百米鋼軌焊接輸送線監控系統的改進

馮文杰，張 曦，駱德陽，張丹妮

(西南交通大學 焊接研究所，成都 610031)

隨著我國高速鐵路快速發展，為大幅度減少鋼軌接頭數量，提高軌道質量，鐵道部要求使用百米定尺軌在基地焊接成500 m長鋼軌。百米定尺鋼軌基地焊接可以大幅度減少接頭數量，有效提高列車運行平穩度［1］。成都鐵路局焊軌段在鐵路的發展需求之下，將原有的25 m定尺軌焊接生產線改造成4條百米定尺軌焊接生產線。焊軌基地投入生產以來，生產運輸線的穩定運行很大程度上關系到工廠的生產效率。生產運輸線加長以后，為了提高鋼軌焊接輸送線自動化水平，提高生產效率，研制了一套基于力控組態軟件的PLC監控系統，對變頻器進行監控。使用操作臺按鈕通過PLC、變頻器控制鋼軌輸送。控制系統調試運行以來，穩定性不夠高。經過多種措施，都不能排除信號干擾，降低故障率。針對這些問題，對監控系統控制網絡結構和通信進行了改進，通過增加PLC數量，光纖通信，配置TCP/IP網絡協議，形成了基于工業以太網和CANopen協議的現場總線系統，克服了由于控制線距離長，電磁場環境惡劣造成不穩定的問題。并對監控界面做了立體設計。

1 焊接生產輸送線簡介

成都百米軌焊接基地分為4條生產線，工位布局如圖1所示。鋼軌輸送是由電動機帶動滾筒旋轉，通過鋼軌與滾筒間的摩擦使鋼軌移動。每條生產線1 400 m，各有196個動力滾筒，每個滾筒由1.1 kW的電動機帶動。每個變頻器控制7個電動機，變頻器均勻分布在各條生產線上。通過變頻器控制電機前進、后退和速度，經減速器控制動力滾筒轉動，實現對電動機的無級調速。

圖1 成都焊軌基地工位布局簡圖

2 監控系統改進

2.1 輸送線改進前的網絡結構設計

改進前的系統硬件配置和網絡結構如圖2所示。上位機軟件采用力控組態軟件6.0，PLC為 Modicon M340系列 PLC，其中機架為 BMX XBP 1200(12插槽)，主機為 BMX P34 2030，電源模塊為 BMX CPS 2000，編程軟件為 Unity Pro XL3.1。工控機和 PLC之間采用以太網TCP/IP協議通信。變頻器為施耐德ATV71系列，PLC與變頻器之間采用CANopen現場總線通信［2］。

圖2 改進前系統硬件配置和網絡結構

監控系統原理為，PLC1配置了分布式I/O控制模塊，一方面通過鋼軌輸送線操作臺按鈕給PLC發送命令，再由PLC通過CANopen現場總線給變頻器傳送信息。通過PLC邏輯控制對變頻器的啟動、停止、正反轉進行操作，進而控制電動機運行。另一方面，基于監控軟件的工控機和 PLC通信，將速度等參數傳給PLC，進而控制變頻器;同時可通過PLC和變頻器之間通信，讀取變頻器相關信息，完成現場數據采集。由圖2可知，一二線上位機采用1臺工控機作為監控主機，分別監控兩條線。從站下位機采用4臺PLC，每條生產輸送線采用兩臺PLC分段控制，這兩臺PLC又采用“主站—從站”模式設計。主PLC1控制焊接工位到長軌存放臺之間的變頻器，從PLC2控制焊接工位到短軌區的所有變頻器。兩臺PLC通過BMX P3420控制器內置的以太網通訊口，實現PLC之間實時數據交換。

2.2 監控系統改進設計

2.2.1 問題分析

改進前系統硬件配置和網絡結構都是合理的，調試和運行階段都能滿足邏輯控制要求，但在強的電磁干擾情況下，就會出現不穩定情況。閃光焊機不工作，或者一條線不工作的情況下，另外一條線輸送鋼軌就運行穩定。當兩條線都在運行，閃光焊機或其它設備在工作的時候，就會發生運行不穩定甚至控制失靈的情況。為了提高穩定性，通過加中繼器放大信號，提高雙絞線質量，屏蔽層接地克服干擾等措施，都收效甚微。這樣，在充分利用原有硬件的基礎上，改進網絡結構是非常必要的。

