藍(lán)偉銘

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣西 柳州 545005）

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)工程機(jī)械的質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。裝載機(jī)的變速箱總成的質(zhì)量檢測(cè)，是保障變速箱質(zhì)量的重要手段，針對(duì)部分企業(yè)的老舊設(shè)備的檢測(cè)手段落后等問(wèn)題，購(gòu)置新檢測(cè)設(shè)備價(jià)格過(guò)高的情況，設(shè)計(jì)一臺(tái)變速箱的檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)其多方位的質(zhì)量檢測(cè)，能低成本地實(shí)現(xiàn)對(duì)變速箱的質(zhì)量監(jiān)控。

1 生產(chǎn)企業(yè)對(duì)變速箱的檢測(cè)要求

工程機(jī)械零部件的發(fā)展是以大型客戶的要求為目標(biāo)，所以訂單量大，質(zhì)量要求也更為嚴(yán)格。裝載機(jī)的變速箱是重要的傳動(dòng)部件，對(duì)其質(zhì)量要求非常嚴(yán)格，檢測(cè)系統(tǒng)要從以下5個(gè)方面來(lái)考慮：

（1）對(duì)變速箱產(chǎn)品質(zhì)量要求更為苛刻，要求變速箱的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都能完成精確檢測(cè)位，達(dá)到既定工藝指標(biāo)符合技術(shù)質(zhì)量要求，且能檢測(cè)出變速箱的成品質(zhì)量。

（2）對(duì)生產(chǎn)檢測(cè)效率要求越來(lái)越高，這樣可以降低單件產(chǎn)品的成本，滿足交貨期。

（3）為適應(yīng)不同的變速箱的更新變化，自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)要具有高的柔性和靈活性，允許在一定的尺寸范圍內(nèi)變速箱可以快速更換進(jìn)行檢測(cè)。因?yàn)椴煌淖兯傧溆胁煌亩ㄎ怀叽?，可以通過(guò)更換工裝來(lái)配合完成變速箱的檢測(cè)，而不至于更換整臺(tái)檢測(cè)設(shè)備。

（4）對(duì)檢測(cè)工藝過(guò)程實(shí)施監(jiān)控手段，采用上位機(jī)組態(tài)完成對(duì)變速箱各項(xiàng)工藝參數(shù)的監(jiān)控。

（5）對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)要求盡量易于維護(hù)，不涉及太復(fù)雜的程序調(diào)試，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員容易掌握。

2 自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

設(shè)計(jì)變速箱的電氣改造系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以全面掌握WG系列變速箱運(yùn)行的狀況，實(shí)現(xiàn)安全的自動(dòng)檢測(cè)。各個(gè)采集點(diǎn)采用新型的智能傳感器進(jìn)行信號(hào)數(shù)據(jù)采集，通過(guò)壓力、流量、溫度、扭矩、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)全面檢測(cè)變速箱生命周期運(yùn)行情況。系統(tǒng)改造拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)改造拓?fù)鋱D

變速箱的質(zhì)量關(guān)乎工程車(chē)輛傳動(dòng)及行車(chē)安全的重中之重，對(duì)變速箱的質(zhì)量要求較高，所以檢測(cè)設(shè)備需要更加智能、精準(zhǔn)可靠的系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（1）更換上位機(jī)中控臺(tái)。采用新設(shè)計(jì)的上位機(jī)中控臺(tái)及新款PLC對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)傳感器信息的讀取和分析處理。全面實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)控工作，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的在線監(jiān)控。

（2）更換新型信號(hào)傳感變送器、儀表、測(cè)量采集系統(tǒng)。采用新款智能傳感器、傳感變送器、儀表、測(cè)量采集系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，使原始傳感數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)，掌握裝載機(jī)壓力、流量、溫度、扭矩、轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)并進(jìn)行專業(yè)的反饋，得到真實(shí)裝載機(jī)變速箱的質(zhì)量情況。

