多探測點超聲在線鋼軌檢測控制系統設計

戴雨馨 ，王月明 ，李廉嘉

（1.內蒙古科技大學 信息工程學院，包頭 014010；2.內蒙古包鋼鋼聯股份有限公司 軌梁軋鋼廠，包頭 014010）

鋼軌在出廠時會存在白點、縮松、縮孔、軋疤等鑄造缺陷和軋制缺陷，還可能出現軌底裂紋的核傷[1]，鐵路中的鋼軌長期在動態重載荷下易出現腐蝕、變形、磨損、裂紋甚至斷裂，嚴重影響行車安全，因此鋼軌在出廠前必須對質量嚴格控制[2]。

我國鋼軌探傷常以線路探傷為主要檢測手段，而鋼軌線路檢測至今仍以探傷小車為主，這點與國外大不相同[3]。現階段國內對鋼軌的超聲檢測設備分為2種：一種是手推式探傷小車，其掃查速度慢、效率低，一些探傷小車基于單片機研制，資源有限，檢測效率不高，不利于鋼軌生產上和線路鋼軌的大批量檢測。另一種是線路大型探傷車，難以使用[4]。對于出廠前的在鋼軌在線檢測，現有在線探傷設備常用渦流式探傷設備和多通道探傷儀。渦流式在線探傷僅能對鋼軌踏面缺陷檢測，后期仍需要人工檢測，而多通道探傷儀由于數據吞吐量較大且覆蓋鋼軌檢測面不全面[5-6]。鋼軌內部采樣的實時性是多通道在線超聲探傷系統的技術關鍵[7]。

針對現有鋼軌在線探傷傷損檢測覆蓋范圍小，檢測精度不高的缺陷和不足，在此設計了多探測點在線超聲技術的鋼軌檢測系統。通過研究鋼軌在線探傷的檢測原理，了解了超聲波在被檢鋼軌中的信號傳遞；設計了多探測點在線超聲鋼軌檢測系統的硬件組成結構、系統中現場可編程門陣列FPGA的應用，明確了檢測系統的電路工作原理和電控方案，完成了檢測系統軟件的設計。

1 多探測點在線超聲鋼軌檢測系統工作原理

鋼軌在線檢測時，多檢測系統的探頭會依照一定方式排列于鋼軌斷面周圍，使待檢鋼軌的踏面、軌頭、軌腰和軌底處的缺陷全方位檢測。探傷時鋼軌的運行速度為0.5～1.5 m/s，傷軌缺陷位置由計算機顯示出來，有待進一步分析的缺陷部位則需要涂油漆作標記[8]。

檢測系統的工作原理如圖1所示。系統由上下位機、多個探頭、電控系統、機械系統組成，采用了檢測中心輥道運動，超聲檢測探頭不動的檢測方式。系統在鋼軌檢測的各個檢測探頭既可以獨立地發射、接收脈沖，也可以根據不同型號鋼軌的生產需要，一個通道發射另一個通道接收。多探測點超聲系統是以聲能和電能的轉換和耦合劑作為傳播介質，同步電路產生的信號可觸發脈沖觸發高頻發射電路、反射式報警電路為原理，并采用超聲脈沖回波法工作[9]。檢測過程是從發射聲波和接收聲信號的對比中，或從對同一發射聲波的不同接收聲信號之間的對比中，檢出鋼軌特性和缺陷特征[10]。

圖1 超聲波鋼軌在線檢測原理Fig.1 On-line inspection principle of ultrasonic rail

2 系統的硬件結構

多探測點在線超聲鋼軌檢測系統的控制系統由上位機軟件和下位機硬件部分構成。其中，硬件部分由多探測點超聲檢測板、高壓信號發射模塊、20通道探頭和FPGA采集模塊等組成。由于鋼軌具有復雜且特殊的截面形狀，因此采用了大面積雙晶探頭，增強了系統的抗干擾能力，使超聲波信號的重現性得到較大的提高。檢測系統的硬件構成如圖2所示，超聲波換能器被FPGA提供的高頻脈沖激勵，當高頻超聲波脈沖射入待測鋼軌中，以直線的方式運行直至碰到阻礙。多探測點在線超聲鋼軌檢測系統由發射部分向換能器發出激發高頻脈沖產生超信號，同時接收換能器檢測到的回波信號，再通過FPGA部分采樣，最終數據處理模塊通過PC或硬盤存儲來完成與上位機的通信，將檢測后的鋼軌數據傳送到上位機以完成后期的工作及檢測參數的調整，并將上位機傳送檢測控制參數傳至檢測電路板以激發高頻發射電路和反射式報警電路。

