论文部分内容阅读
摘要：本文介绍一种全新的以组态软件开发的电力机车SS8、SS9一系、二系弹簧性能测试系统，此系统以工控机为上位机，PLC为下位机，基于Windows XP操作平台，实现弹簧性能的自动测试。
关键词：弹簧 组态软件 PLC 数据采集 报表与曲线
1.引言
现在铁路对机车配件的质量要求已经越来越高，由于机车多次的提速，对机车的平稳度、缓冲性、安全性的各种要求也非常严格。而弹簧在这方面起到了很大的作用，因此对弹簧质量的要求也越来越高，要保障整个机车的高质量就需要先进的检测手段，我公司技术工程人员，尽心研制了这台工控弹簧测试机，来满足弹簧测试的技术要求。
本系统运用微机测控技术，对电力机车SS8、SS9一系、二系弹簧的自由高、压缩高、压缩力进行自动测试。在微机操作界面设置好数据之后，只需按下界面上的“试验开始”按钮就可以通过压力传感器检测出弹簧力，磁栅尺的信号转换成弹簧的高度，并将所测数据实时生成报表以及弹簧形变—弹簧力关系曲线，自动生成历史报表和曲线并储存，还可即时打印出弹簧的数据及弹簧力关系曲线，报表和曲线可以通过历史查询界面随时查阅。
2.系统硬件结构
控制与数据采集系统采用上位机和下位机组成，系统硬件结构如图1所示。
系统对运行速度、灵敏度、稳定性及抗干扰等方面有较高的要求，经过考察最后决定选用研华工控机作为上位机，它具有比普通PC机更强的I/O扩展功能，内置8MB独立显存支持3D图形加速，这样更能直观的监控现场。在此工控机上可完成计算机测控程序的设计和开发、PLC程序的开发以及将软件通过RS-232串口传送至PLC的CPU单元中。
为了操作界面的美观，特别在微机中已安装了已开发好的MCGS工控组态软件。在此软件的操作平台上，微机与PLC的连接，以及数据的转换与处理都方便了很多，并且操作简洁，可直接显示实时数据。
下位机采用功能强大、可靠性高、维护方便且抗干扰能力强的施耐德可编程控制器Twido PLC实现弹簧数据的采集和控制。Twido PLC由CPU模块、A/D转换模块、I/O模块、RS-485通信模块组成。
由于系统在满足全自动测试要求的同时，还必须有手动操作功能（在调试过程中需要也用到），所以配备有手动操作按钮和HMI文本图形显示器。通过按钮对现场执行机构进行控制，测试数据在HMI文本图形显示器上显示。
传感器包括磁栅尺和荷重传感器。磁栅尺将位移信号转换为A、B二路相位相差90O的脉冲信号，脉冲当量为0.1mm/P。A、B二相脉冲信号输入PLC中，由PLC的加减高速计数器对脉冲进行计数，并通过PLC编程将脉冲数据换算成弹簧的高度。荷重传感器将弹簧的压缩力转换为4～20mA的电流信号，信号由PLC的A/D转换模块采集，再转换为数字量，储存在PLC的内部寄存器中。
控制信号由手动控制按钮、压力保护开关等组成。
3.系统软件结构
3.1 计算机测控软件
上位机采用MCGS组态软件，该软件具有强大的数据处理功能以及动画显示功能。MCGS组态软件提供了计算机与PLC进行通信的驱动程序，通过串口访问PLC的数据寄存器。
利用MCGS组态软件的开发平台，设计弹簧测试系统的计算机测控程序。实现的主要功能有：
1）显示功能：弹簧压缩动态过程；弹簧力、弹簧高的实时测量值。
2）管理功能：按车型、类型和编号等参数对弹簧的测试数据进行储存，生成历史数据库；取得权限的操作人员可以对弹簧的试验理论参数进行修改。
3）报表与曲线：根据测试数据生成报表和弹簧形变—弹簧力关系曲线，并可打印。
4）控制功能：对现场执行机构进行操作。
在程序中，设计了参数设置界面、弹簧试验数据界面、报表界面等人机对话界面，操作人员根据界面提示进行操作。
在弹簧参数设置界面中，要求用户为要测试的弹簧设置参数，包括：车型、类型和编号。如果参数设置不正确，计算机将发出提示信号；同时取得权限的操作人员可以对弹簧的试验理论参数进行修改，修改后的数据自动保存。
在弹簧试验数据界面中，设置了控制按钮，按钮控制信号通过串口写入PLC相应的数据寄存器中，由PLC对现场执行机构进行控制；界面上还设置了虚拟仪表，对弹簧的实时数据进行监控。
在弹簧压缩的过程中，采集10个点，每个点包括：弹簧力、该弹簧力下的弹簧高以及弹簧压缩量。如图2所示。
