（车辆工程专业论文）铁路货车轮对检修工序控制系统.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 论文分析了目前我国铁路货车轮对检修的现状和存在的问题，提出了利用 先进的计算机网络管理技术及架构( c s ) 实现轮对检修工序的自动控制和信 息管理，同时实现轮对卡片等报表自动生成的构想，通过对车辆轮对检修工艺 线的信息化改造，完成了轮对检修生产过程由人工控制向自动控制的转变，同 时实现了系统的信息化管理。 轮对检修是铁路货车检修工作中最关键的环节之一，其质量的好坏直接影 响着列车的运行安全和品质，其检修工序过程控制和信息技术管理也是整个车 辆检修技术管理中的重点。而目前大多数车辆段的轮对检修工艺线都存在着控 制方式陈旧、检修数据无法自动采集和分析的问题，已经不能满足新形势下车 辆段高效、安全生产的需要。因此，研究车辆轮对检修工序控制系统的实现方 案具有较强的现实意义。 本文介绍的货车轮对检修工序控制系统实现方案采用分层分布式结构，以 检修信息采集终端、轮对计数器等构成系统的底层控制站，完成轮对检修过程 的数据采集和过程控制；以p c l 0 4 构成系统的中间操作站，完成数据通讯、人 机界面操作和整条轮对检修线的管理；以p c 机构成生产车间的服务器，完成各 种检修数据的信息化管理以及报表打印等功能。楚个系统构成扩展性好，可靠 性高，具有较强的通用性和工程推广性。 目前该套方案已在襄樊北车辆段轮对检修工艺线上试运行，各项功能和性 能指标均达到了设计要求，工作稳定可靠，系统维护方便，在实际操作中减轻 了检修人员的劳动强度，提高了工作效率，减少了漏检漏修等出错的概率，获 得了良好的效果。 关键词：轮对；工序；控制；系统 西南交通大学硕士研究生学位论文 第| | 页 a b s t r a c t t h em e s i sa 1 1 a l y s e st h ea c 删时a n dp m b l e m so ft l l ew h e e l s r c p a i ro fr a i l 啪y l o r r ya tt h ep r e s e mt i m ei 1 1o l l rc o 明t 珥w bb r i n gf o r w a r dm ep o i n tt l l a tu s i i 培b o t h n l ea d v a n c e dc o m p u t e rn e t w o r km a n a g 咄n tt e d m o l o g ya n dc s 栅n 】r et or e a l i z e t t l ea u 幻m a t i cc o n t r o la 1 1 dt h ei b m l a t i o n sm a n a g e m e mo f 恤ew h e e l s r e p a j r w o 凼n gp r o c e d u r e ，a n d h j e v e sm er e p o ns u c h 船、柚e e l s c a r da u t o m a t i c a j ly t h m u g h 山ei n f o m a t i o na l t e r a t i o no ft l l ew h e e l sr e p a i rl i l l e ，“谢ua c c o m p l i s h 虹l e 协m s f o 珊a t i o nf 幻mm a n u a lw o r kt oa u t o m a t i cc o n t m l ，a n da l s or e a l i z et l l es y s t e m s i n f b n n a t i o nm a n a 窟e m e n t w h e e l sr e p a i ri so n eo ft h cm o s ti m p o r t a n tw o r k so ft h er a i l w a yl o r r y sr e p a i r ， i t sq u a l 时r i g h ti n f l u e n c e sm es a f h ya n dc h 缸a c t e ro ft l l et r a i n b d t hi t sr e p a i r 、o r k i n gp r o c e d u r ec o n t r 0 1a l l di l l f o 瑚a t i o nm a l l a g e h l e 】毗a r em ee m p h a s e so ft h e w 血o l ev e h i c l e s r e p a i rt e c l l i l o l o g ym a n a g 锄e n t b u tn o wmm o s tv c h i c l ed e p o t s ，i t h a sm a r l yp r o b l e m ss u c ha sd a t e dc o n n d lm o d e s ，d a t am a n u a lc o l l e c t i o n 趴dp o o r m 趾a g e l i l e n tw l l i c hc a nn o tm e e tm er e q i l e s to f l l i g he 丘i c