可编程控制器在地铁车辆轴承清洗机中的应用

［摘要］：本文介绍了以西门子S7-200系列可编程控制器216为核心的控制系统的组成及特点和基本原理，说明了在实际应用中的一些措施和解决办法。
［关键词］：地铁，车辆检修设备，思承清洗机，PLC可编程控制器，自动控制。 可编程控制器在地铁车辆轴承清洗机中的应用 徐贺 可编程控制器在地铁车辆轴承清洗机中的应用 ,PLC ,轨道交通
摘要：本文介绍了以西门子S7-200系列可编程控制器216为核心的控制系统的组成及特点和基本原理，说明了在实际应用中的一些措施和解决办法。
关键词：地铁，车辆检修设备，思承清洗机，PLC可编程控制器，自动控制。
1前言：
地铁车辆滚动轴承清洗机是为德黑兰地铁客车42724QT、152724QT型轴承进行除锈、清洗的设备。它可以对轴承外圈进行除锈，采用热水溶液和清洗剂对轴承（轴承内圈清洗应在其它设备中完成）进行压力清洗，清水漂洗，热风烘干、压力油洗等工序，最终使轴承无油污、锈迹，达到检修要求的清洁度。
由于该设备是出口产品，因此对整机的要求比较高。尤其是对电控系统要求，体现在以下几方面：
1.1可靠性
必须保证设备在大修周期内无大故障，在工艺检修作业时工作稳定可靠。因此对控制方案，器件的选择与配置，抗干扰措施等均有较高要求。
1.2人机界面友好
要求人员是否简洁明了，最好采用溶汇人机工程学和工业设计理念的傻瓜式人机界面。
1.3设备的维护性
必须提供良好的维护性能。例如快速调换器件，良好的器件及布线识别，经济而又适合的操作空间等等。
2轴承清洗机的工作原理
2.1轴承清洗机的机械原理图：
如图2--1所示，为轴承清洗机的机械结构原理图，包括部分外围电器件布置图。
其基本愿理如下：
轴承清洗机的机械结构，采用卧式机身。
轴承清洗机的这种结构具有以下特点：
（1）结构紧凑，减小体积。
（2）轴承从侧面进出该机，自动工作，便于实现自动化工作线。
（3）多工位递进，同时工作，提高了效率。
（4）功能强大。包括手动，自动，点动等。
（5）电气系统采用西门子公司S7—200的216为核心，西门子和法国TE等产品为外围电路。
整个系统共分为六个工位：
I工位为轴承提升工位。
Ⅱ工位为轴承外圈除锈工位，驱动电机使刷子旋转，使刷子压到轴承外圈外表面，同时还使刷子做轴向 往 复运动，以清除轴承外圈污锈；
Ⅲ工位为洗涤剂清洗工位，喷射洗涤剂以清除油污；采用二个侧洗头同时工作。
Ⅳ工位为清水冲洗工位，冲洗掉轴承上的洗涤剂残留物。
Ⅴ工位为油洗工位，以防锈蚀；
Ⅵ工位为烘干工位。

2.2气动系统动作执行原理图
其功能包括轴承提升，除锈刷子进給和摆动，侧洗头往复进給，轴承顶出，开门等动作。如图2—2所示。其中采用六个顶出缸是为了使各工位的轴承有序地执行工位程序，保证彼此不发生冲突。
如图2--1所示，行程开关XK1指示轴承提升的气缸到位，行程开关XK6，XK7指示开门和关门的气缸到位。
2个侧洗头往复进給的频率为5秒1次，它的往复进給运动由行程开关XK2，XK3及XK4，XK5的位置决定。如图2—2所示，在气动图上它们由同一阀控制。
五个开关门的气缸亦由同一阀控制。

2.3电磁执行器件动作真值表
其中包括喷水，喷油，喷清水的阀的电磁铁，轴承提升，除锈刷子进給和摆动，侧洗头往复进給，轴承顶出，开门等气动阀的控制电磁铁等的动作真值。如表2—3所示。
2.4电执行器件动作逻辑图
其中包括整个轴承清洗的工艺过程，诸如洗涤液温度，喷水，喷油，喷清水的阀的电磁铁，轴承提升，除锈刷子进給和摆动，侧洗头往复进給，轴承顶出，开门等气动阀的控制电磁铁等动作。如图2—4所示。


