1、风缸水压气压试验系统的毕业设计风缸水压气压试验系统的毕业设计风缸水压气压试验系统的设计摘 要制动装置是铁路货车的重要组成部分，是铁路货物运输秩序和安全的重要保障。货车制动装置检修的目的是恢复制动装置的性能。为满足铁路运输提速、重载的需要，保证运用货车制动装置的技术状态，适应制动新材料、新技术、新工艺、新结构的发展，铁路货车制动装置及其零部件必须按铁路货车制动装置检修规则进行检测和试验。重要零部件须采用专用量具进行检测，逐步实现检测自动化。制动装置及重要零部件须采用微控或数控设备进行检验。风缸作为铁路货车制动装置的一部分，其主要作用是被用来为其他制动装置储风。风缸的性能直接影响着其他制动装置的制
2、动功能，为此风缸的各项性能指标都要经过严格的测试后，方能在铁路货车上安装使用。为了满足风缸的各项性能指标测试要求，本文在微控方面进行了研究，相应地设计了一种以西门子S7-200系列 PLC为核心的风缸水压气压试验系统，使用VB6.0编程软件，在Windows环境下实现了上位计算机与PLC的串行通信，并以专家控制方式对整个测试过程进行实时监控。该设备可以用于40L、50L、11L、17L、40L/11L和17L/11L风缸新造、检修后的水密性、气密性试验，也可兼顾其它风缸水密性、气密性试验。关键词：风缸；串行通信；专家控制；VB；PLCAbstractbrake apparatus are an
3、 important part of Railway truck,and its also important guarantee of railway cargo transport order. Maintenance of the vehicle brakes purpose is to restore the performance of the braking system. In order to meet the speed rail transport, satisfy the need of the heavy burden, ensure that the use of t
4、ruck brakes state of technology ,to brake new materials, new technologies, new techniques and the development of the new structure. Railway vehicle braking device and its components must be rail vehicle brakes overhaul rules for testing and testing. The important components must to be used for measu
5、ring tool to testing, and gradually achieve automatic detection. Brakes and important parts to be used computer-control or NC-control equipment for testing. Wind-cylinder as the vehicle brakes as part of its main role is to be used for other brakes certificates wind.Wind-cylinder direct impact on th
6、e performance of the other brakes with brake function, for the wind-cylinder performance to go through stringent tests before being installed on the vehicle using the railway.In order to meet the wind-cylinder performance testing requirements, In this paper, micro-controlled areas were studied. Corr
7、esponding to design a Siemens S7-200 series PLC as the core of the wind-cylinder hydraulic pressure test system, VB6.0 use of software programming ,in the Windows environment to achieve the epistatic computer and PLC serial communications, and experts to control the entire testing process real-time
