百米钢轨焊接输送线监控系统的改进

百米钢轨焊接输送线监控系统的改进
冯文杰;张曦;骆德阳;张丹妮
【摘要】焊轨基地百米轨焊接输送线运行效率对于钢轨焊接生产至关重要.针对已经使用的百米轨焊接输送线监控系统运行不够稳定,界面不够直观的特点,对监控系统和界面进行了改进.监控系统通过调试和运行,稳定性显著提高.
【期刊名称】《铁道建筑》
【年(卷),期】2011(000)001
【总页数】3页(P100-102)
【关键词】钢轨焊接输送线;监控系统;工业以太网;集散控制
【作者】冯文杰;张曦;骆德阳;张丹妮
【作者单位】西南交通大学焊接研究所,成都610031;西南交通大学焊接研究所,成都610031;西南交通大学焊接研究所,成都610031;西南交通大学焊接研究所,成都610031
【正文语种】中文
【中图分类】U213.9+2
随着我国高速铁路快速发展，为大幅度减少钢轨接头数量，提高轨道质量，铁道部要求使用百米定尺轨在基地焊接成500 m长钢轨。

百米定尺钢轨基地焊接可以大幅度减少接头数量，有效提高列车运行平稳度［1］。

成都铁路局焊轨段在铁路的发展需求之下，将原有的25 m定尺轨焊接生产线改造成4条百米定尺轨焊接生产
线。

焊轨基地投入生产以来，生产运输线的稳定运行很大程度上关系到工厂的生产效率。

生产运输线加长以后，为了提高钢轨焊接输送线自动化水平，提高生产效率，研制了一套基于力控组态软件的PLC监控系统，对变频器进行监控。

使用操作台
按钮通过PLC、变频器控制钢轨输送。

控制系统调试运行以来，稳定性不够高。

经过多种措施，都不能排除信号干扰，降低故障率。

针对这些问题，对监控系统控制网络结构和通信进行了改进，通过增加PLC数量，光纤通信，配置TCP/IP网络协议，形成了基于工业以太网和CANopen协议的现场总线系统，克服了由于控
制线距离长，电磁场环境恶劣造成不稳定的问题。

并对监控界面做了立体设计。

1 焊接生产输送线简介
成都百米轨焊接基地分为4条生产线，工位布局如图1所示。

钢轨输送是由电动
机带动滚筒旋转，通过钢轨与滚筒间的摩擦使钢轨移动。

每条生产线1 400 m，
各有196个动力滚筒，每个滚筒由1.1 kW的电动机带动。

每个变频器控制7个
电动机，变频器均匀分布在各条生产线上。

通过变频器控制电机前进、后退和速度，经减速器控制动力滚筒转动，实现对电动机的无级调速。

图1 成都焊轨基地工位布局简图
2 监控系统改进
2.1 输送线改进前的网络结构设计
改进前的系统硬件配置和网络结构如图2所示。

上位机软件采用力控组态软件6.0，PLC为 Modicon M340系列 PLC，其中机架为 BMX XBP 1200(12插槽)，主机
为 BMX P34 2030，电源模块为 BMX CPS 2000，编程软件为 Unity Pro XL3.1。

工控机和 PLC之间采用以太网TCP/IP协议通信。

变频器为施耐德ATV71系列，PLC与变频器之间采用CANopen现场总线通信［2］。

图2 改进前系统硬件配置和网络结构
监控系统原理为，PLC1配置了分布式I/O控制模块，一方面通过钢轨输送线操作
台按钮给PLC发送命令，再由PLC通过CANopen现场总线给变频器传送信息。

通过PLC逻辑控制对变频器的启动、停止、正反转进行操作，进而控制电动机运行。

另一方面，基于监控软件的工控机和 PLC通信，将速度等参数传给PLC，进而控制变频器;同时可通过PLC和变频器之间通信，读取变频器相关信息，完成现场数据采集。

由图2可知，一二线上位机采用1台工控机作为监控主机，分别监控两条线。

从站下位机采用4台PLC，每条生产输送线采用两台PLC分段控制，这两台PLC又采用“主站—从站”模式设计。

主PLC1控制焊接工位到长轨存放台之间的变频器，从PLC2控制焊接工位到短轨区的所有变频器。

两台PLC通过BMX P3420控制器内置的以太网通讯口，实现PLC之间实时数据交换。

2.2 监控系统改进设计
2.2.1 问题分析
改进前系统硬件配置和网络结构都是合理的，调试和运行阶段都能满足逻辑控制要求，但在强的电磁干扰情况下，就会出现不稳定情况。

