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生产输送线监控系统软件开发及应用(1)


西南交通大学 硕士学位论文 钢轨焊接生产输送线监控系统软件开发及应用 姓名:张丹妮 申请学位级别:硕士 专业:材料加工工程 指导教师:骆德阳 20100401

西南交通大学硕士研究生学位论文

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摘要
随着我国铁路建设步伐的加快,中国铁路已进入“高速重载”时代。为了确保高 速铁路、客运专线建设铺轨所用钢轨的平直度,成都铁路局焊轨段按照铁路“十一五 “规划要求,将原有的25m定尺轨生产基地改造成百米定尺轨焊接生产基地。为满足 百米焊轨基地生产自动化,管理智能化的要求,需设计一套长钢轨焊接输送线监控系 统,以提高生产效率,保证生产安全。 本文针对以上要求,设计并实现了基于以太网的焊轨输送线监控系统。该系统采 用工控机一PLC一变频器集散式控制网络结构,在力控组态软件开发平台下,工控机通 过以太网与PLC进行数据交换,通过PLC和变频器之间现场总线通信,实现对变频器 的频率调节以及变频器故障类型、运行状态等数据的实时采集、显示和存储,形成人 机交互界面,从而实现生产输送线的可视化集中管理和实时监控目的。 本文合理规划了监控系统的软硬件结构,完成了监控系统网络结构设计,监控界
面的绘制和组态,PLC对变频器的故障采集编程和控制逻辑设计等工作。输送监控系统

在成都铁路局石板滩焊轨基地的调试应用表明:新的监控系统实现了对焊轨输送线有 效的实时监控、故障报警、历史数据存储等功能,提高了生产线自动化水平,保证了
生产输送线的可靠稳定运行。

关键词:监控系统;以太网;组态软件

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Abstract

With

the rapid development of

our

country’S railway construction,China has stepped in

“high speed.heavy duty”era.In order to ensure the flatness of rails applied in high speed railway and passenger special lines,Chengdu Railroad Bureau has been assigned to reform

the 25m-rail manufacturing base into 1 00m—rail base following the requirment of l l th一5一plan.
To meet the qualificaitons of automatical production required to design


and intellengizing management,it

is

monitor&control system

on

welding rails convoy lines to

advance

productive efficiency According to

and

guarantee productive safety. above,this article has

the requirements
on

designed and

realized

the

monitor&control system based
IPC—PLC?Inverter.By

Ethemet.This system employs DCS mould composed of
can

means

of configuration software,IPC

communicate丽th

PLC

through Ethemet.Besides,by communication between PLC

and

inverter,IPC
status of

Can form HMI and
save

to change the frequency of inverter,display the faults and

inverter

important

data of inverter to fulfill visualization

management and real—time

monitor.

This article has reasonably the design

planed

the structure of software and hardware,accomplished

of monior&control

system networks,drew

and

configured
on

the

interface,

completed fault—gathered programming and designed controlling logic

convoy lines.

According to the application in Shi Bantan welding rail production base,it is represented

that this new system has realized such functions
saving,eventually increasing the auto—level

as

efficient monitor、faults

display

and

data

and

guaranteeing stability.

Keywords:Monitor&Control System;Ethemet;Configuration Software

西南交通大学 学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用
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本学位论文属于
1.保密口,在

年解密后适用本授权书;

2.不保密匦使用本授权书。
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学位论文作者签名:醒寻%
日期: 2_.olo.S,q-

指导老师签名.沩卜厶
日期:扣卜歹’L厂

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或贡献如下: 1、以成都焊轨厂长钢轨焊接生产输送线为研究对象,研究焊轨基地生产线的工位 布局、生产流程,结合生产实际要求,设计了以工控机一可编程控制器(PLC)一变频器 等构成的集散式网络监控结构,并合理规划了系统硬件结构和网络方案,完成了监控
系统所需硬件的选型。

2、根据生产工艺要求,结合变频器技术和PLC技术,设计了合理的控制逻辑, 方面实现了生产线集中控制要求,另一方面保证了生产高效性及安全性。 、3、运用UNITY软件,编写了PLC采集变频器状态程序,通过工业以太网通信技术, 将输送线数据集中上传到监控层。 4、利用组态软件的可行性和优越便利性,设计了人机交互界面,将参数的设置, 变频器的实时故障和报警集中到操作乔面上,能与各种控制,现场设备共同构成快速 响应,帮助工作人员更有效的监视和控制系统,对生产过程的改善能起到良好的作用, 实现了对庞大的生产运输线进行集中监控,

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已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均己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:张丹蚓
日期:

。20lo?j,牛

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帚一早殖。 第一章绪

化 论

1.1发展无缝线路的意义及我国无缝线路的现状
在普通铆接线路上,钢轨接头是轨道的薄弱环节之一,由于接缝的存在,列车通 过时发生冲击和振动,并伴随有打击噪声,冲击力可达到非接头区的三倍以上。接头 冲击力影响行车的平稳和旅客的舒适,并促使道床破坏、线路状况恶化、钢轨及连接 零件的使用寿命缩短、维修劳动费用的增加。随着列车轴重、行车速度和密度的不断

增长,上述缺点更加突出,更不能适应现代高速重载运输的需型11。
为了改善钢轨接头的工作状态,人们从本世纪三十年代开始至今,一直致力于这 方面的研究与实践,采用各种方法将钢轨焊接起来构成无缝线路。所谓无缝线路就是把 不钻孔的定尺钢轨,在钢轨焊接基地用焊接的办法(一般为闪光焊),焊成100m到500m 的长轨,然后运到铺轨现场,再在现场焊接成更长钢轨的线路铺设方法。随着上述一 系列问题的逐步解决,无缝线路在世界各国得到了广泛的运用【2】。 但钢轨焊接后形成由焊缝和热影响区(HAZ)组成的接头,其强度、塑性、韧性学力 学性能出现不同程度降低,焊缝中也会出现焊接缺陷,是无缝线路钢轨的薄弱环节。 倍尺长度钢轨可以减少焊接接头数量,从而减少线路上焊接接头引发的事故。100m长 度钢轨焊接成500m长钢轨,与25m长度钢轨焊接相比较,可由19个焊接接头减少到 4个焊接接头。无缝线路对提高轨道平直度,列车高速重载运行有重要意义【31。 作为世界铁路技术发展的主要趋势i高速铁路运输正蓬勃发展,运用高速技术发 展高速铁路已成为一个必然的方向。而作为高速技术之一的无缝线路技术,对铁路提 速有着至关重要的作用。无缝线路质量的提高是列车提速的关键所在,而长钢轨的焊

接又是无缝线路建设的关键技术之一4。。
截止2006年末,我国全路仅有正线无缝线路52176km,占正线总延长的57.6%,

有待进一步扩大我国无缝线路的铺设范围。为了提高长钢轨焊接生产率,铁道部制定 了全路11个长钢轨焊接基地建设的规划,并付诸实施I 51。成都焊轨厂在铁道部规划下, 将原有的25m定尺轨生产线改造成100m定尺轨焊接生产线。

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1.2我国长钢轨焊轨基地介绍
1.2.1焊轨基地工艺流程
所谓长钢轨就是现在我国可以生产的lOOm定尺钢轨【6】。通过秦沈客运专线的实践 可看出,在焊轨基地组建生产线,将长钢轨焊接成200m.500m的长钢轨,再运抵现场
进行铺设的工艺是适宜我国国情的一种做法。因此基地焊接长轨将成为铺设无缝线路

的一种主要方式171。百米定尺轨焊轨具有以下显著优点【8】: (1)大幅度减少了接头数量。以京津城际铁路为例(全长115krn),采用百米定尺轨焊 接的500m长钢轨接头数量只有4000个,25m轨则要达到8万个,百米定尺轨的接头数量 不到25m轨的1/4,减少了线路养护维修的工作量。 (2)大幅度减小了车轮与钢轨的冲击,有效提高列车运行平稳度和乘坐舒适度。

图卜1厂焊长钢轨工艺流程图

厂焊长钢轨工艺流程如图1.1所示。具体工序及要求y寸L91: (1)短钢轨装卸、存放:短轨列车停放对位后,使用10 t跨移动式门吊和专用扁
担梁及夹具进行卸车。

(2)焊前调直:利用移动式门吊装至运轨生产线,进行焊前调直。
(3)轨端除锈:用除锈刷面机对钢轨的踏面、轨底底面及端面进行除锈。 (4)焊接:焊接前检查轨端刷锈质量,清除焊接电极处的焊渣;做好焊接前的准 备工作后,根据长轨工作面的位置进行轨端对位后进行自动焊接过程。 (5)粗打磨:利用台式或手持式砂轮机,对轨底、轨腰和工作面进行粗打磨。