8、monitoring. The device can be used in 40 L, 50L, 11L, 17L, 40L/11L and 17 L/11L new wind-cylinder, the maintenance of watertight, airtight test, but also take into account other wind-cylinder watertight, airtight test.Key words: Wind cylinder; serial communication; expert control; VB; PLC第1章 绪 论1.1
9、项目的背景制动装置是铁路货车的重要组成部分，是铁路货物运输秩序和安全的重要保障。货车制动装置检修的目的是恢复制动装置的性能。为满足铁路运输提速、重载的需要，保证运用货车制动装置的技术状态，适应制动新材料、新技术、新工艺、新结构的发展，铁路货车制动装置及其零部件必须按铁路货车制动装置检修规则进行检测和试验。重要零部件须采用专用量具进行检测，逐步实现检测自动化。制动装置及重要零部件须采用微控或数控设备进行检验。风缸作为铁路货车制动装置的一部分，其主要作用是被用来为其他制动装置储风。风缸的性能直接影响着其他制动装置的制动功能，为此风缸的各项性能指标都要经过严格的测试后，方能在铁路货车上安装使用。储风
10、缸是货车在制动过程中使用的压力容器。其组焊后须按TBT19001998(铁道车辆用储风缸通用技术条件规定的额定压力条件进行水压和风压试验，在规定的时间内，检查储风缸是否泄漏。储风缸的风、水压试验过程： 多种规格的储风缸进行密封； 水和风的顺序输入及输出； 观察水或风达到压力值后等待保压时间； 翻转储风缸检查泄漏； 补焊后的重复试验操作； 水污染的清理。繁杂的操作过程严重影响了储风缸的生产效率和质量。根据铁路货车制动装置检修规则规定，储风缸的试验条件12为：储风缸须进行900kPa的水压试验，保压3min不得漏泄，不得产生永久变形，漏泄时焊修或更换。储风缸焊修后，须重新进行水压试验。水压试验后须
11、清除缸体内积水。双室风缸在水压试验前须对各气室分别以650700kPa的风压进行试验，内部串通时更换。1.2 课题的研究意义、应用前景为了满足风缸的各项性能指标测试要求，本文在微控方面进行了研究，相应地设计了一种以西门子S7-200系列 PLC为核心的风缸水压气压试验系统，使用VB6.0编程软件，在Windows环境下实现了上位计算机与PLC的串行通信，并以专家控制方式对整个测试过程进行实时监控。该设备可以用于40L、50L、11L、17L、40L/11L和17L/11L风缸新造、检修后的水密性、气密性试验，也可兼顾其它风缸水密性、气密性试验。该课题的研究意义主要有以下几点: （1） 该系统的
12、研制，符合铁路货车制动装置检修规则的规定，满足了市储风缸的性能的试验工艺要求，保障了铁路货车制动装置的安全。（2） 该系统对储风缸的检测过程主要通过微机控制完成，自动化程度高，可避免人为因素的干扰，保证了储风缸检测过程数据的准确性。（3） 该系统在结构设计上采用4工位设计，可同时检测4个不同型号的储风缸。检测精度高、效率高、一机可以多用，提高了企业整体生产效率和产品质量，增强了企业的竞争能力。1.3 本文的主要研究工作本文对风缸水压气压试验系统的机械结构、工作方式、工艺流程进行了分析研究，参阅大量关于风缸水密性、气密性的试验资料，针对铁路货车制动装置检修规则和风缸现场检测工艺，设计了该试验系统
13、的研控制方案。按照控制方案进行了硬件系统控制方案统的构建，软件系统的设计，现场实际安装调试。编写了全部的VB程序和PLC程序。实现风缸的水密性、气密性试验。本文所作的工作:1.研究的内容（1） 风缸水压气压试验系统的总体方案设计。（2） 选择合适的控制元件。（3） 完成风缸水压气压试验系统的电气设计。（4） 风缸水密性、气密性试验工艺设计。（5） 设计风缸水压气压试验系统的监控界面。（6） 编制风缸水压气压试验系统的PLC程序。（7） 完成上位计算机与下位PLC控制器的串行通信。（8） 实现风缸水压气压试验系统控制的自动化。（9） 建立专家控制知识库。（10） 完成风缸水压气压试验系统的机械设