i e n ta n ds a f ep r o d u c t i on s o i th a sg r e a tp r a c t i c a lm e a i l i r l gt 0s t u d ya n dd e s i g nap 喇e c to nm ec o n 们ls y s t e m r e a l i z a t i o no f 也ew h e e l s r e p a i rw o t 虹n gp r o c e d u r e t h ep r o j e c ta d o 口t sd i 觚b u l i c ds y s t e m t h eb o t t o mc o n t r o ls t a t i o ni sc o m p o s e d o fr e p a i rd a t ac o l l e c t i o nt c r r n i n a l ，w h e e l sc o u n t e r e t c w t l i c hc a na c c o m p l i s hd a t a c o l l e c t i o na r l dp r o c e s sc o n t r o l _ t h em i d d l eo p e r a t es t a t i o ni sc o m p o s e do fp c i 0 4 w h i c hc a na c c o m d l i s hd a t ac o m m u i l i c a t i o n m 卸* m a c h i n ec o n v e r s a t i o na n d m a i l a g c m e n to fm e 、：h 0 1 ew h e e l s r c p a i rl i n e t h ed a t a - b a s es e r v c ru s e di nw o r k s h 0 口 i sc o m p o s e do fap cw l l i c hc a nr e a l i 西et l l ei 州白r m a t i o nm 锄a g e m e n to fd i v e r s i f i e d d a 魄p r i n t m gr 印o r t ，e t c c h a r a c t e r i z e d 、 ，j mn e x i b l es t m c t u r ee x p a n d i n ga n dh i 曲 r d i a b i l i t y ，也es y s t e mc o n t a i n se x c e l l e n tp r o p e r t yi na 】n e n tu s ea n dp o p u l a r i 础o n t h es y s t e mi sb e i n gu s e di 1 1 l ew h e e l s r e p a i ri i n co fx i a n g 觚b e iv e 王1 i c l ed e p o t t h ef h n c t i o na n dc a p a b i l i t yo ft l l es y s t e ma r ea c c o r dw i mt h e1 0 c a t er e q u e s t t h e s y s t e n ln o to n l yw o r k ss t e a d i l ya n dr e l i a b l y ，b u ta l s om a i l l t a i n se a s i ly i t1 i 翊1 t e n s w o r k e r s w o r k l o a d ，e r l h a n c e s 、v o r ke 饪i c i e n c y r e d u c e sm ei i l i s t a k e s 口r o b a b i l i t yo f e x 啦i n ea n dr e p a i rl e a l ( ，a i l do b t a i n sw e ue f f e c t si np 】r a c d c en o w k e y w o r d s ：w h e e l ；w o r k i n gp r o c e d u r e ；c o n t r o l ；s y s t e m 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 1 1 研究课题的学术背景 铁路是国家重要的基础设施、国民经济的大动脉，具有不可替代的特殊 地位和重要作用。为适应全面建设小康社会的要求，从根本上解决目前铁路 运输能力与国民经济不适应的矛盾，铁道部党组提出了铁路跨越式发展的思 路，即以较短的时间、较少的环节和较少的代价，实现与发达国家原来走过 的发展历程相同的目标，以直接跳过发达国家曾经经历过而我们不需要再重 复的一些过程，通过充分运用人类共同创造的文明成果，形成后发优势，最 终赶上发达国家。其基本内涵指运输能力的快速扩充和技术装备水平的快速 提高。 加快实现铁路信息化是顺应时代和社会发展的潮流，推进中国铁路跨越 式发展中的重要任务。以微电子、光电子、计算机、网络通讯和软件技术为 代表的信息技术在铁路企业的广泛运用，将大大提升铁路的综合竞争实力， 为实现铁路跨越式发展插上腾飞的翅膀“。