戴雨馨 ，王月明 ，李廉嘉

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，包頭 014010；2.內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司 軌梁軋鋼廠，包頭 014010）

鋼軌在出廠時(shí)會存在白點(diǎn)、縮松、縮孔、軋疤等鑄造缺陷和軋制缺陷，還可能出現(xiàn)軌底裂紋的核傷[1]，鐵路中的鋼軌長期在動態(tài)重載荷下易出現(xiàn)腐蝕、變形、磨損、裂紋甚至斷裂，嚴(yán)重影響行車安全，因此鋼軌在出廠前必須對質(zhì)量嚴(yán)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(diǎn)與國外大不相同[3]?，F(xiàn)階段國內(nèi)對鋼軌的超聲檢測設(shè)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(jī)研制，資源有限，檢測效率不高，不利于鋼軌生產(chǎn)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(xiàn)有在線探傷設(shè)備常用渦流式探傷設(shè)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(shù)據(jù)吞吐量較大且覆蓋鋼軌檢測面不全面[5-6]。鋼軌內(nèi)部采樣的實(shí)時(shí)性是多通道在線超聲探傷系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵[7]。

針對現(xiàn)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(shè)計(jì)了多探測點(diǎn)在線超聲技術(shù)的鋼軌檢測系統(tǒng)。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(shè)計(jì)了多探測點(diǎn)在線超聲鋼軌檢測系統(tǒng)的硬件組成結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)中現(xiàn)場可編程門陣列FPGA的應(yīng)用，明確了檢測系統(tǒng)的電路工作原理和電控方案，完成了檢測系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。

1 多探測點(diǎn)在線超聲鋼軌檢測系統(tǒng)工作原理

鋼軌在線檢測時(shí)，多檢測系統(tǒng)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(shí)鋼軌的運(yùn)行速度為0.5～1.5 m/s，傷軌缺陷位置由計(jì)算機(jī)顯示出來，有待進(jìn)一步分析的缺陷部位則需要涂油漆作標(biāo)記[8]。

檢測系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。系統(tǒng)由上下位機(jī)、多個(gè)探頭、電控系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)組成，采用了檢測中心輥道運(yùn)動，超聲檢測探頭不動的檢測方式。系統(tǒng)在鋼軌檢測的各個(gè)檢測探頭既可以獨(dú)立地發(fā)射、接收脈沖，也可以根據(jù)不同型號鋼軌的生產(chǎn)需要，一個(gè)通道發(fā)射另一個(gè)通道接收。多探測點(diǎn)超聲系統(tǒng)是以聲能和電能的轉(zhuǎn)換和耦合劑作為傳播介質(zhì)，同步電路產(chǎn)生的信號可觸發(fā)脈沖觸發(fā)高頻發(fā)射電路、反射式報(bào)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(fā)射聲波和接收聲信號的對比中，或從對同一發(fā)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(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

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

圖2 多探測點(diǎn)超聲法在線鋼軌檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure of multiple detection points ultrasonic on-line rail inspection control system

FPGA主要負(fù)責(zé)數(shù)字板參數(shù)及DAC的設(shè)置，需要實(shí)現(xiàn)的具體參數(shù)包括：通道閘門的寬度、幅度，探傷頻率設(shè)定，檢波選擇，掃描深度設(shè)定，DAC增益控制，在線檢測板的發(fā)射頻率、重復(fù)頻率、檢波類型設(shè)定，閘門報(bào)警參數(shù)、探傷通道選擇，以及蜂鳴器控制接口。針對多探測點(diǎn)在線超聲鋼軌檢測系統(tǒng)的20通道超聲探傷系統(tǒng)通道多、數(shù)據(jù)量大的情況，F(xiàn)PGA采集模塊可以對樣軌傷波進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄存儲。

3 系統(tǒng)的電控方案

多探測點(diǎn)在線超聲鋼軌檢測系統(tǒng)主機(jī)采用西門子S7-300，PLC作為上位機(jī)PC的下位機(jī)，系統(tǒng)采用專用協(xié)議MPI，超聲檢測模塊與上位機(jī)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(jī)對鋼軌檢測模塊的報(bào)警處理和超聲檢測模塊數(shù)據(jù)的采集。圖3a為檢測系統(tǒng)的I/O接線圖，圖3b，c分別為檢測系統(tǒng)繼電器輸出和光電隔離輸入示意圖。