14、计。2.实验方法（1） 收集关于外圆磨床数控成型各种相关资料，对资料进行学习。（2） 对VB编程软件进行学习。（3） 对PLC系统的编程和操作进行学习。（4） 学习上位计算机与下位PLC控制器的串行通信。（5） 对风缸的水密性、气密性试验要求进行学习研究。（6） 现场对风缸水压气压试验系统进行安装调试。（7） 绘制风缸水压气压试验系统的相关图纸。第2章 系统的组成及工作原理风缸水压气压试验系统为满足铁路货车各种型号的储风缸的试验要求，系统在设计上主要由机械系统345和控制系统组成，其整体结构示意图如图2.1所示。图2.1 风缸水压气压试验系统整体结构图2.1 机械系统2.1.1 测试台主体风缸
15、水压气压试验系统在机械结构上采用一拖二结构，1个电气控制柜，2个试验台。每个试验台可同时试验两个风缸，共计四个工位。单个试验台由夹紧装置，风缸支架和循环水箱组成，如图2.2所示。1.夹紧装置风缸水压气压试验系统的夹紧装置由夹紧爪，气缸和摇架组成。夹紧装置主要用于对待侧气缸的夹紧固定，防止在试验过程中晃动。夹紧爪用来固定气缸，为防止划伤风缸，夹紧爪表面带有10mm厚的胶皮垫。气缸用来向下和向下推动夹紧爪，气缸的推力需大于气缸晃动的力。摇架用于固定气缸，为方便风缸上下货的操作，摇架分为两段，由滑动轴承连接。2.风缸支架风缸水压气压试验系统的风缸支架由气缸支架和气缸支架滑轨组成。风缸支架主要用来支撑
16、待测风缸，以及配合夹紧装置固定风缸。气缸支架用来支撑待测风缸，每个工位上由两个支架构成，其中一个为固定支架，另一为活动支架，这是为了适应不同规格的风缸设计的。每个U型支架装有2个尼纶滑轮，可方便风缸翻，便于测试过程中的排水。气缸支架滑轨用作活动支架的滑轨。3.循环水箱循环水箱为不锈钢材料的储水箱，主要用来储存风缸测试过程中所用到的水，为节约水资源，系统在注水过程设计上采用循环方式。1-夹紧气缸；2-夹紧爪；3-待测气缸；4-气缸支架；5-气缸支架滑轨；6-循环水箱图2.2 单个试验台结构示意图2.1.2 控制机柜风缸水压气压试验系统的主控制部分都在控制机柜中安装。控制机柜安装有计算机显示器、键
17、盘、鼠标、工控计算机、打印机、通讯线/连接线、UPS等设备元件，控制电气安装在控制柜背面。控制机柜的布置图如图2.3所示。1-显示器；2-键盘/鼠标；3-工控计算机；4-打印机；5-通讯线/连接线；6-UPS；7-控制电气在控制柜背面。图2.3 单个试验台结构示意图1.显示器显示器主要用于显示整个系统试验过程中的动态数据，能让操作者直观的看到系统的各种相关信息和数据，是系统的终端输出设备。 2.键盘/鼠标键盘和鼠标主要用于对系统输入各种信息，如用户名、登录密码、储风缸型号、传感器参数、查询数据等信息，是系统的终端输入设备。3.工控计算机工控计算机主要用于接收下位机PLC发送的数据，通过对这些数
18、据进行相关的解析处理，完成各种逻辑判断和控制功能，并且制作有数据库功能，可对试验数据进行查询，参数设置，是整个系统的大脑。4.打印机打印机主要用于对储风缸试验结果的报表输出。5. 通讯线和连接线通讯线采用的是PC/PPI电缆，主要用于上位机计算机与下位机PLC的数据通讯信道，计算机端为RS-232端口，PLC端为RS-485端口。通讯协议为自由通信端口协议。连接线采用的是屏蔽线及其它多芯电缆，主要用于连接传感器和输入输出元件。6.UPSUPS作为不间断电源，是由电池组、逆变器和其他电路组成，主要用于在系统断电时提供交流电力的电源设备。7.控制电气控制电气是组成系统控制电路的不可缺少的电气元件，
19、主要完成输入输出信号，电流电压保护、继电器保护、拖动控制等功能。2.1.3 供水与供风装置储风缸需要作水密性、气密性试验，在水密性试验中需要向储风缸中注入水，在气密性试验中需要向储风缸中注入气，所以在两种试验中都需要提供供水装置和供风装置来配合试验。1.供水装置风缸水压气压试验系统的供水装置由温控水箱、恒压水泵及电控系统等组成。温控水箱由双层不锈钢板焊成，内有电加热器。通过恒温装置自动调节水温，以免在高湿度环境下，因试验水温低，储风缸表面结露而误判为漏水。为了保证管道和阀门不堵塞，水箱内设2层过滤网及挡水板，将水箱分成3段，以保证使用的循环水清洁。为节约能源和便于控制，采用进口恒压变频水泵，来
20、保证各台位所需的水量和水压。因储风缸泄漏或蒸发，水箱水位降低，由软件根据水箱内水位开关信号自动控制补水。2.供风装置供风装置由2个风源提供给0.6 m3储风包，风由储风包提供给各试验台位。采用进口空压机，提供干净风源，以保证测试性能可靠。为使供气压力稳定，减少空压机启动次数，车间内配有700kPa风源，风经过单向阀输入储风包。2.2 控制系统2.2.1 气动液压控制系统气动控制系统67中，每一工作台位有1个气缸，垂直布置于夹紧装置的摇架上方，气缸用来顶紧储风缸，为防止断电造成储风缸晃动，每只气缸的动作都处于常闭状态，分别由手动开关通过电磁阀来控制。液压控制系统中由1个注水泵和1个打压泵对储风缸
