聚氨酯固化道床施工設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)研究

周佳亮，高春雷，王發(fā)燈，何國華

（中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081）

聚氨酯固化道床施工設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)研究

周佳亮，高春雷，王發(fā)燈，何國華

（中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081）

聚氨酯固化道床施工設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)主要由PC監(jiān)控系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、帶Wi-Fi節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)監(jiān)測(cè)設(shè)備等硬件模塊組成，各分散硬件模塊利用Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。PC監(jiān)控系統(tǒng)模塊可遠(yuǎn)程監(jiān)控底層PLC控制系統(tǒng)工作狀態(tài)和各路檢測(cè)監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)，指導(dǎo)操作者安全施工。PLC控制系統(tǒng)模塊負(fù)責(zé)可靠控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。檢測(cè)監(jiān)測(cè)設(shè)備模塊采集相關(guān)開關(guān)量、脈沖數(shù)、圖像等信息。該系統(tǒng)解決了分散施工的聚氨酯固化道床機(jī)械設(shè)備之間大容量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膯栴}，可實(shí)現(xiàn)各個(gè)設(shè)備的協(xié)同工作，提高工作效率和施工安全性。

聚氨酯固化道床；監(jiān)控系統(tǒng)；Wi-Fi；網(wǎng)絡(luò)通信；PLC控制

0 引言

聚氨酯固化道床施工設(shè)備由儲(chǔ)料系統(tǒng)、預(yù)混系統(tǒng)、澆注發(fā)電機(jī)組、澆注小車、烘干小車、上下車裝置、烘干發(fā)電機(jī)組7部分組成（見圖1）。聚氨酯固化道床施工設(shè)備功能需求：設(shè)備施工時(shí)，位于圖1左側(cè)軌道車內(nèi)的司機(jī)需要觀察澆注小車施工時(shí)的道釘圖像、澆注小車?yán)锍?、PLC控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，待澆注小車工作完成后，控制左側(cè)軌道車推動(dòng)澆注小車到下一段澆注起點(diǎn)；位于圖1右側(cè)軌道車內(nèi)的司機(jī)需要觀察烘干小車與聯(lián)掛在軌道車上的上下車裝置間的距離、PLC控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)，待烘干小車工作完成后，控制右側(cè)軌道車與烘干小車同步移動(dòng)到下一段烘干起點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)上述設(shè)備功能，需重點(diǎn)解決以下問題：（1）解決圖1中分散設(shè)備在施工區(qū)間內(nèi)不便布線的問題；（2）解決圖1中軌道車、澆注小車和烘干小車之間近百米范圍內(nèi)開關(guān)量、脈沖數(shù)、圖像等信息的大容量遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)交換問題；（3）解決澆注小車澆注頭定位控制問題。

聚氨酯固化道床施工設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱系統(tǒng)）可模塊化設(shè)計(jì)成三大部分：PC監(jiān)控系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)和帶Wi-Fi節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)監(jiān)測(cè)設(shè)備。系統(tǒng)各模塊之間可采用Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和共享。PC監(jiān)控系統(tǒng)模塊位于左右軌道車內(nèi)，具有人機(jī)交互界面，方便軌道車內(nèi)司機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控澆注小車和烘干小車的工作狀態(tài)。PLC控制系統(tǒng)模塊位于澆注小車和烘干小車上，負(fù)責(zé)可靠控制澆注小車和烘干小車的執(zhí)行機(jī)構(gòu)施工作業(yè)。帶Wi-Fi節(jié)點(diǎn)的各類檢測(cè)監(jiān)測(cè)設(shè)備位于澆注小車和烘干小車上，負(fù)責(zé)采集相關(guān)的開關(guān)量、脈沖數(shù)、圖像等信息。

圖1 聚氨酯固化道床施工設(shè)備

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)構(gòu)成見圖2，主要由PC監(jiān)控系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、帶Wi-Fi節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)監(jiān)測(cè)設(shè)備等硬件模塊組成，各分散硬件模塊利用Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