所有的试验数据储存在Access数据库中，有关参数储存在Excel表格中。通过报表生成程序和曲线生成程序形成报表和弹簧形变—弹簧力关系曲线，如图3所示。历史数据的内容按照弹簧车型、类型进行了分类的保存。弹簧的实验数据，在表格的对应位置都可以查到。为方便随时查询历史数据，此Excel表格可用U盘烤出，上传至网络，可与设计者本人联络，研讨数据的变化是否情况是否符合要求。如工作现场的工控机可以直接连上互联网，那么只要安装相应的软件就可以实现远程操控，即通过网络修改程序、远程调试数据，与操作人员网上会话，这样方便了以后的服务工作，有问题可以即时处理。
1）校驗程序
用标准长度的量棒对测试机压头与底座的高度进行校验。将量棒放置在底座上，当压头接触到量棒时，将量棒的长度数据写入PLC高速计数器中，作为测试机的高度基准。
2）手动程序
作为微机系统的备用程序，一方面当计算机系统出现故障时，可以人工测试，测试数据在HMI文本图形显示器上显示，但此时的检测数据需要手动记录下来，并且数据不能够存储；另一方面，测试机调试时使用。
3）自动程序
根据不同型号的弹簧，自动将压缩力分为10等份，在弹簧压缩过程中，每经过一个压缩力点，将压缩力、弹簧高度、压缩量作为一组数据储存在相应的PLC数据寄存器中，一共储存10组数据。同时，计算机通过RS-232/485接口将数据读入内存，并且储存在数据库中。
4.其它技术措施
为了提高测试精度，对荷重传感器的线性度进行了分段矫正。这样，在每段中，荷重传感器输入、输出信号可以视为是线性的。
传感器电源采用具有隔离作用的直流线性稳压电源，信号传输线采用屏蔽电缆，并单端接地，可靠地解决了干扰问题。
5.结束语
本文设计的基于PLC和组态软件的弹簧测试机测控系统利用了PLC抗干扰能力强，适用于工业现场的特点，又利用了MCGS组态软件强大的数据处理和图形表现的能力，融合了较先进的自动化技术、计算机技术、通信技术，具有可靠性高、操作简单、维护容易的特点。目前该弹簧测试机已经在广州机务段投入使用，效果良好。
参考文献
1）施耐德Twido PLC硬件手册
2）施耐德Twido PLC软件手册
3）MCGS 5.1组态软件使用手册
4）刘士阳. 基于PLC和组态软件的搅拌站控制系统. 工控网
关键词：弹簧 组态软件 PLC 数据采集 报表与曲线
1.引言
现在铁路对机车配件的质量要求已经越来越高，由于机车多次的提速，对机车的平稳度、缓冲性、安全性的各种要求也非常严格。而弹簧在这方面起到了很大的作用，因此对弹簧质量的要求也越来越高，要保障整个机车的高质量就需要先进的检测手段，我公司技术工程人员，尽心研制了这台工控弹簧测试机，来满足弹簧测试的技术要求。
本系统运用微机测控技术，对电力机车SS8、SS9一系、二系弹簧的自由高、压缩高、压缩力进行自动测试。在微机操作界面设置好数据之后，只需按下界面上的“试验开始”按钮就可以通过压力传感器检测出弹簧力，磁栅尺的信号转换成弹簧的高度，并将所测数据实时生成报表以及弹簧形变—弹簧力关系曲线，自动生成历史报表和曲线并储存，还可即时打印出弹簧的数据及弹簧力关系曲线，报表和曲线可以通过历史查询界面随时查阅。
2.系统硬件结构
控制与数据采集系统采用上位机和下位机组成，系统硬件结构如图1所示。
系统对运行速度、灵敏度、稳定性及抗干扰等方面有较高的要求，经过考察最后决定选用研华工控机作为上位机，它具有比普通PC机更强的I/O扩展功能，内置8MB独立显存支持3D图形加速，这样更能直观的监控现场。在此工控机上可完成计算机测控程序的设计和开发、PLC程序的开发以及将软件通过RS-232串口传送至PLC的CPU单元中。
为了操作界面的美观，特别在微机中已安装了已开发好的MCGS工控组态软件。在此软件的操作平台上，微机与PLC的连接，以及数据的转换与处理都方便了很多，并且操作简洁，可直接显示实时数据。
下位机采用功能强大、可靠性高、维护方便且抗干扰能力强的施耐德可编程控制器Twido PLC实现弹簧数据的采集和控制。Twido PLC由CPU模块、A/D转换模块、I/O模块、RS-485通信模块组成。
由于系统在满足全自动测试要求的同时，还必须有手动操作功能（在调试过程中需要也用到），所以配备有手动操作按钮和HMI文本图形显示器。通过按钮对现场执行机构进行控制，测试数据在HMI文本图形显示器上显示。