（3）全新開(kāi)發(fā)上位機(jī)界面（報(bào)表、動(dòng)態(tài)曲線），測(cè)試數(shù)據(jù)存檔。全新的在線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以全方面對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示及控制，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)曲線展現(xiàn)檢測(cè)全過(guò)程，并可以產(chǎn)生報(bào)表。采用上位組態(tài)監(jiān)控方式對(duì)自動(dòng)檢測(cè)全過(guò)程進(jìn)行質(zhì)量控制及跟蹤，以及對(duì)變速箱質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行管理，各種數(shù)據(jù)均可自動(dòng)采集和計(jì)算，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)均可隨時(shí)查看，并通過(guò)組態(tài)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的公開(kāi)性和共享性，為質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化管理提供了有效的展示平臺(tái)。提供完善的日常生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)報(bào)表，為各級(jí)管理人員提供完善的、多種的統(tǒng)計(jì)報(bào)表和參數(shù)，為生產(chǎn)管理提供有力的數(shù)據(jù)分析。

（4）改善水冷卻系統(tǒng)。由于在進(jìn)行檢測(cè)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)溫度過(guò)高的情況，導(dǎo)致部分原始傳感數(shù)據(jù)因?yàn)闇囟冗^(guò)高而產(chǎn)生異常，干擾了正常的檢測(cè)數(shù)據(jù)，所以需要采用專用制冷機(jī)進(jìn)行水冷卻系統(tǒng)的升級(jí)改造。

3 控制系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)控制方案的確定

系統(tǒng)控制部分由PLC與遠(yuǎn)程I/O模塊組成，檢測(cè)系統(tǒng)完成對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行逐一信號(hào)監(jiān)測(cè)，變速箱的壓力、流量、溫度、扭矩、轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)通過(guò)遠(yuǎn)程I/O模塊進(jìn)行信號(hào)采集，再將數(shù)據(jù)傳回PLC進(jìn)行集中處理及轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并判斷是否合格。由一臺(tái)工控機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作及監(jiān)控，將信息共享并可通過(guò)報(bào)表打印。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接圖

從系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接圖中可以看到，網(wǎng)絡(luò)總體框架為PROFINET通信，由上位機(jī)負(fù)責(zé)整體監(jiān)控測(cè)試，設(shè)計(jì)PLC作為檢測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換品臺(tái)，下掛3個(gè)IO-LINK用于新增加的傳感器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳回PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理、并能控制外部電磁閥等，網(wǎng)絡(luò)下掛3個(gè)PROFINET I/O用于對(duì)原先設(shè)備的部分既有功能的數(shù)據(jù)對(duì)接交互使用。

3.2 控制器件硬件選型

系統(tǒng)主要設(shè)備硬件均采用西門(mén)子和德國(guó)工控產(chǎn)品，主控采用西門(mén)子S7-1200 PLC，遠(yuǎn)程I/O模塊均為西門(mén)子產(chǎn)品，傳感器采用IFM易福門(mén)等傳感器，同時(shí)配置上位工控計(jì)算機(jī)進(jìn)行上位監(jiān)控[1]。

3.3 PLC各站網(wǎng)絡(luò)地址分配

在博圖TIA中進(jìn)行1200 PLC及各站遠(yuǎn)程I/O組態(tài)，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接及IP地址如圖3所示[2]。