21、进行打压注水，先由注水泵对储风缸快速注水，当注满水时注水泵停止运行，转换成打压泵对储风缸进行打压，打压至900kpa，停止打压。整个过程的压力通过压力传感器采集压力信号，传输给PLC控制器的模拟量扩展块中，经过A/D转换，再传输给上位机计算机进行逻辑判断，把判断动作结果发送回PLC控制器中，注水泵、打压泵、风源等动作机构做出相应动作。气动液压控制系统的原理图如图2.4所示。气动液压控制系统的结构图如图2.5所示。排水软管 阀门1压缩空气 阀门2注水泵 阀门3打压泵 阀门4图2.4 单工位气动液压控制系统的原理图循环水箱图2.5 单工位气动液压控制系统的结构图2.2.2 电气控制系统电气系统89
22、包括：计算机、PLC、打压泵、注水泵、压力传感器、恒温水箱和各台位的控制阀门等。其中各台位的控制阀门、打压泵、注水泵等为系统的被控对象，压力、阀门开关状态、输入输出端口等为系统的被测对象。系统根据设置可完成智能化运行。通过压力传感器采集储风缸的水压气压值，并将信号传递给主控制器PLC。PLC对所采集的信号进行A/D转换、滤波、整流等处理，再与上位监控机进行通信，把处理后的信号发送给上位监控机。监控机对下位机所发送的信号进行判断，完成上位机试验系统的动态显示、数据记录、系统报警等动作，以及完成对下位机被控对象的相应动作控制，实现对整个试验系统的监控。另外，管理员也可以通过上位监控机直接对整个试验
23、系统进行控制。以上所有的动作都是实时的。整个试验系统的工作原理如图2.6所示。图2.6 系统工作原理框图为了满足试验现场的多种控制要求，使系统更具人性化，整个试验系统采用“自动控制”、“手动控制”两种种控制方式。自动控制方式是一种智能化控制方式，无人参与，整个试验过程都由上位机计算机完成，是以自动方式对储风缸进行试验。手动控制方式是指有人参于的一种控制方式，通过控制按钮直接操作试验过程，是以手动方式对储风缸进行试验。手动控制与自动控制具有互锁，系统只能在一种工作方式下运行。电气系统系统的工作流程如图2.7所示。系统在试验开始将先判断是否是自动运行，如果不是将转化成手动控制，如果是将进行储风缸是
24、否夹紧判断；如果没有夹紧将提示夹紧储风缸，如果储风缸是夹紧的将进行水密性试验；对储风缸水密性试验结果判断，如果不合格将继续试验，如果合格将进行气密性试验；对储风缸气密性试验结果判断，如果不合格将继续试验，如果合格将提示用户，进行下步操作。图2.7 电气系统系统的工作流程图2.2.3 软件系统风缸水压气压试验系统的软件系统主要由上位机计算机监控软件和下位机PLC程序组成。上位机计算机监控软件由Visual Basic 6.0软件开发工具编制的，主要实现系统试验过程的实时监控和专家控制功能，上位机可以通过这个监控软件完成上位机计算机与下位机PLC之间的串行通信，试验过程动态显示，数据库管理，试验数
25、据分析等功能。下位机PLC控制器是整个系统的主控单元，在系统试验过程担负着一定的逻辑判断功能，对于PLC的程序采用梯形图编程语言编制，用户程序主要由主程序、子程序和中断程序3部分组成。主程序主要用于主要控制过程编程，子程序主要用于通信程序初始化、参数初始化等，中断程序主要用于数据的接收和发送中断。第3章 PLC程序设计3.1 PLC简介3.1.1 PLC的概述PLC1011是60年代末在美国首先出现，当时叫可编程逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller），目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。PLC的基本设计思想是把计算机功能完善、
26、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内。控制器和被控对象连接方便。随着半导体技术，尤其是微处理器和微型计算机技术的发展，到70年代中期以后，PLC已广泛地使用微处理器作为中央处理器，输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，这时的PLC已不再是逻辑判断功能，还同时具有数据处理、PID调节和数据通信功能。可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、