铁路车辆信息化是铁路信息化的 重要组成部分，是保障车辆运行安全、提高生产效率和管理水平的重要手段， 使车辆生产力布局调整、修制改革、装备现代化的重要技术支撑。 目前交通运输的竞争日趋激烈，在铁路全面实施提速的新形势下，将对 车辆的维修提出越来越高的要求。由于科学技术的发 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 提速，并将继续提速，人们感受到了提速带来的方便和快捷。与此同时，提 速也对列车的安全运行提出了更高的目标，因此也对客货车辆的检修提出的 更高的要求。铁道车辆走行部分的轮对是保证列车安全运行的关键部件，同 时也是列车安全运行的关键所在，在车辆的各种定期检修中，轮对的检修就 显得格外重要。车辆轮对在运行一定的时间后会产生擦伤、剥离、龟裂、磨 损和裂纹等缺陷，如果发现不及时，会造成轮轴断裂、车辆脱轨等恶性行车 事故，尤其是随着列车速度的提高，这类隐患的危险性更大。为保证行车安 全。必须及时对其进行修复或更换。做好轮对检修过程控制及质量信息管理 工作，对提高轮对运用安全性、保证铁路运输安全正点以及降低企业生产成 本、提高经济效益具有重要意义。 轮对检修工作的特点是技术含量高，工序划分细、数量多，工作者的责 任大，检修过程中需要填写和统计的表单多。目前国内的铁路货车轮对检修 工艺线在当初设计时主要考虑的工艺流程和工装设备的合理布局，轮对在检 修工艺线上主要靠标识进行人工识别，难免会出现差错，有时甚至出现漏检 漏修的现象。每天的工作量统计和检修记录基本上是靠人工完成的，操作人 员的工作量非常大，有些报表统计工作甚至不能按时完成并且时常会出现填 写错误。另外，在基础数据采集方面，由于轮对检修线上的各类检测、故障 诊断及加修设备的软硬件系统各成体系，其控制计算机都是单机运行，不能 集成在一个统一的软件环境下，而很多基础数据就是这些数控设备产生的， 因此这些数据还不能实时产生，需要手工输入，增加了数据出错的机会。在 工序的控制方面，因为整个生产检 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 发展的趋势，对车辆轮对检修工序过程的信息化改造，可实现由人控向机控 的转变，实现由传统管理向现代化管理的转变。因此，本文的研究对铁路企 业向现代化过渡具有很大的现实指导意义。 1 3 国内外文献综述 轮对检修是车辆检修工作中最关键的环节，其检修工序过程控制和信息 技术管理也是整个车辆检修技术管理中的重点，借助计算机网络可以更方便、 高效率、高质量的完成检修工作。进入9 0 年代后，尤其是在建设车辆十条检 修基础工艺线的过程中，全国多个车辆段以计算机辅助车辆轮对检修信息系 统为核心，积极推进轮对检修生产线的建设。 沈阳铁路局通辽车辆段2 0 0 1 年开发并应用了货车轮轴检修信息管理系 统。该系统主要完成轮对检修的技术统计管理工作，主要做法是由人工将现 场检修的数据录入到系统中实现种类繁多的表单和报表的自动生成，但在基 础数据的采集方面还没有实现实时产生、自动录入的功能，在工序的过程控 制方面也没有向自动化方向过渡”。 广州车轮厂1 9 9 9 年研究并建成了轮轴检修质量信息控制系统。该系统利 用计算机网络实时采集、判别、传递数据的方式完成了轮轴检修质量信息的 正确采集、传递以及准确、快速的安全事故查询。该系统通过设置工作站点 及时、准确采集轮对检修质量信息。它的缺点是每个工作站点需要有人具体 操作，因此在检修工序过程控制自动化的实现方面还有所欠缺”。 郑州铁路局郑州车辆段2 0 0 1 年开发并应用了轮轴检修信息系统，该系统 能够很好的按照生产现场要求完成轮对检修信息管理，确定了3 个重要的数 据采集点采集数据，完成了3 张基础数据表的自动生成”。 从文献资料上看，目前国内的铁路货车轮对检修信息化问题研究主要集 中在轮对检修数据的自动化管理、处理问题上，对轮对检修工序过程控制自 动化问 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 课题题目：车辆轮对检修工序控制系统的研究与实现 课题来源：襄樊铁路分局襄樊北车辆段 1 4 2 主要研究内容 对于整个轮对检修线，我们首先要将其使用的设备( 包括非p c 设备) 集中在一个统一的网络环境下，这是实现轮对检修工序控制系统的前提。在 满足该前提的条件下，通过设计相应的硬、软件来实现工序的过程控制。 本论文的主要研究内容为： 1 、设计适合轮对检修线的信息化体系； 2 、对所有在线生产设备进行网络化管理； 3 、在检修线上相应的位置设计、设置控制终端对轮对的在线状态进行跟 踪、识别、显示和控制，实现工序间的过程控制； 4 、在主要工序关口设置工作站点完成轮对检修信息的实时采集； 5 、开发一套适用于襄樊北车辆段管理体制和工作流程的轮对检修信息管 理软件。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章总体方案设计 2 1货车轮对检修线的工艺布局及工序流程 因j 序控制系统的建立必须符合生产现场的实际情况，所以本论文的研 究是建立在襄樊北车辆段轮对检修工艺线的基础上的。该车辆段现有的轮对 检修工艺线的工艺布局及工序流程如图2 - 1 所示。 