(6)焊缝正火风冷:通过中频电源柜和焊缝电感应加热线圈,对钢轨焊缝加热升

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温至900℃(±10℃),轨温采用点温计实测控制,而后,用压力空气冷却。 (7)热调直:对正火后的接头用1.5 m型尺检查钢轨平直度。 (8)时效处理:将热调直完的长钢轨运至时效处理区并置于空气中进行时效处理,
时效处理时间为24小时左右。

1.2.2焊轨基地钢轨输送线控制系统研究现状
1、短钢轨焊接输送控制系统 传统的输送控制系统主要采用继电器j接触器进行控制,采用交流绕线串电阻的 方法直接输送电机启动,由工人在操作台上进行控制。各工位之间没有逻辑互锁等保 护措施,本工位作业完成后,工人通过敲击钢轨或对利用讲机通话来将信息传递给下 一工位,以通知其可以输送钢轨‘101。这种控制系统存在以下问题【ll】: (1)系统触点繁多、接线线路复杂,且触点容易烧坏磨损,造成接触不良,因而故
障率较高。

(2)普通控制电器及硬件接线方法难以实现较复杂的控制功能,使系统的控制功能
不易增加,技术水平难以提高。

(3)电磁机构及触点动作速度比较慢,机械和电磁惯性大,系统控制精度难以提高。 (4)系统结构庞大,能耗较高,机械动作噪音大。 (5)由于线路复杂,易出现故障,因而保养维修工作量大,费用高;而且检查故障
困难,费时费工。

由于传统控制系统存在的可靠性差,操作复杂,故障率高,电能浪费大,效率低
等缺点,难以满足国内对无缝钢轨产量的要求,所以,利用现代工业技术对其控制系 统进行改造具有现实意义。

2、长轨焊接输送控制系统112】
近年来,随着计算机技术和电力电子器件的迅猛发展,同时也带动电气传动和自

动控制领域的发展。其中,具有代表性的交流变频调速装置和可编程控制器获得了广 泛的应用。变频器调速是集自动控制、微电子、电力电子、通信技术于一体的技术,
因其很好的调速、节能性能,在各行业中获得了广泛的应用。PLC是近年来发展极为

迅速、应用面极广的工业控制装置,它具有体积小、组装灵活、编程简单、抗干扰能 力强和可靠性高等优点。长轨焊接输送控制系统将变频器与PLC相结合使用,借助于

量曼曼曼曼曼曼曼曼皇I

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I鼍曼曼量曼皇曼量曼曼舅曼蔓曼曼曼曼曼量曼曼皇曼曼曼曼曼曼皇

PLC可以对自动化设备进行智能控制。随着网络技术的发展,在长轨焊接输送控制系 统中,PLC既可以独立地对自动化设备进行控制,也可以作为工作站与整个工厂网络 系统的各个单元进行信息交换。因此,长轨焊接输送控制系统弥补了传统控制系统的 不足,对生产效率、安全、管理及系统升级提供了保障。

1.3本课题研究意义及主要内容
1.3.1课题研究的意义
本课题中以成都焊轨厂长钢轨焊接输送线为研究对象。由于生产运输线的稳定运 行与否直接关系到工厂的生产效率以及现场铁路建设的施工效率。因此通过本项目可 以使焊轨生产输送线的运行得到有效的监控,保证连续生产走轨,查找变频器故障容 易,维修时间缩短,可以一定程度提高生产效率,保证安全生产;友好的人机界面可 以实现生产智能化管理。

1.3.2课题研究的内容
课题主要针对百米焊轨基地工艺特点,设计一套焊轨基地生产输送线监控系统, 保障生产输送线的安全稳定运行。主要进行以下工作:
1)设计监控系统总体网络结构图,设计钢轨焊接输送线控制逻辑,编译CAN通

信和以太网通信程序。 2)选择合适的计算机监控系统软件,并构建整个监控软件的设计思路,设计软件 各个监控模块画面。 3)利用力控组态软件根据工艺过程构建画面结构和绘制画面草图;根据控制要求 统计PLC输入输出FO点及相互间的关系,根据PLC对变频器的控制过程,创建实时 数据库,进行实时数据库动画连接和与PLC变量连接。利用开发系统编制完成控制所
需的动作脚本。

4)对监控系统进行整体调试,实现对生产输送线的监控运行。

西南交通大学硕士研究生学位论文 第5页 曼曼皇曼鼍曼曼皇曼皇曼皇曼皇曼皇曼曼曼蔓曼曼曼曼舅曼曼!皇曼鼍曼曼曼曼曼II;11皇曼曼曼曼曼鼍皇曼曼曼曼曼曼!曼曼曼!曼!曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼蔓曼曼!曼曼!!曼曼曼曼曼曼

第二章焊轨输送线监控系统结构设计
2.1百米焊轨生产线介绍
2.1.1百米焊轨基地工位介绍
根据铁道部对焊轨基地工艺布置的要求,各生产线不得采用强制冷却方式,焊接 后钢轨应在自然冷却时效后方可进行精调工序,冷却时效时间应不少于24小时。时效 工序(在半成品站台堆放)其作用是保证正火后接头有超过24小时的自然冷却时效过 程,长轨质量最好。主要布置形式有U型和N型【13】。
(1)U型生产工艺流程

热线工序流程:配轨一焊接一粗磨一正火一热调一半成品时效处理,各工序点间 距lOOm。 冷线工序流程:半成品时效处理一精调一精磨一无损检测(探伤)一成品轨存放
台。

标准U型(既流水线在时效处理后反向)工艺平面布雹的特点是:流程合理、布局 紧凑。铁路线从一端引入,出岔容易。是比较合理的布局类型。其占地面积约长约 1400.1550m(长度受短轨存放场数量限制),宽约80m,其平面布局见图2-1。

图2-1标准u型工艺平面布置示意图

缩短型U型(L型+U型)工艺平面布置的特点是:增加在配轨间反向的流程,缩短 基地的长度。其占地面积约长约1250m,宽约85m。由于布置最为紧凑,比较适合于既 有改造,其平面布局见图2-2。

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图2—2缩短型U型工艺平面布置示意图

(2)N型生产工艺流程【9】

热线工序流程:配轨_焊接一粗打磨.÷正火_热调_自然时效处理。. 冷线工序流程:精调_精磨叶探伤。回送线工序流程:长轨横移(通过横移装置) _回送(回送750m)_成品轨存放台。 标准N型工艺平面布置的特点是:长轨存放场和时效处理区合并,减少基建投资, 通过横移装嚣和反向,主要存在的问题是当两条生产线同时生产时群吊间会相互干扰, 同时群吊能力不足,必须采用横移装置,生产线有700米以上的无效走行。其占地面积 约长约1650m,宽约90m,平面布局见图2.3。

图2.3标准N型工艺平面布置示意图

成都焊轨厂石板滩焊轨基地采用标准N性工艺平面分布建设,整个焊轨基地分为 四条生产线:两条焊接线(热加工线)、一条精调线和一条精磨线(冷加工线),生产 线流向呈N型,如图2—4所示。其中焊接生产线工序流程:配轨一除锈一焊接一粗磨 一正火一热调一半成品时效处理,各工序点间距100m。精调线工序流程:精调1一精 调2--.仿形磨,各工序点间距100m。精磨线工序流程:精磨1一精磨2一长轨存放台,
各工序点间距100m。

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ml
。ii 。ml

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长轨区

精磨1精磨2

配轨区 精磨线 横移公共段 精调线

时效区

空冷热调直正火粗磨焊接
=. =.. =
.. I.

除锈配轨

[I

焊接二线

时效区

空冷热调直正火粗磨焊接
i j [,

除锈配轨




二:

[:

焊接一线

图2—4百米焊轨基地生产分布简图

2.I.2生产线滚筒及电机分布
钢轨输送是由电机带动滚筒旋转通过钢轨与滚筒间的摩擦力使钢轨移动。钢轨输 送滚筒线由轴线垂直于钢轨走行方向的动力滚筒、无动力滚筒、侧向滚筒及其控制系 统构成。动力滚筒、无动力滚筒按1:2比例,间隔2.5米布置。侧向滚筒间隔7.5米 布置。每条生产线1400m,各有196个动力滚筒由1.1kw的电动机带动。每个变频器 控制7个电动机,变频器均匀分布在各条生产线上。通过变频器控制电机转速,经减 速器控制动力滚筒转动,如图2.5所示。

一7.5米———]
钢轨

l一台姗1
动力滚筒

动力滚筒无动力
滚筒

(7—————■—_/) ≯一雨…O 。、√一雨…、√
、.一/ I、、一,

图2—5生产线滚筒及电机分布简图

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2.2监控系统网络初步设计
2.2.1监控系统设计要求
根据工艺流程,长钢轨生产输送线监控系统设计时应满足如下要求:

