（电力电子与电力传动专业论文）风缸、制动管检测系统的研究与实现.pdf

摘要 t h er e s e r v o i ra n dt h eb r a k et u b ee x a m i n a t i o n s y s t e m s r e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o n g r a d u a t en a m el i l e i m a j o r d i r e c t e db y p o w e re l e c t r o n i c sa n dd r i v e s a s s o c p r o f q ix i a n g d o n g a b s t r a c t t h er e s e r v o i ra n dt h eb r a k et u b ea r et h ek e yp a r t so ft h et r a i n sb r a k e s y s t e m a tp r e s e n tm o s td o m e s t i cf a c t o r yh a v ep r o b l e m s ；s u c ha st h ec o n t r o l m o d e sa r eo b s o l e t e ，t h ee x a m i n a t i o nm e t h o d sa r eb e h i n dt h et i m e sa n ds oo n t ot h er a i l r o a dd e p a r t m e n t ，w h ic hh a v er a i s e ds p e e df o r5t i m e sa n di sb e i n g a tt h ef a s td e v e l o p m e n tp h a s e ，t h em a n u a lc o n t r o lw a yw a s a l r e a d yc o u l dn o t m e e tt h ep r o d u c t i o nn e e d s ，w a su r g e n tn e e d st o c a r r yo nt h ea u t o m a t e d t r a n s f o r m a t i o n s ot h en e we x a m i n a t i o nc o n t r o ls y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e d a n di th a sg o o de c o n o m i ce f f i c i e n c ya n ds o c i a le f f e c t t h i sa r t i c l ep r o p o s e dan e wk i n do fm e t h o dt oe x a mt h es y s t e mo ft h e r e s e r v o i ra n dt h eb r a k et u b e u s et h ed i s t r i b u t i o n a ls y s t e mw h i c hi s a p p l i e d w i d e l yi nt h ei n d u s t r yc o n t r o ld o m a i n i tu s e st h el a y e r e da n dd i s t r i b u t i o n a l s t r u c t u r ei nh a r d w a r ea s p e c t ，b yt h eb o s o mc o n t r o lu n i t ，w h i c hi sc o m p o s e d b yp l c ，c o m p l e t e st h ed a t ac o l l e c t i o na n dt h ep r o c e s sc o n t r o l ；b yt h em a i n s t a t i o nu n i t ，w h i c hi sc o m p o s e db yi p c ，c o m p l e t e st h ep r o c e s sc o n t r o la n dt o t h ee n t i r ee x a m i n a t i o ns y s t e m s c o n t r o l ；b yt h ew h o l es y s t e m ，w h i c hi s c o n n e c t e db yp r o f i b u s ，c o n t r o l st h es u bs t a t i o no ft h ew e b s i t e ，c o m p l e t e s t h eb i d i r e c t i o n a ld a t at r a n s m i s s i o nf r o mt h em a i ns t a t i o na n dt h es u bs t a t i o n a tt h es a m et i m e ，t h ew h o