馮文杰，張 曦，駱德陽，張丹妮

(西南交通大學(xué) 焊接研究所，成都 610031)

隨著我國(guó)高速鐵路快速發(fā)展，為大幅度減少鋼軌接頭數(shù)量，提高軌道質(zhì)量，鐵道部要求使用百米定尺軌在基地焊接成500 m長(zhǎng)鋼軌。百米定尺鋼軌基地焊接可以大幅度減少接頭數(shù)量，有效提高列車運(yùn)行平穩(wěn)度［1］。成都鐵路局焊軌段在鐵路的發(fā)展需求之下，將原有的25 m定尺軌焊接生產(chǎn)線改造成4條百米定尺軌焊接生產(chǎn)線。焊軌基地投入生產(chǎn)以來，生產(chǎn)運(yùn)輸線的穩(wěn)定運(yùn)行很大程度上關(guān)系到工廠的生產(chǎn)效率。生產(chǎn)運(yùn)輸線加長(zhǎng)以后，為了提高鋼軌焊接輸送線自動(dòng)化水平，提高生產(chǎn)效率，研制了一套基于力控組態(tài)軟件的PLC監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)變頻器進(jìn)行監(jiān)控。使用操作臺(tái)按鈕通過PLC、變頻器控制鋼軌輸送。控制系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行以來，穩(wěn)定性不夠高。經(jīng)過多種措施，都不能排除信號(hào)干擾，降低故障率。針對(duì)這些問題，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和通信進(jìn)行了改進(jìn)，通過增加PLC數(shù)量，光纖通信，配置TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，形成了基于工業(yè)以太網(wǎng)和CANopen協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，克服了由于控制線距離長(zhǎng)，電磁場(chǎng)環(huán)境惡劣造成不穩(wěn)定的問題。并對(duì)監(jiān)控界面做了立體設(shè)計(jì)。

1 焊接生產(chǎn)輸送線簡(jiǎn)介

成都百米軌焊接基地分為4條生產(chǎn)線，工位布局如圖1所示。鋼軌輸送是由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn)，通過鋼軌與滾筒間的摩擦使鋼軌移動(dòng)。每條生產(chǎn)線1 400 m，各有196個(gè)動(dòng)力滾筒，每個(gè)滾筒由1.1 kW的電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)。每個(gè)變頻器控制7個(gè)電動(dòng)機(jī)，變頻器均勻分布在各條生產(chǎn)線上。通過變頻器控制電機(jī)前進(jìn)、后退和速度，經(jīng)減速器控制動(dòng)力滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的無級(jí)調(diào)速。

圖1 成都焊軌基地工位布局簡(jiǎn)圖

2 監(jiān)控系統(tǒng)改進(jìn)

2.1 輸送線改進(jìn)前的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

改進(jìn)前的系統(tǒng)硬件配置和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。上位機(jī)軟件采用力控組態(tài)軟件6.0，PLC為 Modicon M340系列 PLC，其中機(jī)架為 BMX XBP 1200(12插槽)，主機(jī)為 BMX P34 2030，電源模塊為 BMX CPS 2000，編程軟件為 Unity Pro XL3.1。工控機(jī)和 PLC之間采用以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議通信。變頻器為施耐德ATV71系列，PLC與變頻器之間采用CANopen現(xiàn)場(chǎng)總線通信［2］。

圖2 改進(jìn)前系統(tǒng)硬件配置和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

監(jiān)控系統(tǒng)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(tái)按鈕給PLC發(fā)送命令，再由PLC通過CANopen現(xiàn)場(chǎng)總線給變頻器傳送信息。通過PLC邏輯控制對(duì)變頻器的啟動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)進(jìn)行操作，進(jìn)而控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。另一方面，基于監(jiān)控軟件的工控機(jī)和 PLC通信，將速度等參數(shù)傳給PLC，進(jìn)而控制變頻器;同時(shí)可通過PLC和變頻器之間通信，讀取變頻器相關(guān)信息，完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集。由圖2可知，一二線上位機(jī)采用1臺(tái)工控機(jī)作為監(jiān)控主機(jī)，分別監(jiān)控兩條線。從站下位機(jī)采用4臺(tái)PLC，每條生產(chǎn)輸送線采用兩臺(tái)PLC分段控制，這兩臺(tái)PLC又采用“主站—從站”模式設(shè)計(jì)。主PLC1控制焊接工位到長(zhǎng)軌存放臺(tái)之間的變頻器，從PLC2控制焊接工位到短軌區(qū)的所有變頻器。兩臺(tái)PLC通過BMX P3420控制器內(nèi)置的以太網(wǎng)通訊口，實(shí)現(xiàn)PLC之間實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)