图2 1 襄樊北车辆段轮对检修线的工艺布局及工序流程 图2 一l 襄樊北车辆段轮对检修线的工艺布局及工序流程 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 2 1信息化体系结构的确定 上一节对轮对检修线的工艺流程和各工序的工作内容进行了分析，下面 将以此为依据，介绍实现轮对检修工序控制系统的基本结构。 首先了解一下有哪些网络拓扑结构。 拓扑结构是数学上的概念，现在已广泛地应用到信息网络等领域当中。 网络拓扑结构是指用传输媒体互连各种设备的物理布局。将参与局域网工作 的各种设备用媒体互连在一起有多种方法，但实际经常使用的方式主要有星 型拓扑结构、环型拓扑结构和总线拓扑结构三种模式“。 l 、星型结构。它是最古老的一种连接模式，我们每天都使用的电话就属 于这种结构。它是由控制中心和与之相连的端用户组成，呈星型状布局。如 图2 2 所示： 图2 2 星型结构简图 这种结构便于集中控制，因为端用户之间的联系和通信必须经过中心站。 由于这一特点，也带来了易于维护和安全等优点。端用户设备因为故障而停 机时也不会影响其他端用户间的联系和通信。但这种结构最不利的一点是中 心系统必须具有极高的可靠性，因为中心系统一旦损坏，整个系统便趋于瘫 痪。该结构建设及维护费用高，对维护人员要求也很高，不适合轮对检修工 序控制系统的选用。 2 、环型结构。它是传输媒体从一个端用户到另一个端用户，直到将所有 端用户连成环型的一种结构模式。如图2 3 所示： a 图2 3 环型结构简图 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 这种结构的最大的优越性是消除了端用户通信对中心系统的依赖性。环 型结构的特点是每个端用户都与两个相临的端用户相连，因而存在着点到点 的链路，但总是以单向方式操作。其不利点是它们的联系是上下端点的联系， 如要和其它端点联系，则需要相临端点的联系和互动。这对有很多工序关口 ( 端点) 的轮对检修线来说非常繁琐，也不适合选用。 3 、总线结构。它是使用同一媒体或电缆连接所有端用户的一种模式，也 就是说，连接端用户的物理媒体由所有设备共享。如图2 4 所示： 图2 4 总线结构简图 这种结构具有费用低、数据端用户入网灵活、站点或某个端用户失效后 不影响其他站点或端用户通信的优点。缺点是一次仅能一个端用户发送数据， 其他端用户必须等待到发送权，才能发送信息。尽管有上述缺点，但由于布 线要求简单，扩充容易，端用户失效、增删不影响全网工作，所以它是目前 信息化网络建设中使用较普遍的一种。 比较了三种拓扑结构后，决定选用总线型的网络拓扑结构。 车辆轮对检修工序控制系统是由轮对检修控制终端和数据库服务器两大 部分及其之间的通讯系统的设计与实施来实现的。其中有些轮对检修控制终 端直接由p c 机组成；有些控制终端则由工控机和一些检测、显示等设备构 成，它们之间采用r s 一2 3 2 串口通讯。整个体系的拓扑结构如图2 5 所示。 图2 5 拓扑结构图 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 网络中所有单元称为站( s n 玎i o n ) ，各站通过硬件接口直接连接到网 络总线上，以完成数据的传送和资源共享。采用总线结构的局域网络具有结 构简单、扩展性好、可靠性高等优点。网络上的某一结点发生故障不会影响 整个网络的工作。 2 2 2 具体实施方案 如何应用上述体系结构实现轮对检修的工序控制呢? 系统信息化的实现包括信息处理自动化和过程控制自动化两大部分。在 上述体系结构中，信息处理自动化的实现建立在及时准确的采集轮对检修质 量信息的基础上；而过程控制自动化的实现建立在对轮对的运行状态进行连 续、快速、准确的判断处理的基础上”1 。 基于上述理论，设计轮对检修工序控制系统的具体实施方案如下( 图 2 6 ) ： 收入尺寸轴承口 口 。检查测量检测。磁探超探复探o l 镟轮 i 退卸磁探超探复探口 o镟轮 镟轮 出轮臼配轮 磨台 压装 9 口送厂线 o 出轮口配轮o 数据采集终端。轮对计数器口l e d 显示屏 图2 6 系统信息化具体实旅方案图 为了能及时准确的采集轮对检修质量及生产进度等信息，以供管理部门 统计分析找出存在问题、及时采取纠正措施并生成技术资料加以保存，工作 站点的设置最为关键。我们应在主要工序关口设置工作站点完成轮对检修的 信息采集，根据检修线的工艺流程及需要采集信息量的多少，设置以下1 6 个工作站点，分别负责如下任务： l 、轮对收入检查工作站：由检修人员为轮对贴上特制的可反复使用的条 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 形码牌，同时在站点计算机上输入该轮对的“收入基本情况”栏目内容并根 据轴承标志板的内容确定轮对修程； 2 、外观尺寸自动测量工作站：负责获取自动测量设备的输出结果并自动 填写车统一5 1 c 轮对卡片的相应部分内容并输入一些确认数据和本人身份数 据； 3 、轴承故障诊断工作站：安装控制终端( p c l 0 4 + 采集板) 负责采集诊 断设备的输出结果并自动填写车统一5 1 c 轮对卡片的相应部分，决定是否需 要退卸并输入一些确认数据和本人身份数据； 4 、轴承退卸工作站：安装控制终端( p c i 0 4 ) 负责输入一些确认数据和 本人身份数据； 5 、车轴电磁探伤工作站( 2 个采集点) ：安装控制终端( p c i 0 4 + 采集板) 