鋼軌閃光焊遠程監(jiān)控管理與故障診斷系統(tǒng)

汪 戎，張 曦，呂其兵

（西南交通大學(xué) 焊接研究所，四川 成都 610031）

0 前言

鐵路線路是鐵路運輸行車的基礎(chǔ)，隨著貨運重載化、客運高速化的不斷發(fā)展，對無縫線路及跨區(qū)間無縫線路建設(shè)的需求越來越大，鋼軌閃光焊因其生產(chǎn)效率高，焊接接頭綜合機械性能與母材相當(dāng)，焊接接頭的質(zhì)量穩(wěn)定性是所有鋼軌焊接方法中最好的，因此無縫線路建設(shè)中鋼軌接頭的焊接90%以上采用閃光焊，而對于現(xiàn)場鋼軌閃光焊裝備的監(jiān)控管理和故障處理，目前系統(tǒng)存在較多問題，主要問題及原因如下：（1）一個無縫線路建設(shè)的工程單位，往往有幾臺甚至十幾臺現(xiàn)場閃光焊設(shè)備，且設(shè)備分布廣，而現(xiàn)有的閃光焊機監(jiān)控管理系統(tǒng)只能用于單臺焊機，難以實現(xiàn)對多臺焊機焊接數(shù)據(jù)的集中管理與分析。（2）每臺焊機有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，要求焊接操作人員定期進行數(shù)據(jù)備份，一旦人工數(shù)據(jù)備份未定期執(zhí)行，焊接接頭數(shù)據(jù)容易遺失，使得焊接接頭質(zhì)量的可追溯性很低。（3）由于焊接設(shè)備復(fù)雜，施工位置都遠離城市，現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜多變，并且設(shè)備出現(xiàn)故障時廠家人員不能及時趕到，現(xiàn)場操作人員的維修水平又不夠，很難及時處理故障，不僅會影響生產(chǎn)進度，還會增加生產(chǎn)企業(yè)負擔(dān)。（4）鋼軌閃光焊裝備智能化發(fā)展離不開對大量鋼軌焊接參數(shù)的分析，而目前該方面的工作差距較大?；谏鲜鲈?，立題對鋼軌閃光焊遠程監(jiān)控管理與故障診斷系統(tǒng)進行研究。

1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊架構(gòu)

基于現(xiàn)有的UN5-150ZB1現(xiàn)場鋼軌閃光焊機進行遠程監(jiān)控管理與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計，該種焊機的現(xiàn)場控制計算機上帶有鋼軌閃光焊質(zhì)量在線監(jiān)控與管理系統(tǒng)，將文獻[1]所述的現(xiàn)場監(jiān)控計算機軟件基于Visual Studio 2010進行升級改造，完善現(xiàn)場監(jiān)控計算機軟件，并采用C/S結(jié)構(gòu)建立的遠程通訊網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.1 中心服務(wù)器與現(xiàn)場監(jiān)控計算機的通訊

對于遠程監(jiān)控管理系統(tǒng)，適合的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有C/S結(jié)構(gòu)和B/S結(jié)構(gòu)兩種。C/S結(jié)構(gòu)具有以下一些特點：與用戶的交互性較好，可以為用戶定制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能，能夠滿足不同使用者的需求；采用雙層結(jié)構(gòu)，客戶端與服務(wù)器相連，通信量較小，系統(tǒng)的響應(yīng)速度快；操作數(shù)據(jù)與處理事務(wù)的能力較強，可滿足本系統(tǒng)所需的大量數(shù)據(jù)運算工作；因客戶端承擔(dān)了一部分事務(wù)處理與數(shù)據(jù)操作功能，減輕了服務(wù)器的工作負擔(dān)，大大降低服務(wù)器崩潰的可能性，系統(tǒng)的安全性、抗風(fēng)險能力更強，因此本系統(tǒng)采用基于C/S結(jié)構(gòu)的遠程監(jiān)控模式設(shè)計[2-3]。鐵路焊接的施工區(qū)域一般處在人煙稀少的野外，所以閃光焊設(shè)備的分布隨機多變，因此現(xiàn)場焊機的數(shù)據(jù)使用無線傳輸更方便，而現(xiàn)階段能夠在全國絕大部分地區(qū)實現(xiàn)信息的無線傳輸，且運行成本相對比較適宜的通信網(wǎng)絡(luò)只有 GPRS通信網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場工控機與中心服務(wù)器的組網(wǎng)方式采用中心服務(wù)器端在公用網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)建本地專用網(wǎng)絡(luò)（即局域網(wǎng)），工控機端GPRS DTU模塊通過虛擬專用網(wǎng)絡(luò)（VPN專線）連入中心服務(wù)器端所構(gòu)建的局域網(wǎng)，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)遠程通信網(wǎng)絡(luò)示意