圖3 網(wǎng)絡(luò)連接及IP地址

通過(guò)對(duì)各個(gè)遠(yuǎn)程模塊的GSD文件導(dǎo)入，并對(duì)模塊進(jìn)行硬件組態(tài)，其中有兩路信號(hào)來(lái)自IFM（易福門(mén)）遠(yuǎn)程I/O PROFINET通信模塊，將壓力和流量等信號(hào)通過(guò)此模塊與1200PLC進(jìn)行信號(hào)數(shù)據(jù)的采集。以太網(wǎng)地址分別為192.168.0.20和192.168.0.21。AL1102_1模塊主要用于對(duì)離合器倒擋、離合器4檔壓力、離合器前時(shí)檔壓力、變矩器輸入端壓力、泵壓力、變矩器流量（潤(rùn)滑）帶溫度等物理量進(jìn)行信號(hào)采集。AL1102_2模塊主要對(duì)離合器1、2、3擋壓力、變矩器輸出壓力、變矩器循環(huán)壓力（潤(rùn)滑）、變矩器出口溫度檢測(cè)。

另有3路遠(yuǎn)程Profinet IO模塊（華杰智控BLUEONE）。其中HJ3206為數(shù)字輸出模塊，以太網(wǎng)地址為192.168.0.31；HJ3207為數(shù)字輸入模塊，以太網(wǎng)地址為192.168.0.30；HJ3205為數(shù)字量和模擬量的輸入/輸出模塊，以太網(wǎng)地址為192.168.0.32。用于對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)原設(shè)備電子信號(hào)的對(duì)接使用。此部分屬于原裝德國(guó)進(jìn)口設(shè)備與檢測(cè)主體硬件對(duì)接的電子部分，在沒(méi)有完全清楚其電子線路原理基礎(chǔ)上，依舊利用原先的電子控制系統(tǒng)，只需要用遠(yuǎn)程模塊將其原有信號(hào)對(duì)接即可。

3.4 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)1200 PLC通過(guò)若干個(gè)遠(yuǎn)程模擬量模塊進(jìn)行各路信號(hào)的數(shù)據(jù)采集，通過(guò)總線將數(shù)據(jù)采集到PLC后再進(jìn)行工程化的處理。處理后的數(shù)據(jù)與上位工控機(jī)連接，由上位工控機(jī)進(jìn)行工程數(shù)據(jù)的顯示及后續(xù)顯示監(jiān)控和處理工作。

設(shè)計(jì)變速箱不同檔位的位置選擇，當(dāng)切換不同檔位時(shí)各個(gè)傳感器模擬量的信號(hào)采集?？稍O(shè)計(jì)各個(gè)檔位的變量，M8.0-M8.4分別為檔位電磁閥的5個(gè)對(duì)應(yīng)檔位，檔選擇了對(duì)應(yīng)的檔位，通過(guò)程序即可對(duì)應(yīng)控制Q12.0～Q12.4檔位電磁閥動(dòng)作。5個(gè)檔位變量如圖4所示。

圖4 檔位換擋變量

根據(jù)檔位換擋要求進(jìn)行操作檔桿的檔位選擇，通過(guò)程序?qū)n位電磁閥進(jìn)行輸出控制，完成換擋過(guò)程，梯形圖如圖5所示。

圖5 換擋程序

各傳感器實(shí)時(shí)模擬量信號(hào)采集，確定當(dāng)前狀態(tài)是否符合要求，根據(jù)扭矩傳感器反饋至PLC進(jìn)行模擬量的轉(zhuǎn)換得到實(shí)際扭矩值[3]。例如輸入端扭矩模擬信號(hào)輸入值IW96（Input_Torque），將該信號(hào)進(jìn)行逐級(jí)轉(zhuǎn)換，現(xiàn)將其由整數(shù)轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)，然后再將實(shí)際工程值（0.0～2500.0N）輸出至MD304進(jìn)行存儲(chǔ)并能在工控機(jī)監(jiān)控顯示。輸入端轉(zhuǎn)速信號(hào)輸入值IW98（Input_speed），將該信號(hào)進(jìn)行逐級(jí)轉(zhuǎn)換，將其由整數(shù)轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)，然后再將實(shí)際工程值（0.0～7000.0R）輸出至MD320進(jìn)行存儲(chǔ)并能在工控機(jī)監(jiān)控顯示。程序（部分）如圖6所示。