圖2 多探測點超聲法在線鋼軌檢測系統硬件結構Fig.2 Hardware structure of multiple detection points ultrasonic on-line rail inspection control system

FPGA主要負責數字板參數及DAC的設置，需要實現的具體參數包括：通道閘門的寬度、幅度，探傷頻率設定，檢波選擇，掃描深度設定，DAC增益控制，在線檢測板的發射頻率、重復頻率、檢波類型設定，閘門報警參數、探傷通道選擇，以及蜂鳴器控制接口。針對多探測點在線超聲鋼軌檢測系統的20通道超聲探傷系統通道多、數據量大的情況，FPGA采集模塊可以對樣軌傷波進行實時記錄存儲。

3 系統的電控方案

多探測點在線超聲鋼軌檢測系統主機采用西門子S7-300，PLC作為上位機PC的下位機，系統采用專用協議MPI，超聲檢測模塊與上位機通信方式選擇PLC通信總線，主站與從站通信方式為ProfiBus-DP，由此完成上位機對鋼軌檢測模塊的報警處理和超聲檢測模塊數據的采集。圖3a為檢測系統的I/O接線圖，圖3b，c分別為檢測系統繼電器輸出和光電隔離輸入示意圖。

圖3 多探測點在線超聲鋼軌檢測系統電路Fig.3 Circuit diagram of multiple detection points ultrasonic on-line rail inspection control system

檢測系統組成1個獨立控制網絡，通過交換機與工控機，PLC，I/O分布，一級服務器環網相接。檢測信號通過分布I/O由DP網絡與PLC和CPU通訊。電控部分利用上位機通過UBS通訊協議與下位機通訊，發送控制命令到下位機實現可調的觸發脈沖、增益以及確定接收方式等功能。超聲發射接收電路激勵并接收鋼軌檢測探頭的信號，經過濾波、放大程控后進入數據采集模塊將全波段采集，采集信號經一定處理后送入計算機或外部存儲器存儲，通過S7-300 PLC本體通訊端口MPI電纜與裝有 CP5611通信卡的工控機連接，實現與ProfiBus/MPI通訊連接，極大地提高了PLC與工控機的通訊速度。

圖4為檢測系統電控方案。檢測系統的變頻站通過DP網絡傳到西門子站，輥道控制由檢測中心通過DP網絡、DP耦合器連到西門子站，向西門子站發送命令控制變頻站的啟停、正反轉、轉動速度。

圖4 多探測點在線超聲鋼軌檢測系統控制方案Fig.4 Control scheme of multiple detection points ultrasonic on-line rail inspection control system

PLC負責對底層的傳感器、檢測電機、探傷設備控制，從而控制多探測點在線超聲鋼軌檢測系統負責超聲信號的發射、接收并向上位機傳輸超聲數據。上位管理機負責整個系統的協調和同步，并對檢測結果進行存儲。缺陷回波所形成的峰值用于判斷傷軌缺陷情況，鋼軌有傷時缺陷位置自動顯現于檢測結果。

4 系統的軟件設計

檢測系統的軟件設計了動態抓波功能，使操作者對缺陷的判斷更接近于之前使用的模擬機，同時還采用了背波監視功能，使探頭與鋼軌表面的耦合情況得到實時監控。多探測點在線超聲鋼軌檢測系統開放式的操作面板探傷顯示與鋼軌的運行同步，并擁有友好的窗口界面，能實現為用戶定制的報告格式、缺陷波形的實時記錄和回放，同一屏幕可以顯示多個通道的實時波形。所有通道閘門內缺陷的C掃描在同一屏幕內顯示，與國內外同類技術相比，具有設計制造方便，信號傳遞和接收在線自動控制，且制造費用低、故障率低、維護成本低等優點。