l es y s t e mt u r n so nt h ef a c t o r y sl o c a la r e an e t w o r k ， h a sr e a l i z e dl o n g - d i s t a n c ea c c e s sa n dt h em a n a g e m e n to ft h ee x a m i n a t i o n s y s t e m sw o r ki n f o r m a t i o n i ns o f t w a r ea s p e c t ，t h es y s t e mu s e sv i s u a lb a s i ca sd e v e l o pt o o l ，i th a sa t i t 风缸、制动管检测系统的研究与实现 g o o dm a n m a c h i n ec o n t a c ts u r f a c e ，o p e r a t e se a s i l y , h a sr e a l i z e dt h ef u n c t i o n o fm a n m a c h i n ec o n t a c ts u r f a c eo p e r a t i o n ，m o d i f i c a t i o no ft h ep a r a m e t e r s ， d a t ad i s p l a ya n dp r i n t i n g i ts a t i s f i e dt h ew o r k sn e e df o rt h es y s t e m i th a sa g o o dp e r f o r m a n c e t o p r i c er a t i o t h eo p c d a ( d a t aa c c e s ss t a n d a r d ) h a sd e e p l yp o i n t e do u t ，b a s e do n t h ea n a l y s i so fc o m d c o mt e c h n i q u e t h ec u s t o ma n da u t o m a t i o ni n t e r f a c e a r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d ，a n dt h em e t h o do fc o m p i l eo p cc l i e n tw i t h c u s t o ma n da u t o m a t i o ni n t e r f a c ea r ec o m p a r e d ，t h em a i nm e t h o d sa n dt h e s t e p so fd e s i g n i n go p cc l i e n tp r o g r a mb a s e do no p c d a t aa c c e s sa u t o m a t i o ni n t e r f a c es p e c i f i c a t i o na r eg i v e n a n dt h e0 p cc l i e n tp r o g r a mi s i m p l e m e n t e dw i t hv i s u a lb a s i c i th a sr e a l i z e dt h ec o m m u n i c a t i o n sb e t w e e n p l ca n dt h em o n i t o r i n gs o f t w a r e ，s a t i s f i e dt h ew o r k sn e e df o rt h es y s t e m i t h a sag o o dp e r f o r m a n c e t o p r i c er a t i o t h ew h o l es y s t e mh a sb e e nw o r k e di nc h i n an o r t h e r nl o c o m o t i v ea n d r o l l i n gs t o c ki n d u s t r yc o r p o r a t i o nx i a nr o l l i n gs t o c kw o r k sf o rh a l fy e a r , e a c hd e s i g nf u n c t i o na n dt h ep e r f o r m a n c em e e t st h em i n i s t r yo fr a i l w a y s t e c h n o l o g yr e q u i r e m e n t s ，a n d i tw o r k s s t a b l y a n dr e l i a b l e ，a n di t s c o n v e n i e n t l yt om a i n t e n a n c e k e y w o r d s ：b r a k et u b e ；r e s e r v o i r ；d c s ；o p c ；p r o f i b u s i v 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独 立完成的，学位论文的知识产权属于太原科技大学。