(1)两条热线的总控工位在焊接工位,每个工位的生产状态信息均反馈到焊接工 位。焊接工位操作人员对信息进行分析和判断后,进行操作,并对其他工位的下一步 操作做出指示。 (2)两条冷线的总控工位分别在精调和精磨工位,每个工位的生产状态信息均反 馈到总控工位。总控工位操作人员对信息进行分析和判断后,进行操作,并对其他工 位的下一步操作做出指示。 (3)为了实现集中控制,同时需在一些工位设置辅助控制操作箱,以配合总控工 位进行钢轨输送,提高送轨速度。 (4)为保障安全,各控制工位必须有互锁功能。在某一工位作业时,该工位可将 输送线滚筒锁定,以避免误操作引起的生产事故。 (5)变频器、PLC故障可以实时显示,并进行数据备份,便于故障查找和排除。

2.2.2监控系统网络初步设想
根据以上要求,为实现生产线自动化控制和集中操作,结合现场变频器分散,可 编程逻辑控制器和变频调速器实现生产线合理送轨等特点及要求,初步设计网络拓扑 结构为监控计算机一PLC一变频器集多重网络结构。计算机可对PLC进行数据交换, 对PLC中参数进行读写操作;PLC可与多台变频器采用现场总线进行数据交换,以控 制变频器的启动、停止、正反转等,进而控制电动机以实现调速和复杂的逻辑控制。

2.3系统硬件设计
2.3.1监控计算机的选择
随着计算机技术的快速发展,现在不管是从速度上还是存储容量上都有不同档次 的计算机满足我们各行各业不同的需求,对应用到工业上的计算机,也即是工控机来

西南交通大学硕士研究生学位论文 说,其可靠性是最重要也是首要考虑的问题,它必须具有以下特点【14】:

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首先,环境通常比较恶劣,如工业现场比较容易存在粉尘、高温、潮湿、噪声、 冲击、振动、各种电磁信号干扰、辐射、腐蚀、野外作业条件以及操作人员素质等环
境因素;

.其次,要求计算机必须能长期、无故障地连续运行,如果计算机发生问题,可能 会带来比较严重的后果; 第三,在一旦发生故障时,能够较快地恢复。因此它必须具有以下几种能力:过 程控制能力,能较轻松地执行给出的关键任务;可靠性,能长时间地重复完成给出的 关键任务;容错性,当突发事件发生时,能很快执行应变措施,维持系统的功能并能 在较短的时间内恢复至正常状态。 基于以上考虑,焊轨工业现场的现场控制计算机选用工业控制计算机。该计算机 主要用于现场实时显示工作状态,并通过鼠标点击控制现场的工作。

2.3.2可编程逻辑控制器的选择
1、PLC规模选择

由于焊轨输送控制系统中,既要求对操作台开关量进行控制,又要求和多台远距 离分布的变频器进行数据交换。因此,要求PLC内部能够有自带通信接口。相比之下, 施耐德的PLC不仅既能满足以上要求,性价比较高,而且操作使用简单方便,相应的 扩展模块功能齐全。综合考虑各方面因素,本系统的PLC硬件全部选择施耐德公司的
Modicon M340系列PLC。该系列产品具有紧凑的设计,良好的扩展性,低廉的价格以

及强大的指令,是Premium和Quantum产品线的最佳扩展。根据系统的工艺流程及控 制要求,系统中的开关量I/O点共108点,其中56点输入,52点输出。本系统为开关 量的控制系统,无模拟量I/O点,无须考虑PLC的响应时间。考虑到现场需求和供应
商建议,选择DDI/DDO 1602型16点24V直流晶体管数字量输入/输出模块【l 51。 2、PLC程序存储器及联网通信的考虑

用户程序存储器的容量以地址或步为单位,每个地址可以存储一条指令。用户所 需程序存储器的容量在程序编好后可以准确的计算出来,但在进行初步设计时往往办
不到,通常需要进行估算。一般粗略的方法如下f16】:

(I/O总数)x(10~-20)=指令步数

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由于本系统需要进行PLC与PLC之间、PLC与变频器之间、PLC与上位监控计 算机之间的通信,所以应选用具有组网能力和网络通信功能的PLC。根据以上需求, 本系统的PLC硬件机架选择为BMX
模块为BMX
CPS XBP

1200(12插槽),主机为BMX

P34

2030,电源

2000,处理器背板接口如图2-6所示。

缰号
{’ 2 3


名称

量亏雪亥
USB≥二

8D安播嚎
皇;:一
"_-




Z六莲差二
CANopen冀:

图2-6M340处理器接口

(1)主机CPU BMX

P34

2030模块。其本身集成了1024路离散量机架I/O通道,
P34

256路模拟量机架I/O通道,36路计数通道,2路以太网通道。BMX

2030配有一

个USB通信/编程口,具有CANOpen通信、以太网通信能力,是具有很强控制能力的
小型控制器。CPU BMX
P34

2030可连接多个扩展模块,用户RAM存储器4096kB。70k

程序指令,即插式SD卡存储器。 (2)电源BMXCPS 2000模块。

(3)DDll602数字量输入模块。
(4)DD01602数字量输出模块。

2.3.3变频器的选择
1、变频器的选型

由生产线滚筒及电机分布可知,输送线动力滚筒由电动机带动,电动机由变频器
控制。变频器是一种用来改变交流电频率从而调节电动机转速和方向的的电气设备【1刀。 此外,它还具有改变交流电电压的辅助功能。

焊轨生产输送线负载为恒转矩负载,普遍选用带低速转矩提升功能的矢量型变频 器,如日本的三菱、富士,德国的西门子及法国的施耐德等。其中,施耐德矢量控制 高性能型变频器ATV71系列(如图2—7所示),具有内置通信网络接口,较合理的价格,

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完整的理论计算书及辅件推荐值,有利于用户合理选用。另外,该产品和所选取的PLC 为一个厂家生产,功能之间内化,方便编写程序,因此选用竣型号变频器应用于焊轨

生产输送线㈣。

崮2-7ATV7l变频器

ATV71变频器集成了Modbus和Canopen通讯协议。可以通过分线盒与PLC进行 通讯,从而实现网络控制。其具有如下特点【”l: (I)结构紧凑:变频器体积小,并集成了EMC滤波器。 (2)扦放接入:可使用集成的Modbus和Canpen,连接至自动化系统。用于进行 迅速、准确的运动控制、调节、监控与设置。 (3)高的_:】二作温度:在加装散热肛【扇的情况下,可在50℃—60℃的环境温度下可
靠工作。 2、变频器容量选择【20】

长轨生产输送线控制方式为一台变频器驱动七台电动机(50米滚筒),且占电机并 联运行。矢量型变频器可以一台变频器驱动多台电机,其并联运行且变频器短时过载 能力为150%时,如电机加速时间在300s内有小于60s的加速时Ⅻ,则

并要求

-.s户:。z;,t。,[-+罢c-c,一?1 ,。。z;”,,。[?+象t-r。一-,]x?-
只N1


c:.,,

c:.:,

KP¨F/r/q

cosfp

(2—3)

以。——并联电动机的台敦;

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/'/7’——同时启动的台数;

尸0l——连续容量(kVA);

PM——电动机输出功率;
叩——电动机的效率(取0.85);

c0S9—_电机效率(常取0.75);

K,——电动机启动电流/电动机额定电流; IM——电动机额定电流;

K——电流波形正系数(PWM方式取1.05~1.10)
尸IcⅣ——变频器容量(kVA)
通过利用上述公式的计算和参考别人经验,选用的变频器额定值如表2-1所示
表2—1变频器额定值 线路电源(输入) 最人线路电流 变频器 型号 变频器功 窒 最大
380V

变频器(输出) 最大瞬时电流

预期短
480V

视在 功率

最大充 电电流

最大可用 的额定电 流 60s时 2s时





路电流
Isc

KW ATV7I 11 HDllN4Z

HP





KA

KVA









15

36.6

30

22

24.5

93.4

27.7

41.6

45.7

注:这些功率额定值与电流额定值是在环境温度为50℃,以出厂设置的开关频率(4KHz)连续运 行的情况下给出的.