圖6 扭矩轉(zhuǎn)換圖

輸出扭矩模擬信號(hào)輸入值IW100（output_Torque），將該信號(hào)進(jìn)行逐級(jí)轉(zhuǎn)換，將其由整數(shù)轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)，然后再將實(shí)際工程值（范圍0.0～10000.0N）輸出至MD312進(jìn)行存儲(chǔ)并能在工控機(jī)監(jiān)控顯示。輸入端轉(zhuǎn)速信號(hào)輸入值IW102（output_speed），將該信號(hào)進(jìn)行逐級(jí)轉(zhuǎn)換，將其由整數(shù)轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)，然后再將實(shí)際工程值（0.0～5500.0R）輸出至MD328進(jìn)行存儲(chǔ)并能在工控機(jī)監(jiān)控顯示。程序（部分）如圖7所示。

圖7 輸出扭矩和轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換程序

在進(jìn)行切換倒擋檔位時(shí)，可通過(guò)傳感器檢測(cè)離合器當(dāng)前壓力值，通過(guò)遠(yuǎn)程I/O模塊傳回PLC并把壓力轉(zhuǎn)換成實(shí)際工程值。倒擋離合器壓力經(jīng)過(guò)IW68進(jìn)行整數(shù)轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)，其值除以100為實(shí)際實(shí)數(shù)壓力值存放在MD1068進(jìn)行存儲(chǔ)并在工控機(jī)監(jiān)控顯示。如圖8所示。

圖8 倒擋離合器壓力轉(zhuǎn)換工程值圖

3.5 工控機(jī)組態(tài)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

整套檢測(cè)系統(tǒng)由工控機(jī)進(jìn)行全方位監(jiān)控，采用西門(mén)子WINCC軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)控，界面設(shè)計(jì)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、基本信息、曲線等功能。圖9工控機(jī)組態(tài)監(jiān)控界面。

圖9 工控機(jī)組態(tài)監(jiān)控界面

監(jiān)控界面中包含了變速箱檔位選擇、檢測(cè)變矩器輸入端壓力、變矩器輸出端壓力、離合器前時(shí)檔壓力、離合器倒擋壓力、離合器1、2、3、4檔位壓力、輸入轉(zhuǎn)矩、輸出轉(zhuǎn)矩、泵流量、變矩器流量（潤(rùn)滑）、變矩器循環(huán)壓力（潤(rùn)滑）、變矩器出口溫度檢測(cè)等。

當(dāng)變速箱在1500 r/min轉(zhuǎn)的工況測(cè)試下，從V4-V1快速直接旋轉(zhuǎn)檔位從V4到V1實(shí)時(shí)監(jiān)控的曲線[4]。如圖10所示。

圖10 工控機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控曲線界面

界面中還針對(duì)檢測(cè)的零件批次和型號(hào)，變速箱序列號(hào)、工單號(hào)、客戶信息、測(cè)試時(shí)間等進(jìn)行監(jiān)控設(shè)計(jì)。

4 系統(tǒng)調(diào)試及驗(yàn)證分析

4.1 系統(tǒng)硬件安裝及調(diào)試

WG系列工程機(jī)械變速箱測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)安裝，通過(guò)與原有測(cè)試對(duì)象進(jìn)行對(duì)接調(diào)試與功能測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)方面的升級(jí)改造功能。系統(tǒng)平臺(tái)增加上位監(jiān)控工作站，由傳統(tǒng)的儀表平臺(tái)升級(jí)成了工控機(jī)控制系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)平臺(tái)改造前后的監(jiān)控臺(tái)和遠(yuǎn)程I/O實(shí)物圖如圖11、圖12所示。

圖11 改造前后的監(jiān)控臺(tái)實(shí)物圖

圖12 升級(jí)遠(yuǎn)程I/O

4.2 系統(tǒng)功能

通過(guò)3個(gè)月的前期準(zhǔn)備及3個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，系統(tǒng)完成了以下多項(xiàng)功能，達(dá)到了企業(yè)預(yù)期設(shè)計(jì)要求并進(jìn)入試運(yùn)行階段。

