西门子6ES7231-7PF22-0XA0参数说明
1 引言
在列车中，风缸是制动系统的动力储备元件，如果风缸应用时没有经过严格检验，其储备的气体压力将无法确保证达到列车行驶中的制动要求，不能使列车准确及时的制动，将会造成严重事故，风缸出厂前要经过严格的检测，以防漏泄，确保列车行驶安全。铁道部的标准：通过微机检测，给风缸内打水压900kPa以上，观察5min是否漏泄;给风缸充气压600kPa以上，观察5min是否漏泄，要求漏泄量均为0。传统的检测方式只是通过肉眼观察压力表的指针来观察其是否漏泄，存在误差;且由于人为因素，检测时间也无法保证，为此我们设计了风缸自动检测系统。
风缸如图1所示，风缸有两个接口。法兰口A端用于进水和进气，法兰口B用于排水排气，由于接口标准不一，我们均采用软管试连接的方法。采用循环水箱供水。水密性试验时先用水泵供水，注满水后则用高压泵打水压至900kPa以上进行试验。气密性试验用风炮进风，至压力到600kPa以上。先进行水密性试验，通过气压使水排净再进行气密性试验。全过程除手动翻转缸排水外，其余均可由电脑控制完成。
2 系统硬件组成
本检测系统的硬件部分由下位机(西门子PLCS7-200)和上位机(华硕工控机和mcgs组态软件)组成。两者通过PPI转换线连接。为使压力能够平滑快速的上升到要求值，采用PLC控制变频器，利用PID控制器原理，从而控制水泵的转速。采用量程为20MPa传感器通过PLC转换后上传给上位机。上位机对取到的压力值信号进行处理，得出缸内压力的曲线，根据曲线的形状判断辨别气缸是否漏泄。
3 系统流程的设计
本系统可以在手动与自动两种方式下工作，手动状态即可进行传统式检测。将旋钮打到自动挡位就可以进行自动操作。系统自动操作流程如图2所示。
4 系统软件设计
系统软件设计有两部分组成，一是上位机监控软件MCGS编程，一是下位机PLC编程。
4.1 系统上位机设计
图3为上位机监控界面。本系统有良好的人机界面，可实现对PLC的运行情况以及执行机构进行实时监视和控制，实现实时数据采集和历史数据打印功能，具有登录权限和帮助窗口，告诉用户操作方法和机器维护方式，能完美的完成检测任务和数据报表输出，满足检测要求。
历史数据窗口中设置了数据查询和打印报表功能，试验前操作员必须填写风缸号码，操作人员可以根据风缸号进行查询，也可以根据日期进行查询。显示该风缸的试验结果。若发现该风缸不合格则可以重新检测，也可以单独做水密性试验或者气密性试验，不影响其他信息。如果该编号已经存在，则提示用户该编号已经存在是否重新检测。打印报表这一项，操作人员可以点击打印报表安钮选择按照风缸号或者日期打印。就可以打印出关于该风缸的检测信息。
4.2 系统下位机设计
本系统选用西门子公司生产的S7-200 系列PLC，S7-200系列它的结果紧凑，拥有良好的扩性，指令功能强大，既能完成控制功能，还具有输入输出功能，并且它的价格低廉，非常适合各种小型控制工程。完全能达到我们的使用要求。其设计步骤如图4所示。
通过对风缸检测流程的分析和研究，把PLC的I/O点进行了合理的分配，其分配点如表1所示。
由输入输出点的分配，可以得出本系统需要数字量信号2 个输入点，6 个输出点;模拟量信号1 个输入点，1个输出点.考虑到适用性和经济性，选取PLC 的型号S7-224(8 输入6 输出)和S7-235(模拟信号4 输入1 输出)。
在进行水密性试验时，注水过程采用PID 调节控制水泵使压力缓慢的上升。本系统中采用PLC 中的PID参数，将微分控制器命为零，比例控制器的参数基本调节为1.05，积分控制器的参数经多次试验取3佳，得到了很好的效果使压力曲线平滑的上升，从而避免了压力在900kPa 附近振荡。节省了水压稳定时间，提高了效率。
排水过程在水密性试验结束后需要将风缸的排水口向下，接着靠缸内气压排水，排水结束后关闭排水阀紧接着进行气密性试验。排水是否完毕靠压力传感器的变化上位机智能的分析，来自动的关闭排水阀。这样排水过程就由电脑自动的完成，减少了人工排水的麻烦。
5 问题
5.1 效率问题
由于铁道部要求水密性试验要进行测试5min，气密性试验要进行5min。加上注水时间(此过程与缸的大小有关)，排水时间以及试验的稳定时间，整个检查过程至少20min。改善方法可选用更多输入输出点的PLC控制多个检测台位，监控界面增加多个窗口，各个台位检测流程相互独立，互不干扰。
5.2 衰减问题
水密性试验和气密性试验在打压后关闭阀门时，压力值随着时间的推移会缓慢的下降，其压力曲线如图5所示。由于完全等待水压或者气压趋于平稳所需要的时间很长，设计时采用了截取某个时间进行检测将其压力曲线下降斜率进行监控。如果在特定的时间内超过下降的斜率，就对系统进行报警，提示用户发生漏泄。
关键词: 切割精度; 效验装置;算法模型
在钢铁厂的薄钢板生产中，不论是轧制过程还是终成品阶段，对薄钢板的尺寸精度和外形轮廓都有较高的要求.为了达到佳的轧制效果和收得率，检测薄钢板的垂直度和切割精度就变得尤为重要.薄钢板通过横切机剪切完成后，相邻的边通常不会完全垂直，人眼无法识别这其中微小的差异，而要验证切割后的薄钢板是否合格，就需要一种精密的测量设备对切割精度进行效验.
