聚氨酯固化道床施工设备监控系统研究

周佳亮，高春雷，王发灯，何国华

（中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081）

聚氨酯固化道床施工设备监控系统研究

周佳亮，高春雷，王发灯，何国华

（中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081）

聚氨酯固化道床施工设备监控系统主要由PC监控系统、PLC控制系统、带Wi-Fi节点的检测监测设备等硬件模块组成，各分散硬件模块利用Wi-Fi网络通信技术实现数据交换。PC监控系统模块可远程监控底层PLC控制系统工作状态和各路检测监测设备数据，指导操作者安全施工。PLC控制系统模块负责可靠控制执行机构工作。检测监测设备模块采集相关开关量、脉冲数、图像等信息。该系统解决了分散施工的聚氨酯固化道床机械设备之间大容量数据远距离传输的问题，可实现各个设备的协同工作，提高工作效率和施工安全性。

聚氨酯固化道床；监控系统；Wi-Fi；网络通信；PLC控制

0 引言

聚氨酯固化道床施工设备由储料系统、预混系统、浇注发电机组、浇注小车、烘干小车、上下车装置、烘干发电机组7部分组成（见图1）。聚氨酯固化道床施工设备功能需求：设备施工时，位于图1左侧轨道车内的司机需要观察浇注小车施工时的道钉图像、浇注小车里程、PLC控制系统运行状态，待浇注小车工作完成后，控制左侧轨道车推动浇注小车到下一段浇注起点；位于图1右侧轨道车内的司机需要观察烘干小车与联挂在轨道车上的上下车装置间的距离、PLC控制系统运行状态等数据，待烘干小车工作完成后，控制右侧轨道车与烘干小车同步移动到下一段烘干起点。为实现上述设备功能，需重点解决以下问题：（1）解决图1中分散设备在施工区间内不便布线的问题；（2）解决图1中轨道车、浇注小车和烘干小车之间近百米范围内开关量、脉冲数、图像等信息的大容量远距离数据交换问题；（3）解决浇注小车浇注头定位控制问题。

聚氨酯固化道床施工设备监控系统（简称系统）可模块化设计成三大部分：PC监控系统、PLC控制系统和带Wi-Fi节点的检测监测设备。系统各模块之间可采用Wi-Fi网络通信技术实现数据交换和共享。PC监控系统模块位于左右轨道车内，具有人机交互界面，方便轨道车内司机远程监控浇注小车和烘干小车的工作状态。PLC控制系统模块位于浇注小车和烘干小车上，负责可靠控制浇注小车和烘干小车的执行机构施工作业。带Wi-Fi节点的各类检测监测设备位于浇注小车和烘干小车上，负责采集相关的开关量、脉冲数、图像等信息。

图1 聚氨酯固化道床施工设备

1 系统总体设计

1.1 系统构成

系统构成见图2，主要由PC监控系统、PLC控制系统、带Wi-Fi节点的检测监测设备等硬件模块组成，各分散硬件模块利用Wi-Fi网络通信技术实现数据交换。

图2 聚氨酯固化道床施工设备监控系统构成

PC监控系统硬件平台是工业平板电脑，硬件包含人机交互模块和Wi-Fi无线网卡模块。轨道车司机可在人机交互界面远程监控PLC控制系统工作状态和各路检测监测设备数据。PC监控系统通过Wi-Fi无线网卡收发其他模块数据。

PLC控制系统是该系统硬件底层，拥有大量I/O接口，可接收施工动作指令和反馈相应状态信息等。PLC控制系统与I/O数据采集模块连接，将施工动作指令和相应状态信息通过多路开关量的变化发送给I/O数据采集模块。

