基于以太網的列車清洗機遠程監控系統設計

劉麗華，易毅堅 ，何冠平

(1.廣州鐵路職業技術學院 機車車輛學院，廣東 廣州 510430；2.廣州地下鐵道總公司，廣東 廣州 510308)

地鐵車輛段均配置有列車清洗機，用來清洗車輛表面的灰塵、油污和其他污漬[1]。列車清洗機電氣主控制室和污水處理電氣控制室分開布置，清洗作業時需要安排1名檢修人員在電氣主控制室現場值守操作，以確保洗車作業安全進行。這種清洗方式目前存在兩方面的問題，一方面，檢修人員在電氣主控制室無法直接監控到污水處理電氣控制柜的運行情況；另一方面，據統計分析，洗車作業耗時較長，洗車作業需要人工輔助完成的時間只占洗車作業總時長的1/8，即在洗車現場監控洗車過程耗費了大量的等待時間，人工有效工時利用率非常低。而當前列車清洗機在技術上己具備了自動清洗功能，自動清洗機故障率低，不需要人員在現場值守。所以構建一套遠程監控系統，對列車清洗機進行遠程實時監控，實現列車清洗作業無人化自動作業和提高生產效率是亟待解決的問題。

病魚全長2.5～4.2cm，在燒杯水中游動呆滯，部分魚頭上尾下，體色光澤暗淡不鮮明，頭吻部灰白色，呈“白頭白嘴”狀。解剖瀕臨死亡的加州鱸魚苗，鰓絲暗紅色、黏液偏多，部分鰓絲已破壞，尾鰭呈灰白色，胃內少量或無食物，膽汁量少色淺，其他內臟未見病灶。用玻片刮取加州鱸魚苗體表黏液放置在10×40倍顯微鏡下觀察，有節律地順序擺動的杯體狀蟲體，一個視野下可見4個以上蟲體，多的達10個以上。取鰓絲用玻片壓片10×40倍顯微鏡觀察，一個視野下可見5個以上蟲體，初步確診為杯體蟲引起的加州鱸魚苗死亡。

隨著工業自動化的發展，工業以太網可以將自動化系統連接到企業內部互聯網、外部互聯網和因特網，實現遠程數據交換以及管理網絡和控制網絡的數據共享。S7-300/400型PLC的各級CPU和新一代變頻器都集成了以太網接口[2]，本文在列車清洗機采用S7-300型PLC的基礎上，利用CP343-1型工業以太網通信模塊，通過工業以太網和PROFIBUS-DP網絡，設計了一套列車清洗機遠程監控系統，將分布的污水處理站點、電氣主控制室和車輛段控制中心進行信息通信，遠程監控列車清洗機的運行狀態。

1 自動化通信網絡概述

一般工廠自動化通信網絡采用3級網絡結構：現場設備層、車間監控層和工廠管理層[3]。現場設備層連接現場設備(包括分布式輸入/輸出設備、傳感器、執行機構等)，完成信息智能采集，現場設備層的核心技術涉及PROFIBUS-DP現場總線技術和無線網絡技術。車間監控層用來完成車間主要生產設備之間的連接，車間監控用工業以太網將PLC、PC和HMI連接在一起。車間管理網通過交換機或路由器連接到主網，將車間數據集成到工廠管理層。

網絡信息傳輸可通過工業以太網、互聯網、電信網等實現，工業以太網技術具有設備廉價、可與IP技術無縫融合及協議簡單、設備兼容性好等優點。可采用雙絞線、無線方式和光纖等接入工業以太網，實現現場設備底層傳感器網絡的接入。雙絞線最長傳輸距離為100 m；無線方式基于3G/4G無線技術，如果采用企業無線網，則要充分考慮到安全性；光纖通過光纖收發器來傳輸，可以分成單模和多模光纖收發器，單模光纖收發器傳輸距離為20～120 km，光纖傳輸具有傳送距離遠和速度快的優點[4]，考慮到本設計的遠程監控系統設置在車輛段控制中心，位置固定且離列車清洗機現場約有800 m，結合安全性和效率等綜合考慮，本項目本地控制端與遠程控制端采用光纖進行以太網通信。

