基于嵌入式系统的抛丸自动线研究

侯超众 ， 侯超群

(1.安徽国防科技职业学院 电气技术学院，安徽 六安 237011；2.安徽移动通信有限公司 临泉分公司，安徽 临泉 236400)

抛丸自动线是重要的铁路机车清理装备，经良好的抛丸清理，机车更易涂装，并大幅提高耐蚀性能及使用寿命。对于抛丸自动线的过程控制，以PLC和HMI结合的工控组合应用最为广泛[1-3]，但该系统只适合抛丸的中短距离管理，实时性较差，要实现抛丸及其他过程的远距离监控，还需另装工控机，增加额外成本[4]。随着嵌入式技术的网络化，功耗低、高性价比、实时性优越使嵌入式Web服务功能日益完善。本文在分析机车抛丸自动线工艺路线的基础上，对抛丸清理自动线进行嵌入式设计，通过嵌入式Web提高监控的实时性，实现抛丸清理的远程监控和管理。

1 机车的抛丸清理

1.1 抛丸清理流程

铁路机车抛丸自动线包括上料装置、抛丸及其控制系统。开始清理前，手动设施机车型号：若为篷车、罐车或平板车，机车由直通行车牵引；若为敞车，机车先由直通牵引到翻转位置，然后起吊车体，与行进水平垂直方向呈45°角，并在直通牵引下通过抛丸室，清理结束后，放正车体，在直通牵引下离开。在抛丸清理过程，抛丸器将丸料抛出，清除车身锈蚀。与此同时，为确保抛丸清理的连续性，丸料抛出后利用输送带回收，并通过补偿装置将回收丸料配给抛丸器。由于清理过程粉尘和铁锈较多，利用除尘和清扫装置清除尘锈和未收集的丸料[5]。

1.2 抛丸清理过程的电控模型

机车抛丸清理过程等效如图1所示(为方便，只标注一个抛丸器)，控制过程为：

1)YV1得电，机车由水平驱动M1牵引，准备进入抛丸室，SQ1有效，YV1失电，牵引暂停。

2)若为敞车，YV2得电，倾转M2动作，提升机车约45°(SQ2到位限制)；YV2失电，机车陆续进入抛丸室。

3)机车进入抛丸室后，SQ1失效，除尘M3、回收M4、清扫M5和M6、抛丸器开始运转，机车在M1牵引下，以适当速度行进。若丸料位置检测SQ3失效，表明丸料需补偿，补偿器得电，补足丸料。

4)SQ4有效，表明机车离开抛丸室，除尘M3、回收M4、清扫M5和M6、抛丸器停止运转。

5)SQ4失效，机车完整离开抛丸室，YV1失电(牵引暂停)，YV3得电；机车摆正后，YV1得电，YV3失电，机车牵引离开抛丸区。

图1 抛丸过程原理图Fig.1 Shot-blast process principle

2 嵌入式Web分析与设计

2.1 硬件分析

抛丸自动线的远程监控由现场控制系统(包括PLC、抛丸过程检测及执行元件如图1)、嵌入式监控系统(嵌入式控制器、HMI、Web服务器)和远程监控计算机组成。远程计算机与嵌入式Web服务器通过交换机相连，用户在计算机的Web浏览器中输入交换机IP地址，在线访问嵌入式监控Web服务器，实现抛丸过程监控。嵌入式控制器与现场控制PLC由串口连接，根据图1中感应信号给PLC发出控制指令，并把感应信号及指令控制存储在Web服务器。硬件结构如图2所示。

图2 抛丸嵌入式监控硬件结构Fig.2 Hardware structure of shot-blast embedded monitoring

1)嵌入式监控平台

嵌入式控制器采用ARM9内核的32位RISC微处理器S3C2410A，片上集成16kB指令和数据cache，配有256kB的二级缓存，含有3通道UART、8通道10位ADC、117个通用I/O、2个I2C和SPI接口等。嵌入式操作系统采用源代码公开、运行资源小的Linux系统。嵌入式服务器采用Linux系统下支持CGI开源Web服务器boa[6]。

2)嵌入式控制器与PLC的连接[7-8]

S3C2410A与PLC之间通过OPC通信，如图3，主要包括OPC Server和Client。

图3 基于OPC的S3C2410A与PLC连接Fig.3 Connection between S3C2410A and PLC based on OPC

OPC Server中包含多个OPC Item，例如在抛丸清理中，同一时段要对多个抛丸器监控，按位置标定，可包含抛丸器1、抛丸器2等多个目标状态参数。OPC Client主要是对用户Server、Group以及Item的连接、添加与生成。

3)嵌入式控制器与HMI的连接

S3C2410A内部具有HMI接口，包含1个外部晶体管控制逻辑、1个带中断的ADC接口。在S3C2410A CPU中使用控制信号nYPON、YMON、nXPON以及XMON控制并选择触摸屏面板，使用模拟信号AIN[7]和AIN[5]分别连接X、Y方向外部晶体管如图4所示[9]。

图4 HMI与S3C2410A的连接Fig.4 Connection between HMI and S3C2410A

2.2 软件分析

抛丸清理嵌入式Web的软件部分主要是在Linux操作系统下，软件结构如图5所示。在ARM9嵌入式Linux系统中，嵌入式数据库boa通过CGI程序与Web Server交互。

图5 嵌入式Web软件结构Fig.5 Software structure of embedded web

Linux系统中源代码是开源的，因此数据库boa的源码可从网络下载。将boa源码存放在宿主PC的指定目录，编译运行，生成对应的boa文件。对于抛丸清理嵌入式Web，在boa数据库中需做对应的修改，包括用户访问权限、数据存储类、服务器类等。Web Server中的CGI主要响应用户需求，包括监控计算机的html以及boa上的CGI，对于用户请求获取抛丸过程变量，boa将资源定位并执行对应程序，获得各抛丸器的工作状态参量，在用户端Web在线监控抛丸自动线过程。

3 结论

1)简化机车抛丸清理的电控模型，并给出基于嵌入式Web的在线监控方案。

2)利用图2所示的监控方案，可实现抛丸过程的远程监控和管理，并且开发较为简单，接口连接容易实现，软件编程量较小，为工业过程监控和管理提供了新的思路。

3)嵌入式Web的硬件研究方面，在源代码公开、运行资源小的Linux操作系统中，利用S3C2410A、boa分别作为嵌入式控制器和服务器，通过HMI、采集数据，利用OPC通信实现S3C2410A与PLC、boa与PLC过程变量的监控。

4)嵌入式Web的软件研究方面，仅给出一种较实用的软件结构。对于源代码开源的Linux平台，仍需不断优化，确保嵌入式Web软件的合理性。