西南交通大学硕士学位论文主要工作

西南交通大学硕士学位论文主要工作(贡献)声明

本人在学位论文中所做的主要工作如下:

(1)基于CC-LINK总线,在保留原UN5-150ZB焊机部分模块和机头的基础上,采用三菱Q 系列PLC和相关的网络模块以及远程模块等研制了移动式闪光焊机控制系统。

(2)在上一届研究生工作的基础上,独立完成了如下工作:

①系统设计了基于总线通讯的控制系统供电系统;

②对控制系统的硬件进行了系统设计,将整个系统分成了两个主要部分:控制柜处控制系统和机头控制系统,并分别设计了印制电路板,从而最大限度的减少了控制柜与机头的连线,并保证了机头操作的安全性。

③通过梯形图和SFC顺序功能图的混合编程,实现了复杂逻辑控制与数值运算,成功地达到了原有移动式闪光焊机所实现的功能。

④通过调试,得出了最佳的参数配置,通过一定的方法处理了常见问题等,对移动式闪光焊机在以后的应用中起到了参考的作用。

本人郑重声明:所呈交的学位论文,是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。

学位论文作者签名:

曰期:

摘要

无缝线路的铺设为我国铁路的高速发展提供了有力保障,而钢轨焊接作为无缝线路铺设过程的关键环节,其作业质量和效率须依靠优质的焊接装备予以保证。闪光焊因其接头质量可靠、焊接效率高等优点,在线路作业中应用广泛。现场焊接中,由于焊机的频繁移动使控制柜与机头之间的控制电缆易于破损,容易出现故障,且维修困难,影响了作业效率。因此进行基于总线的焊机控制系统研制具有很好的工程应用价值。

本文在分析移动式交流闪光焊机结构、连接电缆故障问题以及前人工作的基础上,设计和完善了基于CC-Link现场总线的焊机控制系统,主要包括以下工作:

1)结合钢轨闪光焊的工艺和闪光焊机系统的控制要求,对控制系统的硬件进行了系统设计:系统设计了基于总线通讯的控制系统供电系统;将整个系统分成了两个主要部分:控制柜处控制系统和机头控制系统,从而最大限度的减少了控制柜与机头的连线,并保证了机头操作的安全性;

2)在系统设计的基础上,对设计了控制柜处控制系统和机头控制系统印制电路板,完善闪光焊机控制系统所需要的外部电路,制作了系统硬件平台;

3)根据CC-Link总线协议,设定现场总线通讯参数,并利用SFC语言开发了系统的PLC控制软件,建立了基于CC-Link网络的移动式闪光焊机控制系统。

通过调试表明,基于CC-Link现场总线的控制系统在通讯速率、系统响应等性能方面能满足闪光焊机的控制需求,其应用较大程度的简化了设备的电气布线方式,提高了稳定性,达到了不改变原来闪光焊机工艺参数的基础上进行的闪光焊机的优化的目的。

关键词:钢轨焊接;闪光焊机;PLC; CC-Link总线

目录

第1章绪论 (1)

1.1课题研究的背景及意义: (1)

1.2钢轨闪光焊机的相关技术简介: (2)

1.3 CC-IJNK现场总线技术 (7)

1. 3.1 CC-LINK现场总线概述 (7)

1. 3. 2 CC-LINK现场总线的通信方式 (7)

1.3. 3 CC-LINK现场总线的特点 (8)

1.4课题研究目标及内容 (9)

第2章系统硬件设计 (11)

2.1系统设计要求及方案 (11)

2.1.1设计要求 (11)

2.1.2设计方案 (11)

2.2控制柜处控制系统 (13)

2.2. 1控制柜处控制系统模块的选择 (13)

2.2.2控制柜处的控制系统总体图 (16)

2. 3机头处控制系统 (19)

2. 3.1机头处控制系统模块的选择 (19)

2.3. 2焊机机头处的供电与外围电路 (20)

2.4信号传输系统 (22)

第3章系统软件设计 (25)

3.1 GX-WORKS2 简介 (25)

3.2 CC-LINK网络的建立 (26)

3.2.1主站的参数设置 (26)

3.2.2从站的参数设置 (29)

3. 3 Q系列PLC的参数设置 (30)