圖2 聚氨酯固化道床施工設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成

PC監(jiān)控系統(tǒng)硬件平臺(tái)是工業(yè)平板電腦，硬件包含人機(jī)交互模塊和Wi-Fi無線網(wǎng)卡模塊。軌道車司機(jī)可在人機(jī)交互界面遠(yuǎn)程監(jiān)控PLC控制系統(tǒng)工作狀態(tài)和各路檢測(cè)監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)。PC監(jiān)控系統(tǒng)通過Wi-Fi無線網(wǎng)卡收發(fā)其他模塊數(shù)據(jù)。

PLC控制系統(tǒng)是該系統(tǒng)硬件底層，擁有大量I/O接口，可接收施工動(dòng)作指令和反饋相應(yīng)狀態(tài)信息等。PLC控制系統(tǒng)與I/O數(shù)據(jù)采集模塊連接，將施工動(dòng)作指令和相應(yīng)狀態(tài)信息通過多路開關(guān)量的變化發(fā)送給I/O數(shù)據(jù)采集模塊。

帶Wi-Fi節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)監(jiān)測(cè)設(shè)備由各檢測(cè)監(jiān)測(cè)設(shè)備和Wi-Fi硬件轉(zhuǎn)換電路組成。按采集的信號(hào)類型可分為開關(guān)量檢測(cè)監(jiān)測(cè)設(shè)備、脈沖量檢測(cè)監(jiān)測(cè)設(shè)備和圖像檢測(cè)監(jiān)測(cè)設(shè)備。開關(guān)量檢測(cè)監(jiān)測(cè)設(shè)備由I/O數(shù)據(jù)采集模塊和Wi-Fi模塊構(gòu)成，I/O數(shù)據(jù)采集模塊內(nèi)部有微處理器和RS485硬件電路，Wi-Fi模塊具有將RS485總線上的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為Wi-Fi無線通信信號(hào)的功能。脈沖量檢測(cè)監(jiān)測(cè)設(shè)備的核心部件與開關(guān)量檢測(cè)監(jiān)測(cè)設(shè)備相似，2種設(shè)備可采用RS485總線連接的方式共用同一個(gè)Wi-Fi模塊，實(shí)現(xiàn)同一位置脈沖量和開關(guān)量的采集。圖像檢測(cè)監(jiān)測(cè)設(shè)備由網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)和無線工業(yè)路由器構(gòu)成，攝像機(jī)采集現(xiàn)場(chǎng)圖像后，通過以太網(wǎng)發(fā)送給無線工業(yè)路由器，最終可將信號(hào)傳輸?shù)絇C監(jiān)控系統(tǒng)的Wi-Fi無線網(wǎng)卡。

1.2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)具有以下功能：

（1）PC遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。圖1所示左右兩側(cè)軌道車司機(jī)室都安裝有PC監(jiān)控系統(tǒng)模塊，實(shí)現(xiàn)司機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)視頻圖像、開關(guān)量和脈沖量的遠(yuǎn)程監(jiān)控。左側(cè)軌道車司機(jī)通過人機(jī)交互界面上的視頻圖像監(jiān)控澆注小車車輪走過的道釘數(shù)量，判斷施工澆注進(jìn)度；通過監(jiān)控澆注小車PLC系統(tǒng)開關(guān)量，判斷是否通過發(fā)動(dòng)軌道車推動(dòng)澆注小車運(yùn)動(dòng)；通過監(jiān)控澆注小車?yán)锍堂}沖量，判斷澆注小車是否到達(dá)新的施工點(diǎn)。右側(cè)軌道車司機(jī)監(jiān)控的信號(hào)類型與左側(cè)相同，系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)也相同。

（2）PLC自動(dòng)控制功能。澆注小車上的PLC控制系統(tǒng)具有自動(dòng)控制澆注小車完成3個(gè)枕木空內(nèi)的聚氨酯澆注功能。烘干小車上的PLC控制系統(tǒng)具有自動(dòng)控制烘干小車完成5個(gè)枕木空內(nèi)的道床烘干功能。

1.3 主要技術(shù)特點(diǎn)