负责采集探伤设备的输出结果并自动填写车统一5 1 c 轮对卡片的相应部分及 5 2 a 5 3 a 表并输入一些确认数据和本人身份数据； 6 、车轴超声波探伤工作站( 2 个采集点) ：安装控制终端( p c i 0 4 + 采集 板) 负责采集微控超探设备的输出结果并自动填写车统一5 l c 轮对卡片的相 应部分及5 2 a 5 3 a 表并输入一些确认数据和本人身份数据； 7 、复探工作站( 2 个采集点) ：安装控制终端( p c l 0 4 + 采集板) 负责采 集多通道探伤设备的输出结果并输入一些确认数据和本人身份数据； 8 、车轮踏面镟修工作站( 3 个采集点) ：安装控制终端( p c l 0 4 ) 负责输 入轮对镟修数据和本人身份数据； 9 、轴承压装工作站：负责获取轴承压装设备的输出结果并自动填写车统 一5 l c 轮对卡片的相应部分并输入一些确认数据和本人身份数据； l o 、磨合试验工作站：负责获取试验设备的输出结果并自动填写车统一 5 1 c 轮对卡片的相应部分并输入一些确认数据和本人身份数据； 1 1 、轮对选配工作站：在计算机上显示台位配轮信息并由质检员确认后 打出车统一5 1 c 轮对卡片表格。 为了实现轮对检修的过程控制自动化，需要在检修线的关键位置安装一 种能监控轮对运行状态的设备，为此，需设计了一种轮对计数器，能够判断 轮对的流向、个数，为实现检修线的过程控制奠定了基础。这点将在第三章 详细介绍。 另外，在轮对检修线有分线的关口设置动态显示终端( p c i 0 4 + 动态l e d 显示屏) ，显示动态的检修信息，对流入的轮对采用语音和屏幕显示两种方式 进行提示，工人按照提示把轮对送入相应的分线。整条检修线中有在轴承故 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 障检测后决定轮对是否退卸的分线口、决定是否镟修的两个分线口、决定是 否送厂的分线口以及决定是否进行轴承压装的分线口。 最后，在轮对检修线的合适位置安装一台计算机作为监控终端，控制所 有l e d 显示屏及小终端。所有从检修线上采集到的数据，需要先传入到监控 终端中，由其将数据整理成特定格式后再由网络传输给检修信息管理系统( 数 据库服务器) 。需要从数据库服务器中调出数据时，例如l e d 显示屏的信息显 示，也得经监控终端先从服务器中读出信息，转换为相应的格式后再传输给 显示终端。 2 3小结 车辆轮对检修工序控制系统的实现是一个庞大而复杂的系统工程，这一 工程的成功很大程度上是管理问题和方法问题而不只是技术问题。本章介绍 了轮对检修线的工艺布局和工序流程，分析、阐述了实现控制系统的体系结 构和具体方案，先来一个整体上的认识。接下来的几章将具体介绍实施方案 的技术实现，其中第三章将详细介绍轮对检修线的部分控制终端的设计和实 现，第四章将介绍工序控制系统的实现。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 第3 章控制终端的设计与实现 在上一章里概述了整个轮对检修工序控制系统实现的方案，在第三章将 详细介绍工序控制系统中关键的几个控制终端的设计与实现。 3 1 轮对计数器 过程控制自动化需要对大量复杂的实时信息进行连续、快速、精确的判 断处理，保证实时控制的实时性、准确性、安全性和有效性，因此必须对检 修线上轮对的行进过程进行计数，这就需要由轮对计数器来完成。 3 1 1 轮对计数器的组成 轮对计数器主要由m c s 一5 1 系列单片机、磁感应接近开关、r s 一2 3 2 通信 电路等组成，具体结构框图如图3 一l 所示( 9 1o | 。 接近开关 堂 l 片 一指示灯电路 l 采样电路i 机 l _ 1 m h b，l 通信电路j 图3 1 轮对计数器组成框图 轮对计数器的核心采用性价比较高的i n t e l 系列8 位单片机8 9 c 2 0 5 1 ， 使得检测处理参数更加简单快捷；磁感应接近开关测得的信号是模拟信号， 经采样电路采样保持后转换为可被单片机确认的数字开关信号：单片机接收 到信号后，通过r s 一2 3 2 总线传送给上位机，上位机以工控机( p c i 0 4 ) 为平 台，在d o s 操作环境下采用c 语言编制通信程序和数据处理程序，这点将在 第三章详细介绍 1 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 3 1 2 轮对计数器的工作原理 轮对在检修线上要经过7 个重要卡控位( 分布见图2 6 ) ，如何判断某个 轮对有没有进入某个卡控位? 有多少轮对经过了该卡控位? 需要对轮对的流 向和个数进行实时、精确的判断。在检修线的7 个卡控位安装轮对计数器， 通过对轮对计数器硬、软件的设计可以实现判断轮对的流向以及统计轮对个 数的功能。 每个轮对计数器带有两个磁感应接近开关，它们靠着铁轨隔一定的距离 ( 1 0 2 0 c m ) 并排安装。轮对计数器工作原理如图3 2 所示。车轮沿着铁轨 行进时，进入左边磁感应接近开关的感应区而没有进入右边的感应区时，称 为状态，这时给轮对计数器中的单片机发出“1o ”的信号；同时进入两 个接近开关的感应区时，称为状态，这时发出信号“11 ”；走出左边接 近开关的感应区，完全进入右边的感应区时，称为状态，这时发出信号“o 1 ”。 