3.3.1 I/O地址的分配 (30)

3.3. 2智能模块的参数设置 (30)

3.4 SFC顺控程序的编写 (32)

3.4.1 SFC 简介 (32)

3.4. 2控制系统SFC程序设计 (33)

第4章系统调试 (38)

4.1硬件的测试 (38)

4.1.1电路板的测试 (38)

4.1. 2通信子系统硬件连接测试 (39)

4.2软件调试过程 (40)

4. 3系统的调试 (41)

参考文献 (44)

第1章绪论

1.1课题研究的背景及意义:

随着国民经济的高速发展,铁路运输在国民经济的发展中起着不可忽视的作用,在铁路运输的两个重要发展方向一货运重载、客运高速,都对铁路运输的轨道提出了更高的要求。铁路作为国民经济的大动脉,如何保证铁路运输的高效与安全就是铁路建设中首先要考虑的关键问题,实践证明,只有将钢轨傳接起来的无缝线路,才是彻底解决钢轨接头的稳固与平顺的根本出路,为保证无缝线路中辉接接头的质量,优质高效的焊轨装备必不可少。

钢轨的现场煌接主要有闪光煌、气压辉和绍热揮等挥接方法,由于闪光辉具有接头质量稳定、燥接效率高的特点,在铁路无缝线路建设中应用广泛。目前,钢轨现场傳接中大量采用移动式交流闪光傳机,作业过程中煙机移动频繁,控制柜与燥机机头之间的控制电缆芯数多而长,因机头移动频繁致使控制电缆常常破损,燥机故障率高…。由于控制电缆芯数多,所以维修难度较大,影响了线路的施工进度,基于此问题,贺颂等人基于原系统采用总线方式对控制系统的数字量输入输出进行传输研究,解决了数字量问题,但系统运行速度慢,且模拟量仍未通过总线张志彬等人通过PLC选型等,进行试验研究,解决了通讯速度和模拟量传输问题,他们都做了很好的工作,但前述作者都是针对相应的问题进行了相关试验,未对钢轨闪光揮控制系统进行系统分析与设计,将相关技术应用于移动式钢轨闪光燥机还需解决如下问题:

(1)是设计基于总线的全新控制系统,参考现有的移动式钢轨爆机,通过保留现有UN5-150ZB傳机部分主要部件,对整个控制系统硬件进行全面设计的方式可能会事半功倍。

(2)进行系统设计要解决如下几个主要问题:

①基于总线通讯的控制系统供电问题;

②因设计目的是要尽量减少控制柜于机头之间的电缆的数目,就牵涉到所有部件的布局问题,如何布局才能最大限度的减少了控制柜与机头的连线,并保证了机头操作的安全性。

③控制系统的硬件电路板的设计与制作问题。

④根据实际傳接过程和工艺要求,编制基于CC-LINK现场总线的闪光掉机的软件,结合上述制作的控制系统进行动作和辉接过程调试,将分析得到的数字量、模拟量通过总线传输的实时性参数与实际控制参数进行比较,改进软硬件达到实际控制要求。

⑤通过总线通讯的方式进行揮接工艺试验,研究新控制系统揮接工艺与原系统燥接工艺之间是否存在差异,影响到底有多大。

为此,立题对基于总线的钢轨闪光辉机进行研制。

1.2钢轨闪光择机的相关技术简介:

钢轨闪光傳机主要有固定式闪光煌机和移动式闪光煙机,移动式闪光挥机主要是交流闪光煌机,固定式闪光傳机既有交流闪光揮机又有直流闪光傳机[4]。

其中国内由成都艾格科技公司研制的UN5-150ZB移动式闪光偉机,具有工艺调试周期短、煙机质量好、成本低等优点,弥补了国内大型钢轨爆接设备的空缺,促进了我国高速铁路的快速发展,并且在新线的建设、既有路线与无缝路线的改造中也起着非常重要的作用,为国家节约了大量的外汇。其技术参数如表

1-1所示。

UN5-150ZB型移动式闪光揮机特点:

1)燥接机头采用钢轨轨腰夹钳式结构设计;

2)辉接系统可进行连续闪光辉以及脉冲闪光燒煌接;

