基于PLC的相控机车牵引电机云母槽下刻机控制系统研究

丁景贤

通过对国内铁路行业相控机车牵引电机换向器云母槽下刻工艺进行分析，设计了一套基于PLC的云母槽下刻机控制系统。介绍了该系统的组成及下刻过程，并对系统的软硬件设计进行了阐述。通过对控制系统进行调试，分析了试验参数，验证了设计的合理性。

【关键词】PLC 换向器 云母槽 下刻机

直流牵引电机是铁路电传动机车的牵引关键部件，换向器作为牵引电机的重要组成部分在电机运行过程中必须保证碳刷与换向器铜排之间具有良好的接触性能。碳刷与换向器铜排之间的接触摩擦会导致换向器表面磨损，磨损到一定程度时，会由于云母槽内积聚部分碳粉和铜粉的混合物使换向器相邻铜排之间形成导电电桥，引起碳刷换向不良，严重时会造成换向器环火而致使电机不能正常工作。

因此，为了保证换向器正常工作，必须对云母槽进行重新下刻。国内一些企业采用人工操作的方法对云母槽下刻，效率较低，并且因为操作的不稳定性会降低下刻精度，同时也无法满足自动化生产的需求。本文设计了一套基于PLC的云母槽下刻机控制系统。

1 换向器结构

换向器由许多彼此绝缘的换向片组合而成。主要零件有换向片、云母片、V形环、绝缘套筒、换向器套筒以及组装螺栓等，所有零件全部固定在换向器套筒上，而换向器套筒装配在电枢轴上，图1所示为换向器的结构。

2 下刻系统组成及工作过程

2.1 下刻系统硬件配置

下刻系统硬件主要包括步进电机及驱动器、霍尔开关、PLC和触摸屏等，系统总成结构如图2所示。

2.2 下刻系统工作过程

开始工作时，接通电源，按下“启动”按钮，系统启动初始化程序。通过触摸屏输入一次下刻深度和下刻次数，PLC给步进电机驱动器发出一定频率的脉冲信号，步进电机开始预期动作。按下SB1或SB2 按钮，步进电机M1正转或反转，当到达云母槽中心线时，M1停止；按下SB3按钮使M2正转，刀具下行，直至换向器外边缘，M2停止；按下SB4按钮，刀具前进，右侧霍尔开关检测刀具是否前进至云母槽右侧极限点，如是，刀具停车；M2正转，当刀具下行至一次下刻深度，M2停止；刀具后退，左侧霍尔开关检测刀具是否后退至左侧极限点，如是，刀具停车。

触摸屏记录下刻次数，如没到下刻次数，则重复上述动作。若已到下刻次数，则检测是否所有的槽都已刻完，如是，则按下“停机”按钮，切断电源；若不是，则按下SB5按钮，M2反转，刀具上行，回到上侧极限点，M2停止。切换M1的旋转方向，继续其它槽的下刻。

3 PLC程序设计

3.1 下刻系统硬件配置

采用S7-200 SMART PLC为下位机，中央处理单元选用CPU SR30，继电器输出，220VAC供电，自带DC24V电源，具有18点输入和12点输出，拥有18KB程序存储器，集成了高速处理器芯片，位指令执行时间可达 0.15μs，可以完全满足运算需求。配有以太网接口和 RS485 接口，可与触摸屏、计算机进行通信，程序下载方便。

3.2 下刻系统I/O接口

在将PLC的模块进行组态后，就可以对各个接口的地址进行分配，使硬件连接点与程序中的地址一一对应。该下刻系统需要的输入、输出端口的地址分配如表1所示。

3.3 下刻程序设计

PLC程序使用STEP7 –Micro/WIN SMART编程软件的逻辑梯形图（LAD）编写，使用分块式结构，根据下刻机的不同功能在程序里建立相应的功能模块，在运行时只需调用相应的模块即可，提高了运行效率。下刻系统在启动之后自动运行，并根据设定好的参数，自动下刻不同型号的转子，其程序控制流程如图3所示。

4 上位机程序设计

在下刻系统中，上位机负责向PLC发出指令并处理PLC上传的数据。选用SMART LINE触摸屏作为上位机，具有良好的人机交互界面，同时能与S7-200 SMART PLC进行有效连接，使用十分方便。

4.1 上位机与下位机通讯设置

4.1.1 计算机以太网端口参数设置

打开“本地连接属性”对话框，选中“此连接使用下列项目”列表框下面的“Internet 协议版本4（TCP/IPv4）”，单击“属性”按钮，打开“Internet 协议版本4（TCP/IPv4）属性”对话框。选中“使用下面的IP地址”，设置IP地址为192.168.2.1。单击“子网掩码”输入框，自动出现默认的子网掩码255.255.255.0。

4.1.2 WinCC flexible与SMART LINE触摸屏通讯设置

设置“通信模式”为以太网，将SMART 700 IE的IP地址设置为192.168.2.5。对触摸屏进行画面组态后，用以太网电缆连接计算机和SMART 700 IE，单击“选择设备进行传送”对话框中的“传送按钮”，将编译无误的项目传送到SMART 700 IE。

4.1.3 上位机和下位机通讯

在上述设置完成后，用以太网连接PLC和计算机，将程序下载到S7-200 SMART。然后用以太网连接S7-200 SMART和SMART 700 IE，接通电源，将PLC置于RUN模式，便能实现上位机与下位机之间的通讯。

4.2 SMART LINE触摸屏程序设计

SMART LINE触摸屏使用了模块化设计，在程序中可以设置多个窗口，根据用户需要进入相应的模块。在用户窗口中新建一个启动窗口，在窗口中根据需要插入各种构件以实现控制和监控的功能，对各个构件的属性进行设置使其与PLC对应，便可以在画面中实时显示下刻结果。只需单击画面上“下刻次数”、“一次下刻深度”右侧的输入域，即可用弹出的键盘输入下刻参数，系统显示画面如图4所示。

5 结语

该系统采用了以PLC作为控制核心，与触摸屏联合的控制模式。对下刻机控制系统程序进行了调试，符合预期动作，系统运行稳定可靠，操作简便，同时系统的参数修改起来十分方便，只需少量改动便可对不同型号的转子进行下刻，满足实际工作要求，具有一定的推广价值。

参考文献

[1]张占军.直流牵引电动机下刻机自动定位系统的研究[J].北京交通大学硕士学位论文，2005（03）.

[2]向晓汉.S7-200 SMART PLC完全精通教程[M].北京：机械工业出版社，2013（08）.

[3]廖常初，戴小波.Smart 700 IE触摸屏与S7-200通信的实现方法[J].自动化应用，2013（08）.

作者单位

兰州交通大学机电工程学院 甘肃省兰州市 730070