车轮 铁轨 倒 自盯进方向 口口 电磁式接近开关 图3 2 轮对计数器工作示意图 这些信号产生的同时，通过计数器上单片机的串口传输给工控机 ( p c l 0 4 ) ，工控机通过接受的数据可以准确判断轮对的流向及个数，例如： 如果依次接受到状态、的数据，表明轮对流向为从左到右，轮对数 量加1 ；如果依次接受到状态、的数据，表明轮对没有前进，轮对 数量不变；如果依次接受到状态、的数据，表明轮对流向为从右到 左，轮对数量减l 。 轮对计数器和p c i 0 4 构成下位机和上位机的关系，将p c i 0 4 上的网络接 口接到网络总线上，如图2 5 所示。对7 个轮对计数器依次编上网络地址 ( c 0 1 、c 0 2 c 0 6 、c 0 7 ) ，当轮对计数器向上位机传数据时，还要上传自己的 网络地址，上位机就知道是哪个地方的轮对的信息：同时上位机向轮对计数 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 器发送命令或反馈消息时，也要传送需要执行命令的计数器的网络地址。 3 1 3 硬件设计 3 1 3 1 w h g 型磁感应接近开关的应用最初设计轮对计数器时是考虑使 用光电传感器，这是一种将入射光波的电磁辐射转变成输出的器件，所用原 理是物质在光的作用下释放电子，光电子运动形成光电流，这种现象称为光 电效应。光电传感器具有安装方便、响应速度快等优点。但经过试验，发现 该传感器在轮对检修线上使用时，会因生产线上某些非轮对位移( 如生产人 员的走动) 而产生信号，容易造成误检情况的发生，且不易保养维护，因此 放弃了对光电传感器的选用。 在市场上对同性质产品进行认真调研后，决定使用磁感应接近开关，这 种器件由感应头、控制回路和主回路等构成，工作原理如图3 3 所示：当黑 色金属与感应头接近到一定距离时，磁场发生变化，将此信号送入控制回路 中的比较器后发出控制信号，使主回路可控硅或三极管导通或截止，从而完 成开关动作。 感 控 目，f ：i应 舒 融 头 路 略十 图3 3 磁感应接近开关的工作原理 磁感应接近开关的特点有： 1 、非接触检测，无机械力撞击的影响； 2 、无机械磨损，工作寿命长； 3 、响应时间短： 4 、封闭式结构、防尘、无触点、无火花及无噪音，不仅适用于一般场合， 也适用于要求防爆的场合： 5 、体积小，安装调试方便； 6 、具有极性保护功能，当直流电流的正负极接错时，开关不会损坏，并 且具有过流、过压、短路保护，有效防止了开关的损坏： 7 、具有不同的电压等级，外形尺寸系列，工作距离系列，引线方式及外 部接线等，以满足不同的使用场合，安装条件的需要。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 结合轮对计数器和现场环境的要求，决定选用w h g 型磁感应接触开关， 其工作性能指标为：感应距离3 0 册、工作电压2 4 v 、工作电流8 0 m a 。 3 1 3 2 单片机系统设计 1 ) 数据采集模块设计 数据采集模块由磁感应接近开关信号产生电路、采样电路组成，电路设 计如图3 4 、图3 5 所示。 图3 4 接近开关信号产生电路 图3 5 接近开关信号采样电路 图3 4 是1 个磁感应接近开关的信号产生图，带“s ”字符的方块代表磁 感应接近开关，它有两根引出线，分别接电源+ 2 4 v 和地。没有轮对( 金属) 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 进入接近开关的感应区时，接近开关相当于断开，端电压为零，两个晶体 管都处于截止状态，一爿端为高电平；有轮对( 金属) 进入接近开关的感应 区时，开关动作，一端得电，二极管导通后，经降压电阻，2 个晶体管c 、e 端导通，一4 端转为低电平，发光二极管被点亮，可直观显示有金属靠近磁 感应接近开关。儿4 端是接往图3 5 中j “阿删接线端“4 ”脚的一个端点， “3 ”脚和“4 脚”相同，分别代表左、右两个磁感应接近开关。在图3 5 中， 磁感应信号经过7 4 l s 0 9 ( 集电极开路( o c ) 输出与门，其输出端必须接上拉 电阻) ，再由2 个7 4 l s l 4 旌密特触发的倒相器整形后作为外部中断源胁t 0 、 丁1 输入单片机中，完成信号采集任务。 2 ) 通信模块设计 与上位机通信采用r s 一2 3 2 串行总线。电路设计见图3 6 。 图3 6 通信、自检模块电路 m a x 2 3 2 是由美信公司生产的双组驱动器接收器，片内含有1 个电容性 电压发生器以便在单5 v 电源供电时提供e i a t i a 一2 3 2 一e 电平。接收器可以接 受恚? o v 的输入，每个驱动器将t t l c m o s 输入电平转换为e i a t i a 一2 3 2 一e 电 平“。工作温度范围为一4 0 8 5 。如图3 6 所示，j 1 的7 如、j 珏刃、g d 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 与上位机的串口西，d 、似d 、g d 分别相联。西，d 为发送端，兄仞为接收 端。 3 ) 自检模块设计 自检模块用来反映程序的运行状况是否正常，硬件电路如图3 6 右上角 部分所示，由3 个发光二极管驱动电路组成。3 个晶体管经4 7 k 电阻后接入 单片机p 1 4 、p 1 5 、p 1 6 脚，3 个端脚为高电平时，晶体管c 、e 端导通， 形成通路，发光二极管被点亮。 