在VB中有專門用來進行TCP/IP傳輸?shù)腤inSock控件，利用該控件可以連接遠程計算機并進行數(shù)據(jù)交換。Winsock控件通過GPRS網(wǎng)絡(luò)進行客戶端與服務(wù)器的通訊，流程如圖3所示。

圖3 客戶端與服務(wù)器通訊流程

1.2 現(xiàn)場監(jiān)控計算機與PLC的通訊

系統(tǒng)使用的PLC型號為三菱FX 3U系列PLC。三菱公司開發(fā)設(shè)計了一種所有三菱PLC都適用的MX Component通信組件，MX Component允許開發(fā)人員方便地創(chuàng)建一個系統(tǒng)，無需了解像串口通訊協(xié)議那樣復(fù)雜的協(xié)議。這樣開發(fā)人員可以很方便地搜集現(xiàn)場數(shù)據(jù)和開發(fā)高級應(yīng)用程序，大大提高開發(fā)效率。使用適合與三菱FX系列PLC進行CPU COM通訊的控件 MITSUBISHI Act FXCPU Control控件[4]，此控件常用函數(shù)與功能如表1所示。

表1 ACT控件常用函數(shù)及功能

2 監(jiān)控管理與故障診斷系統(tǒng)

現(xiàn)場監(jiān)控計算機與中心服務(wù)器的功能分塊如圖4所示。

2.1 監(jiān)控管理系統(tǒng)

現(xiàn)場計算機監(jiān)控系統(tǒng)的功能：采集閃光焊遠程監(jiān)控系統(tǒng)所需的各個工藝參數(shù)、設(shè)備運行狀態(tài)等信息，并將其整合、處理后發(fā)送至中心服務(wù)器。本系統(tǒng)在原UN5-150ZB1焊機監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，將每個焊接接頭的數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫中提取出來，與焊接接頭型號、焊接工藝參數(shù)等信息，使用DES算法加密后一同以字符串的形式通過Winsock控件發(fā)送服務(wù)器。

服務(wù)器端的遠程監(jiān)控管理系統(tǒng)的功能為：（1）接收現(xiàn)場監(jiān)控計算機發(fā)送來的各種數(shù)據(jù)信息，將其整理后分類存儲于相應(yīng)數(shù)據(jù)庫中。（2）讀取數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中的相關(guān)數(shù)據(jù)，處理、分析閃光焊過程數(shù)據(jù)，繪制閃光焊焊接過程中主要參數(shù)的變化趨勢圖等。服務(wù)器收到現(xiàn)場監(jiān)控計算機發(fā)來的數(shù)據(jù)信息后，首先對數(shù)據(jù)進行解密，然后將解密后的信息分類存儲于服務(wù)器端SQL Server數(shù)據(jù)庫中。實現(xiàn)了焊接接頭數(shù)據(jù)的備份，為將來接頭質(zhì)量的追溯與鋼軌閃光焊裝備智能化發(fā)展做好準(zhǔn)備。利用VB.NET中的Chart控件將焊接過程數(shù)據(jù)文件中的電壓、電流、位移油壓等物理參數(shù)繪制成曲線圖，方便分析。使用VB.NET自帶的Report Viewer控件生成焊接信息報表，實現(xiàn)焊接質(zhì)量的監(jiān)控管理與追溯。服務(wù)器端可以接收來自不同地理位置的多個焊機發(fā)送來的信息，現(xiàn)場端與服務(wù)器界面分別如圖5和圖6所示。如當(dāng)現(xiàn)場焊機HJ002與服務(wù)器正在進行數(shù)據(jù)傳輸時，服務(wù)器端HJ002的連接狀態(tài)由紅色變?yōu)榫G色。