3轴承清洗机电控系统设计上的几方面措施与对策：
3.1设备的可靠性对策
考虑到环境的潮湿，采取如下对策：
（1）电控柜与清洗主机相分离，杜绝水的泄漏和喷溅以防电器件受潮。
（2）合理布局电控柜，留出合理通风空间；
（3）在柜内加装带滤网的通风扇，加装带滤网的百叶窗等；
（4）加强管道布线和设备连线时的防水处理；
（5）针对现场实际，留出可变高度的走行式电控柜地脚；
为加强系统的内在可靠性，加强了以PLC为核心的抗干扰措施。如：
（1） 带有印刷电路板的器件加装防振胶垫，电控柜地脚加防振垫；
（2）保证PLC电控柜机和PLC本身的正确接地。单独设置专用地线；
（3）合理排布柜内器件布局，实行强弱分离；交流与直流分离；输入与输出分离；PLC远离动力线、交流线和继电器；
（4）加强隔离与屏蔽，在PLC电源入口处布置隔离变压器以去除常模干扰和共模干扰；采用金属网隔离等；
（5）合理采用导线型，区别不同情况分别采用双丝线，单端接地屏蔽线等等。
3.2关于人机界面友好的对策
在满足功能的前提下，尽量引入工业设计的理念，以工业设计的方法和手段，使产品的形态与功能、结构和工艺以及人——机——环境达到协调统一。
考虑到诸多相关因素，例如，机器的颜色是否对伊斯兰教徒有忌讳；电控柜外观比例、色彩是否协调等等。
考虑到人出口设备的人——机——环境的关系，也应做相应处理，例如：
（1）电控柜的操作面板高度应符合伊郎等中西亚地区人的平均身高，使操作者操作便捷、不费力；
（2）操作台面板尽量采用“傻瓜式设计”，带有各种指示和英文说明，有自动流程和手动流程的线条设计，使操作者一目了然；而其功能排序严格按照工艺流程的次序。
（3）急停按钮放置在距其它按钮较远且醒目的地方；
（4）电控柜的布置要既利于观察电器件的执行情况，又要方便地观察工件在设备中的情况。
3.3关于设备的易维护性的对策
考虑到伊朗地铁运营的实际，提高设备的易维护性尤为重要。
（1）电控柜内设有放置调试用编程器的可拆卸托架；
（2）电控柜内设置供照明和连接电烙铁用的插座；
（3）经常拆卸线缆处的端子体积要大些，可靠性要高，因此选用phonix的UK系列端子，对于电磁阀的输出部分，选用UK系列带熔断器的断子。既增加了可靠性，又减少了体积。
（4）采用线槽+导轨+背板的布线方式，方便器件的更换和临时连接调试线；同时不影响设备外观。
（5）在电控柜外侧装设专用大连接器和主机设备相连，便于排错和运输，也便于联机调试等等。
3.4在设计上保证一定冗余
针对可能出现的各种问题，提出应对各种故障的方案、兼容考虑各种方案。
其次采取相应措施，例如，配电柜内易损件处给予一定数量的备用器件，以方便现场立即更换，快速恢复到工作壮态；同时，可以设计出冗余的端子和跳线器相结合，以实现不同的控制和自检功能。在PLC上也采用调试程序和工艺运行程序相结合方式，或者更换PLC的E2PROM来实现不同的控制流程。
3.5轴承清洗机电控的基本构成与功能
控制系统由电气控制柜和外部电气执行元件构成。电控柜包括柜体、操作面板、配电盘、接线端子、接插件等构成。其方案一电气原理图如图3—5所示。
本机采用可编程控制器S7--200系列的216加上扩展板块16入16出的6ES7-223-1PL00-OXAO和8 `