为此，本文设计和开发了一套用于薄钢板切割精度效验的测量装置. 出于对整个系统可靠性的考虑，选用了西门子公司的S7-300PLC(315-2DP)，该控制器具有体积小、速度快、网络通信能力强，以及可靠性高等优点.
1切割精度的定义及数学描述
钢铁行业中所规定的板长偏差和对角线偏差从本质上说就是对横切机切割的加工精度，即切割精度提出的要求.切割精度中的板长偏差是指切割完成后薄钢板的实际测量长度L′与薄钢板的设定长度L 之间的差值.它反映了薄钢板的实际板长偏离设定要求的程度. 若以ΔL 来表示板长偏差，即
切割精度中的对角线偏差是指薄钢板对角线的实际测量长度D′1或D′2与薄钢板的理论对角线长度D 之间的差值.它反映了薄钢板接近矩形的程度. 薄钢板理论对角线长度D 指的是以薄钢板的设定长度L 和薄钢板的带净宽H分别为长和宽的矩形对角线的长度. 若以ΔD 来表示对角线偏差，则
式中， 工程上通常采用D′1与D′2的差值来表示对角线偏差，即
2 计算模型设计
根据切割精度的定义及数学描述，设计实现的薄钢板切割精度测量的计算模型如图1 所示.
图1 中，虚线标识的是标准板，通过运行测量装置的标准板校验功能可以获得一组标准板的探规读数xi，这一组参数与6个探规之间的距离yi一起作为系统的初始化结构参数. 图1中实线标识的是待测薄钢板，通过运行测量装置的测量功能可以获得一组待测板的探规读数xi ′，则待测板和标准板差值的值为
式中，i = 1，2，3，4，5，6.固定在测量平台右侧面的3 个探规所测量得到的待测板和标准板差值的值dxi总是满足dx1< dx2 < dx3，而测量平台上部可移动的3 个探规所测量得到的dxi存在两种情况.计算模型可分为两种情况:计算模型1 的条件是dx4
图1 为计算模型1 的情况，待测板和标准板差值的值dxi可通过式(4) 计算得到，∠b 和∠c可通过式(5)和式(6)计算得到.
根据三角形的余弦定理和勾股定理可计算得到AE 和GE，即
AE 即作为待测板的实际板高.
由勾股定理可得对角线AG 和PF，即
待测板的对角线偏差为AG - PF，高度为AE，斜切率为tan b.当dx6 < dx5 <dx4时，计算模型2 的计算与上述计算模型1 的计算类同.
3测量装置的硬件设计
3. 1 系统总体设计
根据薄钢板切割精度的测量要求( 高度偏小于1 mm，对角线偏差的值小于1mm)，选用了西门子的S7-300，变频器CU310DP，伺服电机SIMATIC S120，触摸屏TP270，GIVI光栅尺，Sony 多轴探规接口模块MG20-DT 和6 个探规DT12P 等组成了测量装置.薄钢板切割精度效验装置的系统总体结构如图2 所示.
本系统上位机选用触摸屏TP270 对系统进行控制和监测，将下位机S7-300 PLC 作为主控制器. 在整个测量过程中，PLC根据编制的程序来控制电机的速度和移动方向，按照Profubus 通信协议，将速度命令信号发送给变频器CU310DP.变频器获得命令信号后执行动作并反馈运行状态和故障报警信号给PLC. 测量装置通过西门子的高速计数器模块FM350-1和光栅尺的配合来完成电机的定位功能，从而实现对移动的3 个探规进行准确定位. 探规DT12P通过气阀伸缩完成对位移量的测量，所测位移数据上传给多轴探规接口模块MG20-DT，PLC 通过串口与MG20-DT通信获得探规DT12P 所测量的6个位移数据，通过计算模型可得到待测薄钢板的实际高度、对角线差和斜切率，并判断待测薄钢板的切割精度是否在允许误差范围之内，并将测量结果显示在触摸屏上.触摸屏TP270 同样通过Profibus 总线和PLC进行实时通信，并可对整个系统进行监控，操作人员也可通过触摸屏直接进行操作.