“綜合材料藝術”的概念，最為直接的理解就是視覺藝術中混合運用多種材料進行藝術創作。綜合材料的英文名稱是Mixed media & material，又可以稱為復合材料或綜合媒介，強調材料多元、復合、兼容的特點。綜合材料不一定是現成品，可以是制作作品的特殊材料。綜合材料的“綜合”二字，還有一個針對性，就是指不只是用單一、慣用的藝術材料，比如蛋清顏料、油質顏料或水墨等等，而是自由采用那些在既往藝術創作中不用或較少使用的多種生活材料、工業材料。綜合材料在更多的時候體現為藝術創作的新的形式語言，而語言的變化往往使得

2 遠程監控系統結構

列車清洗機工作區域主要包括清洗區、機械間和電控室[5]。清洗區由信號燈、氣水管道系統、污水收集系統和各工位組成；機械間包括水泵、水箱、污水處理水池等；電控室分別布置在1樓和2樓，1樓設置污水處理站的設施和控制柜，2樓放置清洗機主電氣柜和主控制柜。列車在清洗區按行車信號燈完成洗刷預冷、預濕、側面初刷、側面次刷、初沖洗、側面精刷洗和終沖洗等過程。

思雨終于聽到了臥室傳出的姐妹倆的笑聲，思雨的心里一塊石頭總算落了地。就好像一宗陳年冤案終于昭雪以告天下。

遠程控制端也為車間監控層，設置了1臺觸摸屏作為終端監控顯示屏、1臺PC機作為視頻監控，通過觸摸屏與操作人員進行交互。

圖1 列車清洗機遠程監控系統總體硬件結構

本地控制端包括本地電氣控制系統和視頻監控系統兩部分。本地控制端也是現場設備層，本地2樓電氣控制系統采用S7-315型清洗機主控制器，1樓采用S7-200型污水處理控制器。1樓污水處理控制器和2樓清洗機主控制器通過PROFIBUS-DP網絡連接。視頻監控平臺選用360°紅外夜視智能攝像機和NVR網絡硬盤錄像機搭建，NVR錄像機對各攝像機進行錄像，無線攝像機也通過Wi-Fi連接到本地端交換機。在本地端S7-300型控制器導軌上安裝CP 343-1型通信擴展模塊。

服務端和工業以太網硬件設備有交換機、光纖收發器和光纖電纜。從本地控制端到遠程控制端鋪設光纖電纜線。信息傳輸路徑為：PLC采集信號、電纜線傳輸給以太網交換機，通過以太網線傳輸給本地控制端的光纖收發器，再轉成光信號，光纖電纜把光信號傳輸給遠程控制端的光纖收發器，光纖收發器轉成電信號，通過以太網線傳輸給遠程控制端以太網交換機。

粉絲文化研究中有兩個偏向，一是將粉絲視為病態、瘋狂、非理性的人群，二是沿襲著“積極受眾”立場以及詹金斯的文本盜獵觀，著重呈現粉絲的主動性和創造性，以及所帶來的正面意義。近幾年的研究也似乎更為集中于后者，旨在破除對粉絲固有的刻板印象。粉絲群體通過日常討論和其他儀式活動維系情感，并形成強大的凝聚力和高度的行動同質性（潘曙雅，張煜祺，2014）；粉絲群體具有結構清晰、分工明確的特點（馬志浩，林仲軒，2018）；粉絲社群內部易形成禮物經濟、混雜經濟和非正式經濟（楊玲，2015）；網絡粉絲社群具有強大的社會動員能力（朱麗麗，2016）。

列車清洗機遠程監控系統的主要任務是采集現場信息、PLC實時數據，并根據作業情況發出控制指令，實現對清洗過程的遠程監控。為實現傳輸速度，本設計選用光纖以太網通信，列車清洗機遠程監控系統總體硬件結構如圖1所示，包括本地控制端、服務端和工業以太網、遠程控制端。