3)控制系统釆用可编程序控制器PLC对计算机程序控制,自动化程度高,自动检测及显示爆接过程的位移、电压、电流及油压等参数并自动进行存储;

4)液压系统主要部件釆用进口液压伺服传动,实现闪光速度和顶锻速度的全闭环控制;

5)有监控界面,具有辉接质量评判功能;

6)有较强的抗干扰能力,燥轨工作的进行更加方便、可靠;

7)与国外同类燥机相比,体积小、重量轻,性价比较高。

图1-1 UN5-150ZB闪光媒机实物图

a)-揮机正视图;b)-择机侧视图

UN5-150ZB型移动式闪光辉机的实物图如图1-1所示。

其中固定式辉机主要用于在工厂内揮接,移动式挥机主要用于铺设现场的辉接。UN5-150ZB 型移动式闪光掉机属于移动式燥机,组成包括液压系统、辉接机头、电气控制系统、冷却系统和数据采集系统等五部分,各部分通过控制线/数据线、交流电缆线、冷却水管、液压油管等连接[7]。

其结构如下-

1)淳机机头

闪光燥机通过燥机机头的动作完成钢轨的妈接。接通电源后,机头执行控制指令,进行连续闪光择接,燥接完成后通过推瘤过程切除接头处淳瘤,自动完成钢轨旳闪光辉接。其中燥机

机头结构十分紧凑,如图1-2所示。

图1-2 UN5-150ZB闪光揮机结构示意图

a)-择机正视图;b)-煌机侧视图

由图1-2可知,左右两个夹紧机构都是夹钳式结构,夹紧机构采用液压控制。左夹紧机构称为静夹具,右夹紧机构称为动夹具,其由液压传动装置和中心轴联结在一起,两者互相绝缘。动夹具内部对称安装两台并联的燒接变压器,两台变压器的一对同名端分别接在动夹具的夹甜上,另一对同名端通过两个顶锻杆连接在静夹具的夹钳上。

2)辉机电气控制系统

闪光辉机最重要的部分是电气控制系统,整个接过程都是通过电气控制系统发出指令来进行控制的。电气控制系统主回路如图1-3所示。

电气控制系统主回路采用两组双向晶闹管进行控制,单相电网电压经过自親变压器升压,自稱变压器的高压输出接一组晶闹管,在挥接高压阶段导通,通过控制晶闹管的导通角来调节挥接电压的大小;另一组品闹管接在自稱变压器的低压输出上,在妈接低压阶段导通,同样是通过控制晶间管的导通角来调节燥接电压的大小。

整个控制系统采用计算机作为上位机,PLC为下位机的双CPU控制方式。系统是以PLC 为核心,自动控制整个辉接过程并能够保证煙机的各个机械部件按一定的顺序来完成工作。上位机与PLC通过串口进行通信,在上位机上通过VB编程软件实现如下功能:(1)挥接时界面上实时显示PLC采集的相关过程的油压、位移、电压、电流等参数,直观的实现数据显示;(2)通过下拉菜单选择可以修改、读取PLC中的得接工艺参数,完成参数修改与传送等功能。

综上所述,辉机电气控制系统可分为四部分[8]:

(1)供电系统:为爆机主机提供单相电源;

(2) PLC系统:通过PLC程序控制偉接各个过程,PLC扩展了A/D、D/A

模块,实现模拟量和数字量之间的转换,A/D模块将传感器的模拟信号转换为数字信号传入PLC中进行运算、比较,以判定燥接过程的阶段以及实时采集煙接过程中的各个参数;D/A模块再将PLC输出控制的数字信号转换为模拟信号,控制燥接电压和动立柱的送进与后退。

(3)晶闸管:晶闸管的作用是调节辉接电压并使电压稳定。

(4)计算机:通过与PLC串行通讯,对PLC进行读取和写入数据操作。

3)燥机液压控制系统

辉机送进机构是送进挥件的装置,送进控制由过去的电动凸轮式、手动杜打-式逐渐改进成液压传动式,目前比较先进的是电液比例伺服阀控制。

伺服系统简介:伺服系统又称为随动系统或跟踪系统,是一种自动控制系统。在伺服系统中,执行元件能以一定的精度自动的按照输入信号的变化规律而动作["]。电液伺服阀既是电液转换元件,又是功率放大元件,它将小功率的电信号输入转换为大功率的液压能输出,实现对执行元件的位移、速度、加速度及力的控制。电液伺服阀具有体积小、结构紧凑、功率放大系数高、控制精度高、直线性好、灵敏度高、动态性能好以及响应速度快等优点。