2.2.2 改進思路與方法

圖3 改進后系統硬件配置和網絡結構

1)對于控制線長，信號衰減嚴重，采用基于以太網和現場總線的總線集散控制(即 FCS)方法［3］，將原來2臺PLC增加到4臺，分別控制一段變頻器，縮短控制距離。并分布到配軌、除銹、焊接和熱調四個工位。

2)PLC之間采用光纖通信，光纖具有損耗低，抗干擾能力強、保真度高的特點。

3)采用以太網進行信號傳送，以太網成本低，易于組網，技術成熟，接口方便［4］。以太網的 TCP/IP協議應用于工業現場，使得工廠的管理可以深入到控制現場，可以利用 Internet延伸到現場設備，并通過Internet遠程監控工業生產過程，遠程系統調試和設備故障診斷。

根據以上三點設計理念，重新設計了網絡結構，如圖3。

2.2.3 以太網通信

以太網具有傳輸速度高、低耗、易于安裝和兼容性好等方面的優勢，幾乎支持所有流行的網絡協議，在商業系統中應用廣泛。進入控制領域以來，以太網的TCP/IP協議的開放性使得它在工控領域通訊中具有很大的優勢［5］，所以PLC之間采用工業以太網通信。

圖4 PLC之間通信程序圖

BMW P 34 2030處理器支持以太網，使用 Unity Pro實現以太網通信。打開Unity軟件，進入項目瀏覽器、通訊、網絡，新建一個以太網絡。對新建立的以太網進行配置，包括型號系列和IP地址配置。將建立好的以太網連接到CPU的端口上。編寫以太網通信程序，部分通信程序如圖4所示。通過調用 WRITE_VAR指令將主PLC參數寫入從PLC中，該程序段表示將主PLC從300到315這16個內部字(%mw)的值寫入從PLC相應的內部字中。通過調用MOVE指令將輸入值分配給輸出，輸入值和輸出值的數據類型必須是相同的。

3 鋼軌輸送線監控界面改進

按照焊軌基地實際圖形，通過力控組態軟件將原來的主界面進行了立體化，圖5為改進前的平面簡圖，圖6為改進后監控系統主畫面，直觀反映了成都焊軌基地現場的布局。藍頂房屋表示工位，長軌區灰色矩形表示變頻器柜。增加了滾筒前進后退方向指示、時間顯示等。工位之間的藍色長方體表示滾筒，每一個矩形對應實際50 m滾筒線，由一臺變頻器控制，滾筒顏色的變化直觀反映出變頻器當前的狀態。當滾筒顏色變化為黃色時，表示變頻器左行;當顏色為紅色時，表示發生故障。畫面最下方為相關窗口轉換圖標，用鼠標單擊任意一個圖標，可以進入相應界面。如需要調節滾筒速度時，點擊速度控制進入圖7畫面。將速度設置功能單獨成為一個界面，可以防止誤操作造成的故障，畫面加了面板，清晰明白。

圖5 改進前鋼軌輸送動主畫面

4 結論

圖6 改進后鋼軌輸送動主畫面

圖7 速度設置畫面

改進后的鋼軌焊接輸送線監控系統調試和運行后，穩定性比改進前顯著提高，達到了控制的目的。系統采用以太網和CANopen現場總線集散控制方式，通過光纖通信，大幅度提高了抗干擾能力。立體界面便于查看，配置更加合理。

［1］張潘，郭建文.百米定尺軌焊軌基地工藝設計［J］.鐵道標準設計，2009(9):17-19.

［2］任好娟，駱德陽，呂其兵，等.CANopen總線在焊軌輸送線控制系統中的應用［J］.PLC＆FA，2009(9):64-67.

［3］薛輝.DCS PLC現場總線在電廠的應用與發展［J］.新疆化工，2009(3):8-10.

［4］李靜.工業以太網在工業自動化系統中應用及前景［J］.承鋼技術，2008(1):30-32.

［5］劉婷婷.工業以太網在列車網絡系統中的應用前景［J］.內燃機車，2009(4):40-42.