3. 2 PLC 选型以及输入输出点分配
校验装置选用了西门子S7-300 PLC，整个系统中所需要的I /O 点数主要有:输入信号有1 个光栅尺计数清零限位开关，1个上部保护限位开关，一个下部保护限位开关，1 个紧急停车和1 个脚踩测量信号共5 个输入点;输出信号有6个气阀的启动信号，用于驱动探规.
根据所需要的I /O 点数以及整个系统所要实现的功能，进行了PLC 的选型，所选的模块如下:
(1)CPU 模块S7-300 的CPU 315-2 DP，型号为6ES7 315-2AG10-0AB0;
(2)通信模块CP 340-RS232C，型号为6ES7340-1AH02-0AE0;
(3)输入模块DI16* DC24V，型号为6ES7321-1BH02-0AA0;
(4) 输出模块DO16 * DC24V/0. 5A，型号为6ES7 322-1BH01-0AA0;
(5) 计数模块FM350 COUNTER，型号为6ES7 350-1AH03-0AE0;
(6) 电源模块DC24V/2A 电源，型号为6ES7 307-1BA00-0AA0.
CPU 模块、通讯模块、输入模块、输出模块和计数模块通过背板总线进行连接，电源模块用来提供PLC 工作所需要的24 V电源.
4测量装置的功能和软件设计
4. 1 测量装置功能
本校验装置通过对切割后的薄钢板对角线差、斜切率和高度进行测量，来判断产品是否合格.为了达到这个目的，在设计中必须要实现如下基本功能:
(1)零位校准通过在机械平台上侧装上限位开关，每次上电前，电机控制移动机械臂触碰限位开关后，FM350-1计数器模块清零，以保证每次开机后测量数据的准确性;
(2)标准板校准测量装置应每隔3个月进行一次标准板的校验，以避免标准板因使用时间过长而造成系统误差，这项校准设置了用户权限，需要密码进入;
(3)系统复位系统零位校准后恢复至测量状态，每次测量后系统自动复位;
(4)系统调试用于设计人员对测量装置进行现场调试，设置用户权限，需要密码进入;
(5)传感器调试用于检测传感器是否正常运行，设置用户权限;
(6)开始测量把待测钢板放在工作台上，通过触摸屏输入薄板规格以及所需要的测量精度，给系统发出指令，PLC 通过伺服电机控制3个水平探规的位置，并且通过气阀控制6个探规的伸缩，将数据读出后，通过算法模块计算得到相应的数据，用来判断产品是否合格，并在触摸屏上显示出结果;
(7)脚踩测量开关方便现场操作人员使用;
(8)紧停开关当现场工作人员操作失误或仪器发生异常致使电机不能正常停车时，可直接将电机关闭，并且复位系统所有信号.
4. 2 PLC 程序设计和上位机组态
4. 2. 1 PLC 程序设计
测量装置中的PLC 控制程序流程见图3.
为保证测量精度，测量装置上电之后必须进行零位校准.而测量装置每隔一个季度或半年应进行一次标准板的校验，这样可以避免因探规使用时间过长造成探规特性改变而引起的系统误差.在触摸屏控制面板上输入所测薄钢板的规格参数后开始测量，此时，控制面板会显示出所测薄钢板的测量参数，并显示产品是否合格.测量结束后，系统会自动复位，以准备下一次的测量.在测量过程中出现异常或操作失误时，可通过紧急停止开关强行关掉系统，并进行系统复位.
测量装置中下位机程序设计使用STEP 7V5. 3 软件平台进行PLC 程序的编写，STEP 7V5.3可支持梯形图、SIMATIC 指令和功能图的程序编写，且具有指令丰富、结构清晰、编程方便等优点.
4. 2. 2 上位机组态
选用西门子的OP 操作监视站(TP270)，并运用WinCC 软件进行上位机的组态设计. SIMATICWinCCflexible工程软件集控制技术、数据库技术、人机界面技术、网络技术和图形技术于一身，包含动态显示、报警、控件、趋势及网络通信等组件，提供友好的人机界面，便于用户在不需要编写程序代码的情况下便可生成自己需要的应用软件.TP270 通过Profibus 总线与下位机PLC 进行通讯，主要显示以下3 种界面.
(1)主画面主画面上设有开始测量和系统校验.
(2)测量界面测量界面上需要人工输入操作员的工号，所测薄板的规格和要求的误差精度，输入完成后，点击测量按钮，系统完成测量，显示所测得的参数，并判断产品是否合格.见图4.
图4 测量界面
(3)校验界面校验界面设有系统零位校验和系统标准校验.零位校验在系统每次上电之前就要校验一次，而标准校验需要通过标准板对系统进行校准.