圖4 現(xiàn)場工控機與中心服務(wù)器的功能分塊

圖5 現(xiàn)場監(jiān)控管理系統(tǒng)現(xiàn)場端界面

2.2 故障診斷系統(tǒng)

圖6 服務(wù)器端監(jiān)控管理系統(tǒng)服務(wù)器界面

現(xiàn)場計算機故障診斷系統(tǒng)的功能包括：（1）對簡單的焊機故障進行本地診斷；（2）通過實時監(jiān)控PLC中常用軟元件狀態(tài)實現(xiàn)故障診斷；（3）把復(fù)雜的焊機故障信息發(fā)往服務(wù)器，接收服務(wù)器發(fā)來的故障解決方法、管理指令、設(shè)備操作指令等命令信息，經(jīng)解析后下發(fā)至閃光焊運行控制系統(tǒng)PLC中，完成設(shè)備的運行控制、狀態(tài)檢測以及閃光焊過程信息整理等操作，并將需要的信息返回至中心服務(wù)器。

服務(wù)器故障診斷系統(tǒng)功能包括：（1）接收現(xiàn)場計算機發(fā)送來的故障信息；（2）對于可直接根據(jù)現(xiàn)場發(fā)送故障信息判斷的故障向現(xiàn)場發(fā)送閃光焊機故障解決方法；（3）對于不能直接判斷的故障，向現(xiàn)場設(shè)備發(fā)送運行控制、狀態(tài)檢測以及閃光焊過程信息整理等操作指令，實現(xiàn)設(shè)備的遠程控制，并接收命令返回信息進行故障診斷，診斷后向現(xiàn)場發(fā)送閃光焊機故障解決方法；（4）保存遠程故障診斷記錄，為鋼軌閃光焊裝備智能化發(fā)展做準(zhǔn)備。

在總結(jié)統(tǒng)計分析現(xiàn)場故障現(xiàn)象及原因的基礎(chǔ)上，部分故障、故障原因及解決方法如表2所示。

如焊接中發(fā)現(xiàn)頂鍛焊瘤小時，首先獲取頂鍛量和頂鍛壓力，若頂鍛量大于某值而頂鍛壓力小于某一值，則為打滑；若頂鍛量小于某值且頂鍛壓力小于某一值則是由于油壓壓力過低；若頂鍛量小于某值且頂鍛壓力大于某一值則是由于鋼軌焊接加熱不足；如焊機機頭全無動作，則可能是因為控制機頭動作的信號或線路不通暢，可通過檢測PLC中控制機頭動作的軟元件狀態(tài)來判斷控制信號或線路的具體情況。

表2 部分故障及解決方法

故障診斷系統(tǒng)運行時現(xiàn)場端與服務(wù)器端界面分別如圖7和圖8所示。

圖7 故障診斷系統(tǒng)現(xiàn)場端界面

3 結(jié)論

圖8 故障診斷系統(tǒng)服務(wù)器端界面

鋼軌閃光焊遠程監(jiān)控管理與故障診斷系統(tǒng)實現(xiàn)了對多臺焊機焊接數(shù)據(jù)的集中管理備份，為今后接頭質(zhì)量的追溯與鋼軌閃光焊裝備智能化發(fā)展做準(zhǔn)備；充分利用異地專家學(xué)者資源，不受距離和時間限制及時對焊接設(shè)備進行故障診斷，縮短因設(shè)備故障造成的停機時間，降低設(shè)備維修費用，提高用戶的生產(chǎn)效益；焊接設(shè)備制造企業(yè)可以對用戶設(shè)備進行及時有效的診斷和恢復(fù)，提高售后服務(wù)效率，降低售后服務(wù)成本，提高企業(yè)聲譽。

[1]呂其兵，呂振玉，譚克利，等.基于VB6.0的鋼軌閃光焊質(zhì)量在線監(jiān)控與管理[J].鐵道建筑，2005（08）：61-63.

[2]劉燁.C/S模式與B/S模式的對比分析[J].科技信息（學(xué)術(shù)研究），2007（30）：221+223.

[3]李忠，李克福.對幾種常見網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的分析比較[J].濰坊高等專科學(xué)校學(xué)報，2000（04）：31-34.

[4]馬磊.MX Component在PC與三菱PLC的通訊中的應(yīng)用[J].信息技術(shù)與信息化，2016（05）：82-84.