如果今 后以其他单位名义发表与在读期间学位论文相关的内容，将 承担法律责任。除文中已经注明引用的文献资料外，本学位 论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写过的成果。 学位论文作者( 签章) ： 2 0 0 年月日 一 镕论 第一章绪论 11 项目背景 随着国民经济的不断发展，铁路的货运量逐年增加，目前，全国每天大约有1 8 0 0 万吨的货物需要通过铁路运输，然而能装车运走的只有6 0 0 多 吨。铁路货运已经 成为制约国民经济发展的“瓶颈”。为此，从2 ( 0 6 年r 始，中国铁蹄新造货车将全 部采用7 0 吨级新车型( c 7 0 ) ，6 0 吨级的( c 6 0 ) 将全部停产，随着7 0 吨级新型车型 的开发，新造货车制动部分的j 二艺要求有了很大的变动，风缸和制动管便是制动部 分的关键部件。如罔1 1 、1 2 所示。 图1i 风缸图i2 制动管 机车行驶过程中，风缸缸体内储有高压气体，当机车制动时，风缸排出高压气 体，气体通过制动管将压力转化为火车制动的动力，制动系统开始工作。而风缸和 制动管在生产需要经过切割、焊接、除痘、打磨、等工艺，尤其是焊接工艺受到外 界的影响很大，如电流、气压、焊接速度、焊丝的质量等问题，会对风缸和制动管 造成一定的损伤，从而造成缸体或管道的漏泄，所以风缸、制动管虽后一道漏泄检 测工艺是非常的重要，它将决定机车的制动系统是否能正常工作，从而直接影响到 机车的行车速度与行车安全。 生产厂家目前的风缸、制动管检测采用人工方式，有如下缺点： ( 1 ) 检测方式安全性差。风缸、制动管检测的水压、气压都是在6 0 0 k p a 以上， 操作人员稍有疏忽就会造成很严重的后果。 ( 2 ) 风缸、制动管的检测效率低下，很难满足生产的需要。 ( 3 ) 检测设备简陋，对风缸、制动管的检测精度难以控制。不能满足新造货车 的工艺要求。 ( 4 ) 每次检测只能检测一种类型的风缸、制动管，检测的扩展性差。 风缸、制动管检测系统的研究与实现 随着新造货车( c 7 0 ) 推出，铁道部要求提高风缸、制动管的检测要求，厂家在 市场竞争的压力下，风缸、制动管的检测得到重视。由于风缸、制动管生产厂家以 前就没有任何相关的自动化检测设备，所以要解决上述问题必须重新设计一套风缸、 制动管检测系统，经过深入现场细致了解工艺过程和流程的基础上，经过一系列的 设计与施工，完成了该项目设计。 在传统的分布式控制中，主站上的监控软件只是对系统中各个变量、设备的运 行状态，控制过程状况的一种监视，主站只能算一个显示、修改各个参数的工具。 具体的控制流程都集中在下位机，也就是p l c 上，这样分配控制程序的原因是，分 布式系统要控制的系统中，主要工艺流程或者说是控制流程很少改变，比如说：电 站的控制等。一旦定下控制流程就很难再作改变，或者做很小幅度的改变，这样对 系统控制软件的维护量就少。 根据工程中的实际问题中，控制对象的控制工艺要求经常需要修改，其工艺软 件定期作升级处理，而风缸、制动管，就属于这一类特殊控制对象，对于已量产的 这类产品，如何进行快速升级，成为摆在我们面前的困难，传统意义上的分布式控 制方式必然导致效率、效益的下降，为此我们仔细研究了分布式控制系统的原理， 在发挥其原有控制优点的基础上，结合新的控制对象的特殊工艺要求，将控制程序 上移到主站的监控软件中，使主站的监控软件不仅具有监视功能，而且具有控制功 能，这样做的优点是，当检测的工艺流程发生变化时，系统开发人员通过对工艺变 化的理解，可以对上位机监控软件直接修改，修改完毕后，直接覆盖原控制文件， 即可实现快速升级。由于下位机的只是一些基本的控制动作，可以不用编写新的程 序，利用互联网技术，就可实现软件的异地升级。因此，这样分配系统的软件控制 方式，可以减小系统软件的维护成本，提高生产效率，使系统的通用性得到提高。 1 2 分布式系统的应用现状 分布式计算机控制系统是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管 理，而对现场装置进行分散控制的一种控制技术嘎它是由计算机技术、信号处理技 术、测量控制技术、通信网络技术和人机接口技术相互发展渗透而产生的。 分布式控制系统是采用标准化、模块化和系列化设计，以通信网络为纽带，实 现集中显示操作管理和分散控制，具有灵活配置多级计算机控制系统，它具有以下 几个特点1 2 j ： ( 1 ) 自主性：系统的各工作站均能独立自主地完成合理分配给自己的任务，如数 2 第一章绪论 据采集、处理、计算、监视、操作和控制等等。 ( 2 ) 协调性：各工作站间通过通信网络传送各种信息协调工作，以完成控制系统 的总体功能和优化处理。 ( 3 ) 友好性：实用而简捷的人机会话系统，交互式图形显示，复合窗口技术，以 及各式各样的输入设备使操作更为简便。 ( 4 ) 适应性、灵活性和可扩充性：硬件和软件采用开放式、标准化和模块化设计， 系统采用积木式结构，可灵活配置以适应不同的用户需求和生产要求。 ( 5 ) 实时性：实现了过程对象的数据的实时采集、分析、记录、监视、操作、控 制，并且支持系统结构和组态回路的在线修改、局部故障的在线维护。 ( 6 ) 可靠性：采取系统结构容错设计、双机热备份、程序卷回或指令复执、元器 件的降额使用、电磁兼容性设计等等一系列可靠性设计技术，确保系统工作的可靠 性。 分布式控制以其控制分散，管理集中，系统规模可大可小，配置灵活，组态方 便以及可靠性高等优点而广泛地应用于各个工业领域，如石化企业的各种装置，各 种大中型化工装置的控制3 】1 4 ；冶金企业的高炉、轧机等控制；l o 万千瓦以上的火力 发电机组的控制，各种大型变电站的自动控制和监测：大型水泥、玻璃生产线的自动 控制；轻工、食品等企业的大型发酵过程等控制；各种大中型企业的能源控制和管 理系统，高级楼宇自动化系统等。通过各种智能设备的发展和与现场总线的结合， d c s 愈发显示出强大的生命力垆j 。 1 3 课题的研究意义 目前，分布式控制在国内的应用主要集中在一些化工、冶金、电力等领域的过 程控制中，而在为铁路提供产品支持的生产厂家相关应用很少，还是以人工控制为 主。 对于经过5 次大提速、正处于快速发展阶段的铁路行业来说，人工控制方式已 经不能满足生产需要，迫切需要进行自动化改造。显然，将广泛应用于工业自动化 领域的分布式系统在适当的修改后直接应用到风缸、制动管的检测中，要比从零做 起，开发一套新的自动控制系统简单的多，可以节省开发成本，缩短开发周期，而 且由于分布式系统的可扩充性、可移植性，该系统可以能满足新造货车c 7 0 及其他 货车1 1 升至6 0 升风缸、制动管的检测，有极好的通用性，具有很强的推广意义。 1 4 本文的主要研究工作 3 风缸、制动管检测系统的研究与实现 根据课题的相关背景和技术发展现状，结合工程实践，本文作者从2 0 0 7 年1 月 开始针对北车集团西安车辆厂风缸、制动管检测系统进行研发。作者研究了分布式 控制系统在风缸、制动管检测中的应用问题，并完成了整体方案、网络和软硬件的 设计、控制程序的编制的工作。实现了风缸、制动管检测系统工作参数的实时采集、 工作过程的监控和管理、局域网数据的共享。系统的人机界面简洁友好，系统构成 灵活、可扩展，可靠性高，具有一定的通用性和工程推广性，经过一段时间的运行， 效果良好。本文主要做了如下工作： ( 1 ) 在系统总体方案设计中，在分析了风缸、制动管检测的原理和分布式系统 目前的发展趋势后，仔细分析了风缸、制动管检测系统的技术要求后，确定了控制 系统的硬件网络和控制软件的设计方案；详细的说明了系统信号的采集和处理；针 对检测现场的环境及检测的硬件设备，研究了工程中需要解决的压力检测点问题和 解决的方法。 ( 2 ) 对p l c 的工作原理、选型和具体的实现进行了研究，并用p l c 构成网络从 站点，完成风缸、制动管检测系统工作过程数据实时采集和过程控制，利用局域网 互联技术，实现了风缸、制动管检测系统工作信息文件的网内共享。 ( 3 ) 网络的构架是监控系统实现监视、控制功能的前提。本文介绍了目前在分 布式监控系统中的应用越来越广泛的现场总线的定义和基本特性。然后分析了现场 总线的几种标准，并根据工程中实际的特点，选择了p r o f i b u s 作为总线标准，在仔 细分析了风缸、制动管检测系统的状况和客户期望后，综合考虑了实时性、可行性、 数据流量、施工量和成本的多方面因素后，通信系统采用了总线是拓扑结构。 通过对分布式控制软件开发平台的研究，引入了v i s u a lb a s i c 及o p c ( o l ef o r p r o c e s sc o n t r 0 1 ) 技术为系统软件的开发工具，在对基于v i s u a lb a s i c 软件开发 平台的控制软件设计部分，研究了软件的开发步骤、软件的原型技术和控制软件的 核心问题。通过使用o p c 技术，利用v i s u a lb a s i c 编写了接口程序，实现了p l c 与 监控软件之间的通信。 ( 4 ) 监控软件的开发在自动控制系统的开发中占有重要的地位，针对控制软件 的结构和功能的复杂性，本文将其分为相应的功能模块。按照控制软件的开发步骤， 完成了风缸、制动管检测系统控制软件的设计工作，并给出系统部分运行效果图和 部分源程序。 ( 5 ) 论文最后对风缸、制动管检测系统的研制工作做了总结，并对系统的后续 扩展和更新换代做出了展望。 4 第章r 抓、制动管自自静删统的总体结构 第二章风缸、制动管自动检测系统的总体结构 21 风缸、制动管的检测工艺流程 根据风缸、制动管榆测的， 发要求，考虑采用由方案设计、理论计算到最后实 验的设计方法。在整个设计过程中。融入了整机自动化和以人为本的设计理念，通 过不同方案的对比分析与实验不断改进设计方案，虽终克服了现有风缸、制动管检 测方法存在的检测质量低，自动化水平低等缺陷达到了比较理想的检测效果。 211 风缸的检测工艺及流程 风缸检测工艺主要包括水压密闭性检测和气压密闭性检测两个主要阶段，通过 对压力的监测，判断风缸的质量，具体工艺如下。 ( 1 ) 水压密闭性检测 风缸放入固定槽，风缸b 法兰口竖直向上放置( 见图21 ) ，通过加紧装置将风缸 固定在槽内，注水泵将水通过b 口注入风缸腔体内，风缸注满水后，关闭a 法兰口， 关闭注水泵，打开高压泵，当水压达至u 9 0 0 k p a 时关闭b 法兰口，关闭高压泵，保压五 分钟检测水压，如果没有减小，风缸水压检测合格 r b h ：r 兰三l i 芒惜 图2 l 风缸检测 ( 2 ) 气压密闭性检测 打开风缸h 、b 两法兰i ：l ，使风缸腔体内水压降至1 5 k p a 以下，旋转缸体，使a 法 兰口竖直向下再次加紧缸体，通过b 口对缸体内充气，当压力值有一个突然的下降， 表明风缸腔体内的水已经全部流出，关闭a 法兰口，当腔体内的压力达到6 0 0 k p a 时关 闭b 法兰口，保压五分钟，检测气压，如果没有降低，表明风缸气压检测合格。 n u 川川一 i 风缸、制动管检测系统的研究与实现 风缸气压验测完毕后，打开a 、b 两法兰口，排出腔内气体，风缸检测结束。见 图2 2 风缸检测工艺图 图2 2 ) k - l , 缸检测工艺 2 1 2 制动管的检测工艺及流程 制动管的检测工艺只有气压密闭性检测，利用制动管专用的法兰盘将制动管两头 密闭如图1 2 ，通过一头的插口对制动管内进行充气，当气压达到6 0 0 k p a 时停止对管 图2 3 制动管检测工艺 6 第二章风缸、制动管自动检测系统的总体结构 内充气，保压1 分钟，检测气压，如果没有减小，说明制动管气压检测合格。检测完 毕后系统自动排气。其工艺流程图2 3 。 2 2 系统设计思路 因为历史的原因，国内风缸、制动管的生产厂家一直采用传统的人工检测方法 进行检测，由于采用的检测手段比较落后，风缸、制动管检测存在效率低下、检测 精度低等问题。 新造货车( c 7 0 ) 的推出改变了对风缸、制动管的检测要求，改变了检测工艺， 原先的检测方式已经不能满足现在的检测工艺，为此，我们按照新的检测要求提出 了分布式控制的系统解决方案。 2 2 1 主要功能 本系统实现的功能有： ( 1 ) 数据采集：包括模拟量和开关量 1 模拟量的采集。需要采集的模拟量有：风缸和制动管的检测压力，其中风缸 有4 个台位，制动管有8 个台位，每个台位一个都有传感器，风缸水箱内的水温检测， 共有两个温度传感器，所以有风缸4 路，制动管有8 路模拟量接入p l c 的a d 模块。 2 开关量的采集。需要采集的开关量有：继电器状态、手动自动选择开关状态。 因为p l c 本身带有隔离电路，因此这些开关量可以直接接入p l c 。对于这些开关信号， p l c 采用中断响应的方式，可以满足控制要求了。 ( 2 ) 报警记录 为了分析现场设备故障的方便，设置故障报警记录功能监控单元设置好各工作 参数的报警阀值，如压力的工作上限和工作下限，并在运行过程中对这些工作参数 进行监视，实时记录报警事件、报警台位、发生的时间，并生成报警表，供查询分 析。 ( 3 ) 操作控制 为了在某些特殊情况下人可以超越计算机进行控制，因此设置了手动自动控制 旋钮方式的灵活转换，而且本系统风缸、制动管检测都有手动自动转换开关，实现 每个台位的手自动转换。 ( 4 ) 事件记录 s o e ( s e q u e n c eo fe v e n t s ) 包括启动自检机能记录，系统管理员登录记录，修改 初始工作参数值等记录，并记录下所有事件的发生时间。 7 风缸、制动管检测系统的研究与实现 ( 5 ) 人机交互 利用v i s u a lb a s i c 开发监控软件，实时显示现场工作状况和操作结果，比如：初 始工作参数的修改、手动自动控制的响应、现场检测设备的模拟、各操作界面的切 换等，界面友好，图形元素丰富，操作简便，极易上手。 ( 6 ) 报表生成和打印 按照车辆厂要求的周期和格式，生成日报、月报、季报和年报，并在车辆厂局 域网内部共享，供管理部门打印、存档，根据事件记录信息生成和打印运行日志。 ( 7 ) 数据库管理 系统的数据库管理也是很重要的环节，历史数据的形成和存储是数据库管理的 前提条件。此外，为满足车辆厂管理部门的需要，还必须进行一些数据处理工作， 包括：操作工人的累计工作量。 ( 8 ) 网络功能 接入车辆厂局域网内，远程读取管理部门下发的生产计划等信息文件：生成报表 和数据库文件，供管理部门读取浏览。 ( 9 ) 系统扩展 长远来看，本系统通过添加模块可以逐步扩展，三维测量仪检测、自动焊接机、 自动弯管机的控制等车间的检测信息和控制都可以纳入该系统，形成现场综合控制 图2 4 系统功能示意图 8 第二章风缸、制动管自动检测系统的总体结构 检测系统。系统功能示意图如图2 4 所示。 2 2 2 系统工作原理 本控制系统是将工控机和p l c 这两种现场控制装置的优点结合起来，并应用到工 业自动控制中的一种分布式控制系统。它是以工控机作为工业通信网络中的主站单 元，并成为企业网中的一个结点；以p l c 作为位于各站点的分散控制从站，管理和控 制每个站点的设备，工控机与p l c 通过p r o f i b u s d p 现场总线技术6 1 连接，构成了一套 分布式控制系统，构架树状网络结构如图2 5 n 示。 打印机 计算机 妙 计算机 工 厂 局 域 网 拶 工控机 网络模块制动管p l c扩展输入模块模拟输入模块 p r o f i b u s 总线 网络模块 e m 2 7 7 j 鼬e p l c扩展输出模块模拟输入模块 图2 5 分布式控制系统结构示意图 分布式控制系统工作原理是： 工控机在系统中既作为控制系统的根节点，负责整个控制系统的信息管理；同 时，又作为企业信息网络中的一个结点，从企业网中提取信息，并提供控制系统的 工作信息和数据的共享，供企业局域网用户使用；p l c 作为分散于各个车间、班组的 控制单元，负责控制现场设备的动作，监视现场设备的工作情况是否正常，并采集 各种传感器的模拟输出信号，转化为数字信号，经过现场总线上传给工控机。 