輪軌摩擦發熱試驗裝置控制系統設計

吳增彬,謝小鵬,李光樂,張迎新,王新華

（1.華南理工大學 廣東 廣州 510640；2.廣州市特種機電設備檢測研究院 廣東 廣州 510180）

輪軌摩擦發熱試驗裝置控制系統設計

吳增彬1,謝小鵬1,李光樂1,張迎新2,王新華2

（1.華南理工大學 廣東 廣州 510640；2.廣州市特種機電設備檢測研究院 廣東 廣州 510180）

研究輪軌摩擦發熱的機理，需研制了一臺輪軌摩擦發熱模擬試驗裝置。為滿足試驗要求，對試驗裝置測控系統功能進行需求分析，明確試驗裝置需要控制的參數。輪軌摩擦試驗裝置控制系統以S7-200系列可編程控制器為處理器，采用多路溫度巡檢采集器進行溫度測量，通過拓展模塊擴展接口滿足控制功能要求。設計結果表明：輪軌摩擦試驗裝置能有效的模擬各種工況運行，并能準確、全面記錄壓力、溫度、轉速等各種數據。

輪軌；摩擦發熱；控制；硬件設計

輪軌摩擦生熱機理的研究對車輪、軌道使用壽命及機車運行的安全性具有非常重要的意義，因此需要研制一臺輪軌摩擦發熱試驗裝置，為實驗室對該機理的研究提供條件[1]。結合試驗裝置的機械結構，需要對其控制系統進行設計，設計滿足模擬試驗要求的控制系統。輪軌摩擦發熱模擬試驗裝置要求能準確的模擬輪軌運行的實際工況，準確的測量各種控制和反饋量，該試驗裝置需要測控的量較多，因此要完整并且準確測控，需對其控制系統進行模塊化設計[2]。本文重點對輪軌摩擦發熱試驗裝置控制系統硬件進行設計，首先結合機械機構進行需求分析，然后對設備裝置控制系統進行總體設計，采用S7-200系列可編程控制器作為處理器進行控制，溫度數據選用多路溫度巡檢采集器進行采集。設計結果表明該輪軌模擬試驗裝置控制系統能滿足試驗要求。

1 輪軌摩擦發熱試驗裝置控制系統需求分析

輪軌摩擦發熱試驗裝置需要控制得到量有：速度大小、車載大小、啃軌力大小、液壓控制信號控制、運行狀態控制，如原地打滑、急停、剎車等。此外，還需要對試驗裝置進行測量的量有：壓力值大小、扭矩大小、溫度大小、液壓流量大小等，這些變量的控制均通過控制系統實現。那么首先結合輪軌摩擦發熱試驗裝置的機械結構，對控制系統進行需求分析，以便確定輪軌摩擦發熱試驗裝置控制系統所需實現的功能，圖1為輪軌摩擦發熱試驗裝置的機械結構圖。

輪軌摩擦發熱試驗裝置需要模擬啃軌、原地打滑、抱死滑動等工況的踏面溫升，需要控制輸入變量，載荷及轉速等。從輪軌摩擦發熱試驗裝置實現的功能看，需要有兩個加載缸及兩個液壓馬達。從輪軌摩擦發熱試驗裝置得到測試類型看，需要進行溫度測試、壓力測試、轉速測試等，根據分析，表1為試驗裝置主體需要進行測控的變量。

表1 試驗裝置主體需要測控的量Tab.1 Amount of the test apparatus body measurement and control

圖1 輪軌摩擦發熱裝置三維結構圖Fig. 1 Three-dimensional structure of wheel-rail friction heating device

2 輪軌摩擦發熱試驗裝置控制系統總體設計

輪軌摩擦發熱試驗裝置試驗室分為3個子部分：中央控制室、輪軌摩擦發熱試驗裝置部分、液壓站部分。中央控制室通過交換機將輪軌摩擦試驗裝置及液壓站的信息傳送并反饋到控制室的監控電腦中，監控電腦可以監控其他部分的運行情況，并進行有效的控制，3個部分組成Internet內部網。

輪軌摩擦發熱試驗裝置控制部分，選用S7-200系列可編程控制器作為處理器，該控制器帶有3個擴展單元。S7-200系列可編程控制器通過MPI RS485連接觸摸屏，觸摸屏可進行顯示輪軌摩擦試驗裝置運行參數等。溫度巡檢儀對試驗裝置輪軌接觸部分進行測溫，通過RS232反饋到TPC7062K觸摸屏上顯示。液壓站同樣選用S7-200系列可編程控制器，該部分需要控制的參數較多，因此帶有6個拓展模塊。液壓站的信息同樣傳動到觸摸屏上顯示，同時，輪軌摩擦試驗裝置同液壓站點的通過PPI進行通訊，實現控制信號的交互。

3 輪軌摩擦發熱試驗裝置控制系統模塊設計

3.1 多路溫度巡檢采集器

圖2 輪軌摩擦發熱試驗裝置總體設計Fig. 2 Wheel-rail friction the heating test device overall design

