呂其兵，賀頌，戴曉綱

(1.西南交通大學(xué)焊接研究所，四川成都610031；2.西南物資公司，四川成都610051)

基于總線的移動式鋼軌閃光焊機(jī)控制系統(tǒng)

呂其兵1，賀頌1，戴曉綱2

(1.西南交通大學(xué)焊接研究所，四川成都610031；2.西南物資公司，四川成都610051)

移動式鋼軌閃光焊機(jī)現(xiàn)場施工時(shí)，焊機(jī)機(jī)頭與控制柜之間操作、檢測和控制信息的傳遞通過電纜進(jìn)行，該連接電纜芯數(shù)多且距離長，從而導(dǎo)致控制系統(tǒng)故障率高，且檢修難度大。針對上述問題，提出了基于CC－link總線設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟硬件解決方案。采用FX2N－16CCL－M主站模塊、FX2N－64MR三菱PLC、AJ65SBTB1－16D和AJ65SBTB1－16T數(shù)字量模塊重新設(shè)計(jì)了基于總線的移動式鋼軌閃光焊機(jī)控制系統(tǒng)，從而使機(jī)頭和控制柜之間的信息通過總線進(jìn)行傳輸，大大減少了焊機(jī)機(jī)頭和控制柜之間連接電纜的芯數(shù)，提高了可靠性，降低了檢修難度；分析新系統(tǒng)通過總線進(jìn)行信息傳輸?shù)乃俣群涂刂扑俣?，采用總線方式完全能滿足控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求。通過現(xiàn)場試焊表明，新系統(tǒng)能完成鋼軌的焊接。

CC－link；FX 2N－16CCL－M；鋼軌閃光焊；控制

0 前言

國內(nèi)鋼軌現(xiàn)場焊中常用的焊接方法有鋁熱焊、閃光焊和氣壓焊，由于鋼軌閃光焊具有焊接生產(chǎn)效率高、焊接接頭質(zhì)量受人為因素影響小且質(zhì)量高的優(yōu)點(diǎn)，移動式鋼軌閃光焊在無縫線路建設(shè)中占據(jù)著重要的位置。鋼軌移動式閃光焊設(shè)備主要包括自帶發(fā)電機(jī)的集裝箱式閃光焊軌機(jī)和自行走式焊軌車兩種，不管是哪一種焊接設(shè)備，控制柜與焊機(jī)機(jī)頭之間的連接電纜都多而長。由于在現(xiàn)場焊軌中機(jī)頭頻繁動作，使得連接電纜內(nèi)部的線經(jīng)常破斷，導(dǎo)致焊接設(shè)備故障率高，并且電纜芯數(shù)多，檢測困難，焊機(jī)出現(xiàn)故障維修困難，影響無縫線路的建設(shè)。為此提出了基于總線方式進(jìn)行機(jī)頭信號檢測和動作控制的方案。由于連接總線只有三根，電纜芯數(shù)少，便于保護(hù)和維護(hù)，從而提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

總線控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好，在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛[1]。工業(yè)控制領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)一般分三層，即管理層、控制層和設(shè)備層。CC－link是設(shè)備層的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是一種可以同時(shí)高速處理控制和信息數(shù)據(jù)的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)，可以提供高效、一體化的工廠和過程自動化控制，在10 Mbps的通信速率下傳輸距離可達(dá)100 m，并能夠連接64站。其卓越的性能使之通過ISO認(rèn)證成為國際標(biāo)準(zhǔn)，并且獲得批準(zhǔn)成為中國國家推薦標(biāo)準(zhǔn)GB／T19760－2008，同時(shí)已取得SEMI標(biāo)準(zhǔn)[2]。為此本系統(tǒng)采用CC－link總線進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 控制系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計(jì)

1.1 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，上部虛框內(nèi)的所有組件在控制柜中，下部虛框內(nèi)的全部組件在焊機(jī)機(jī)頭上，上下虛框之間的連接除比例閥和位移傳感器外都通過總線相連。主站由三菱FX2N系列PLC和FX2N－16CCL－M主站模塊組成，以實(shí)現(xiàn)與I／O模塊通信、處理反饋信息和控制焊機(jī)機(jī)頭動作。從站主要由AJ65SBTB1－16D(16路數(shù)字量輸入模塊)和AJ65SBTB1－16T(16路數(shù)字量輸出模塊)構(gòu)成，由AJ65SBTB1－16D采集焊機(jī)機(jī)頭上的所有數(shù)字量信號，并通過總線傳給主站，主站對傳輸回來的信息進(jìn)行運(yùn)算處理和判斷，并將運(yùn)算結(jié)果通過總線傳給輸出模塊，控制液壓閥驅(qū)動板驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)對閃光焊機(jī)機(jī)頭的控制，待主站處理后輸出控制，完成閃光焊接中機(jī)頭的所有動作。與原有控制系統(tǒng)相比有以下不同：原焊機(jī)機(jī)頭的所有輸入和輸出數(shù)字信號全部通過獨(dú)立的信號線與控制柜進(jìn)行信號傳遞，而新控制系統(tǒng)焊機(jī)機(jī)頭上的數(shù)字信號由主站模塊通過總線與焊機(jī)機(jī)頭上的從站模塊進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)所有數(shù)字信號的輸入與輸出控制。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件在原系統(tǒng)軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行如下改進(jìn)：

(1)在原有的UN－150焊機(jī)控制程序中加入總線網(wǎng)絡(luò)配置程序，使通過總線讀入的數(shù)字信息對應(yīng)原程序的所有輸入點(diǎn)。