以工控机作为风缸、制动管检测控制系统的主站，负责管理、控制风缸和制动 管两个p l c 从站，并将所有的现场设备的工作参数进行汇总和管理，生成报表。主站 与厂家局域网互联，共享局域网内信息。 以p l c 作为风缸、制动管检测控制系统的从站，负责在主站的统一管理下对各自 从站点的风缸、制动管检测进行控制，并将自己管辖的从站站点中的现场设备工作 9 风缸、制动管检测系统的研究与实现 参数上报给主站。 采用p r o f i b u s - - d p 现场总线技术，实现风缸、制动管检测控制系统的通信网络， 实现监控软件和p l c 之间的数据传输，确保控制指令和工作数据的畅通。 2 2 3 网络结构 分布式控制发展到今天，现场总线己经成为分布式控制不可或缺的组成部分， 它构成了分布式通信网络的筋络。 现场总线技术可以简单地理解为用双向传输的全数字信号取代目前广泛采用的 4 - - - 2 0 m a 模拟信号实际上现场总线是现场仪表和其它自动化设备之间所建立起来 的全数字化、双向、多支路的通信系统。这里的现场仪表指智能变送器、智能执行 器、智能记录仪、p l c 等。在控制系统中，现场总线的应用为i p c 和p l c 的沟通提供了 一个全数字化的、双向的、多节点的通信链接。与原有d c s i ：l 较，采用现场总线使得 传输信号由传统的4 - 2 0 m a 模拟信号变成数字信号，提高了通信的可靠性和抗干扰能 力。d c s 的本意是i o 和控制分散，信息和管理集中，现场总线与传统d c s 的融合，将 使此初衷更为完美。 目前用于控制系统的现场总线有很多种，应用较为广泛的有p r o f i b u s 、r s 4 8 5 等 等，p r o f i b u s d p 是一种广泛应用的现场总线，具有节约硬件成本；设计、组态、 安装、调试简便；系统的安全、可靠性好；系统维护设备更换和系统扩充方便；完 善了企业信息系统，为实现企业综合自动化提供了基础。另外，p r o f i b u s 是一种完 全开放的总线，任何组织或个人都有权获得总线协议。因此在风缸、制动管检测系 统中采用p r o f i b u s - d p 现场总线是很好的选择。 本系统的网络结构为总线型，传输介质为双绞线，中央监控单元通过西门子的 接口卡5 6 1 1 - q p r o f i b u s - d p 总线连接，和总线上的分散控制单元p l c 构成一点对多点 的通信网络。本系统还接入到车辆厂内部局域网，信息管理系统等共享信息。系统 总体结构如图2 6 所示。 中央监控单元将管理控制指令经现场总线发给分散控制单元p l c ：p l c 采集到压 力传感器、温度传感器l - 5 v 电压信号，通过a d 转换模块，将模拟量变成数字量，经 现场总线送至中央监控单元。 2 2 4 主站的设计 风缸、制动管检测系统采用工业计算机作为主站。工控机( i p c ) ，是在原个 l o 第二章风缸、制动管自动检测系统的总体结构 车辆厂局域网 图2 6 系统总体结构图 人计算机( p c ) 基础上发展起来的新型工业控制装置，它既充分发挥了p c 的技术优势， 又利用工业级部件替换家用级部件，极大的提高了普通p c t 作的稳定性和可靠性， 能够很好地运用于工业生产自动化领域。目前i p c 已经成为工业自动控制的标准设 备，是实现工业自动化的最佳配套产品。， i p c ( 工控机) 作为生产过程控制的主站，主要具有以下优点： ( 1 ) i p c 运算速度快，能力强，能进行复杂的数学运算和逻辑判断； ( 2 ) i p c 与微处理器同步发展，更新换代快，容易升级，通用性强； ( 3 ) i p c 硬件采用工业级，甚至是军用级部件，抗干扰性、稳定性都l p , p c 机要 高； ： ( 4 ) i p c 结构紧凑，与现场设备连接简便； ( 5 ) i p c 具有开放的体系结构，硬件通用性和互换性强： ( 6 ) i p c 的软件资源丰富，品种齐全，软、硬件开发及有关工具丰富，用户界 面友好。 2 2 5 从站的设计 风缸、制动管检测控制系统采用p l c 作为从站。可编程序控制器是以微处理器为 基础，综合了计算机技术、自动化控制技术和通讯技术发展起来的一种通用的工业 自动控制装置。它具有体积小、功能强、灵活通用与维护方便等一系列优点，因而 在工业自动化控制领域获得了广泛应用，成为现代工业自动化控制的三大支柱之一。 可编程控制器及有关设备，都应按易于与工业控制形成一个整体，易于扩充其功能 风缸、制动管检测系统的研究与实现 的原则设计。 可编程序控制器与传统继电器、板卡控制有以下优点8 1 ： ( 1 ) 高可靠性是电气控制设备的关键性能。p l c 由于采用现代大规模集成电路技 术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可 靠性。