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

檢測系統(tǒng)組成1個(gè)獨(dú)立控制網(wǎng)絡(luò)，通過交換機(jī)與工控機(jī)，PLC，I/O分布，一級服務(wù)器環(huán)網(wǎng)相接。檢測信號通過分布I/O由DP網(wǎng)絡(luò)與PLC和CPU通訊。電控部分利用上位機(jī)通過UBS通訊協(xié)議與下位機(jī)通訊，發(fā)送控制命令到下位機(jī)實(shí)現(xiàn)可調(diào)的觸發(fā)脈沖、增益以及確定接收方式等功能。超聲發(fā)射接收電路激勵(lì)并接收鋼軌檢測探頭的信號，經(jīng)過濾波、放大程控后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集模塊將全波段采集，采集信號經(jīng)一定處理后送入計(jì)算機(jī)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(jī)連接，實(shí)現(xiàn)與ProfiBus/MPI通訊連接，極大地提高了PLC與工控機(jī)的通訊速度。

圖4為檢測系統(tǒng)電控方案。檢測系統(tǒng)的變頻站通過DP網(wǎng)絡(luò)傳到西門子站，輥道控制由檢測中心通過DP網(wǎng)絡(luò)、DP耦合器連到西門子站，向西門子站發(fā)送命令控制變頻站的啟停、正反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)動速度。

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

PLC負(fù)責(zé)對底層的傳感器、檢測電機(jī)、探傷設(shè)備控制，從而控制多探測點(diǎn)在線超聲鋼軌檢測系統(tǒng)負(fù)責(zé)超聲信號的發(fā)射、接收并向上位機(jī)傳輸超聲數(shù)據(jù)。上位管理機(jī)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和同步，并對檢測結(jié)果進(jìn)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(shí)缺陷位置自動顯現(xiàn)于檢測結(jié)果。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)了動態(tài)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(jī)，同時(shí)還采用了背波監(jiān)視功能，使探頭與鋼軌表面的耦合情況得到實(shí)時(shí)監(jiān)控。多探測點(diǎn)在線超聲鋼軌檢測系統(tǒng)開放式的操作面板探傷顯示與鋼軌的運(yùn)行同步，并擁有友好的窗口界面，能實(shí)現(xiàn)為用戶定制的報(bào)告格式、缺陷波形的實(shí)時(shí)記錄和回放，同一屏幕可以顯示多個(gè)通道的實(shí)時(shí)波形。所有通道閘門內(nèi)缺陷的C掃描在同一屏幕內(nèi)顯示，與國內(nèi)外同類技術(shù)相比，具有設(shè)計(jì)制造方便，信號傳遞和接收在線自動控制，且制造費(fèi)用低、故障率低、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。

4.1 主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的通訊程序如圖5所示，檢測系統(tǒng)上位機(jī)啟動，開始檢測命令，待檢鋼軌進(jìn)入檢前送輥道。檢測系統(tǒng)的主程序流程如圖6所示。光電傳感器檢測到鋼軌進(jìn)入超聲檢測單元后，端頭進(jìn)入檢測系統(tǒng)速度減緩進(jìn)行水耦合檢測。系統(tǒng)上位機(jī)開發(fā)環(huán)境的軟件是基于Visual C 6.0平臺，軟件采用模塊化設(shè)計(jì)原則，分為參數(shù)調(diào)整模塊、檢測模塊、檢波模塊和、數(shù)據(jù)采集統(tǒng)計(jì)模塊、A掃模塊、C掃模塊等。

上位機(jī)DP值、通道數(shù)目、閘門參數(shù)和檢測結(jié)果數(shù)據(jù)的讀取用于上位機(jī)與PLC工控機(jī)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(shù)設(shè)置。系統(tǒng)上位機(jī)接線電路如圖7所示。檢測模塊中，根據(jù)樣軌調(diào)試的報(bào)傷情況，設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)樣軌且對波峰值采樣，之后將采樣數(shù)據(jù)對比處理進(jìn)行判傷。

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

圖6 多探測點(diǎn)在線超聲鋼軌檢測系統(tǒng)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(jī)接線電路Fig.7 Upper computer wiring circuit

數(shù)據(jù)庫可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集統(tǒng)計(jì)模塊，數(shù)據(jù)采集統(tǒng)計(jì)模塊包括系統(tǒng)檢測時(shí)間、檢測員、鋼軌類型、鋼軌鋼質(zhì)、檢測鋼軌數(shù)量、傷波圖像顯示等。

4.2 其他程序設(shè)計(jì)

4.2.1 控制功能程序

（1）上料功能程序

檢測一根鋼軌時(shí)，有傷則執(zhí)行報(bào)警程序，無傷則走出檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)的約束條件是自動檢測狀態(tài)且輥道正向運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)一根鋼軌結(jié)束檢測時(shí)，所有接近開關(guān)均無光電感應(yīng)，檢測系統(tǒng)所有輥道轉(zhuǎn)動停止。

