劉麗華，易毅堅(jiān)，何冠平

（1.廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)車車輛學(xué)院，廣州 510430；2.廣州地下鐵道總公司，廣州 510308)

0 引言

地鐵車輛段都配置列車清洗機(jī)清洗列車外表面的灰塵、油污和其他污漬，列車清洗機(jī)經(jīng)過(guò)人工選擇洗車模式后，可自動(dòng)對(duì)列車外表面進(jìn)行清洗[1]。目前，清洗作業(yè)時(shí)需要安排一名員工在清洗機(jī)電氣控制室值守操作以確保洗車作業(yè)安全進(jìn)行，據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，洗車作業(yè)耗時(shí)較長(zhǎng)，但真正洗車作業(yè)需要人工輔助完成的只占洗車作業(yè)總時(shí)間的1/8，列車回廠間隔較長(zhǎng)，即洗車現(xiàn)場(chǎng)“監(jiān)控洗車過(guò)程”耗費(fèi)了大量的等待時(shí)間，人工有效工時(shí)利用率非常低。在列車清洗機(jī)己具備了自動(dòng)清洗功能的條件下，構(gòu)建一套遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)列車清洗機(jī)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)列車清洗作業(yè)無(wú)人化自動(dòng)作業(yè)，是亟待解決的問(wèn)題。

為能全面直觀的掌握現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，一般遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)除了用工業(yè)監(jiān)控軟件進(jìn)行工藝流程數(shù)據(jù)監(jiān)控外，還需要配置視頻監(jiān)控系統(tǒng)，使用攝像頭監(jiān)控操作者無(wú)法直接看到的區(qū)域。傳統(tǒng)工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，自控系統(tǒng)與視頻監(jiān)控是兩套獨(dú)立的系統(tǒng)，要分別布線，配置兩套獨(dú)立的操縱設(shè)備和軟件系統(tǒng)，為滿足本地和遠(yuǎn)程都能實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制，文獻(xiàn)[2]在遠(yuǎn)程設(shè)置了操縱柜，操縱柜安裝有按扭、一臺(tái)工藝流程監(jiān)控PC機(jī)，一臺(tái)視頻監(jiān)控PC機(jī)，本地設(shè)置遠(yuǎn)程和本地切換開(kāi)關(guān)，這種方式布線復(fù)雜，不僅增加了成本，也增加了多種設(shè)備日常操作和維護(hù)工作量。為此，本文綜合運(yùn)用西門(mén)子工業(yè)控制和視頻監(jiān)控兩種不同領(lǐng)域的新技術(shù)，設(shè)計(jì)一套遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自控系統(tǒng)與視頻監(jiān)控共用工業(yè)以太網(wǎng)同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)、視頻和控制信號(hào)[3]，在同一監(jiān)控計(jì)算機(jī)使用WinCC組態(tài)軟件同時(shí)進(jìn)行PLC工藝監(jiān)控和視頻監(jiān)控。

1 列車清洗機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)功能分析

列車清洗機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合光纖傳輸、工業(yè)以太網(wǎng)通訊、傳感器和故障診斷等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)清洗機(jī)設(shè)備數(shù)據(jù)信號(hào)和視頻信號(hào)的遠(yuǎn)程采集、分析、存儲(chǔ)和報(bào)警。具體應(yīng)有以下功能：

1）監(jiān)控功能。系統(tǒng)能以圖形、圖像和文件等方式直觀顯示清洗流程，對(duì)清洗機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2）操作功能。遠(yuǎn)程人機(jī)界面要友好，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)在人機(jī)界面上進(jìn)行開(kāi)關(guān)設(shè)備等操作功能，遠(yuǎn)程操作與現(xiàn)場(chǎng)操作一樣方便。

3）報(bào)警功能。列車清洗機(jī)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)報(bào)警，在首頁(yè)上顯示報(bào)警原因，同時(shí)值班人員可在人機(jī)界面上停止設(shè)備運(yùn)行，大大提高列車清洗機(jī)的安全性能。