由于該試驗裝置溫度測量量較多，因此我們采用SWP-T16多路溫度巡檢采集器來采集一部分溫度數據。圖3為SWP-T16多路溫度巡檢采集器，可進行8組數據的溫度采集，其溫度采集原理屬于接觸式的，選擇需要測溫的零部件，然后在其中嵌入溫度傳感器，通過溫度傳感器檢測溫度的大小反饋到處理器中進行處理。第一組測量車輪左右軸承的溫度；第二組測量軌道輪左右軸承的溫度；第三組測量傳動軸前后側軸承的溫度，第四組測量的空氣的溫度，第五組測量液壓油的溫度，另外存在三組可拓展使用。溫度巡檢儀的引腳RXT、TXD、GND用于連接顯示器，傳送溫度數據進行顯示。L及N接口則連接電源線[3]。

圖3 多路溫度巡檢采集器Fig. 3 Multi-channel temperature logging logger

3.2 輪軌摩擦試驗裝置硬件設計

圖4為S7-226可編程控制器及其擴展模塊，S7-226可編程控制器具有高速計數器、RS232/485通訊端口、24輸入/16輸出端口、執行時間為0.22 μs，程序及數據存儲量大等優點。該可編程控制器主要是用于控制輪軌摩擦發熱試驗裝置運行工況、速度大小、信號顯示及輪軌踏面溫度檢測、車輪及軌道輪位移、反饋力矩的檢測。圖中S7-226中I0.0-I0.5用于接編碼器，檢測軌道輪及車輪的速度；I0.6-I1.4用于控制試驗裝置加載缸、啃軌缸的復位；I1.5-I2.0用于試驗裝置的啟動、急停、停止；O0.0-O0.2連接試驗裝置啟動、急停、停止的指示燈。如下圖所示，擴展模塊連接壓力傳感器及位移電子尺，用于測量啃軌及車輪載荷的壓力及車輪、軌道輪基座的位移[4-5]。

3.3 液壓站可編程控制器硬件模塊設計

圖4 輪軌摩擦試驗裝置部分S7-226及擴展模塊Fig. 4 Wheel-rail friction test device part of the S7-226 and expansion module

圖5為S7-224可編程控制器及其擴展模塊，該部分需要控制的量較少，選擇I/O口較少的S7-224作為處理器，該處理同樣具有高速計數器、RS232/485通訊端口、執行時間短，程序及數據存儲量大等優點。S7-224主要處理液壓站的控制及顯示信息；I0.6和I0.7用于顯示液壓油位處于高位還是低位 ；I1.1-I1.4用于接收4個液壓元件的報警信號；O0.0-O0.3用于控制4個電液伺服使能運行；O0.5-O1.1則進行電液伺服故障的復位；S7-224右端的接擴展接口，第一個擴展模塊對4個狀態（旋轉、載荷、啃軌、制動）下進行電液伺服準備，同時提供電液伺服電源；第二個擴展模塊是對旋轉、載荷、啃軌、制動4個液壓驅動元件進行換向控制[6-7]，由于其原理和S7-200系列的控制方式類似，這里不具體說明。

圖5 液壓站部分S7-224及擴展模塊Fig. 5 Hydraulic station part of the S7-224 expansion module

圖6 液壓站液壓馬達測控接線圖Fig. 6 Hydraulic station hydraulic motor monitoring and control wiring diagram

圖6為液壓站液壓馬達控制接線圖，液壓馬達的控制接線圖，X1，X2接口接收可編程控制器伺服使能及故障復位的信號；F1，F2口接壓力傳感器，傳遞反饋壓力信號及控制設定壓力；Y1、Y2、Y3用來接收伺服就緒、伺服報警及零速檢出信號，保證對液壓馬達的有效控制。液壓馬達編碼器脈沖輸入信號通過P接口輸入到控制模塊，實現對其運行速度的監測。

4 結 論

文中主要介紹了輪軌摩擦發熱試驗裝置控制系統設計，重點設計了試驗裝置控制系統的硬件部分。由需求分析及總體設計，列出輪軌摩擦試驗裝置需要控制的參數，將輪軌摩擦試驗裝置試驗室分為3個模塊，利用SW-700系列的可編程控制器進行控制，溫度數據選擇多路溫度巡檢采集器進行采集。該控制系統的設計表明：該試驗裝置控制系統滿足試驗要求，輪軌摩擦試驗裝置能有效的模擬各種工況進行運行，并能準確、全面記錄壓力、溫度、轉速等各種數據。該試驗裝置為實驗室研究的展開奠定基礎，為輪軌摩擦發熱機理研究積累數據。

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The wheel-rail friction heat test apparatus control system design

WU Zeng-bin1, XIE Xiao-peng1, LI Guang-le1, ZHANG Ying-xin2, WANG Xin-hua2
（1. South China University of Technology, Guangzhou 510640,China;2. Guangzhou Special Mechanical and Electrical Equipment Inspection Institute, Guangzhou 510180,China）

For making a research of wheel-rail friction heating mechanism,it need develope a wheel-rail friction heat simulation test device. In order to meet the test requirements,it should make a requirements analysis to get test device control parameters for test device. Wheel-rail friction test device uses S7-200 series programmable controller as processor, uses multi-channel temperature logging logger for temperature detection, and uses a module extension interfaces to meet the requirements of the control function. The design results show that: the wheel-rail friction test device can effectively run to simulate a variety of conditions , and can make an accurate, comprehensive record of pressure, temperature, speed and other data.

wheel-rail; friction heat; control; hardware design

TP311.1

A

1674-6236(2014)03-0107-04

2013–05–13 稿件編號：201305128

國家質檢總局科技計劃項目(2011QK322)

吳增彬(1988—)，男，廣東梅州人，碩士研究生。研究方向：機電控制系統設計。