液压系统为挥机提供动力,其关键是对动夹具送进速度的控制,利用电液比例阀精确控制送进速度的大小,电液换向阀则是进行顶锻与推瘤控制。

4)燥机冷却系统

冷却系统的作用是为辉机提供循环冷却水,以冷却挥机在辉接中所产生的热量,避免挥接变压器等重要部件的受热损坏,保证稳定连续的燥接。

由上述闪光挥机电气控制系统的描述,电气控制系统主回路采用两组双向晶闹管进行控制,单相电网电压经过自耦变压器升压,自親变压器的高压输出接一组晶闹管,在燥接高压阶段导通,通过控制晶闹管的导通角来调节辉接电压的大小;另一组晶间管接在自稱变压器的低压输出上,在偉接低压阶段导通,同样通过控制晶闹管的导通角来调节掉接电压的大小。

闪光择各阶段之间的过渡通过时间和位移联合控制的首先在PLC中设定好各个阶段需要的时间和位移值,然而在各阶段中参数设置也不同,主要参数有辉接电压、掉接电流、前进速度、后退速度、位移、带电顶锻时间、带电顶锻电压、顶锻量、顶锻速度、保压压力、油压等参数。不同型号的闪光择机,其工艺参数是不一样的,但基本上都含有上述参数。

焊接过程电压的控制采用程控降压方式,各个阶段电压变化如图1 -4所示["]。

在高压阶段,燥接钢轨处于冷态,两钢轨之间局部接触产生接触点,只有傳机输出功率较大时才能使接触点被剧烈加热溶化并产生爆破,因此采用较高的辉接电压能输出较大的辉接电流,有利于积聚热量并激发闪光。在低压阶段,钢轨端面的温度逐渐升高,热量积聚在钢轨上,液态金属小桥爆破所需的热量减少,维持稳定的闪光所需要的择机输出功率减小,因此采较低的燥接电压即可满足,电压降低后钢轨断面的闪光剧烈程度也相应降低,随着液态金属飞溅带走的热量也减少,能够延长钢轨处于尚温状态的时间,提局加热效率,增大加热区的宽度。在加速烧化阶段为了达到快速闪平并对平整的端面起到保护作用,需要增强闪光,采用较高的挥接电压。顶锻阶段顶锻力较大且快速完成,也需要较大的择接电压才能实现。

1.3 CC-LINK现场总线技术

1.3.1 CC-LINK现场总线概述

现场总线是为了实现工业现场设备之间与外界的信息进行交换而被研发的,它不仅是一种分布式的控制系统又是一个开放式的通信网络,就是将传感器、各种操作终端和控制器间的通讯进行优化的网络。原来这些机器之间的主体配线是ON/OFF、模拟信号和接点信号,通过通讯的数字化,使时间分割、多点化、多重化成为可能,从而实现高可靠化、高性能化、保养简便化及节省配线等。

CC-link是control&communication link的简称,是一种可以同时高速处理控制和信息数据的现场网络系统,可以提供高效、一体化的工厂和过程自动化控制。

CC-Link系统是通过专用的传输电缆和相应的通信模块将分散的特殊功能模块及I/O模块等设备连接起来,并通过CPU来控制和协调这些模块的工作。也可以将各个模块分散到被控制设备上进行连接,使该系统更具有灵活性。该总线已广泛应用于自动化生产线、食品加工生产线、汽车零部件生产线和半导体零件生产线等现场控制领域[14]。

CC-Link系统是由1个或以上主从站组成的,在网络中,主站是三菱FX系列以上的PLC,从站可以是带有CPU的PLC本地站、特殊功能模块、远程I/O模块、人机界面、变频器、各种测量仪表等现场设备,该网络系统通过屏蔽双绞线连接。