（1）工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)更新，實(shí)現(xiàn)主控PLC與遠(yuǎn)程I/O的PROFINET通信。改造后的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，彌補(bǔ)了原先設(shè)備不具備網(wǎng)絡(luò)通信的缺陷，提升了設(shè)備的自動(dòng)化程度以及監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的可控性和可靠性。通信采用的PROFINET通信方式將傳感器和控制器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化，減少了設(shè)備的線路敷設(shè)。

（2）新型傳感器的更換，測(cè)量采集系統(tǒng)更加準(zhǔn)確和安全可靠。采用新型傳感器進(jìn)行物理信號(hào)的采集，大大提高了精度等級(jí)，并且以德系的產(chǎn)品為主，加以配合西門(mén)子的PROFINET以太網(wǎng)的通信，極大地方便了設(shè)備的組態(tài)和精準(zhǔn)控制。

（3）人機(jī)界面能夠?qū)崿F(xiàn)修改參數(shù)、錯(cuò)誤顯示、合格率。組態(tài)監(jiān)控通過(guò)西門(mén)子WINCC（WINCC 7.5版本）實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的操作和監(jiān)控。WinCC 7.5版是一款功能強(qiáng)大的可視化組態(tài)軟件，此軟件集成了工廠智能、高效維護(hù)的創(chuàng)新過(guò)程可視化，具有可擴(kuò)展、開(kāi)放、靈活的特點(diǎn)，是西門(mén)子全集成自動(dòng)化系統(tǒng)的核心組成部分，可完整的應(yīng)用于各類工業(yè)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域。使用該組態(tài)軟件可以將各個(gè)工控環(huán)節(jié)的信息集中進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)處理，例如修改參數(shù)、錯(cuò)誤顯示、合格率等，大大提高了工作效率。

（4）全新開(kāi)發(fā)上位監(jiān)控界面（報(bào)表、動(dòng)態(tài)曲線），測(cè)試數(shù)據(jù)并可以存檔。在監(jiān)控系統(tǒng)中為了對(duì)全流程的變速箱各個(gè)檢測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，開(kāi)發(fā)了上位監(jiān)控界面，應(yīng)用了報(bào)表、動(dòng)態(tài)曲線等方式將動(dòng)態(tài)檢測(cè)過(guò)程進(jìn)行全程記錄，每臺(tái)變速箱測(cè)試的數(shù)據(jù)可以存檔，通過(guò)階段性分析得出變速箱的產(chǎn)品質(zhì)量報(bào)表。

（5）提供完善的日常生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)報(bào)表。系統(tǒng)除了對(duì)檢測(cè)過(guò)程進(jìn)行報(bào)表輸出，還為各級(jí)管理人員提供完善的、多種的統(tǒng)計(jì)報(bào)表和參數(shù)，為生產(chǎn)管理提供有力的數(shù)據(jù)分析。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)改造升級(jí)新的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)提高了檢測(cè)效率，保障了檢測(cè)質(zhì)量。

基于設(shè)計(jì)時(shí)間和成本投入等客觀因素的情況下，系統(tǒng)還未能對(duì)該設(shè)備的德國(guó)原裝電子系統(tǒng)也進(jìn)行全部改造，因?yàn)榇瞬糠峙c變速箱內(nèi)部幾個(gè)關(guān)鍵部件進(jìn)行連接，目前還未能開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)此部分改造內(nèi)容，如果此部分內(nèi)容也能突破，加上對(duì)測(cè)試箱箱體的重新設(shè)計(jì)，將能擺脫對(duì)此類設(shè)備進(jìn)口的依賴程度，極大提高國(guó)產(chǎn)裝備的應(yīng)用競(jìng)爭(zhēng)力。