带Wi-Fi节点的检测监测设备由各检测监测设备和Wi-Fi硬件转换电路组成。按采集的信号类型可分为开关量检测监测设备、脉冲量检测监测设备和图像检测监测设备。开关量检测监测设备由I/O数据采集模块和Wi-Fi模块构成，I/O数据采集模块内部有微处理器和RS485硬件电路，Wi-Fi模块具有将RS485总线上的数据转为Wi-Fi无线通信信号的功能。脉冲量检测监测设备的核心部件与开关量检测监测设备相似，2种设备可采用RS485总线连接的方式共用同一个Wi-Fi模块，实现同一位置脉冲量和开关量的采集。图像检测监测设备由网络摄像机和无线工业路由器构成，摄像机采集现场图像后，通过以太网发送给无线工业路由器，最终可将信号传输到PC监控系统的Wi-Fi无线网卡。

1.2 系统功能

系统具有以下功能：

（1）PC远程监控功能。图1所示左右两侧轨道车司机室都安装有PC监控系统模块，实现司机对现场视频图像、开关量和脉冲量的远程监控。左侧轨道车司机通过人机交互界面上的视频图像监控浇注小车车轮走过的道钉数量，判断施工浇注进度；通过监控浇注小车PLC系统开关量，判断是否通过发动轨道车推动浇注小车运动；通过监控浇注小车里程脉冲量，判断浇注小车是否到达新的施工点。右侧轨道车司机监控的信号类型与左侧相同，系统软硬件结构也相同。

（2）PLC自动控制功能。浇注小车上的PLC控制系统具有自动控制浇注小车完成3个枕木空内的聚氨酯浇注功能。烘干小车上的PLC控制系统具有自动控制烘干小车完成5个枕木空内的道床烘干功能。

1.3 主要技术特点

采用Wi-Fi无线网络通信技术实现数据交换。与有线网络相比，无线网络具有方便快捷无需布线的特点，适用于分散的开关量、脉冲量、图像等数据信息的传输[1-4]。由于蓝牙、Zigbee和无线电台等无线网络通信速度较低，不能实现大容量数据的中短距离传输，尤其不能实现实时视频数据的传输[5-8]，系统选用Wi-Fi无线网络通信技术，实现百米范围内的数据交换。

实现了系统模块化设计。系统按功能分为PC监控系统、PLC控制系统和带Wi-Fi节点的检测监测设备三大模块，采用无线网络通信技术，有利于各功能模块在硬件结构上更加独立，便于各功能模块分布式安装。

设计了具有Wi-Fi节点的检测监测设备。针对视频图像数据的检测监测，系统选用工业以太网摄像机和无线路由器，实现了通过PC监控系统的Wi-Fi无线网卡远程采集视频图像信号。针对开关量和脉冲量的检测监测，系统利用微处理器将采集到的开关量和脉冲量通过RS485接口发送到Wi-Fi模块，由Wi-Fi模块将RS485通信数据转为Wi-Fi无线通信数据。

采用了PLC控制系统。利用PLC控制系统具有可靠性高、抗干扰能力强的特点，系统能准确执行接收到的相关指令，完成执行机构的施工任务。

2 主要部件及设计

系统主要按PC监控系统、PLC控制系统和带Wi-Fi节点的检测监测设备3部分进行设计。

2.1 PC监控系统

PC监控系统主机选用7吋带触摸屏的平板电脑，电脑工作电压为DC 9～36 V。主界面见图3。PC监控系统通过Wi-Fi网络得到以下3种数据信息：（1）开关量信息，司机可依据主界面上向前或向后走行指示灯的状态控制轨道车走行；（2）里程信息，司机可实时获取轨道车推动浇注小车走行的里程，便于精准控制浇注小车到下一施工区间；（3）视频图像信息，司机通过视频图像监控浇注小车车轮走过的道钉数量。

PC监控系统由1个主线程和3个子线程实现系统的功能（见图4）。主线程负责将采集到的数据进行集中处理，3个子线程分别完成里程脉冲、输入输出、图像数据的采集和软件界面显示。PC监控系统软件采用CSocket类实现TCP/IP协议，通过该协议采集Wi-Fi网络传输过来的里程脉冲、输入输出和图像数据。由于Wi-Fi网络中视频图像数据量大，因此该软件需单独开辟1个图像采集线程，并对H.264标准的图像数据进行数字视频解码工作。