在程序运行的各个阶段，由软件控制该电路中3 个发光二极管的点亮来 提示操作者计数器的运行是否正常。 4 ) 看门狗模块设计 看门狗模块的设计基于c m 0 s 监控芯片m a x 8 1 3 ，它在上电、掉电期间及 在电压降低的情况下可产生一个复位信号。此外，带有一个1 6 s 的看门狗定 时器和去抖动的手动复位输入。如图3 7 所示。 图3 7 看门狗电路 船丁连接单片机的复位脚r e s e t ，形阱为喂狗端口。该电路亦可手动复 位，按下s w p b ，础r 即会产生2 0 0 m s 宽复位脉冲。当程序跑飞或受到干扰 死机超过1 6 秒，该电路即会自动产生复位信号，使单片机系统复位从而有 效避免系统功能丧失。具体实物照片见p 5 0 附录1 。 3 1 4 软件设计 硬件是软件的基础，软件的正确编写必须基于硬件的合理规划。本系统 的软件采用模块化设计，各模块由不同的子程序组成，承担不同的功能，软 件采用m c s 一5 l 单片机汇编语言编写。软件主程序由四个子模块组成： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 1 ) 自检子程序：利用指示灯的显示检查程序运行是否正常； 2 ) 外部中断源中断服务程序：读入轮对运行状态，串口发送相应数据 到上位机( p c i 0 4 ) ； 3 ) 通信接收中断服务程序：串口接收上位机响应的数据判断串口发送 是否正确； 4 ) 看门狗程序：对单片机系统进行监测。 3 1 4 1 主程序主程序主要完成各种中断和串口的初始化工作以及程序 自检工作，流程图如图3 8 所示。 图3 8 主程序流程图 3 1 4 2 自检子程序基于前面介绍的自检模块硬件设计，自检子程序是指 编制3 个发光二极管的各种点亮方式来进行不同的提示。 指示灯的点亮方式分为三种，即三个子程序：一种是三个灯向右循环闪 烁，命名为g o r i g h t ；一种是三个灯向左循环闪烁，命名为g ol e f t ；一种是 三个灯闪三次，间隔接近一秒，命名为g o _ m i d 。在主程序中，按下自检键后， 分别调用这三个子程序检查自检模块是否正常；在程序运行的一些关键阶段， 调用相应的子程序可直观显示程序运行是否正常，例如当检测到轮对从右向 左经过2 个磁感应接近开关时，调用g o r i g h t 子程序。自检子程序中 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 g o r i g h t 子程序如下，其它的子程序编写方法类似，故省略。 g or i g h t ：c p l w d i g or ：c l rl e dt c l r l e dr c l rl e dl l c a l ld e l a y l3 0 m s s e t bl e dl c l rl e dt c l rl e dr l c a l ld e l a y l 3 0 m s s e t bl e dl s e t bl e dt c l rl e dr l c a l ld e l a y l 3 0 m s s e t bl e dl s e t bl e dt s e t bl e dr l c a l ld e l a y l 3 0 m s c l rl e dl s e t bl e dt s e t bl e dr l c a l ld e l a y l 3 0 m s c l rl e dl c l rl e dt s e t bl e dr l c a l ld e l a y l 3 0 m s c l rl e dt c l rl e dr c l rl e dl r e t 3 1 4 3 外部中断源中断服务程序从图3 4 、图3 5 中可看到，2 个外部 中断源两葡、丽i 分别连着2 个磁感应接近开关电路，2 个中断源的中断服 务程序流程基本一致，主要包括检测轮对位置和向上位机发送数据两大部分， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 流程图如图3 9 所示。 图3 9 外部中断源中断服务程序流程图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 3 1 4 4 通信接收中断服务程序为了知道上位机接收到的数据帧是否正 确，上位机应将接收到的数据帧原帧返回，下位机( 单片机) 通过串行口接 收中断源，启动通信接收中断服务程序，将接收到的数据帧与原发送帧比较 即可得知上位机接收是否正确。程序流程图如图3 1 0 所示。 图3 一l o 通信接收中断服务程序流程图 3 1 4 5 看门狗模块看门狗模块主要用来监视系统是否“跑飞”，当系统 跑飞超过1 6 s 后，看门狗就会向单片机的足盯发一个脉冲，促使其重新启 动。也就是说，在每1 6 s 内，系统需喂一次狗，即向m a x 8 1 3 的矾w 端发送 一个脉冲，程序如下： c p l w d i 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 将该语句逐一插入整个程序中，大致计算一下每个语句的间隔不要超过 1 6 s 即可。 