2.2.1 問題分析

改進(jìn)前系統(tǒng)硬件配置和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)都是合理的，調(diào)試和運(yùn)行階段都能滿足邏輯控制要求，但在強(qiáng)的電磁干擾情況下，就會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定情況。閃光焊機(jī)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(yùn)行穩(wěn)定。當(dāng)兩條線都在運(yùn)行，閃光焊機(jī)或其它設(shè)備在工作的時(shí)候，就會(huì)發(fā)生運(yùn)行不穩(wěn)定甚至控制失靈的情況。為了提高穩(wěn)定性，通過加中繼器放大信號(hào)，提高雙絞線質(zhì)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(chǔ)上，改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是非常必要的。

2.2.2 改進(jìn)思路與方法

圖3 改進(jìn)后系統(tǒng)硬件配置和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1)對(duì)于控制線長(zhǎng)，信號(hào)衰減嚴(yán)重，采用基于以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線的總線集散控制(即 FCS)方法［3］，將原來2臺(tái)PLC增加到4臺(tái)，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(diào)四個(gè)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(qiáng)、保真度高的特點(diǎn)。

3)采用以太網(wǎng)進(jìn)行信號(hào)傳送，以太網(wǎng)成本低，易于組網(wǎng)，技術(shù)成熟，接口方便［4］。以太網(wǎng)的 TCP/IP協(xié)議應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，使得工廠的管理可以深入到控制現(xiàn)場(chǎng)，可以利用 Internet延伸到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，并通過Internet遠(yuǎn)程監(jiān)控工業(yè)生產(chǎn)過程，遠(yuǎn)程系統(tǒng)調(diào)試和設(shè)備故障診斷。

根據(jù)以上三點(diǎn)設(shè)計(jì)理念，重新設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖3。

2.2.3 以太網(wǎng)通信

以太網(wǎng)具有傳輸速度高、低耗、易于安裝和兼容性好等方面的優(yōu)勢(shì)，幾乎支持所有流行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，在商業(yè)系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。進(jìn)入控制領(lǐng)域以來，以太網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議的開放性使得它在工控領(lǐng)域通訊中具有很大的優(yōu)勢(shì)［5］，所以PLC之間采用工業(yè)以太網(wǎng)通信。

圖4 PLC之間通信程序圖

BMW P 34 2030處理器支持以太網(wǎng)，使用 Unity Pro實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信。打開Unity軟件，進(jìn)入項(xiàng)目瀏覽器、通訊、網(wǎng)絡(luò)，新建一個(gè)以太網(wǎng)絡(luò)。對(duì)新建立的以太網(wǎng)進(jìn)行配置，包括型號(hào)系列和IP地址配置。將建立好的以太網(wǎng)連接到CPU的端口上。編寫以太網(wǎng)通信程序，部分通信程序如圖4所示。通過調(diào)用 WRITE_VAR指令將主PLC參數(shù)寫入從PLC中，該程序段表示將主PLC從300到315這16個(gè)內(nèi)部字(%mw)的值寫入從PLC相應(yīng)的內(nèi)部字中。通過調(diào)用MOVE指令將輸入值分配給輸出，輸入值和輸出值的數(shù)據(jù)類型必須是相同的。

3 鋼軌輸送線監(jiān)控界面改進(jìn)

按照焊軌基地實(shí)際圖形，通過力控組態(tài)軟件將原來的主界面進(jìn)行了立體化，圖5為改進(jìn)前的平面簡(jiǎn)圖，圖6為改進(jìn)后監(jiān)控系統(tǒng)主畫面，直觀反映了成都焊軌基地現(xiàn)場(chǎng)的布局。藍(lán)頂房屋表示工位，長(zhǎng)軌區(qū)灰色矩形表示變頻器柜。增加了滾筒前進(jìn)后退方向指示、時(shí)間顯示等。工位之間的藍(lán)色長(zhǎng)方體表示滾筒，每一個(gè)矩形對(duì)應(yīng)實(shí)際50 m滾筒線，由一臺(tái)變頻器控制，滾筒顏色的變化直觀反映出變頻器當(dāng)前的狀態(tài)。當(dāng)滾筒顏色變化為黃色時(shí)，表示變頻器左行;當(dāng)顏色為紅色時(shí)，表示發(fā)生故障。畫面最下方為相關(guān)窗口轉(zhuǎn)換圖標(biāo)，用鼠標(biāo)單擊任意一個(gè)圖標(biāo)，可以進(jìn)入相應(yīng)界面。如需要調(diào)節(jié)滾筒速度時(shí)，點(diǎn)擊速度控制進(jìn)入圖7畫面。將速度設(shè)置功能單獨(dú)成為一個(gè)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(jìn)前鋼軌輸送動(dòng)主畫面

4 結(jié)論

圖6 改進(jìn)后鋼軌輸送動(dòng)主畫面

圖7 速度設(shè)置畫面

改進(jìn)后的鋼軌焊接輸送線監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)試和運(yùn)行后，穩(wěn)定性比改進(jìn)前顯著提高，達(dá)到了控制的目的。系統(tǒng)采用以太網(wǎng)和CANopen現(xiàn)場(chǎng)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。

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