（2）輥道功能程序

PLC通過PN/DP耦合器發(fā)送鋼軌在輥道運(yùn)動的指令（啟動、停止、前進(jìn)、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(tǒng)后，第2根鋼軌才從臺架上啟動。當(dāng)檢測控制系統(tǒng)允許時(shí)，鋼軌才能進(jìn)入檢測系統(tǒng)；如果檢測系統(tǒng)不允許，主系統(tǒng)應(yīng)保證鋼軌停留在安全距離之外，等待檢測系統(tǒng)的指令。

（3）檢測報(bào)警程序

報(bào)警原理如圖8所示。在檢測狀態(tài)下，將回波信號存儲器和報(bào)警數(shù)據(jù)存儲器比較，如果前者大于后者，則系統(tǒng)報(bào)警。

圖8 系統(tǒng)報(bào)警原理Fig.8 System alarm principle

4.2.2 故障檢測

為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，工控機(jī)通過利用WinCC軟件組態(tài)出人機(jī)界面。監(jiān)測界面如圖9所示，清晰地顯示設(shè)備的運(yùn)行狀況。工控機(jī)通過交換機(jī)收集超聲儀表信息，并上傳到二級計(jì)算機(jī)。

圖9 系統(tǒng)工控機(jī)組態(tài)軟件監(jiān)測界面Fig.9 System engineering control unit state software monitoring interface

5 系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示

該檢測控制系統(tǒng)檢測檢測鋼軌20通道的DAC曲線，同時(shí)顯示了A掃數(shù)據(jù)的的傷軌回波波形。檢測處的傷軌數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖10 傷軌數(shù)據(jù)顯示Fig.10 Track data display

6 結(jié)語

研究了在線多探測點(diǎn)超聲鋼軌檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，分析了線多探測點(diǎn)超聲鋼軌檢測系統(tǒng)硬件總體構(gòu)成、FPGA程序的實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)通過利用多探頭組合探傷，實(shí)現(xiàn)高精度的鋼軌踏面、軌頭、軌腰、軌底在線全方位的檢測，實(shí)現(xiàn)了多探測點(diǎn)法鋼軌超聲探傷，有效降低了探傷工人的勞動強(qiáng)度；用于上位機(jī)軟件中直接進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和判傷，大大提高了檢測的效率和準(zhǔn)確度。在鋼軌的實(shí)際生產(chǎn)中，系統(tǒng)調(diào)試和成品大量在線檢測表明，在線多探測點(diǎn)超聲鋼軌檢測系統(tǒng)人機(jī)友好，檢測精度高，運(yùn)行良好且方便準(zhǔn)確，在包鋼軌梁廠鋼軌在線檢測中得到良好的應(yīng)用。

[1]王雪梅，李芾.無損檢測技術(shù)及其在軌道交通中的應(yīng)用[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2010：33.

[2]Qian Qihu，Lin Peng.Safety risk management of underground engineering in China：Progress，challenges and strategies[J].Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering，2016，（8）：423-442.

[3]何光祖.基于USB 2.0的多通道超聲檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].太原：中北大學(xué)，2014.

[4]南鋼洋，王啟武，張振振，等.基于激光超聲方法的鋼軌缺陷檢測[J].紅外與激光工程，2017，46（1）：140-145.

[5]吳桂清，厲振武，陳彥芳.多通道超聲波探傷在役鋼軌檢測中的應(yīng)用[J].傳感器與微系統(tǒng)，2013，32（10）：146-148.

[6]戴波，張慧平，盛沙，等.多通道超聲系統(tǒng)在管道內(nèi)檢測中的應(yīng)用[J].控制工程，2007，14（4）；451-454.

[7]Angel Miguel，Rodeiguez Hernandez.Ultrasonic non-de structive eval-uation with spatial combination of wigner-ville transforms[J].NDT&E Inte-rnational，2003（36）：441-445.

[8]Gao Huidong，Borja Lopez，Xavier Minguez，et al.Ultrasonic inspection of partially completed welds using EMAT-generated surface wave technology[C]//Proceedings of 2015 IEEE Far East NDT New Technology&Application Forum（FENDT）.2015.

[9]李文超，張丕狀.超聲波檢測鋼軌缺陷及定位的研究[J].核電子學(xué)與探測技術(shù)，2012，32（9）：1062-1065.

[10]李勇峰，楊錄，張艷花.超聲探傷儀收發(fā)電路的改進(jìn)研究[J].儀表技術(shù)與傳感器，2013，43（7）：38-41.