監控軟件選用TIA Portal軟件，它為系統提供了洗車現場流程監控、數據采集、遠程控制和報警等功能。根據系統工藝要求，監控界面共由17個畫面組成，監控主界面由系統說明、設備選擇、手動調試、流程監控、信息顯示和污水處理遠程控制等選擇項組成，如圖3所示。在TIA Portal軟件中，PLC的DB20數據塊的功能是讀取HMI數據，修改原OB1主程序，把PLC的數據和HMI軟元件關聯，達到用HMI軟元件控制PLC主程序的目的。

3 遠程監控系統硬件設計

3.1 視頻監控系統設計

要從列車清洗機現場操作人員無法直接觀察的位置以及容易出清洗故障的位置兩個方面考慮視頻監控系統智能攝像頭的安裝位置。經現場調查，軌道上的異物、清洗端的毛刺等問題均會引起清洗故障，但PLC卻不會報警，所以在列車清洗機現場安裝了6個無線攝像機，分別監控兩邊刷、軌道、污水處理電氣控制室和電氣主控制室等重要設備。智能攝像機選用TL-IPC40A-4型云臺網絡攝像機，上位機安裝TL-IPC40A-4型安裝軟件，遠程端安裝無線路由器，手機能接收到無線路由器的信號時，可用手機下載App，遠程端值班員可通過視頻遠程監控現場，車輛檢修人員也不需要守在現場，可通過手機App實時監控現場。

3.2 PLC硬件組態

島上現有的中海油湛江分公司潿洲終端處理廠、中海油氣電北海燃氣公司等工業企業不僅與潿洲島旅游發展定位不相符，而且對海島風貌、旅游環境、游客安全的影響較大。

列車清洗機主控制器選擇了S7-315型PLC。該PLC具有模塊式結構，可靈活選擇各種模塊組成不同的控制系統，可靠性高，能滿足惡劣工業條件，同時具有豐富的編程語言和多種調試手段，使得系統調試變得更加方便。

一旦列車清洗機有故障，PLC通過故障判別會把相應的報警信號顯示在任何一個操作界面上，提示操作人員故障類型，遠程監控人員經過向維修保養人員咨詢后，根據故障的嚴重程度，決定是繼續清洗作業還是安排車輛檢修人員現場排除故障。

表1 PLC主機硬件組態

3.3 以太網組態

采氣廠作為典型的化工企業，安全是擺在企業面前的頭等大事，基于安全開展企業生產工作以及經營工作是一項基本原則，在實際業務中，采氣廠由于其地理位置分散、風險系數高等特點，對安全管理有著更高的要求。

以太網交換機選用支持1 000 M網絡的八口TP-LINK全千兆POE供電交換機，光纖收發器選用SC四芯單模終端盒，光纖電纜線采用GYXTW型室外單模光纜四芯線，沿列車清洗機本地控制室鋪設光纖到遠程監控端。觸摸屏選用支持PROFINET/工業以太網接口的TP700 Comfort型顯示屏。

4 遠程監控系統軟件設計

4.1 PLC控制程序設計

列車清洗機的主控制器程序通過STEP 7 V5.4軟件來實現，PLC程序采用分塊程序結構，根據每個設備的功能編定不同的功能塊，如表2所示，組織塊OB1是主程序，調用FB和FC等功能塊。系統改造時，由于在遠程端和本地端都增加了觸摸屏HMI控制，所以對OB1進行了修改，OB1主程序設計如圖2所示。此外，增加了通信塊組合OB10、 FB200、DB200、 DB201、FC5 和 FC6。

如圖1所示，電氣控制系統采用S7-300型主控制器，污水處理采用S7-200型從控制器，選用EM277型通信模塊，將S7-200型CPU作為DP從站連接到PROFIBUS DP網絡，完成S7-300型主控制器和S7-200型從控制器之間的PROFIBUS DP網絡通信。 CP343-1型通信模塊是S7-300型主控制器的全雙工以太網通信擴展模塊，通信速度為10 Mbit/s或100 Mbit/s，把CP343-1型通信模塊安裝在S7-300型主控制器的導軌上，選擇“S7協議”，CP343-1型通信模塊即可把S7-300型主控器的PLC連接到以太網。