4.1 主程序設計

系統的通訊程序如圖5所示，檢測系統上位機啟動，開始檢測命令，待檢鋼軌進入檢前送輥道。檢測系統的主程序流程如圖6所示。光電傳感器檢測到鋼軌進入超聲檢測單元后，端頭進入檢測系統速度減緩進行水耦合檢測。系統上位機開發環境的軟件是基于Visual C 6.0平臺，軟件采用模塊化設計原則，分為參數調整模塊、檢測模塊、檢波模塊和、數據采集統計模塊、A掃模塊、C掃模塊等。

上位機DP值、通道數目、閘門參數和檢測結果數據的讀取用于上位機與PLC工控機通訊，通訊方式采用串口通訊，包括鋼軌類型、通道選擇和樣軌判傷參數設置。系統上位機接線電路如圖7所示。檢測模塊中，根據樣軌調試的報傷情況，設定標準樣軌且對波峰值采樣，之后將采樣數據對比處理進行判傷。

圖5 檢測系統PN/DP通訊程序Fig.5 Detection system PN/DP communication program

圖6 多探測點在線超聲鋼軌檢測系統主程序流程Fig.6 Multiple detection points ultrasonic on-line rail inspection control system main program flow chart

圖7 上位機接線電路Fig.7 Upper computer wiring circuit

數據庫可以實現數據采集統計模塊，數據采集統計模塊包括系統檢測時間、檢測員、鋼軌類型、鋼軌鋼質、檢測鋼軌數量、傷波圖像顯示等。

4.2 其他程序設計

4.2.1 控制功能程序

（1）上料功能程序

檢測一根鋼軌時，有傷則執行報警程序，無傷則走出檢測系統。系統的約束條件是自動檢測狀態且輥道正向運轉。當一根鋼軌結束檢測時，所有接近開關均無光電感應，檢測系統所有輥道轉動停止。

（2）輥道功能程序

PLC通過PN/DP耦合器發送鋼軌在輥道運動的指令（啟動、停止、前進、后退、速度等基本動作）。由主變頻給檢測中心提供足夠的安全距離，鋼軌出了檢測系統后，第2根鋼軌才從臺架上啟動。當檢測控制系統允許時，鋼軌才能進入檢測系統；如果檢測系統不允許，主系統應保證鋼軌停留在安全距離之外，等待檢測系統的指令。

（3）檢測報警程序

報警原理如圖8所示。在檢測狀態下，將回波信號存儲器和報警數據存儲器比較，如果前者大于后者，則系統報警。

圖8 系統報警原理Fig.8 System alarm principle

4.2.2 故障檢測

為了及時發現設備故障，工控機通過利用WinCC軟件組態出人機界面。監測界面如圖9所示，清晰地顯示設備的運行狀況。工控機通過交換機收集超聲儀表信息，并上傳到二級計算機。

圖9 系統工控機組態軟件監測界面Fig.9 System engineering control unit state software monitoring interface

5 系統數據顯示

該檢測控制系統檢測檢測鋼軌20通道的DAC曲線，同時顯示了A掃數據的的傷軌回波波形。檢測處的傷軌數據如圖10所示。

圖10 傷軌數據顯示Fig.10 Track data display

6 結語

研究了在線多探測點超聲鋼軌檢測系統的軟件設計，分析了線多探測點超聲鋼軌檢測系統硬件總體構成、FPGA程序的實現。該系統通過利用多探頭組合探傷，實現高精度的鋼軌踏面、軌頭、軌腰、軌底在線全方位的檢測，實現了多探測點法鋼軌超聲探傷，有效降低了探傷工人的勞動強度；用于上位機軟件中直接進行數據處理和判傷，大大提高了檢測的效率和準確度。在鋼軌的實際生產中，系統調試和成品大量在線檢測表明，在線多探測點超聲鋼軌檢測系統人機友好，檢測精度高，運行良好且方便準確，在包鋼軌梁廠鋼軌在線檢測中得到良好的應用。

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