27、定时、计算和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用微处理器的优点。可编程序控制器对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺，因此可在初步设计阶段选用可编程控制器，在实施阶段再确定工艺过程。另一方面，从制造生产可编程控制器的厂商角度看，在制造阶段不需要根据用户的订货要求专门设计控制器，适合批量生产。由于这些特点，可编程控制器问世以后很快受到工业控制界的欢迎，并得到迅速的发展。目前，可编程控制
28、器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的应用。3.1.2 PLC的特点1.编程方法简单易学梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似。梯形图语言简单形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。2.功能强大，性价比高。一台小型可编程序控制器内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。3.硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强。可编程序控制器产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用
29、户选择，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。4.可靠性高，抗干扰能力强。可编程序控制器用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，尽剩下与输入和输出有关的少量硬件，减少因触点接触不良造成的故障。可编程序控制器还采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时。5.系统的设计、安装、调试工作量少。可编程序控制器用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。6.维修工作量小，维护方便。可编程序控制器的故障率很低，具有完善的自诊断和显示功能。7.体积小，能耗低小型可编程序控制
30、器的体积仅相当于几个继电器的大小。可编程序控制器的配线比继电器控制系统的配线少得多，故可以节省下大量的配件和附件。3.1.3 可编程序控制器的基本结构可编程序控制器主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程装置组成。如图3.1所示。图3.1 PLC控制系统示意图1.CPU模块在可编程序控制器控制系统中，CPU相当于人的大脑，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出。2.I/O模块I/O模块实际上是PLC与被控对象间传递输入输出信号的接口部件。I/O模块有良好的电隔离和滤波作用。接到PLC输入接口的输入器件是各种开关、按钮、传感器等。PLC的各输出控制器件往往是电磁阀、接触器、继电器，
31、而继电器有交流和直流型，高电压型和低电压型，电压型和电流型。3.编程装置编程装置是PLC的最重要外围设备。利用编程器将用户程序送入PLC的存储器，还可以用编程器检查程序，修改程序，监视PLC的工作状态。除此以外，在个人计算机上添加适当的硬件接口和软件包，即可用个人计算机对PLC编程。利用微机作为编程器，可以直接编制并显示梯形图。4.电源可编程序控制器使用220V交流电源或24V直流电源。内部的开关电源为各模块提供DC5V、12V、24V等直流电源。小型可编程序控制器一般都可以为输入电路和外部的电子传感器（如接近开关）提供24V直流电源，驱动可编程序控制器负载的直流电源一般由用户提供。3.1.4
32、 PLC的工作原理PLC采用循环扫描的工作方式，在PLC中用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直到遇到结束符后又返回第一条，如此周而复始不断循环。PLC的扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。当PLC处于停状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。1.输入处理输入处理也叫输入采样。在此阶段，顺序读入所有输入端子的通端状态，并将读入的信息存入内存中所对应的映象寄存器。在此输入映象寄存器被刷新。接着进入程序执行阶段。在程序执行时，输入映象寄存器与外