圖2 OB1主程序設計流程

表2 列車清洗機部分程序塊和數據庫

除了增加通信功能塊，還修改了自動洗車控制塊FC20，FC20功能塊的作用是自動洗車，FC1功能塊的自動功能程序先調用FC20功能塊 ，然后再調用FC11、FC12和FC13功能塊，完成試運行、入庫預濕預冷、側洗前端洗和側洗后端洗等工位。

4.2 遠程監控系統界面設計

（1）防止二次污染。在經濟技術適用性滿足常州市河道清淤特點的前提下，比選并引進國內外先進的清淤技術和設備，多進行試點，推廣環保清淤。同時開展對河道底泥的分析研究，制定出有針對性的疏浚底泥后續處理的方法，防止二次污染的發生。

圖3 遠程監控系統監控主界面組成

列車清洗機進入主界面(圖4)后，可選擇清洗機面板(本地)控制和車輛段控制中心DCC面板(遠程)控制，遠程操作面板和本地操作面板是互控的。當使用清洗機本地端洗車時，遠程操作面板的自動洗車和手動調試2個按鍵必須復位，反之亦然。遠程操作面板上顯示本地控制/遠程控制，用戶可自行選擇，PLC程序會根據用戶指令執行。面板設置有自動模式和手動模式[3]:在自動模式下，流程監控界面設計如圖5所示，包括各個邊刷、電動機、傳感器的動作情況；手動模式主要用于各工位的調用和調試，單獨檢測清洗機各主要部件是否能正常工作以及是否能實現指定的動作，手動模式一般用于故障排除以及日常的例行檢修工作[1]。報警管理設置了63個離散量報警，部分報警變量設置如圖6所示，通過文本進行警告提醒和錯誤報警。

圖4 列車清洗機主畫面

圖5 列車清洗機工作流程監控界面

圖6 部分報警變量設置

S7-315型PLC由電源模塊、CPU模塊、數字量輸入模塊、數字量輸出模塊組成[1]，它們分別安裝在同一機架上。列車清洗機共需要72個輸入點、65個輸出點。根據輸入、輸出點數和功能，設置了3個數字量輸入模塊、5個數字量輸出模塊，PLC主機硬件組態如表1所示。

5 遠程監控后產生的經濟效益

基于以太網的列車清洗機遠程監控系統的試驗設備如圖7所示。列車清洗機實現遠程監控后，取消了列車清洗機專職崗位，目前經改造后的列車清洗機為無人值守狀況。經過1年試驗，對改造前有人值守和改造后無人值守工時進行了對比，如表3所示。

圖7 基于以太網的列車清洗機遠程監控系統的試驗設備

由表3計算得出，采用列車清洗機遠程監控系統后，全年節約工時約1 962 h，若以初級工薪資計算，每年每臺列車清洗機能節省約6萬元成本費用。

表3 采用列車清洗機遠程監控系統前后節約工時對比 h

6 實施過程中可能帶來的風險及防范措施

采用列車清洗機遠程監控系統后，無人值守洗車與有人值守洗車相比，最大的不同點是清洗機現場沒有人員進行實時監控，由遠程端當班檢調人員負責洗車監控與故障應急處理。主要的風險及防范措施如下：

(1) 在洗車過程中，若有人員進入清洗機清洗區，會帶來人身安全風險，若遠程監控端的視頻監控發現異常，應及時停止洗車；

(2) 通過視頻監控發現信號燈異常時，應及時停止洗車，并與乘務人員溝通，開放洗車信號，讓列車不洗車直接通過清洗區。

列車清洗機遠程監控經過1年運行后，至今未發生任何不可控風險，證明以上風險是可控的。

7 未來展望

本文中的列車清洗機遠程監控系統可隨時擴展以增加接口，可通過4G無線網絡和云平臺，將車輛段內的清洗機、多個庫房的頂棚照明、架車機等設備站點的視頻監控和設備運維信息組成一個車輛段的局域網，最終實現車輛段內清洗機、照明和架車機等設備集中遠程控制，將進一步降低成本,減輕人員勞動強度。