入8出的扩展模块6ES7-223-1PH00-OXAO。采用灯H9，H11，H12编码来显示故障类型。因而故障的定位须靠使用说明书上的说明来一一对应解释。
为保证24VDC的供电，选用西门子公司的SITOP电源，额定电流5A。如图3—5所示，洗涤剂泵电机采用Y—Δ启动器，由外部手动控制，其它的电机亦如此。在自动循环流程中，用电磁阀来控制相应的液流喷出或关闭。
为抗干扰考虑，在PLC216的电源输入端采用自耦变压器来抑制来自交流电源的干扰。
为维修方便考虑，在电控柜内安装交流220V的电源插座PLUG，供照明灯HE1电烙铁使用。
洗涤剂泵电机，驱动电机等均采用断路器保护的方式以减少空间体积。
上电开关S通过接触器K来供给继电器组和电磁阀组电源。
KM1，KM7，KT1，KM8组成Y-△启动器。KT为电子式时间继电器H5CN的线圈。
KM2─KM6为继电器线圈，1DT─14DT为电磁阀线圈。
面板上的复位按钮RESET，用于在手动过程中，把各执行器件（包括机械执行器件）回复到初始位置。
急停按钮EMERGENCY STOP，用于在运行过程中，紧急停止。
面板上的三个信号灯H9、H11、H12组成故障显示器，以编码形式定位故障类型。
灯测试旋钮SA17能在停止模式下，使所有面板上的信号灯以1秒的间隔闪烁，从而诊断灯的好坏。
对于各电磁阀，采用RC吸收网络和压敏电阻来施过压保护。
自动模式下的开始旋钮SA16用来开始自动流程。
系统共有三种工作模式：由转换开关SAI实现。
手动模式：在此模式下，按下任何一个按钮都将产生一个相对应的动作。主要是由于调试和设备维修。当然，按照操作面板上的流程指示，也可以采用手动方式完成整个工作流程。
停止模式：在此模式下，提供系统测试功能。
自动模式：在此模式下，系统的运行由外部输入状态信息及设定的程序所控制。此模式是本系统日常正常工作模式，在选择旋钮SAI旋到自动模式后，旋动自动启动钮SA16自动工作流程就开始，系统自动完成整个清洗机的复位，主定时时间参数输入（主定时器由人工输入后被记忆，即使掉电也可保持设定定时范围为0—10分钟）及计时，各工序流程的进行以及故障信息显示等等。一但主定时时间到，整个流程自动结束。
方案二，如图3—6所示，采用文本器TD200代替信号灯H9，H11，H12来显示故障信息。仍采用电子式时间继电器来输入设定的时间参数。该方案有如下特点：
（1）良好的定时器设定界面：所采用电子式时间继电器H5CN是OMRON公司的产品，计时范围0.001秒至99小时59分钟，精度为±0.005±0.03S，寿命为10×106操作，是UL和CSA认证的产品。该定时器采用BCD码拨盘，设定时简单明了；该定时器的设定参数不会因掉电而消失；同时，可在线修改定时参数。而如果采用TD200文本显示器来输入参数，并由216内部的定时器来定时，使得整个参数设定过程太复杂，对于地铁现场的操作工人而言，未免太不方便。
（2）采用TD200文本显示器来显示信息，容量大，最多可显示80条信息，界面直观明了；
（3）比较方案一和方案二，可以看出，方案二节省了一个8入8出的扩展模块6ES7-223-1PH00-OXAO，而增加了一个TD200文本显示器来显示信息。从成本上来讲，略有增加。
（4）利用TD200文本显示器还可以用它的功能实现PLC216的I/O点的诊断，从而测试PLC216的各个输入和输出的实际功能。
（5）利用TD200文本显示器可以使用F1─F8实现不同控制方案的切换。
（6）利用TD200文本显示器可以修改控制的过程变量，以方便设计者现场整定参数。
3.6系统的控制软件
本系统采用西门子公司的MicWIN STEP2.1版本，可方便地进行输入输出的定义，状态的监测与强制执行，及程序的在线仿真和参数的修改等，其主流程图如图3-7所示。
本软件由子程序1，子程序2和子程序3等组成。
子程序1，子程序2和子程序3的说明见软件清单的`注释。

4 结论
经过试验以及国际商检，本机的综合性能均达到了设计要求，得到了伊朗业主的认可。
经过这次德黑兰地铁国际中标设备的开发设计，我们有YI以下体会：
（1）在方案选择上，一定切合标书，有针对性地做到不漏项。
（2）在系统功能设计上，切合标书尽量运用最新科技成果的独到功能。
（3）在电控器件选择上，尽可能地选择国际上著名公司的产品。例如，这次选用的西门子，法国TE的产品，在商检中均免检。
参考文献：
1．吴少洪等， PLC软元件在电气系统可靠性设计中的应用选择方案, 电工技术杂志 1999.3
2．徐贺，设计开发德黑兰地铁车辆检修设备电控系统的思路,哈尔滨铁道科技 1999，2
3．徐贺，在伊郎中标的德黑兰地铁自动洗车机，中国铁路，1999，No.7