2.2 PLC控制系统

选用西门子S7-200 SMART系列ST40标准CPU模块，选用威纶通MT8071IE触摸屏作为PLC控制系统的人机交互模块，选用拉绳传感器检测浇注头的位置，选用伺服驱动系统驱动浇注头移动作业。如图5所示，PLC控制系统根据人机交互模块界面上输入的“0—5”位5段浇注区间的数值，结合拉绳传感器反馈的实际位置，判断当前需要的浇注位置，然后设定浇注头移动位移。PLC控制器根据位置差的大小，调节脉冲频率和数量，控制伺服驱动系统驱动浇注机构平稳到达所设定的“0—5”位中的1个浇注点（见图6）。

图3 PC监控系统显示主界面

图4 PC监控系统软件线程

图5 PLC控制系统人机交互模块

图6 浇注头“0—5”位浇注位置控制

PLC控制系统可在自动完成图5所示的3个枕木空内的浇注任务后，输出相关状态指令给带Wi-Fi节点的I/O数据采集模块，最终PLC指令将通过Wi-Fi网络传输给PC监控系统进行处理，提醒轨道车司机将车辆运行到下一浇注起点位置。

2.3 具备Wi-Fi节点的检测监测设备

PC监控系统和各数据采集模块设计成具有Wi-Fi网络节点的功能，即系统有效数据通过Wi-Fi网络进行传输时，不用关心下层协议的传输，Wi-Fi网络只负责将需要传送的业务送到目的节点，同时保证传输质量即可，不对传输业务进行纠错。系统Wi-Fi网络是实现PC监控系统与各数据采集模块进行数据共享的桥梁。

PC监控系统选用带无线网卡的工业平板电脑作为PC监控系统硬件平台，分配PC监控系统主机地址：192.168.1.4，编制VC++软件，通过Wi-Fi网络读取I/O数字量采集模块、脉冲量采集模块、摄像机等数据，并将数据显示在PC监控界面上。

I/O数字量采集模块和脉冲量采集模块网络节点设计步骤如下：

（1）分配采集模块网络地址。系统定义I/O数字量采集模块和脉冲量采集模块的网络地址分别为16进制数0x01和0x02。

（2）定义数据帧格式（见表1）。

表1 数据帧格式

（3）Wi-Fi节点功能设计。将采集模块的RS485接口通过硬件电路转为Wi-Fi无线接口，Wi-Fi网络传输为透明传输形式，PC监控系统不需关心下层Wi-Fi传输形式，即可读到采集模块数据帧，然后从数据帧中提取采集模块的有效内容。

摄像机网络化步骤如下：

（1）分配网络地址。系统定义摄像机网络地址为192.168.1.10。

（2）定义数据帧格式。采用标准视频帧格式H.264。

（3）Wi-Fi节点功能设计。将摄像机RJ45口通过路由器转为Wi-Fi无线接口，PC监控系统对视频帧格式H.264进行解码显示。

3 现场试验

2016年4月，在兴平大型养路机械厂测试了系统性能（见图7、图8）：（1）PC远程监控功能，试验轨道车上远程监测浇注小车和烘干小车上的开关量、脉冲量和视频图像3类信息。（2）PLC自动控制功能，浇注小车浇注头平均移动误差≤±15 mm（见表2）。（3）增加中继器后，局域网络覆盖范围超过100 m，实现了轨道车与浇注小车、烘干小车间的数据交换与共享。