4）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和歷史查詢功能。系統(tǒng)可對(duì)清洗機(jī)狀態(tài)、故障信息、視頻圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，并且在斷電后可所有信息被保存，為今年維修提供方便。保存的數(shù)據(jù)可作為歷史數(shù)據(jù)，一旦出現(xiàn)故障，歷史數(shù)據(jù)可作為事故原因分析的依據(jù)。

2 列車清洗機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

基于光纖傳輸具有較高的帶寬和較長(zhǎng)短離的傳送能力，工業(yè)以太網(wǎng)具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、交換數(shù)量大、主要用于計(jì)算機(jī)與PLC連接等優(yōu)點(diǎn)[4]，因此本次設(shè)計(jì)采用光纖傳輸和以太網(wǎng)通訊技術(shù)構(gòu)建遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

列車清洗機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。列車清洗機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)包括視頻監(jiān)控和列車清洗機(jī)電氣控制系統(tǒng)兩部分。列車清洗機(jī)電氣控制系統(tǒng)包括主站系統(tǒng)和分布式從站系統(tǒng)。主站系統(tǒng)的控制核心是S7-300，使用CP343-1通訊模塊，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)之間的以太網(wǎng)通訊。分布式從站系統(tǒng)包括邊刷和端刷兩部分，由于PROFIBUS-DP特別適合于PLC與現(xiàn)場(chǎng)級(jí)分布式I/O間的通信，所以主站系統(tǒng)和分布式從站系統(tǒng)通過(guò)PROFIBUSD P 協(xié)議進(jìn)行連接[5]。采用現(xiàn)場(chǎng)級(jí)分布式從站，可將ET200、水泵變頻器放置在離傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)較近的地方，減少了大量的接線。視頻監(jiān)控平臺(tái)選用360度紅外夜視智能攝像機(jī)和NVR網(wǎng)絡(luò)硬盤(pán)錄像機(jī)搭建，NVR錄像機(jī)對(duì)各攝像機(jī)進(jìn)行錄像，攝像機(jī)通過(guò)交換機(jī)連接到以太網(wǎng)。監(jiān)控中心設(shè)置了一臺(tái)計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，以WinCC組態(tài)軟件做為系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的設(shè)計(jì)。

圖1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)智能攝像頭安裝位置要從清洗機(jī)現(xiàn)場(chǎng)人無(wú)法直接觀察但又容易出故障兩個(gè)方面考慮，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，軌道上有異物、清洗端有毛刺等問(wèn)題會(huì)引起PLC無(wú)法報(bào)警的故障，所以在清洗機(jī)現(xiàn)場(chǎng)安裝了多個(gè)無(wú)線攝像機(jī)，分別監(jiān)控邊刷、端刷、軌道、污水處理室和電氣控制室等重要設(shè)備。智能攝像機(jī)選用TL-IPC40A-4云臺(tái)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，上位機(jī)安裝TL-IPC40A-4安裝軟件，用手機(jī)下載APP，值班員在上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)，車輛檢修人員不需要守在現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)手機(jī)APP可實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)。

3.2 以太網(wǎng)硬件設(shè)計(jì)

PLC主機(jī)由電源模塊、CPU模塊、數(shù)字輸入模塊、數(shù)字輸出模塊等9個(gè)模塊組成[1]，它們分別安裝在同一機(jī)架上，9個(gè)模塊分別為：PS 307 5A電源模塊、CPU 315-2DPCPU模塊，DI16、DI32等3個(gè)數(shù)字輸入模塊、DO16、DO32等4個(gè)數(shù)字輸出模塊，PLC主機(jī)硬件組態(tài)如圖2所示。CP343-1是S7-300的全雙工以太網(wǎng)通信處理器，通信速度為10或100Mbit/s[4]，因此本設(shè)計(jì)選取CP343-1模塊把S7-300西門(mén)了PLC連接到Internet，選擇“S7協(xié)議”，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。以太網(wǎng)交換機(jī)選用8口TPLINK全千兆POE供電交換機(jī)，支持1000M網(wǎng)絡(luò)。

圖2 PLC組態(tài)

4 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 PLC控制程序設(shè)計(jì)