采用Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。與有線網(wǎng)絡(luò)相比，無線網(wǎng)絡(luò)具有方便快捷無需布線的特點(diǎn)，適用于分散的開關(guān)量、脈沖量、圖像等數(shù)據(jù)信息的傳輸[1-4]。由于藍(lán)牙、Zigbee和無線電臺(tái)等無線網(wǎng)絡(luò)通信速度較低，不能實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)的中短距離傳輸，尤其不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)的傳輸[5-8]，系統(tǒng)選用Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)百米范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)交換。

實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)。系統(tǒng)按功能分為PC監(jiān)控系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)和帶Wi-Fi節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)監(jiān)測(cè)設(shè)備三大模塊，采用無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，有利于各功能模塊在硬件結(jié)構(gòu)上更加獨(dú)立，便于各功能模塊分布式安裝。

設(shè)計(jì)了具有Wi-Fi節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)監(jiān)測(cè)設(shè)備。針對(duì)視頻圖像數(shù)據(jù)的檢測(cè)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)選用工業(yè)以太網(wǎng)攝像機(jī)和無線路由器，實(shí)現(xiàn)了通過PC監(jiān)控系統(tǒng)的Wi-Fi無線網(wǎng)卡遠(yuǎn)程采集視頻圖像信號(hào)。針對(duì)開關(guān)量和脈沖量的檢測(cè)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)利用微處理器將采集到的開關(guān)量和脈沖量通過RS485接口發(fā)送到Wi-Fi模塊，由Wi-Fi模塊將RS485通信數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為Wi-Fi無線通信數(shù)據(jù)。

采用了PLC控制系統(tǒng)。利用PLC控制系統(tǒng)具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，系統(tǒng)能準(zhǔn)確執(zhí)行接收到的相關(guān)指令，完成執(zhí)行機(jī)構(gòu)的施工任務(wù)。

2 主要部件及設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要按PC監(jiān)控系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)和帶Wi-Fi節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)監(jiān)測(cè)設(shè)備3部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 PC監(jiān)控系統(tǒng)

PC監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)選用7吋帶觸摸屏的平板電腦，電腦工作電壓為DC 9～36 V。主界面見圖3。PC監(jiān)控系統(tǒng)通過Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)得到以下3種數(shù)據(jù)信息：（1）開關(guān)量信息，司機(jī)可依據(jù)主界面上向前或向后走行指示燈的狀態(tài)控制軌道車走行；（2）里程信息，司機(jī)可實(shí)時(shí)獲取軌道車推動(dòng)澆注小車走行的里程，便于精準(zhǔn)控制澆注小車到下一施工區(qū)間；（3）視頻圖像信息，司機(jī)通過視頻圖像監(jiān)控澆注小車車輪走過的道釘數(shù)量。

PC監(jiān)控系統(tǒng)由1個(gè)主線程和3個(gè)子線程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能（見圖4）。主線程負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理，3個(gè)子線程分別完成里程脈沖、輸入輸出、圖像數(shù)據(jù)的采集和軟件界面顯示。PC監(jiān)控系統(tǒng)軟件采用CSocket類實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，通過該協(xié)議采集Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)傳輸過來的里程脈沖、輸入輸出和圖像數(shù)據(jù)。由于Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中視頻圖像數(shù)據(jù)量大，因此該軟件需單獨(dú)開辟1個(gè)圖像采集線程，并對(duì)H.264標(biāo)準(zhǔn)的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字視頻解碼工作。

2.2 PLC控制系統(tǒng)

選用西門子S7-200 SMART系列ST40標(biāo)準(zhǔn)CPU模塊，選用威綸通MT8071IE觸摸屏作為PLC控制系統(tǒng)的人機(jī)交互模塊，選用拉繩傳感器檢測(cè)澆注頭的位置，選用伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)澆注頭移動(dòng)作業(yè)。如圖5所示，PLC控制系統(tǒng)根據(jù)人機(jī)交互模塊界面上輸入的“0—5”位5段澆注區(qū)間的數(shù)值，結(jié)合拉繩傳感器反饋的實(shí)際位置，判斷當(dāng)前需要的澆注位置，然后設(shè)定澆注頭移動(dòng)位移。PLC控制器根據(jù)位置差的大小，調(diào)節(jié)脈沖頻率和數(shù)量，控制伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)澆注機(jī)構(gòu)平穩(wěn)到達(dá)所設(shè)定的“0—5”位中的1個(gè)澆注點(diǎn)（見圖6）。