图7 轨道车司机室PC监控系统

图8 Wi-Fi网络覆盖范围

表2 浇注小车浇注头移动试验 mm

浇注小车浇注头移动试验误差分析：

（1）控制死区影响。为了减少位置调节时间及浇注头接近设定距离时产生的振荡次数，PLC控制系统设置了±5 mm死区，在死区内认为位置偏差为0。

（2）拉绳传感器精度影响。拉绳传感器测量精度为±2 mm。

Wi-Fi信号干扰情况说明：

（1）增加Wi-Fi中继器后，Wi-Fi无线通信速率有所降低，且速率降低程度与通信距离成反比关系，距离超过100 m后，系统方案将不能实现视频监控需求。

（2）2.4 GHz对讲机非常靠近Wi-Fi模块天线时，会使信号产生短暂延时，选取合适的位置安装Wi-Fi模块天线，可大大降低对讲机对其的干扰。

4 结束语

聚氨酯固化道床施工设备监控系统采用Wi-Fi无线网络通信技术实现开关量、脉冲量和视频图像信号百米范围内的传输，采用模块化设计方法降低了各设备分散作业的安装难度，提出了可采集开关量、脉冲量和视频图像信号的带Wi-Fi节点的检测监测设备设计方案，选用PLC控制器，最终实现了聚氨酯固化道床施工设备的监测和控制功能，实现了分散作业施工设备间的大容量数据交换和协同工作。通过现场试验测试，系统具备远程监控浇注小车和烘干小车上的开关量、脉冲量和视频图像信号的功能，PLC系统可准确可靠控制执行机构进行施工作业，提高了聚氨酯固化道床的工作效率和施工安全性。

[1] 张文亮，程绍澜．Wi-Fi网络通讯技术在煤矿井下的 应用分析[J]．信息通信，2013(2)：205-206．

[2] 王毅勇，刘贺坚．无线通信设备手持机终端在货检 作业中的应用[J]．中国铁路，2014(6)：99-100．

[3] 李辰旸，罗文广．基于Wi-Fi网络的智能汽车控制系 统研究[J]．科技致富向导，2014(4)：135-136．

[4] 李敏，张莉，何光伟．有线通信与无线通信的优劣 对比分析[J]．计算机光盘软件与应用，2012(5)： 25-26．

[5] 王琛．ZigBee路由算法研究及应用[D]．济南：山东 大学，2009．

[6] 祝种谷．无线网络技术及特点分析[J]．信息安全与 技术，2012，3(4)：45-46．

[7] 龙承志，马玉秋，沈树群．基于低速率的短距离无 线通信网络新技术——ZigBee[J]．数据通信， 2005(1)：12-14．

[8] 蒋伟民，毕红军．五种主流近距离无线技术比较[J]. 科技资讯，2007(2)：8．

责任编辑 高红义

Research on the Monitoring System of Construction Equipment for Polyurethane Cured Railway Bed

ZHOU Jialiang，GAO Chunlei，WANG Fadeng，HE Guohua
（Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

The monitoring system of construction equipment for polyurethane cured railway bed mainly consists of hardware modules such as PC monitoring system, PLC control system and inspection & monitoring equipment with Wi-Fi node. Those modules exchange data with each other through Wi-Fi. PC monitoring module can monitor the working condition of PLC control system at the bottom layer and data from all inspection & monitoring equipment, thus guiding safe construction of the operators. PLC control system is responsible for controlling the implementation organization reliably. Inspection & monitoring module acquires information relating to switch state, pulse count, image, etc. The system solves the problem of long-distance transmission of large-volume data among the equipment for polyurethane cured railway bed scattered in diferent places. In this way, the system could realize coordination of the equipment, improve efciency and enhance safety of construction.

polyurethane cured railway bed；monitoring system；Wi-Fi；network communication；PLC control

U216.6

：A

：1001-683X（2017）06-0059-05

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.06.059

2016-10-10

中国铁道科学研究院科技研究开发计划项目（2015YJ043）

周佳亮（1986—），男，助理研究员，硕士。

E-mail：zhoujialiang40000@126.com