2.4以太网技术及通信方案设计
2.4.1以太网技术分析
Ethemet作为一种成功的网络技术它是由美国Xerox公司和Standford大学联合开 发并于1975年推出的,成为世界上第一个局域网工业标准。随着互联网技术的发展和

普及,一直以一种不确定性的共享网络形式存在的以太网获得了广泛的应用,并基本 垄断了商用计算机领域的通信。随着网络技术的进一步发展,网络服务质量要求进一

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步发展,传统以太网技术由于多个性能瓶颈的存在,已经不适应这种需求,必然寻求 变革。通过新技术的采用,如今的以太网已经发展成为一种确定性的网络技术。以太 网作为一种局域网基本介质接入技术,由于其高度的灵活性和实现的简单性,近年来
得到迅猛的发展【21】。 1、以太网基本工作原理【22】

计算机网络一般采用分层的体系结构,图2.8所示是国际标准化组织提出的开放 系统互联参考模型OSI/RM(Open
System Interconnection Reference

Model)与IEEE802标

准参考模型的对比。在OSI参考模型中,介质访问控制属于其数据链路层功能,在 IEEE802局域网标准中,数据链路层细分为介质访问控制MAC(MediaAccess
和逻辑链路控制LLC(Logical Lilll(Contr01)两个子层。
Contr01)

图2-8互联参考模型与标准参考模型对比

以太网遵从IEEE802.3标准,属于多路访问网络,网络中的节点共享同一个通信 介质,当网络中多个节点同时请求发送数据时就会产生冲突,因此需要对通信介质的 争用进行仲裁。这种仲裁称为介质访问控制。介质访问控制协议是影响局域网数据传 输确定性的主要因素。
以太网在介质访问控制层采用载波监听多路访问/冲突检测CSMA/CD(Carder
Sense Multiple Access with Collision

Detection)介质访问规则。其工作原理是:某节点

要发送报文时,首先监听网络,如网络忙,则等到其空闲为止,否则将立即发送。在

发送过程中,节点边发送边检测网络,看是否自己发送的数据有冲突。若无冲突则继

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续发送直到发完全部数据:若有冲突,则立即停止发送数据,并发送一个加强冲突的 JAM信号,以便使网络上所有工作站都知道网上发生了冲突。如果两个或更多的节点 监听到网络空闲并同时发送报文时,将发生碰撞,同时节点立即停止发送,等待一个 预定的随机时间,且在网络为空闲时,再重新发送未发完的数据。 CSMA/CD机制中,碰撞后等待的延迟时间采用一种称为二进制指数的退避算法实 现。其算法过程如下:
1)对每个帧,当第一次发生碰撞时,设置参数L=2;

21退避重发时间在1~L个时隙中随机抽取; 3)当帧再次碰撞时,L加倍,即L=2L; 4)退避重发时间仍在1~L个时隙中随机抽取;
5)当碰撞n次,L=2n;

6)设置一个最大重传次数,超过此值,不再重发,并报告出错。 这个算法是按后进先出的次序控制的,即未发生碰撞,或很少发生碰撞的帧,具有优 先发送的概率,而发生过多次碰撞的帧,发送成功的概率小。以太网上所有节点访问 网络的机会相等,CSMA/CD的优势在于站点无需依靠中心控制就能进行数据发送。当 网络负荷较小的时候,冲突很少发生,因此延迟比较低【231。
2、以太网通信结构【24】

以太网采用星型或总线型结构。当采用星型网络拓扑结构时,交换机将网络划分 为若干个网段。由于交换机具有数据存储、转发的功能,使各端口之间输入和输出的 数据帧能够得到缓冲,不再发送碰撞;同时交换机还可对网络上传输的数据进行过滤, 使每个网段内节点间数据的传输只限在本地网段内进行,而不需经过主干网,也不占
用其他网段的带宽,从而降低了所有网段和主干网的网络负荷。具体分为如下几种: (1)双绞线星形结构

此方式适用于距离在180m以内的控制系统。各现场采集站只需用双绞线和集线器 (HUB)就可与远程的分布式处理单元(DPU)进行联网通信。此方式结构简单,即使采 用冗余配置,其成本也较低,多数项目都可采用此方式;
(2)光纤网结构

当远程站距离较远,但小于40kin时,可采用光纤组网。方法一是采用星型组网拓 扑结构。该方式下,双绞线RJ45连接头的电气信号由光电收发器变换成光信号经光纤

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向远处传输,此方式组网成本相对较低;方法二是采用环形组网拓扑结构。因为是环 型结构,光电接口采用Switch—HUB,当出现环路中一处开路故障时,Switch-HUB能自 动判断故障点,并重构一条闭合的光回路,继续工作。此组网形式可靠性优于收发器
形式心51。

2.4.2以太网的优势
控制网络的发展,其基本趋势是逐渐趋向于开放、透明的通讯协议。尽管现场总 线获得了巨大的成功,但现场总线的开放性是有条件的、不彻底的【261。网络控制系统
要求用于控制领域的总线是高网络性能的数字式互联网络,具有互操作性和开放性。

互操作性要求采用统一的标准和协议来实现,开放性是技术公开且被广泛使用。多种 现场总线并存是当前的客观事实,难以沿开放的方向发展。为减轻繁重的编程工作和 达到系统的简单化,需要对系统的结构做变革。以太网具有传输速度高、低耗、易于 安装和兼容性好等方面的优势,几乎支持所有流行的网络协议,在商业系统中应用广 泛。进入控制领域以来,以太网的TCP/IP协议的开放性使得它在工控领域通讯中具有
很大的优势,表现有以下几方面【27】:

(1)低成本、易于组网、技术支持广泛 以太网在商业领域已有成熟应用,具有大量的软硬件资源和开发设计经验。许多 网络产品都带有以太网接口,组网简单方便。 (2)开放透明的协议标准 以太网使用TCP/IP作为上层通讯协议,该协议极其开放灵活,基于该协议的以 太网已成为最为流行的分组交换局域网技术。TCP/IP协议应用于工业现场,使得工厂 的管理可以深入到控制现场,可以利用Intemet延伸到现场设备,并通过Intemet远程 监控工业生产过程和远程系统调试、设备故障诊断等,使得对企业生产的实时监控可 以走出车间、工厂。具有TCP/IP接口的现场设备可以不通过现场的计算机而直接连接 Intemet,达到远程监控或远程维修的功能,对工业控制的组网提供了极大的技术基础。
(3)高传输速率保证实时性

以太网已从10M、100M发展到千兆,现在还有更高速的1G、10G以太网。高速 以太网保留了标准以太网的帧结构和载波侦听多路访问/冲突检测协议,并向下兼容, 升级成本低。当前发展的快速交换式以太网技术,采用全双工通信,可以避免

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CSMA/CD中的碰撞,并且可以方便地实现优先级机制,保证网络带宽的晟大利用率 和最好的实时性能。因此未来的以太网可以满足工控系统实时性的要求,是高性能的
网络载体。 (4)可以实现资源共享

以太阔上使用的TCP/IP协议,其开放性使测控网和信息网统一起来,实现网络控 制系统真正意义上的开放性和互操作性。无论是网线、连接器、交换机等网绺接口, 还是软件开发环境,都与市场主流相同,可以方便地达到资源共享。以太刚是日前应 用最为广泛的计算机嘲绍技术,几乎所有的编程语言都支持以太网的应用开发,如
Java、Visual c-_、Visual

Basic等等。因此,使用以太网可以保证有多种开发工具、

开发环境可供选择。经研究和实际应用表明,采用Ethemet作为工业生产过程现场控 制网络的传输链路层,能够满足绝大多数的远程监控应用的要求。

2 4

3监控系统通信方案选择
根据要求,工业通信可以使用不同的通信类型,图2-9为各个自动级别及其适应

的通信l叫络。根据焊轨牛产线的结构和特点,管理级由远程计算机担任,单元级则由 现场监控计算机担任,现场执行机构为PLC,执行器级别则由变频器组成,这罩主要 讨论的通信方案主要指的是单元级和现场级以及现场级和执行级之问的通信,今后如

需管理级加入,町在原有摹础上进行系统扩展㈣。

薹,一器
嘲2-9 j:业控制并十级别及其适麻的网络

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第17页

当我们对输送线监控和诊断时,主要采集两个方面的数据,从变频器到PLC的上 行数据,这主要包括变频器的状态数据;PLC到变频器的下行数据,主要为控制数据。 上行数据中是大量采集数据,下行数据是极少的控制数据。上行数据量大,下行控制 数据要求实时性高,所以使用以太网进行各种数据传输是满足要求的。同时,以太网 的实用性强,各种接口转换设黄很容易购置,这样我们可以在恶劣的电磁干扰环境下, 使用成熟的工业转换设备,并在PLC之间远程传输中使用光纤通信,使系统具有更高
的可靠性和稳定性。

另一方面,生产现场的环境较为恶劣,许多设备与现场的信号有可能会受到高强 度的电磁干扰,监控设备尤其是网络交换机也极易受到环境和电磁干扰。因此,绝大 部分的传输线路选择采用光纤网结构,这样就可以大大提高数据的传输速率、降低网 络阻塞率、增强现场数据传送的抗干扰能力。同时,选择了MOSHA系列 EDS一408A一删一SC交换机作为网络交换机。

2.4.4监控系统网络结构设计
根据监控计算机实现的功能以及现场工艺特点,确定主控制室分别设立于焊接工 位和精调工位。由于每条生产线滚筒、变频器、PLC的分布、连接、配置都十分相似, 这里仅以焊接工位为例进行简要阐述。