从p l c 的外电路来说，使用p l c 构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统 相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此 外，p l c 带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件 中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除p l c 以外的电路及设 备也获得故障自诊断保护。 p l c 是专门为工业生产过程控制而设计的控制装置，它具有比通用计算机控制系 统更为简单的编程语言和更可靠的硬件。采用简单的编程语言可以大大降低编程的 出错率，而专门为工业恶劣环境设计的硬件使可靠性大大提高。因此，p l c 的可靠性 比通用计算机控制系统可靠性有较大的提高。 ( 2 ) 易学易用，深受工程技术人员欢迎，p l c 作为通用工业控制计算机，是面 向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形 图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用p l c 的少量开关量逻 辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算 机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。加上p l c 通信能 力的增强及人机界面技术的发展，使用p l c 组成各种控制系统变得非常容易。 ( 3 ) 体积小、重量轻、功耗低、维护方便。p l c 是将微电子技术应用于工业设备 的产品，其结构紧凑，坚固，体积小，重量轻，功耗低。并且由于p l c 的强抗干扰能 力，易于装入设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。而且绝大多数p l c 具有 很好的抗振、适应环境温、湿度变化的能力。 由于p l c 采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、 计数器等器件，控制柜的设计安装接线工作量大为减少。同时，p l c 的用户程序可以 在实验室模拟调试，更减少了现场的调试工作量。并且，由于p l c 的低故障率及很强 的监视功能，模块化等等，使维修也极为方便。 自从二十世纪六十年代末，可编程序控制器问世以来，正是由于p l c 与传统的继 电器控制方式相比有这些优点，使得p l c 在工厂中倍受欢迎，成为现代工业自动化的 支柱。 1 2 第二章风缸、制动管自动榆测系统的总体结构 2 2 6 系统的软件方案 v i s u a lb a s i c 一种在计算机技术发展史上应用得最为广泛的语言。他易于使用， 能在很短端的时间内掌握编程的要领；使用灵活，能用不同的方法来完成所需要完 成的任务；功能强大，能适应很多不同的编程需要，满足不同领域的要求。本系统 是一个小型的d c s 控制系统，要求易用可靠、并且要有较低的成本，所以v i s u a lb a s i c 就是我们要使用的上位机语言。 由于，监控软件采用v i s u a lb a s i c ，与p l c 之间的通信就需要重新考虑。o p c 为 工业自动化系统中各种不同器件之间的通信提供了一个公共接口，为w i n d o w s 的应用 程序和现场过程控制应用建立了桥梁，解决了硬件和软件数据交换的问题，为了满 足监控软件与p l c 通信的问题我们利用v i s u a lb a s i c 编写了一套与o p c 技术标准相适 应的接口程序，实现了与o p c j 艮务器的联接，完成了p l c 与监控软件之间的通信【9 】，通 过接口程序，监控软件可直接对p l c 进行读写操作，系统的每一个变量都能够实时掌 握，从而完成检测的实时控制。 由于分散控制单元采用p l c ，而p l c 编程工具均为各p l c 厂商开发，只支持自己的 产品，因此p l c 软件的开发只能使用该p l c 厂商提供的专用开发工具。p l c 软件的工作 原理是：循环扫描个站点风缸、制动管控制设备的状态：循环采集各个台位的电气参 数，经过a d 转换，存入内部数据存储器中：p l c 接受中央监控单元下达的命令参数修 改数值，同时记录本分散站点当前的各个工作参数的状态，并发送给中央监控单元 进行管理。 2 3 干扰问题和解决办法 在设计过程中，由于现场工作环境很恶劣，工业现场的电焊机、工业现场的电 流、电压波动和电气控制柜中电源的电磁干扰很严重，因此如何有效的抵抗这些干 扰因素，保证数据传输的准确和设备工作的正常，是必须考虑并予以解决的问题。 对于电磁的干扰问题，其危害主要在于： ( 1 ) 对通信设备和线路的影响，造成数据传输失败或传输错误数据，使得中央 监控单元产生误判断、误操作以及记录错误数据，负面影响十分严重如果无法克服 这个影响，就不能保证控制指令和工作参数的准确传递，那么自动控制和数据管理 就沦为空谈。 ( 2 ) 对继电器线圈的影响，造成继电器电气接点的误动作，则主站下达的控制 指令就无法被正确执行，整个检测系统的工作就会陷入混乱。 风缸、制动管榆测系统的研究与实现 ( 3 ) 对a d 输入信号线的影响，造成电流、电压等电气参数值错误，产生误 报警和电量参数运算错误。 ( 4 ) 对传感器的干扰，使传感器的模拟量发生变化，从而影响系统检测的精确 度，影响检测的过程，甚至有可能使传感器的器件损毁，缩短传感器的使用寿命。 针对，这四个急需解决的问题，经过查资料和现场的试验，制定了解决措施。 解决的办法主要有：电气柜柜体可靠接地；p l c 单独接地，地线与电源地线分离；p l c 通信线采用屏蔽双绞线，且通信线通过金属管道敷设；p l c 输出点串接中间继电器； 输入信号电缆和交流电源线分开；与p l c 接线端子连接线的头部尽量平整，增大接触 面。 在上位机监控软件中也采取了一些措施，来减少现场的干扰。主要采取了两个 方法 ( 1 ) 采用软件调节的方法，解决传感器零点漂移的问题。 由于现场的一些干扰，以及传感器自身精度的问题，传感器的零点不稳定，会 有此较小的多动，一般的处理方法是直接调节传感器的硬件旋钮，来实现传感器零 点的调节，但是这种调节方法调节精度低，而且影响传感器的使用寿命，软件调节 快速、准确，而且不影响生产，很好的解决了，传感器漂移的问题。 ( 2 ) 系统误动作 由于现场的干扰，系统会有一些控制之外的动作，比如电磁阀的误动作，传感 器的突然的大范围漂移。系统对于电磁阀的误动作，采用停止检测，并伴随报警， 保护检测系统以及检测人员安全。对于传感器的突然的大范围漂移采取忽略，但是 如时间超过安全时间，则停止检测，报警。 2 。4 现场信号的采集和处理 2 4 1 硬件组成 信号采集、处理硬件是由压力传感器、p l c 、计算机组成，如图2 7 所示。 图2 7 硬件结构图 ( 1 ) 传感器 本系统主要有两类传感器，压力传感器和温度传感器。铁道部要求风缸在 9 0 0 k p a 、6 0 0 k p a 压力下不得漏泄；制动管在6 0 0 k p a 压力下不得漏泄，所以系统对 1 4 第二章风缸、制动管自动检测系统的总体结构 压力传感器的精度要求比较高，对水温只是要求温度高于设定温度( 一般是常温) ， 防止温度过低，使水结冰，影响检测的正常进行，所以系统对温度传感器的精度要 求低。传感器有两种信号传送方式，一种是将压力转化为4 2 0 m a 电流信号的电流 型传感器，另外一种是将压力转化为l - 5 v 电压的电压型传感器。 从传感器接线方式来说，有4 线制3 线制2 线制，4 线制的传感器比3 线制、2 线制的传感器精度高，而且抗干扰能力强。经过现场的实际应用发现，电压型压力 传感器的抗干扰能力差，经常会影响压力的采集，对控制和压力检测有很大的影响， 所以系统压力的检测以及温度检测均采用电流型4 线制传感器，外接直流电压2 4 v ， 增大了抗干扰能力，提高了检测的精度。 ( 2 ) p l c 由于从传感器出来的都是模拟信号，要先数字化，应在传感器与p l c 之间加一 下模数转换器。p l c 通过e m 2 3 1 模拟量出入模块，将传感器信号与计算机隔开，然 后对信号进行滤波。在e m 2 3 1 中，模拟量输入滤波的默认系统块设置是“打开”。在 p l c 中可以设置采样数，死区的具体数值。 p l c 接收到信号后通过内部程序将电压信号转换成数字信号存储在p l c 的存储器 中，通过通信协议传送至上位机中进行所需的处理。 p l c 还可以为单个模拟量输入通道选择软件滤波。滤波后的数值是预先选择的模 拟量输入采样数目的平均值。滤波器规格( 采样数和死区值) 对所有启用过滤功能 的模拟量输入均相同。 滤波器具有快速响应功能，允许滤波数值快速反映出较大的输入变化。当输入 距离平均值的变化超过了指定的变化范围时，滤波器就直接把模拟量输入值跨步改 变到实际的新值。这一变化范围称为死区，用模拟量输入数字量值计数表示。 ( 3 ) 主站 主站是一台工控机，它获得p l c 采集的信号比对他进行各种分析处理。利用 v i s u a lb a s i c 软件开发出控制界面，利用v i s u a lb a s i c 强大的可视化编成功能，可 实现各种显示和处理功能。 2 4 2 信号采集 信号采集时，主要解决两个方面的问题：一是模数转换精度；二是确定信号的 采样周期。e m 2 31 已经规定转换位数是13 位，可将0 5 v 电压或4 ，- 2 0 m a 电流平均分 成4 0 0 0 个梯度，故其精度完全可以满足系统的需要，不必对转换精度再进行讨论， 关键是确定模拟信号的采样周期。 1 5 风缸、制动管检测系统的研究与实现 采样周期首先要符合香农采样定理，此外，还必须从技术和经济指标综合考虑。 采样时间太短，不仅增加c p u 不必要的负担，而且要求a d 转换精度高，可能和已选 定的a d 转换精度不匹配。由于检测仪表精度的限制，过分追求高a d 转换精度变 得毫无意义。在本文中，采用实验加分析的方法确定采样周期。根据工程实验和对 象物理特性，选取采用p l c 默认的检测周期 2 4 3 信号处理 数据处理主要考虑以下问题：读取输入数据、检查模拟量输入模块读入数据是 否有效、是否需要线性化处理、数字滤波、模拟量输入数值整定为实际过程值、数 据各位b c d 码分离等。 ( 1 ) 信号输入模拟量信号由其对应的e m 2 3 1 的信道地址读取，读到的值是a d 转换的数字量，程序设计时，通过下列程序结果存入变量数据存储区。 l ds m o 0 m o v w a i w o ，v w 2 0 h t a v b 2 0 ，v b 4 0 2 ，4 ( 2 ) 有效