(2)運(yùn)算結(jié)果的輸出原程序是通過PLC的輸出觸點(diǎn)進(jìn)行控制，新程序使輸出觸點(diǎn)對應(yīng)輸出模塊AJ65SBTB1－16T的相應(yīng)點(diǎn)。

通過上述改進(jìn)，就可利用原來的程序?qū)崿F(xiàn)基于CC－link總線模式的焊機(jī)控制。主站和遠(yuǎn)程I／O站之間通信時(shí)的基本程序設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

在通信程序開始運(yùn)行前，要將整套網(wǎng)絡(luò)的配置參數(shù)寫入主站模塊中。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

圖2 基于總線的信息傳輸程序框圖

2 控制信號響應(yīng)時(shí)間計(jì)算與分析[3]

在UN－150ZB鋼軌閃光焊機(jī)中，機(jī)頭與控制柜之間的距離大約10 m，機(jī)頭上輸入與輸出模塊之間的距離小于50 cm。系統(tǒng)的控制信號相應(yīng)時(shí)間T為

式中SM1為信號輸入延遲時(shí)間；SM2為信號輸出延遲時(shí)間；T1為PLC程序掃描和執(zhí)行時(shí)間。

(1)信號輸入延遲時(shí)間

(2)信號輸出延遲時(shí)間

式(2)、式(3)中的LS為系統(tǒng)的鏈接掃描時(shí)間，其計(jì)算式為：

LS=BT｛29.4+(NI·4.8)+(NW·9.6)+(N·32.4)+(ni·4.8) +(nw·9.6)｝+ST+通信故障站的數(shù)量·48·BT·重試的次數(shù)(4)式中BT為常數(shù)(傳輸速度)，該參數(shù)按表1進(jìn)行選擇；NI為a和b中最后站點(diǎn)的數(shù)量；NW為b中最后站點(diǎn)的數(shù)量；N為連接的模塊數(shù)量；ni為a＋b(保留站除外)；nw為b(保留站除外)；ST為800+(a·15)、900+(b·50)中的最大值(其中a為被遠(yuǎn)程I／O站占用的站點(diǎn)數(shù)，b為被遠(yuǎn)程設(shè)備站占用的站點(diǎn)數(shù))。

表1 傳輸速度與常數(shù)BT的對應(yīng)關(guān)系

在新系統(tǒng)選用的AJ65SBTB1系列模塊中，設(shè)定的傳輸速度分為五檔：10 Mbps、5.0 Mbps、2.5 Mbps、625 kbps、156 kbps。本控制系統(tǒng)選用5.0 Mbps檔。系統(tǒng)各相應(yīng)參數(shù)如下：

由式(4)可計(jì)算出LS=1.042 16 ms；

由式(2)計(jì)算出SM1=2.784 32 ms；

由式(3)計(jì)算出SM2=3.826 48 ms。

由上述計(jì)算可知，整個系統(tǒng)操作控制信號輸入、運(yùn)算和輸出響應(yīng)時(shí)間大約10 ms，而系統(tǒng)的液壓閥等響應(yīng)都是毫秒級的，因此新系統(tǒng)能滿足閃光焊機(jī)實(shí)時(shí)控制的目的。

采用上述軟硬件進(jìn)行了機(jī)頭的操作控制和焊接試驗(yàn)，結(jié)果表明，操作及動作響應(yīng)與原系統(tǒng)無異，焊接過程能順利完成。

3 結(jié)論

(1)基于總線的控制系統(tǒng)減少了信號傳輸線的數(shù)量，提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性，降低了維護(hù)難度。

(2)所設(shè)計(jì)的基于總線的控制系統(tǒng)能夠滿足移動式閃光焊機(jī)在焊接過程中的信號傳輸和處理的實(shí)時(shí)性和系統(tǒng)的高抗干擾能力的要求。

[1]狄錦，潘聲啟，張虎.時(shí)速300 km鐵路客運(yùn)專線長鋼軌焊接施工方案[J].中國鐵路，2005(8)：64－68.

[2]楊靜，顧戰(zhàn)松.CC－link網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用[J].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991.

Research on control system of mobile rail flash butt welding machine on the basis of bus

LV Qi－bing1，HE Song1，DAI Xiao－gang2
(1.Institute of Welding，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China；2.South－west Material Co.，Ltd.，Chengdu 610051，China)

The operation，sensor，and control information between the machine and controller is transferred through the cable when the mobile rail flash butt welding machine is used in continuous line construction,because the cable is long and multi－core，the control system is of low reliability，and is difficult to be maintained.According to the problem mentioned above，a new project based on CC－link was put forward to solve this problem.The control system was designed on the basis of the host module FX2N－16CCL－M、the PLC FX2N－64MR and the digital module AJ65SBTB1－16D／T，so the core of the cable，through which the information between the machine and controller was transferred，was reduced，the reliability was improved，and the maintenance was become easy.The control system＇s response rate and information＇s transmission rate was analyzed，and the new control system can demand the real－time request.The experiment indicated that the new control system could finish the welding process.

CC－link；FX 2N－16CCL－M；rail flash butt welding；control

book=6,ebook=35

TG409；TG438

A

1001－2303(2012)06－0051－03

2011－01－19；

2012－03－16

呂其兵(1967—)，男，四川井研人，教授，教研室主任，博士，主要從事計(jì)算機(jī)檢測及控制方面的研究和焊接設(shè)備自動化及焊接質(zhì)量在線檢測與控制研究工作。