圖3 PC監(jiān)控系統(tǒng)顯示主界面

圖4 PC監(jiān)控系統(tǒng)軟件線程

圖5 PLC控制系統(tǒng)人機(jī)交互模塊

圖6 澆注頭“0—5”位澆注位置控制

PLC控制系統(tǒng)可在自動(dòng)完成圖5所示的3個(gè)枕木空內(nèi)的澆注任務(wù)后，輸出相關(guān)狀態(tài)指令給帶Wi-Fi節(jié)點(diǎn)的I/O數(shù)據(jù)采集模塊，最終PLC指令將通過Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)傳輸給PC監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行處理，提醒軌道車司機(jī)將車輛運(yùn)行到下一澆注起點(diǎn)位置。

2.3 具備Wi-Fi節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)監(jiān)測(cè)設(shè)備

PC監(jiān)控系統(tǒng)和各數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)成具有Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的功能，即系統(tǒng)有效數(shù)據(jù)通過Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸時(shí)，不用關(guān)心下層協(xié)議的傳輸，Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)只負(fù)責(zé)將需要傳送的業(yè)務(wù)送到目的節(jié)點(diǎn)，同時(shí)保證傳輸質(zhì)量即可，不對(duì)傳輸業(yè)務(wù)進(jìn)行糾錯(cuò)。系統(tǒng)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)PC監(jiān)控系統(tǒng)與各數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)共享的橋梁。

PC監(jiān)控系統(tǒng)選用帶無線網(wǎng)卡的工業(yè)平板電腦作為PC監(jiān)控系統(tǒng)硬件平臺(tái)，分配PC監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)地址：192.168.1.4，編制VC++軟件，通過Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)讀取I/O數(shù)字量采集模塊、脈沖量采集模塊、攝像機(jī)等數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)顯示在PC監(jiān)控界面上。

I/O數(shù)字量采集模塊和脈沖量采集模塊網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)步驟如下：

（1）分配采集模塊網(wǎng)絡(luò)地址。系統(tǒng)定義I/O數(shù)字量采集模塊和脈沖量采集模塊的網(wǎng)絡(luò)地址分別為16進(jìn)制數(shù)0x01和0x02。

（2）定義數(shù)據(jù)幀格式（見表1）。

表1 數(shù)據(jù)幀格式

（3）Wi-Fi節(jié)點(diǎn)功能設(shè)計(jì)。將采集模塊的RS485接口通過硬件電路轉(zhuǎn)為Wi-Fi無線接口，Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)傳輸為透明傳輸形式，PC監(jiān)控系統(tǒng)不需關(guān)心下層Wi-Fi傳輸形式，即可讀到采集模塊數(shù)據(jù)幀，然后從數(shù)據(jù)幀中提取采集模塊的有效內(nèi)容。

攝像機(jī)網(wǎng)絡(luò)化步驟如下：

（1）分配網(wǎng)絡(luò)地址。系統(tǒng)定義攝像機(jī)網(wǎng)絡(luò)地址為192.168.1.10。

（2）定義數(shù)據(jù)幀格式。采用標(biāo)準(zhǔn)視頻幀格式H.264。

（3）Wi-Fi節(jié)點(diǎn)功能設(shè)計(jì)。將攝像機(jī)RJ45口通過路由器轉(zhuǎn)為Wi-Fi無線接口，PC監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)視頻幀格式H.264進(jìn)行解碼顯示。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2016年4月，在興平大型養(yǎng)路機(jī)械廠測(cè)試了系統(tǒng)性能（見圖7、圖8）：（1）PC遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，試驗(yàn)軌道車上遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)澆注小車和烘干小車上的開關(guān)量、脈沖量和視頻圖像3類信息。（2）PLC自動(dòng)控制功能，澆注小車澆注頭平均移動(dòng)誤差≤±15 mm（見表2）。（3）增加中繼器后，局域網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍超過100 m，實(shí)現(xiàn)了軌道車與澆注小車、烘干小車間的數(shù)據(jù)交換與共享。