3 2 信息采集终端 轮对检修信息化的实现，一方面依靠过程控制自动化的实现，另一方面 则依靠信息处理自动化的实现，而信息处理，尤其是实时信息处理，有赖于 系统能动态的感知并提供系统和环境的各种原始数据和信息，尽可能减少各 种人工干预，保证信息的准确性和实时性“，这就需要对轮对的一些检修信 息能实时的采集。 在第二章的系统实现方案里介绍了在轮对检修线设置1 6 个工作站点来 实现轮对检修信息的采集，这是一个十分庞大的工程。这1 6 个工作站点的设 计分两种情况，一种是有些工作站点检修工序只能由人操作，检修数据由人 测量获得，不便安装控制终端采集数据，因此在这些站点设置p c 机，在规 定的栏目下直接输入检测数据，如轮对收入检查工作站；另一种是工作站点 的设备安装了计算机，只需在其上安装控制终端( p c l 0 4 + 采集板) 负责采集 检测设备的输出结果，并在规定的栏目下自动填写检测内容，如轴承故障诊 断工作站。 前一种情况是直接放置p c 机采集数据，比较容易实现；后一种情况要针 对不同设备设计不同的采集板，比较复杂。但只要设计出一种采集板后，可 以依照此思路举一反三。接下来将以轴承故障诊断工作站为例，详细介绍轴 承故障诊断信息采集终端采集板的设计。 3 2 1 采集板的组成及工作原理 轴承故障诊断工作站的检测设备自带的计算机上具有标准并行接口，所 检测的数据通过并行接口传输给打印机，再由打印机打出检修数据。如果要 采集检修数据，可以在检测设备和打印机的两个并行接口之间，放置一块采 集板，来截取并行接口数据，将截取的数据通过串口上传给p c l 0 4 ( 工控机) 进行进一步的处理，再通过网络传给数据库服务器实现实时信息的采集。 为了便于后续论述，将诊断设备所配计算机称为源方，而将接收打印数 据的打印机称为目标方。从源方和目标方的并行接口之间截取打印数据，必 须设计一个模拟打印机的信号接口，根据接口信号时序的要求，按收到的源 方控制信号接收数据并存储，并将相同的控制信号发送给目标方，待目标方 收到数据并发回相应的状态信号后，经过接口板回执给源方“。这里可以使 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 3 页 用一片8 9 5 l 单片机实现该接口的模拟。8 9 5 l 单片机具有4 8 位的并行i o 口及一个串行口。使用中，可以用i o 口设计并行接口电路与打印并行口连 接，读取传输打印数据。并可通过串行口将得到的数据传递给上位机，进行 处理。基于以上工作原理，采集板主要由m c s 一5 1 系列单片机、并行接口电路、 r s 一2 3 2 通信电路等组成，具体组成框图如图3 一1 1 所示。 监 i 计算机并口h 并行接口电路 片 一并行接口电路h 打印机并口 机 看门狗电路卜一 - i 通信电路 图3 一1 1 采集板组成框图 3 2 2 硬件设计 采集板硬件设计的主要难点是并行接口电路模块的设计，其它模块，比 如看门狗电路和r s 一2 3 2 通信电路的设计与第三章的轮对计数器中的设计相 同，在这章就不复述了。 3 2 2 1 打印机并行接口简介设计并行接口电路首先要对打印机并行接 口有很深入的了解。并行打印机一般采用一种称为c e n t r o n i c s 的标准接口 打印机，并行接口采用2 5 针插头插座，其信号定义及引脚关系如表3 1 所示： 表3 1 打印机接口说明 信号名有效极性传递方向引脚号 数据位o ( d 。) + 去打印机 2 数据位1 ( d 1 ) + 去打印机 3 数据位2 ( d )+ 去打印机 4 数据位3 ( d 3 ) + 去打印机 5 数据位4 ( 矾)+ 去打印机 6 数据位5 ( d ；)+去打印机 7 数据位6 ( d 6 ) + 去打印机 8 数据位7 ( d ，)+去打印机 9 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 数据选通( s 7 b )去打印机 1 选择输入( 船嬲，)+去打印机 1 7 自动输纸( 爿，丁d 髓e d )+去打印机 1 4 打印机初始化( 优盯)去打印机 1 6 回执( 爿c k )去计算机 1 0 打印机忙碌( 四吣】，)+ 去计算机 1 1 无打印纸( 阳)+ 去计算机 1 2 打印机在线( d 工n 忸)+ 去计算机 1 3 打印机出错( e 衄)去计算机 1 5 接地 1 8 2 5 并行打印接口有三组信号“： 1 ) 数据信号( d n d ，) ，占8 个引脚，传输字符( 包括控制字符) 代码。 2 ) 控制信号，占4 个引脚，传输微机发向打印机的控制信号。其中，数 据选通( 田b ) 信号为读脉冲信号，加到打印机去能把数据线上代码置入打 印机的缓冲存储器。选择输入( 舾肌1 c r ) 信号，该信号有效时，打印机才 能接受数据线上的数据和控制信号。自动输纸( 一( ，阳f e e d ) 信号有效时， 当向打印机输送“回车”代码，则向前输纸一行。打印机初始化( 丽亓) 信 号为打印机初始化信号，可使打印机控制器复位，打印机缓冲器清零，该信 号应为一脉冲信号。 3 ) 状态信号，占5 个引脚，用于向微机传输打印机的当前状态。其中， 回执( 爿c 芷) 信号表示打印机将数据取入缓冲存储器。打印机忙碌( b 淤y ) 信号有效时表示打印机不能接收数据，通常为以下几种情况：l 数据输入时； 2 打印机动作期间；3 脱机状态；4 打印机出错。无打印纸( 船) 信号表示 打印机缺纸。打印机在线( d 舰删e ) 信