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以太网

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图2.10焊接线监控系统网络结构图

I-~一r——————一一一 l变频器i
变频器;

I:厶r?口,二r?{

变频器

L二一L—L一

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第1 8页

从图2。lO中系统的网络层次结构来说,从功能角度来看,系统可分为两层,分别
为现场控制层和过程监控层【29】

第一层一现场控制层(CANopen) 它是该网络的最底层,即基层,担负着输送线运行测量控制的特殊任务。该层是 基于PLC一变频器主从结构。每台PLC通过CANopen现场总线通信方式将指令传递 给相应的变频器,PLC和变频器被看成一个子工作站,每个工作站分别完成对变频器 的数据采集和动作控制。 第二层一过程监控层(以太网) 这一层由担任监控任务的工控机和PLC作为网络节点构成的局域网段。基于工控 机一主PLC一从PLC网络结构,通过以太网通信进行数据交换。工控机除了数据的采 集、数据处理、工艺流程动画显示和对控制系统的组态外,还执行对控制系统的监视、 报警、维护等功能,最终达到对参数的控制、生成历史记录和故障报表的目的。本文 利用PLC之间通信媒介即交换机预留的接口,以实现计算机对多台PLC的数据采集和 交换。

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第19页

第三章焊轨生产输送线控制的实现
生产输送线控制系统的实现可分为整个生产线输送系统的控制逻辑设计和逻辑控
制程序、CAN通信程序和以太网通信程序三个部分程序的编写。逻辑控制包括系统滚

筒的起动停止,各个工位之间互锁,钢轨输送的时序;通信部分包括对变频器发送启 动停止指令,速度控制,对变频器故障采集以及PLC之间、PLC与计算机之间的以太 网通信130】。本章将重点阐述焊接工位的逻辑设计以及PLC对变频器的状态采集程序。

3.1控制系统逻辑设计
3.1.1焊接线控制操作台设计 根据长钢轨生产工艺的要求,对焊接输送线主控工位——焊接工位进行逻辑设计。
设计操作台如图3.1所示。


电源


故障


粗磨


正火 一到位

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一j



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萨,


热调25米分25米分段焊前公共长轨区到位焊机工作焊机工作急停 段取消 段有轨


除锈


焊接


粗磨 完成

厂A。 ~—/
正火

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热调25米分25米分段 段取消

长轨区完成焊接完成焊接完成全线停止 前段/全段/后段


工位选择


焊接


粗磨


正火


热调


空冷

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停止
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前进

后退
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低速

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高速 手动


自动


标准


非标准

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前进

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后退

电源

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标准/非标准LL’

,一,

焊前后退

‘二,

变频器低速/高速

自动/手动

指示灯:符号0按钮符号:◎ 转换开关符号:①
图3一l焊接T位控制操作台

1、操作台功能说明

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(1)工位到位灯

第20页


粗唐


正火


搀调

图3-2各工位到位灯示意图

本操作台上各工位到位灯的信号由各工位操作台控制。当焊接工位的主工位监控 操作台允许工作灯亮后,本操作台各工位到位灯亮,指示各工位可以开始作业。如图
3-2所示。

(2)工位完成灯


除锈


焊接






热调

L—————一完成————————J
图3-3各工位完成灯示意图

粗磨正火

本操作台上各工位完成灯的信号由各工位给予,当各子工位操作台完成灯亮后后, 本操作台各工位完成灯亮。指示各工位作业完成。如图3—3所示。
(3)各工位分段说明


工位选择


焊接







o前段倦后段
空冷

粗磨正火热调

10 l

图3-4各工位分段选择示意图

每个工位的分段由工位选择开关和前段/全段/后段选择开关共同决定,选择不同 的工位时,其前段后段前段的定义不同。如图3-6输送分段图所示。 (4)其他按钮介绍 允许工作:按下该按钮后,滚筒动作无效。 焊接完成:焊接完成按钮,通过PLC通信给除锈工位焊接完成信号。 焊前前进:焊接前段100米滚筒正转前行
焊前后退:焊接前段1 00米滚筒反转后退

焊前停止:焊接前段100米滚筒停止动作
手动/自动:选择走轨方式开关 手动:表示滚筒以点动方式进行动作。

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自动:表示滚筒以自动方式进行动作。 标准/非标准:选择所焊接的钢轨标准开关。
标准:表示所焊接的钢轨为标准百米轨。

非标准:表示焊接的钢轨为非百米轨。
运行:变频器上电按钮。

全线停止:急停变频器,不带自锁功能。 25米分段:焊前25米到50米滚筒电机锁定。 25米分段取消:焊前25米到50米滚筒电机解锁。
(5)急停逻辑

急停系统不经过PLC,由硬件来实现。用于控制系统的紧急断电。

3.1.1焊接工位控制逻辑设计

醒亘
焊接不工作

l上

焊接工位滚筒线锁定


图3-5焊接工位控制逻辑设计

当焊接工位工作时,该工位附近的生产线输送电机都不能动作,滚筒线被锁定,
该段的控制按钮在此时无效,这保证了生产的安全性。焊接工位未工作状态下,当焊

前公共段有轨时,焊接工位可以控制其前段200m(如图3-6焊前部分所示)滚筒线, 而当焊前公共段无轨时,其只能控制焊前100m滚筒线(如图3-6焊接前段部分所示)。 在滚筒线焊接工位后段部分,仅当热调工位把控制权交给焊接工位时,焊接工位才能 控制焊接至长轨区的所有生产输送线滚筒,否则,其只能控制从焊接工位到正火工位

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II

第22页
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的200m生产滚筒线。

图3.6所示为无缝钢轨焊接生产输送线分段示意图,其中每-d,段代表50米,由 一台A1’v7l变频器控制,该分段情况充分保证了生产输送的高效性、安全性,分段由 各工位的控制按钮选择。工位选择按钮和前段、后段、全段选择按钮相配合,当选择 到某一工位时,前段表示该工位到焊接工位的生产线滚筒,后段表示的是该工位长轨 区方向600m滚筒,具体的选择方式应根据钢轨的位置和现场的工作情况由操作人员确 定。全段表示焊接工位到长轨区所有滚筒线。

】00米轨分黝碡图

图3-6焊接线百米轨输送分段图

3.2

CAN通信程序设计
PLC编程软件概述
本系统采用施耐德公司UIlity
Pro

3.2.1

XL3.1编程软件进行控制逻辑、以太网、CANopen

通信网的建立和通信程序编写。施耐德UNITY PRO软件界面友好、操作简洁、使用方

便。通过施耐德UNITY PRO软件可以编写多任务;可以通过多种调试语言形式编写程 序(不同调试语言可以在同一程序中混用);可以使用标准或自建的语句块,以满足控制 需要;可以根据要求建立各种类型的人性化变量;在不需要其它辅助软件的情况下, 提供模拟通讯功能以测试程序;可以编制内部画面,并能模拟监控程序等。这些功能

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使调试、维护更加方便,极大程度地提高了效率,同其它软件相比也具有领先性‘311。

3.2.2

CANopen现场总线简介

控制器局部网(CAN—CoNTROLLER AI砸ANETWORK)是BOSCH公司为现代

汽车应用领先推出的一种多主机局部网,由于其卓越性能现已广泛应用于工业自动化、 交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等众多部门。 CAN芯片只提供了开放系统互连参考模型(OSI)中的物理层和链路层功能,一般 用户必须直接用驱动程序操作链路层,不能直接满足工业控制网络的组态和产品互连 要求。为了以CAN芯片为基础构成完整的工业控制现场总线系统,必须制定相应的应 用层协议,实现系统的组态、设备互连和兼容功能。为此目的,1992年在德国成立了“自

动化CAN用户和制造商协会”(CiA,CANinAutomation),开始着手制定自动化CAN的
应用层协议CANopen。此后,协会成员开发出一系列CANOpen产品,在机械制造、 铁路、车辆、船舶、制药、食品加工等领域获得大量应用。目前CANOpen协议已经 被提交欧洲标准委员会讨论,作为一种新的工业现场总线标准EN.50325-4[32】。

3.2.3变频器故障采集程序设计
M340无需添加专用轴控模块,可通过CANopen总线对变频器和伺服电机进行控
制,只用在Unity Pro中调用标准的“运动控制块—MFB"库中的各种指令即可。MFB

指令可以直接控制Altivar变频器驱动异步电机进行速度控制,启动停止等【331。 通过软件配置CANopen端E1、I/O模块、CANopen从站,建立运动轴一系列步骤 后,可编写PLC与变频器ATV71之间通信程序,以单台变频器故障采集程序为例,如
图3.7所示。程序由MC