闪光焊机不工作，或者一条线不工作的情况下，另外一条线输送钢轨就运行稳定。

当两条线都在运行，闪光焊机或其它设备在工作的时候，就会发生运行不稳定甚至控制失灵的情况。

为了提高稳定性，通过加中继器放大信号，提高双绞线质量，屏蔽层接地克服干扰等措施，都收效甚微。

这样，在充分利用原有硬件的基础上，改进网络结构是非常必要的。

2.2.2 改进思路与方法
图3 改进后系统硬件配置和网络结构
1)对于控制线长，信号衰减严重，采用基于以太网和现场总线的总线集散控制(即FCS)方法［3］，将原来2台PLC增加到4台，分别控制一段变频器，缩短控制距离。

并分布到配轨、除锈、焊接和热调四个工位。

2)PLC之间采用光纤通信，光纤具有损耗低，抗干扰能力强、保真度高的特点。

3)采用以太网进行信号传送，以太网成本低，易于组网，技术成熟，接口方便
［4］。

以太网的 TCP/IP协议应用于工业现场，使得工厂的管理可以深入到控制
现场，可以利用 Internet延伸到现场设备，并通过Internet远程监控工业生产过程，远程系统调试和设备故障诊断。

根据以上三点设计理念，重新设计了网络结构，如图3。

2.2.3 以太网通信
以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势，几乎支持所有流行的网络协议，在商业系统中应用广泛。

进入控制领域以来，以太网的TCP/IP
协议的开放性使得它在工控领域通讯中具有很大的优势［5］，所以PLC之间采用工业以太网通信。

图4 PLC之间通信程序图
BMW P 34 2030处理器支持以太网，使用 Unity Pro实现以太网通信。

打开Unity软件，进入项目浏览器、通讯、网络，新建一个以太网络。

对新建立的以太网进行配置，包括型号系列和IP地址配置。

将建立好的以太网连接到CPU的端口上。

编写以太网通信程序，部分通信程序如图4所示。

通过调用 WRITE_VAR指
令将主PLC参数写入从PLC中，该程序段表示将主PLC从300到315这16个
内部字(%mw)的值写入从PLC相应的内部字中。

通过调用MOVE指令将输入值
分配给输出，输入值和输出值的数据类型必须是相同的。

3 钢轨输送线监控界面改进
按照焊轨基地实际图形，通过力控组态软件将原来的主界面进行了立体化，图5
为改进前的平面简图，图6为改进后监控系统主画面，直观反映了成都焊轨基地
现场的布局。

蓝顶房屋表示工位，长轨区灰色矩形表示变频器柜。

增加了滚筒前进后退方向指示、时间显示等。

工位之间的蓝色长方体表示滚筒，每一个矩形对应实际50 m滚筒线，由一台变频器控制，滚筒颜色的变化直观反映出变频器当前的状态。

当滚筒颜色变化为黄色时，表示变频器左行;当颜色为红色时，表示发生故障。

画面最下方为相关窗口转换图标，用鼠标单击任意一个图标，可以进入相应界面。

如需要调节滚筒速度时，点击速度控制进入图7画面。

将速度设置功能单独成为一个界面，可以防止误操作造成的故障，画面加了面板，清晰明白。

图5 改进前钢轨输送动主画面
4 结论
图6 改进后钢轨输送动主画面
图7 速度设置画面
改进后的钢轨焊接输送线监控系统调试和运行后，稳定性比改进前显著提高，达到了控制的目的。

系统采用以太网和CANopen现场总线集散控制方式，通过光纤通信，大幅度提高了抗干扰能力。

立体界面便于查看，配置更加合理。

参考文献
【相关文献】
［1］张潘，郭建文.百米定尺轨焊轨基地工艺设计［J］.铁道标准设计，2009(9):17-19.
［2］任好娟，骆德阳，吕其兵，等.CANopen总线在焊轨输送线控制系统中的应用［J］.PLC＆FA，2009(9):64-67.
［3］薛辉.DCS PLC现场总线在电厂的应用与发展［J］.新疆化工，2009(3):8-10.
［4］李静.工业以太网在工业自动化系统中应用及前景［J］.承钢技术，2008(1):30-32.
［5］刘婷婷.工业以太网在列车网络系统中的应用前景［J］.内燃机车，2009(4):40-42.。