1.3.2 CC-LINK现场总线的通信方式

CC-LINK现场总线的底层通讯协议遵循RS485,通信方式主要有瞬时传送通信和循环通信方式。

(1)循环通信方式即广播一轮询的方式进行通讯。具体的方式是:主站将刷新数据(RY/RWw)发送到所有从站,与此同时轮询从站1;从站1对主站的轮询作出响应(RX/RWr ),同时将该响应告知其它从站;然后主站轮询从站2(此时并不发送刷新数据),从站2给出响应,并将该响应告知其它从站;依此类推,循环往复,该方式的数据传输率非常高。

CC-LINK系统通过链接元件来完成与模拟量模块、远程I/O、变频器、人机界面等设备产品之间高速的通信"5〕。CC-Link的链接元件有远程输入(RX)、远程输出(RY)、远程寄存器(RWw)和远程寄存器(RWr)四种,如表1-2所示。

表1-2链接元件一览

(2)瞬时传送通信,在CC-Link中,除了自动刷新的循环通信之外,还可以使用不定期收发信息的瞬时传送通信方式瞬时传送通信可以由主站、本地站、智能设备站发起。

1.3.3 CC-LINK现场总线的特点

CC-LINK现场总线有如下的一些特点:

(1)通信速度快,CC-Link达到的通信速度是10Mbps,这样高的通信速度可一保证需要高速响应的输入以及智能化设备之间的容量很大数据的通信,通过表1-3可以选择系统最合适的通信速度。

表1-3 CC-Link通信速度和距离的关系

(2)高速链接扫描,在没有远程设备站,只有远程I/O站和主站的控制系统中,通过设定为远程I/O网络模式,可以大大缩短链接扫描的时间。

表1-4为全部为远程I/O站的系统所使用的远程I/O网络模式和有各种站类型的系统所使用的远程网络模式(普通模式)的链接扫描时间的比较"8][^。

表1-4链接扫描时间的比较(通信速度为10Mbps时)

(3)备用主站功能,当具有备用主站时,如果主站发生了异常,备用主站就会接替主站工作,使网络的数据链接能够不间断的进行。而且在备用主站运行过程中,原先的主站如果恢复正常时,则恢复的主战会作为备用主站回到数据链路中,在这种情况下,如果在运行中的主站又发生异常时,则备用主站再将接替现在主站继续进行数据链接。

(4) CC-Link自动起动功能在没有远程设备站的控制系统中,不用设定网络参数,在接通电源时,也可以自动开始进行数据链接,缺省参数是64个远程I/O站。

(5)远程设备站具有初始设定的功能,利用软件,不需要编写顺序控制程序,就可完成设定初始化的参数以及完成初始化远程设备站。

(6)中断程序的起动,中断程序的起动就是事件中断,当从网络上接收到数据,达到设定的条件时,就可以起动CPU模块的中断程序,中断程序的起动条件,最多可以设定到16个。因此,符合具有更高速处理要求的系统。

(7 )远程操作,通过连接在CC-Link中的一个PLC站上的GX Developer软件可以对网络中的其它PLC进行远程编程,也可通过专门的外围设备连接模块(作为一个智能设备站)来完成编程。

1.4课题研究目标及内容

1、研究目标

论文针对移动式闪光燥机故障率相对高和维修困难等问题,根据前人提出的釆用基于CC-LINK现场总线的PLC控制系统,使课题达到以下目标:通过控制系统的整体结构设计与制作,进行硬件调试和软件调试,分析并解决出现的一些问题,完善系统,分析燥接工艺,为该种辉机应用于现场打下坚实基础。

2、研究内容

1)对傳机控制系统进行系统分析,保留原UN5-150ZB辉机的部分部件,利用CC-LINK总线完成整个控制系统的硬件结构设计,主要包括如下工作:系统供电、控制系统各功能模块的划分与接口设计、控制系统各功能模块印制电路板的设计、控制系统整体布局设计;

2)按设计进行控制系统的制作:印制电路板的制作组装、整个控制系统的接口组建、建立CC-LINK现场总线的相关的设置以及CC-LINK主从站模块的配线;

3)在硬件设计制作的基础上,编制控制系统软件,并进行软件调试,包括控制系统I/O地的

分配,pic梯形图的程序设计等;

4)软硬件联合调试及工艺调试与分析。