I迮AD№METER模块组成,其用于通过服务数据对象

(SDO)消息传递读取变频器中由Axis参数定义的变量。

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MC
EN

READP 6R§M ENo

Axis

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202争一 16---

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EXECl厂rE

DoNE

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VAlUE

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图3.7单台变频器故障采集程序 表3.1 MC READPARAMETER功能块各参数说明 参数
ParameterNumber
Subindex VALUE LENGTH AXIS ENABLE EXECUTE ERROR DONE BUSY

类型 双整数构成的数组 双整数构成的数组 双整数构成的数组 双整数构成的数组
AXIS—REF

注释 CANopen索引号 CANopen子索引号 读取的值 读取的值的长度 用于定义变频器的轴类型对象 当为真时,参数有效且功能被执行 上升沿时参数有效且功能被执行 当功能块检测剑错误时,ERROR为真 当完成执行功能时,DONE为真 当正在执行功能块时,BUSY为真

布尔型 布尔型 布尔型 布尔型 布尔型

图3.8显示了该功能块的时序图,其中Execute参数在功能块执行完成(DONE=0, BUSY_o)之前置为l,该功能块在执行中没有任何错误:
Execute Error Done

执行功姥块时 无错误

Co懒ndAbort删:








B吲

厂]



图3-8功能块时序原理图

3.2.4变频器控制程序说明

1、通过调用MC—MOVEVELOCITY指令以改变CANOpen通信参数,如启用或禁 止CANOpen协议、设定波特率、设定运动轴(变频器)转向,指示哪些地址的变频器

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是激活的,标志为激活的任何变频器都自动地在后台进行轮询控制,汇集状态,并防 止变频器的串行链路超时,如图3-9。 2、通过调用MC POWER和MC STOP指令以实现变频器的启动、停止控制。 3、通过调用MC RESET指令完成对CANOpen协议的复位。
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I....................一 图3-9单台变频器控制程序

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3.3以太网通信
3.3.1以太网的配置
使用Unity Pro实现以太网通信的步骤如下【3卅: (1)使用Unity Pro创建项目,本项目中使用的是支持以太网和CANopen通信的 BMW P34 2030处理器。

(2)进入项目浏览器——通讯——网络,新建一个以太网络。
(3)对新建立的以太网进行配置,包括型号系列和IP地址配置,如图3.10所示。 (4)编写以太网通信程序,部分通信程序如图3.10所示。

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图3一10以太网配置示意图

3.3.2以太网部分程序说明

。n幔31t92.1m.z531'

.7 25 拟OVE IN OUT lN 0U丁 5 MOVE

图3.11 PLC之I司通信程序

(1)通过调用WRITE VAR指令将主PLC参数写入从PLC中,本程序段表示将 主PLC从300到315这16个内部字(%MW)的值写入从PLC相应的内部字中。 (2)通过调用MOVE指令将输入值分配给输出,但输入值和输出值的数据类型 必须是相同的。 ADDM函数模块参数描述如表3.2所示【35】。

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表3-2 ADDM函数模块参数 参数

rl

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类型 字符串 8个单精度整数构成的数组

注释 总线或网络上的设备地址 表示设备地址的数组,此参数可用作数 通讯功能的输入参数

Out

表3-3 WRITE VAR函数模块参数 参数
Address OBJ

类型 ARRAY[0..7]OF
INT

注释 消息的接收字符模式通道的地址由 ADDM功能给出 要写入的对象类型,内部字%MW 要写入目标设备的第一个对象的索引 要写入的对象的数量
INT

STRING

mⅢ DINT

NB

DINT

EMIS

ARRAY[n…m]OF

包含要写入的对象值的字表

窒里耋堡奎茎堡圭至圣兰兰堡尘圣
第四章焊轨输送线组态监控程序的实现

矍塑至

焊轨基地钢轨输送线监控系统的功能要求主要包括:获耿现场变频器状奄信号实 现对其实时监控,设备出现故障能立即在界丽显示;根据现场要求,操作人员能发送 控制量信号到现场;监控界面必须生动、卣观,能实现网络发布,从而可以进行远程 监控。百米焊轨输送线监控系统网络和局如图4.1所示(以焊接工位为例):焊轨输送 线监控系统由Windows平台F的工控机和现场的PLC和变频器组成。工控机直接通过 以太网同现场PLC实时交换数据,以实现对现场变频器的状态监测、控制和报警。所 获取的数据在本机上以特定格式加以存储,以便进行信号查询和故障诊断,同时监控 数据还能通过ODBC接口转储到系统数据库中,以实现数据的存储和数据的查询。工 控机是整个焊轨输送线监控系统的核心,系统的监控界面最终在工控机上显示。
=一

*接日一线主=

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月线

月线

月线

日线

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交换机 交换机 立换机 交换机

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交换帆 交换机 交换机 交抉机

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目线

曰”曰艄口“日
目线 婢接房=线主PL二PLC
PLC

月线

蚓4。I监控系统现场网络布局幽

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第29页

4.1软件设计的基本要求
软件是系统的灵魂。在实时工业控制中,高质量的硬件体系固然十分重要,但控 制系统中的控制任务的实现,最终还是要靠程序的执行来完成,因此,应用软件的性 能优劣就与整个系统关系极大,并在很大程度上决定了整个控制系统的运行效率和各
项性能指标的最终实现。对于不同的控制对象,软件设计的具体要求有所不同,但基 本要求是大体相同的,主要要求有【36】:

(1)实时性强。要求软件系统实时监测外部环境,对不同的环境变化作出快速的
决策,并形成相应的输出控制。 (2)可靠性高。一旦系统出现故障,将造成控制过程的混乱,引起严重后果。可 靠性指标一般用系统的平均无故障时间来表示。 (3)可扩展性和操作性好。对用户而言,软件系统应有良好的接口,在不需要知

道过多细节的情况下,即可进行系统功能的扩展,并且软件使用操作要简单。
根据钢轨焊接输送线控制系统要达到的目的和软件设计的基本要求,本课题软件 设计要求为: (1)利用图形直观显示滚筒线动作情况。通过静态和动态图形显示出各工位位置, 各个变频器对应的滚筒位置,滚筒滚动方向等。 (2)可以通过计算机改变变频器频率,实现电机无级调速。 (3)显示各变频器故障,并通过报表记录下来。 (4)可进行功能扩展,与远程管理部门计算机联网,便于日后管理部门查询现场 生产实时数据。

4.2组态软件的介绍及选择∞73
4.2.1组态的概念
组态英文是“configuration’’,是用“应用软件"中提供的工具、方法、完成工程 中某一具体任务的过程。组态与硬件组装类似,如要组装一台个人计算机,市场上有 各种型号的主板、CPU、内存、显卡、硬盘、电源、显示器等,我们购买这些部件拼 凑成自己需要的PC。软件中的组态相比硬件的组装有更广阔的空间,相比硬件中的“部

!I. . . . . . . I. . . . . . . . . . . . . . . . . I. . . . . . . . . I. . . . . .I . . .I . . . . . . . 一— — — I— — _
西南交通大学硕士研究生学位论文 以改变共规格(如大小、性状、颜色等)。
(Supervisory Control and Data

第30页 _———....——I皇

件”更多,而且每个“部件”都很灵活,因为软部件都有内部属性,通过改变属性可

组态软件指~些数据采集与过程控制的专用软件,是面向监控与数据采集 Acquisition,SCADA)的自动控制系统监控层一级的软件

平台和开发环境,能以灵活多样的组态方式(而不是编程方式)提供良好的用户开发界面 和简捷的使用方法,其预设置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各 项功能,并能同时支持各种硬件厂家的计算机和I/O产品,与可靠的工控计算机和网 络系统结合,可向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口,进行系统集成【3引。 在“组态"概念出现之前,是通过编写程序如(使用BASIC、C、FORTRAN等)来实 现某一任务的,编写程序不但工作量大、周期长,而且容易犯错误,不能保证工期。 组态软件的出现,解决了这个问题。“组态"的概念是伴随集散型控制系统(Oistributed
Control

System简称DCS)的应用而产生的,如DCS组态,PLC梯形图组态。在其他

行业也有组态的概念,如AutoCAD,Photoshop,办公软件(Powerpoint)都存在相似的 操作,即用软件提供的工具来形成自己的作品,并以数据文件保存作品,而不是执行 程序。组态形成的数据只有其制造工具或其他专用工具才能识别。由于个人计算机的 普及和技术的逐渐成熟,如何利用Pc进行工业监控,成为工业控制领域的重要研究方 向,市场的发展使很多DCS和PLC厂家主动公开通信协议,向“PC"监控完全开放, 这不仅降低了监控成本,也使市场空间得以扩大,智能仪器、嵌入式系统和现场总线. 的出现,更使组态软件成为工业自动化系统中的灵魂【39】。

4.2.2组态软件的选择
为了跟上当今信息时代的步伐,需要把现场设备、控制器、监控和管理融合为一 体,要实现这个任务,需要设计一个监控的HMI(人机接口软件,Human Machine Interface)。而组态软件是一个使用户能快速建立自己的HMI的软件工具或开发环境。
在组态软件出现之前,工控领域的用户通过手工或委托第三方编写HMI应用,开发时

