只需調(diào)用相應(yīng)的模塊即可，提高了運行效率。下刻系統(tǒng)在啟動之后自動運行，并根據(jù)設(shè)定好的參數(shù)，自動下刻不同型號的轉(zhuǎn)子，其程序控制流程如圖3所示。

4 上位機程序設(shè)計

在下刻系統(tǒng)中，上位機負責(zé)向PLC發(fā)出指令并處理PLC上傳的數(shù)據(jù)。選用SMART LINE觸摸屏作為上位機，具有良好的人機交互界面，同時能與S7-200 SMART PLC進行有效連接，使用十分方便。

4.1 上位機與下位機通訊設(shè)置

4.1.1 計算機以太網(wǎng)端口參數(shù)設(shè)置

打開“本地連接屬性”對話框，選中“此連接使用下列項目”列表框下面的“Internet 協(xié)議版本4（TCP/IPv4）”，單擊“屬性”按鈕，打開“Internet 協(xié)議版本4（TCP/IPv4）屬性”對話框。選中“使用下面的IP地址”，設(shè)置IP地址為192.168.2.1。單擊“子網(wǎng)掩碼”輸入框，自動出現(xiàn)默認的子網(wǎng)掩碼255.255.255.0。

4.1.2 WinCC flexible與SMART LINE觸摸屏通訊設(shè)置

設(shè)置“通信模式”為以太網(wǎng)，將SMART 700 IE的IP地址設(shè)置為192.168.2.5。對觸摸屏進行畫面組態(tài)后，用以太網(wǎng)電纜連接計算機和SMART 700 IE，單擊“選擇設(shè)備進行傳送”對話框中的“傳送按鈕”，將編譯無誤的項目傳送到SMART 700 IE。

4.1.3 上位機和下位機通訊

在上述設(shè)置完成后，用以太網(wǎng)連接PLC和計算機，將程序下載到S7-200 SMART。然后用以太網(wǎng)連接S7-200 SMART和SMART 700 IE，接通電源，將PLC置于RUN模式，便能實現(xiàn)上位機與下位機之間的通訊。

4.2 SMART LINE觸摸屏程序設(shè)計

SMART LINE觸摸屏使用了模塊化設(shè)計，在程序中可以設(shè)置多個窗口，根據(jù)用戶需要進入相應(yīng)的模塊。在用戶窗口中新建一個啟動窗口，在窗口中根據(jù)需要插入各種構(gòu)件以實現(xiàn)控制和監(jiān)控的功能，對各個構(gòu)件的屬性進行設(shè)置使其與PLC對應(yīng)，便可以在畫面中實時顯示下刻結(jié)果。只需單擊畫面上“下刻次數(shù)”、“一次下刻深度”右側(cè)的輸入域，即可用彈出的鍵盤輸入下刻參數(shù)，系統(tǒng)顯示畫面如圖4所示。

5 結(jié)語

該系統(tǒng)采用了以PLC作為控制核心，與觸摸屏聯(lián)合的控制模式。對下刻機控制系統(tǒng)程序進行了調(diào)試，符合預(yù)期動作，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，操作簡便，同時系統(tǒng)的參數(shù)修改起來十分方便，只需少量改動便可對不同型號的轉(zhuǎn)子進行下刻，滿足實際工作要求，具有一定的推廣價值。

參考文獻

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作者單位

蘭州交通大學(xué)機電工程學(xué)院 甘肅省蘭州市 730070