圖7 軌道車司機(jī)室PC監(jiān)控系統(tǒng)

圖8 Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍

表2 澆注小車澆注頭移動(dòng)試驗(yàn) mm

澆注小車澆注頭移動(dòng)試驗(yàn)誤差分析：

（1）控制死區(qū)影響。為了減少位置調(diào)節(jié)時(shí)間及澆注頭接近設(shè)定距離時(shí)產(chǎn)生的振蕩次數(shù)，PLC控制系統(tǒng)設(shè)置了±5 mm死區(qū)，在死區(qū)內(nèi)認(rèn)為位置偏差為0。

（2）拉繩傳感器精度影響。拉繩傳感器測(cè)量精度為±2 mm。

Wi-Fi信號(hào)干擾情況說明：

（1）增加Wi-Fi中繼器后，Wi-Fi無線通信速率有所降低，且速率降低程度與通信距離成反比關(guān)系，距離超過100 m后，系統(tǒng)方案將不能實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控需求。

（2）2.4 GHz對(duì)講機(jī)非?？拷黈i-Fi模塊天線時(shí)，會(huì)使信號(hào)產(chǎn)生短暫延時(shí)，選取合適的位置安裝Wi-Fi模塊天線，可大大降低對(duì)講機(jī)對(duì)其的干擾。

4 結(jié)束語

聚氨酯固化道床施工設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)采用Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)開關(guān)量、脈沖量和視頻圖像信號(hào)百米范圍內(nèi)的傳輸，采用模塊化設(shè)計(jì)方法降低了各設(shè)備分散作業(yè)的安裝難度，提出了可采集開關(guān)量、脈沖量和視頻圖像信號(hào)的帶Wi-Fi節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)監(jiān)測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)方案，選用PLC控制器，最終實(shí)現(xiàn)了聚氨酯固化道床施工設(shè)備的監(jiān)測(cè)和控制功能，實(shí)現(xiàn)了分散作業(yè)施工設(shè)備間的大容量數(shù)據(jù)交換和協(xié)同工作。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試，系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程監(jiān)控澆注小車和烘干小車上的開關(guān)量、脈沖量和視頻圖像信號(hào)的功能，PLC系統(tǒng)可準(zhǔn)確可靠控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行施工作業(yè)，提高了聚氨酯固化道床的工作效率和施工安全性。

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責(zé)任編輯 高紅義

Research on the Monitoring System of Construction Equipment for Polyurethane Cured Railway Bed

ZHOU Jialiang，GAO Chunlei，WANG Fadeng，HE Guohua
（Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

The monitoring system of construction equipment for polyurethane cured railway bed mainly consists of hardware modules such as PC monitoring system, PLC control system and inspection & monitoring equipment with Wi-Fi node. Those modules exchange data with each other through Wi-Fi. PC monitoring module can monitor the working condition of PLC control system at the bottom layer and data from all inspection & monitoring equipment, thus guiding safe construction of the operators. PLC control system is responsible for controlling the implementation organization reliably. Inspection & monitoring module acquires information relating to switch state, pulse count, image, etc. The system solves the problem of long-distance transmission of large-volume data among the equipment for polyurethane cured railway bed scattered in diferent places. In this way, the system could realize coordination of the equipment, improve efciency and enhance safety of construction.

polyurethane cured railway bed；monitoring system；Wi-Fi；network communication；PLC control

U216.6

：A

：1001-683X（2017）06-0059-05

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.06.059

2016-10-10

中國鐵道科學(xué)研究院科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2015YJ043）

周佳亮（1986—），男，助理研究員，碩士。

E-mail：zhoujialiang40000@126.com