间长,效率低,可靠性差;或者购买专用的工控系统,通常是封闭的系统,选择余地
小,往往不能满足需求,很难与外界进行数据交互,升级和增加功能都受到严重的限 制【40】。

计算机组态软件把PLC、变频器、监控和管理层信息融合为一体。典型的工业组

西南交通大学硕士研究生学位论文

第31页

态通常分为设备层、控制层、监控层、管理层四个层次结构,它们构成了一个分布式 的工业网络控制系统,其中设备层负责将物理信号转换成数字或标准的模拟信号;控 制层完成对现场工艺过程的实时检测与控制;监控层通过多个控制设备的集中管理, 来完成监控生产运行过程的目的;管理层对生产数据进行管理、统计和查询。监控组 态软件一般位于监控层的专用软件,负责对下集中管理控制层,向上连接管理层,是 企业生产信息化的重要组成部分。焊轨生产输送线系统中,监控需要同时完成数据通 信、画面显示、数据存储、网络发布的功能,因此选用的软件必须支持多任务调度处 理,能够适应复杂的程序流程。同时,监控系统要保证监控界面的生动、直观,监控 软件必须具备强大的图元库和图形处理能力。要实现这些软件功能,最适宜选取的就 是广泛应用于系统监控领域的组态软件(Configuration Software)。组态软件的主要目的 是让使用者在生成适合自己需要的应用系统时不需要修改软件程序的源代码。因此组 态软件在设计时充分考虑了以下的问题【4l】: (1)如何与采集、控制设备间进行数据交换; (2)使来自设备的数据与计算机图形画面上的各元素关联起来;
(3)处理数据报警及系统报警;

(4)存储历史数据并支持历史数据的查询; (5)各类报表的生成和打印输出; (6)为使用者提供灵活、多变的组态工具,可以适应不同应用领域的需求; (7)最终生成的应用系统运行稳定可靠; (8)具有与第三方程序的接口,方便数据共享。 根据分析组态软件的特点,再经过市场调查和查阅文献,列出了国内外一系列应 用面广泛,知名度高的组态软件品牌,如表4.1所示:
表4-1各组态软件比较

产品名称 组态王
Controx Force Control

公司名称 亚控科技
华富 三维 昆仑
Fix,iFix

所属国家 中国 中国 中国 中国 美国

MCGS
Intellution

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Wbnder
CiT Siemens ware InTouch Citech

第32页 美国 澳大利亚 德国

Wince

根据比较,不同的软件应用的领域不同,具有各自的特点,考虑到性价比,售后 服务,和现场其他设备的兼容性以及生产现场要求,最终确定北京三维公司的力控组 态软件6.1版本。

4.2.3力控组态软件的特点【42】
力控ForceControl 6.1组态软件北京三维力控科技有限公司是专业研发的监控组 态软件。软件具有以下特点: (1)方便、灵活的开发环境,提供各种工程、画面模板、可嵌入各种格式(BMP、 GIF、JPG、JPEG、CAD等)的图片,方便画面制作,大大降低了组态开发的工作量。 (2)全新的高性能实时、历史数据库,快速访问接口在数据库4万点数据负荷时, 访问吞吐量可达到20000次/秒。历史数据库可在线备份。支持多服务器处理。 (3)强大的分布式报警、事件处理,支持报警、事件网络数据断线存储,恢复功
能。

(4)支持操作图元对象的多个图层,通过脚本可灵活控制各图层的显示与隐藏。
(5)强大的ACTIVEX控件对象容器,定义了全新的容器接口集,增加了通过脚

本对容器对象的直接操作功能,通过脚本可调用对象的方法、属性。 (6)全新的、灵活的报表设计工具:提供丰富的报表操作函数集、支持复杂脚本 控制,包括:脚本调用和事件脚本,可以提供报表设计器,可以设计多套报表模板。 (7)提供在Intemet/Intranet上通过IE浏览器以“瘦”客户端方式来监控工业现场
的解决方案。

(8)支持控制设备冗余、控制网络冗余、监控服务器冗余、监控网络冗余、监控 客户端冗余等多种系统冗余方式。 力控组态软件包括工程管理器、人机界面View、实时数据库DB、I/O驱动程序、 控制策略生成器以及各种网络服务组件等部分,图4.2为力控组态网络结构图,整个 力控的软件架构类似于图中所示的网络。

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图4-2力控组态网络结构图

4.2

4力控组态软件的组成
力控软件包括:工程管理器、人机界面VIEW、实时数据库DB、I/O驱动程序、

控制策略、生成器以及各种网络服务组件等。

主要的各种组件说明见下删:
a、工程管理器(Project Manager).工程管理器用于创建上程、工程管理等用于创

建、删除、各份、恢复、选择当前工程等。 b、丹发系统(Draw),开发系统是一个集成的开发环境,可以创建工程画面、分 析曲线、报表生成,定义变量、编制动作脚本等,同时可以配黄各种系统参数,启动 力控其他程序组件等。我们说的“组态”就在这里完成,丌芨人员可以在开发环境中 完成监控界面的设计,动画连接的定义、数据库的配置等,开发系统管理了力控的多 个组件如DB、I/O、HMI、NET等的配置信息。开发系统可以方便的生成各种复杂生 动的画面,可以逼真的反映现场数据。运行系统将歼发完的系统进行执行,完成计算

西南交通大学硕士研究生学位论文 机监控的过程。

第34页

c、界面运行系统(View),界面运行系统用来运行由开发系统Draw创建的画面,

脚本、动画连接等工程,操作人员通过它来完成监控。
d、实时数据库(DB),实时数据库是力控软件系统的数据处理核心,构建分布式 应用系统的基础。它负责实时数据库处理、历史数据存储、统计数据处理、报警处理、

数据服务请求处理等。管理器是管理实时数据库的开发环境(Db Manager),通过Db
Manager可以生成实时数据库的基础组态数据,来供运行系统调运。 e、I/O驱动程序(I/o Server),I/0驱动程序负责力控与控制设备的通信。它将I/O

设备存储器中的数据读出后,传送到力控的数据库,然后在界面运行系统的画面上动
态显示。对于采用不同协议通信的I/O设备,力控提供具有针对性的I/O驱动程序,实 时数据库借助I/O驱动程序对

I/0设备执行数据的采集与回送。实时数据库与I/0驱

动程序构成服务器/客户结构模式。一台运行实时数据库的计算机通过若干I/O驱动程
序可同时连接多台I/O设备。

f、网络通信程序(NetClient/NetServer),网络通信程序采用TCP/IP通信协议,可
利用Intranet/Intemet实现不同网络接点上力控之间的数据通信。

4.3焊轨输送线监控系统程序模块设计
在采用力控组态软件进行程序编译之前,首先需要对系统软件进行模块化设计, 根据不同的功能将监控程序设计为几下几个模块如图4.3所示:

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第35页

图4—3监控系统程序模块设计

如图4.3所示,将生产输送线监控系统软件实现的主要功能分为四个模块进行设 计,它们分别为:一是安全管理模块;二是输送线监控模块;三是变频器状态监视模 块;四是数据管理模块。监控组态软件作为操作站软件投入运行后,操作人员在它的 支持下一般可以完成以下任务:在组态界面上实施生产输送线运作控制,查看运轨现 场的实时数据及流程画面;自动打印各种实时/历史报表;及时得到并处理各种过程报 警和系统报警;在需要时,人为干预生产过程,修改变频器参数和状态。 根据要求,在设计钢轨焊接输送线监控系统前,首先对钢轨输送系统的逻辑和流 程进行了分析,从整体把握了工程的结构、工艺流程、控制对象特征,明确主要的监 控要求和技术要求等问题。其次拟订软件工程的总体规划和设想,主要包括系统应实 现的功能、控制流程如何实现、需要用户窗口界面的样式、实现何种动画效果及如何 在实时数据库中定义数据变量;同时分析了工程中设备的采集和输出通道与实时数据 库中定义的变量的对应关系,分清了哪些变量是要求与设备连接的,哪些变量是软件 内部用来传递数据及用于实现动画显示等。最后根据工程的整体规划,按照图4.4设
计钢轨焊接输送线监控系统【441。

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第36页

图44使用力控的工艺流程

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第37页

4.4统计I/o点参数
4.4.1系统输入输出设计
钢轨输送控制系统包含了大量数字I/O变量和模拟FO变量。如滚筒前进、滚筒后
退、横移装置上下等只有接通和断开两种状态,是数字I/O变量。而变频器故障、速 度等是模拟I/O变量。 (1)数字量输入输出设计 数字量即开关量,通过高、低电平实现。在钢轨输送系统中,所涉及的数字量主 要为变频器的启动、停止和控制方向。 (2)模拟量输入输出设计