传感器包括磁栅尺和荷重传感器。磁栅尺将位移信号转换为A、B二路相位相差90O的脉冲信号，脉冲当量为0.1mm/P。A、B二相脉冲信号输入PLC中，由PLC的加减高速计数器对脉冲进行计数，并通过PLC编程将脉冲数据换算成弹簧的高度。荷重传感器将弹簧的压缩力转换为4～20mA的电流信号，信号由PLC的A/D转换模块采集，再转换为数字量，储存在PLC的内部寄存器中。
控制信号由手动控制按钮、压力保护开关等组成。
3.系统软件结构
3.1 计算机测控软件
上位机采用MCGS组态软件，该软件具有强大的数据处理功能以及动画显示功能。MCGS组态软件提供了计算机与PLC进行通信的驱动程序，通过串口访问PLC的数据寄存器。
利用MCGS组态软件的开发平台，设计弹簧测试系统的计算机测控程序。实现的主要功能有：
1）显示功能：弹簧压缩动态过程；弹簧力、弹簧高的实时测量值。
2）管理功能：按车型、类型和编号等参数对弹簧的测试数据进行储存，生成历史数据库；取得权限的操作人员可以对弹簧的试验理论参数进行修改。
3）报表与曲线：根据测试数据生成报表和弹簧形变—弹簧力关系曲线，并可打印。
4）控制功能：对现场执行机构进行操作。
在程序中，设计了参数设置界面、弹簧试验数据界面、报表界面等人机对话界面，操作人员根据界面提示进行操作。
在弹簧参数设置界面中，要求用户为要测试的弹簧设置参数，包括：车型、类型和编号。如果参数设置不正确，计算机将发出提示信号；同时取得权限的操作人员可以对弹簧的试验理论参数进行修改，修改后的数据自动保存。
在弹簧试验数据界面中，设置了控制按钮，按钮控制信号通过串口写入PLC相应的数据寄存器中，由PLC对现场执行机构进行控制；界面上还设置了虚拟仪表，对弹簧的实时数据进行监控。
在弹簧压缩的过程中，采集10个点，每个点包括：弹簧力、该弹簧力下的弹簧高以及弹簧压缩量。如图2所示。
所有的试验数据储存在Access数据库中，有关参数储存在Excel表格中。通过报表生成程序和曲线生成程序形成报表和弹簧形变—弹簧力关系曲线，如图3所示。历史数据的内容按照弹簧车型、类型进行了分类的保存。弹簧的实验数据，在表格的对应位置都可以查到。为方便随时查询历史数据，此Excel表格可用U盘烤出，上传至网络，可与设计者本人联络，研讨数据的变化是否情况是否符合要求。如工作现场的工控机可以直接连上互联网，那么只要安装相应的软件就可以实现远程操控，即通过网络修改程序、远程调试数据，与操作人员网上会话，这样方便了以后的服务工作，有问题可以即时处理。
1）校驗程序
用标准长度的量棒对测试机压头与底座的高度进行校验。将量棒放置在底座上，当压头接触到量棒时，将量棒的长度数据写入PLC高速计数器中，作为测试机的高度基准。
2）手动程序
作为微机系统的备用程序，一方面当计算机系统出现故障时，可以人工测试，测试数据在HMI文本图形显示器上显示，但此时的检测数据需要手动记录下来，并且数据不能够存储；另一方面，测试机调试时使用。
3）自动程序
根据不同型号的弹簧，自动将压缩力分为10等份，在弹簧压缩过程中，每经过一个压缩力点，将压缩力、弹簧高度、压缩量作为一组数据储存在相应的PLC数据寄存器中，一共储存10组数据。同时，计算机通过RS-232/485接口将数据读入内存，并且储存在数据库中。
4.其它技术措施
为了提高测试精度，对荷重传感器的线性度进行了分段矫正。这样，在每段中，荷重传感器输入、输出信号可以视为是线性的。
传感器电源采用具有隔离作用的直流线性稳压电源，信号传输线采用屏蔽电缆，并单端接地，可靠地解决了干扰问题。
5.结束语
本文设计的基于PLC和组态软件的弹簧测试机测控系统利用了PLC抗干扰能力强，适用于工业现场的特点，又利用了MCGS组态软件强大的数据处理和图形表现的能力，融合了较先进的自动化技术、计算机技术、通信技术，具有可靠性高、操作简单、维护容易的特点。目前该弹簧测试机已经在广州机务段投入使用，效果良好。
参考文献
1）施耐德Twido PLC硬件手册
2）施耐德Twido PLC软件手册
3）MCGS 5.1组态软件使用手册
4）刘士阳. 基于PLC和组态软件的搅拌站控制系统. 工控网