列車清洗機(jī)的PLC控制程序通過(guò)STEP 7 V5.4軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，PLC程序采用分塊程序結(jié)構(gòu)，根據(jù)每個(gè)設(shè)備的功能編定不同的功能塊，如圖4所示，組織塊OB1是主程序，調(diào)用FB和FC等功能塊。系統(tǒng)改造時(shí)，由于在遠(yuǎn)程端和本地端都增加了觸摸屏HMI控制，所以對(duì)OB1進(jìn)行了修改，并增加了OB100暖啟動(dòng)組織塊。

圖4 PLC功能塊

4.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

監(jiān)控軟件選用西門(mén)子公司W(wǎng)inCC flexible Standard工業(yè)自動(dòng)化軟件編輯，它為系統(tǒng)提供了洗車現(xiàn)場(chǎng)流程監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制和報(bào)警等功能。根據(jù)系統(tǒng)工藝要求，監(jiān)控界面共有17個(gè)畫(huà)面經(jīng)成，監(jiān)控主界面由系統(tǒng)說(shuō)明、設(shè)備選擇、手動(dòng)調(diào)試、流程監(jiān)視、信息顯示和污水處理遠(yuǎn)程控制等選擇項(xiàng)組成，如圖5所示。在WinCC軟件中，HMI的變量寫(xiě)入到PLC的DB20數(shù)據(jù)塊，修改原OB1主程序，把操作臺(tái)上按扭和HMI軟元件并聯(lián)，達(dá)到用HMI軟元件控制PLC主程序的目的。

圖5 監(jiān)控畫(huà)面組成

清洗機(jī)進(jìn)入主畫(huà)面后，可選擇自動(dòng)模式和手動(dòng)模式[6]，在自動(dòng)模式下，流程監(jiān)控界面設(shè)計(jì)如圖6所示，包括各個(gè)邊刷、電機(jī)、傳感器的動(dòng)作情況。手動(dòng)模式主要用于各工位的調(diào)用和調(diào)試，單獨(dú)檢測(cè)洗車機(jī)各主要部件是否能正常工作以及是否能實(shí)現(xiàn)指定的動(dòng)作。手動(dòng)模式一般用于故障排除以及日常的例行檢修工作[1]。

圖6 工作流程監(jiān)控界面

視頻監(jiān)控界面設(shè)計(jì)時(shí)，先安裝以太網(wǎng)攝像頭的Surveillance監(jiān)控軟件，在WinCC中添加wincc web控件，選擇web控件屬性，填入攝像頭的訪問(wèn)地址，連接到相應(yīng)攝像機(jī)的監(jiān)控畫(huà)面，在wincc中對(duì)NVR錄像機(jī)設(shè)置相應(yīng)的IP地址和子網(wǎng)掩碼，就可以在WinCC組態(tài)中翻查NVR錄像機(jī)對(duì)各網(wǎng)絡(luò)攝像頭錄制的錄像[2]。

報(bào)警管理設(shè)置了63個(gè)離散量報(bào)警，部分報(bào)警設(shè)置如圖7所示，通過(guò)文本進(jìn)行警告提醒和錯(cuò)誤報(bào)警。一旦清洗機(jī)有故障，PLC通過(guò)故障判別會(huì)把相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)顯示在任何一個(gè)操作界面上，提示操作人員故障類型，遠(yuǎn)程監(jiān)控人員經(jīng)過(guò)向維修保養(yǎng)人員咨詢后，根據(jù)故障的嚴(yán)重程度，決定是繼續(xù)清洗作業(yè)還是安排車輛檢修人員現(xiàn)場(chǎng)排除故障。

圖7 報(bào)警變量設(shè)置

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于Internet實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，采用觸摸屏上位機(jī)實(shí)現(xiàn)列車清洗機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控，目前己在廣州某車輛段應(yīng)用。應(yīng)用表明，設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)報(bào)警和歷史報(bào)警數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等功能，運(yùn)行平穩(wěn)、實(shí)時(shí)性好，具有較好的實(shí)用價(jià)值。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)提高了列車清洗過(guò)程的集中管理和維護(hù)效率[4]，降低了企業(yè)的用人成本，具有廣泛的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益。