百米钢轨焊接输送线监控系统的改进

2011-09-04冯文杰骆德阳张丹妮

铁道建筑 2011年1期

冯文杰，张曦，骆德阳，张丹妮

(西南交通大学焊接研究所，成都 610031)

随着我国高速铁路快速发展，为大幅度减少钢轨接头数量，提高轨道质量，铁道部要求使用百米定尺轨在基地焊接成500 m长钢轨。百米定尺钢轨基地焊接可以大幅度减少接头数量，有效提高列车运行平稳度［1］。成都铁路局焊轨段在铁路的发展需求之下，将原有的25 m定尺轨焊接生产线改造成4条百米定尺轨焊接生产线。焊轨基地投入生产以来，生产运输线的稳定运行很大程度上关系到工厂的生产效率。生产运输线加长以后，为了提高钢轨焊接输送线自动化水平，提高生产效率，研制了一套基于力控组态软件的PLC监控系统，对变频器进行监控。使用操作台按钮通过PLC、变频器控制钢轨输送。控制系统调试运行以来，稳定性不够高。经过多种措施，都不能排除信号干扰，降低故障率。针对这些问题，对监控系统控制网络结构和通信进行了改进，通过增加PLC数量，光纤通信，配置TCP/IP网络协议，形成了基于工业以太网和CANopen协议的现场总线系统，克服了由于控制线距离长，电磁场环境恶劣造成不稳定的问题。并对监控界面做了立体设计。

1 焊接生产输送线简介

成都百米轨焊接基地分为4条生产线，工位布局如图1所示。钢轨输送是由电动机带动滚筒旋转，通过钢轨与滚筒间的摩擦使钢轨移动。每条生产线1 400 m，各有196个动力滚筒，每个滚筒由1.1 kW的电动机带动。每个变频器控制7个电动机，变频器均匀分布在各条生产线上。通过变频器控制电机前进、后退和速度，经减速器控制动力滚筒转动，实现对电动机的无级调速。

图1 成都焊轨基地工位布局简图

2 监控系统改进

2.1 输送线改进前的网络结构设计

改进前的系统硬件配置和网络结构如图2所示。上位机软件采用力控组态软件6.0，PLC为 Modicon M340系列 PLC，其中机架为 BMX XBP 1200(12插槽)，主机为 BMX P34 2030，电源模块为 BMX CPS 2000，编程软件为 Unity Pro XL3.1。工控机和 PLC之间采用以太网TCP/IP协议通信。变频器为施耐德ATV71系列，PLC与变频器之间采用CANopen现场总线通信［2］。

图2 改进前系统硬件配置和网络结构

监控系统原理为，PLC1配置了分布式I/O控制模块，一方面通过钢轨输送线操作台按钮给PLC发送命令，再由PLC通过CANopen现场总线给变频器传送信息。通过PLC逻辑控制对变频器的启动、停止、正反转进行操作，进而控制电动机运行。另一方面，基于监控软件的工控机和 PLC通信，将速度等参数传给PLC，进而控制变频器;同时可通过PLC和变频器之间通信，读取变频器相关信息，完成现场数据采集。由图2可知，一二线上位机采用1台工控机作为监控主机，分别监控两条线。从站下位机采用4台PLC，每条生产输送线采用两台PLC分段控制，这两台PLC又采用“主站—从站”模式设计。主PLC1控制焊接工位到长轨存放台之间的变频器，从PLC2控制焊接工位到短轨区的所有变频器。两台PLC通过BMX P3420控制器内置的以太网通讯口，实现PLC之间实时数据交换。

2.2 监控系统改进设计

2.2.1 问题分析

改进前系统硬件配置和网络结构都是合理的，调试和运行阶段都能满足逻辑控制要求，但在强的电磁干扰情况下，就会出现不稳定情况。闪光焊机不工作，或者一条线不工作的情况下，另外一条线输送钢轨就运行稳定。当两条线都在运行，闪光焊机或其它设备在工作的时候，就会发生运行不稳定甚至控制失灵的情况。为了提高稳定性，通过加中继器放大信号，提高双绞线质量，屏蔽层接地克服干扰等措施，都收效甚微。这样，在充分利用原有硬件的基础上，改进网络结构是非常必要的。

2.2.2 改进思路与方法

图3 改进后系统硬件配置和网络结构

1)对于控制线长，信号衰减严重，采用基于以太网和现场总线的总线集散控制(即 FCS)方法［3］，将原来2台PLC增加到4台，分别控制一段变频器，缩短控制距离。并分布到配轨、除锈、焊接和热调四个工位。

2)PLC之间采用光纤通信，光纤具有损耗低，抗干扰能力强、保真度高的特点。

3)采用以太网进行信号传送，以太网成本低，易于组网，技术成熟，接口方便［4］。以太网的 TCP/IP协议应用于工业现场，使得工厂的管理可以深入到控制现场，可以利用 Internet延伸到现场设备，并通过Internet远程监控工业生产过程，远程系统调试和设备故障诊断。

根据以上三点设计理念，重新设计了网络结构，如图3。

2.2.3 以太网通信

以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势，几乎支持所有流行的网络协议，在商业系统中应用广泛。进入控制领域以来，以太网的TCP/IP协议的开放性使得它在工控领域通讯中具有很大的优势［5］，所以PLC之间采用工业以太网通信。

图4 PLC之间通信程序图

BMW P 34 2030处理器支持以太网，使用 Unity Pro实现以太网通信。打开Unity软件，进入项目浏览器、通讯、网络，新建一个以太网络。对新建立的以太网进行配置，包括型号系列和IP地址配置。将建立好的以太网连接到CPU的端口上。编写以太网通信程序，部分通信程序如图4所示。通过调用 WRITE_VAR指令将主PLC参数写入从PLC中，该程序段表示将主PLC从300到315这16个内部字(%mw)的值写入从PLC相应的内部字中。通过调用MOVE指令将输入值分配给输出，输入值和输出值的数据类型必须是相同的。

3 钢轨输送线监控界面改进

按照焊轨基地实际图形，通过力控组态软件将原来的主界面进行了立体化，图5为改进前的平面简图，图6为改进后监控系统主画面，直观反映了成都焊轨基地现场的布局。蓝顶房屋表示工位，长轨区灰色矩形表示变频器柜。增加了滚筒前进后退方向指示、时间显示等。工位之间的蓝色长方体表示滚筒，每一个矩形对应实际50 m滚筒线，由一台变频器控制，滚筒颜色的变化直观反映出变频器当前的状态。当滚筒颜色变化为黄色时，表示变频器左行;当颜色为红色时，表示发生故障。画面最下方为相关窗口转换图标，用鼠标单击任意一个图标，可以进入相应界面。如需要调节滚筒速度时，点击速度控制进入图7画面。将速度设置功能单独成为一个界面，可以防止误操作造成的故障，画面加了面板，清晰明白。