模拟量是一种在一定范围内连续变化的变量,在钢轨输送系统中,所涉及的模拟 量主要为变频器故障代码和变频器速度给定值。

4.5监控系统的I/0设备驱动心43
I/O

Server直接负责从PLC采集实时数据并将操作命令下达给PLC,主要按照通

讯协议的规定向PLC发送数据请求命令,对返回数据进行拆包,从中分离出所需数据 (即组态的数据连接项和设备状态数据)。I/O Server首先要将组态的数据连接项根据 TCP/IP的要求按照类别分好,把通过一次读写操作能处理的数据连接项放在一起,称 作一个数据包。I/O Server主要以数据包为单位进行数据处理。

4.5.1

I/O设备驱动程序完成的主要功能

1、从I/O设备采集所需数据进行链路维护
I/O

Server将来自设备的数据转换成实时数据库需要的数据类型(实数、整型数、

字符或字符串等),同时要对越界数据作合理解释,以避免操作人员得到错误数据。对 故障设备减少访问频次,以免影响整个系统的数据刷新周期,当故障设备恢复正常后 再将设备的采集周期恢复原值。 2、执行来自操作员的I/O命令管理输出队列
I/O

Server对来自操作员的I/O命令针对设备的特殊要求逐级做合法性检查,是否

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越界。

第38页

3、与宴时数据库进行尤缝连接
I/0

Server与实时数据库间采用进程间通信、直接内存映射、OLE方式或其他更为

有效的内部通信方式,效率较高,可以迅速报告设备的放障信息,产生系统报蕾。IfO Server对柬自设备的数据进行了初步预处理,在一段时删内数值没有发生变化的数据 u『姒不向实时数据库传送或减少传送次数,以进一步提高数据通信的效率。

4.5 2

PLC驱动程序的设置

由于基于组态软件的计算机需要连接PLC,所以需要对其驱动程序进行设置,步
骤如下: (1)定义I/O Server设备驱动程序时要选择对应的驱动程序,在某一驱动指引下

创建的i/0设备对应的都是这个驱动程序。在系统运行时,系统会自动启动这个驱动

曲4一)Ⅱ备赴卅_|1L=1女

(2)在实时数据库UO设各驱动-PLC.蔸迪康一MODBUSfASCII&RTUTCPJIP通讯) 项上双击或者右键添加设备驱动,弹出对话框见图4-6.在设备名称、更新周期、超时
时间项目上添加设备名称Modiconf莫迪康),圳期和超时时间一般采用默认设置即可。

其余选择默认或者根据实际情况调整。点击下一步(如图4-7):

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图4{设备驱动啦置

围4.7设捂IP地址设置

(3)设置设备IP地址,与M340 PLC中IP相一致。选择端u,井设置连续采集 失败次数,其它选择默认.完成设置,点击下一步(见图4.8):

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图4-8设备定义

(4)选择协议类型,贮存器类型,命令支持,点击完成,就完成了I/0设备连接

4.6创建实时数据库
根据软件设计时统计的IJO参数表,建立空时数据库,组忐各种变量参数,并在 实时数据库中建立变量与点的一对应关系,即数据连接。 1、在“开发系统”中,双击“实时数据库”中的“数据库组悫”,弹出“DBManager” 窗口如图4-9,在窗ra中新建数据区域,并新建数据点,指定区域、点类型,在新增点 窗口设定点的“从本参数”:包括点名、说明等。有必要进行报警设置和历史参数设置。

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豳4-9创建实时数据库

2、点击“数据连接”,如图4.10,在窗口中选择需连接的设备如PLCl,还可以增 加或修改连接地址及属性。

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篓!!至

幽4.10数据连接的设置

3、点“增加”按钮,见图4-10,设置点参数所在的内存区。按照统计的∞点参
数地址,在“偏置”中填写点参数所对应PLC地址的字,然后选择数据格式,完成点 参数的数据连接。

4.7工程建立和制作窗口画面
力控组志软件应用程序主要由窗口构成,各种图形均在窗r7上显示。在窗1:2内, 创建图形对象并调整画面的布局.组态配置不同的参数以完成不同的功能。具体操作 步骤为:打丌力控组忐软件,进入力控工程管理器,建立工程为钢轨输送监控系统, 然后进入工程。在“开发系统”中,双击“窗口”,iRA.窗口属性,建立4个工程窗口 分别为:钢轨输送线商口、速度调节窗口、变频器故障报警窗口、变频器故障历史查
询窗口。

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4 7

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1焊轨输送线监控系统主画面







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石板滩钢轨焊接输送线监控系统

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醐4 12监控系统主茴面

图4-12为监控系统主画面,直观反映了成都焊轨基地现场的布局(图4.11)。蓝 顶房屋表示工位,长轨匿灰色矩形表示变频器柜。工位之间的蓝色长方体表示滚筒, 每一个矩形对应50m滚筒,由一台变频器控制.滚筒颜色的变化直观反映出变频器当 前的状态。例如.当滚筒颜色变化为黄色时,表示变频器左行;当颜色为红色时,表 示发生故障。画面最下方为相关窗口转换图标.用鼠标单击任意一个图标,可以进入 相应界面。如需要调节滚筒速度时,点击速度控制进入咀下画面(陶4.1 3)。

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滚筒速度控制与显示

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图4-1 3速度设置画面

4 7

2变频器故障显示、报警画面
点击钢轨输送线监控画中的滚筒阁标,各个工位房,变频器柜.链接到“变频器

故障显示、报警画面”,如图4一14所示:

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幽4-14变频器敞障实时显示画面

变频器故障显示、报警画面主要对变频器状态进行监视,各变频器显示对应动力 滚筒的前进,后退和故障状态,由指示灯显示。当变频器发生故障(包括部分电动机故

曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼I—I

西南交通大学硕士研究生学位论文
II 。 I

第44页
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障)时,故障灯显示红色,发出报警,同时实时显示出故障类型,从而可实时对相应变 频器检修。还可以通过点击故障查询按钮查看每一台变频器的历史故障记录。显示画 面以一个变频器柜为单位,方便现场对号查找。此功能是通过控件的形式来实现的, 提高程序的重用性和可移植性。

4.7.3变频器故障查询画面及数据库报表的生成
1、历史故障查询画面

点击监控系统主画面中的三线故障记录图标,可链接到“变频器故障记录画面” 如图4.15。变频器故障记录画面主要是显示每个变频器的故障及其类型,故障时间, 解决方法。表4.2中为事先统计的变频器常见故障类型和修复措施【451。
表4.2变频器常见故障类型和修复措施 序号 故障名称 代码 可能原因 1、没有连接电机或电 机功率太低


修复措施 1、检查变频器与电机的连接 情况,线路是否接触好 2、检查变频器所连接的电机 是否跳闸 1、检查电源连接情况与保险 丝 2、使用3相线路电源 3、通过[输入缺相](IPL)= [No](no)来禁止故障 l、检查变频器与电机之间的 电缆连接情况以及电机的绝

电机缺3相



2、输出接触器打开 3、电机电流瞬时不稳 定 1、变频器供电不正确 或保险丝熔断 2、1相出现故障 3、3相A,Ⅳ7l在单相线 路电源上使用 4、负载不平衡



输入缺相





电机短路



变频器输出短路或接 地

缘情况 2、通过[1.10诊断]菜单 执行诊断测试 3、检奄/修理变频器 l、检查变频器与电机之间的

1、变频器输出短路或 接地


电缆连接情况以及电机的绝 缘情况 2、通过[1.10诊断]菜单 执行诊断测试 3、检查/修理变频器 4、减小开关频率 1、检查通信总线 2、检奄是否超时

接地短路

13


2、如果几个电机并联, 变频器输出有较大的 接地泄漏电



CAN通讯错误

22

CANopen总线上通信中 断

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西南交通大学硕士研究生学位论文 第45页 _I曼!曼皇曼曼曼曼曼!曼曼吕曼量鼍量曼舅曼曼曼曼曼曼!曼量曼曼鼍曼曼


3、参考CANopen总线用户手 册


欠压故障

27

1、主电源电压太低 2、瞬时电压下降 1、主电压太高 2、主电源波动

检查电压及[欠压管理] (USb-)的参数



输入过电压

28

检查主电压

l、检奄电机负载、变频器的


变频器过热

30

变频器温度太高

通风情况及周围温度 2、在重起动前应等变频器冷 却下来

图4.15为精调线故障查询画面,选择好查询时间段,变频器号,故障记录表格就 会显示对应时间段出现的故障类型和修复措施。



时问:巨至二固臣至王巫习
变须器选择

线路3故障查询
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三鳢长轨区变绷sl艚■

C ?丘 ^。l 107 2000105/18三缝工位变频暑1故障dt随t2,内存故障.控制卡 100 109 l 10 111 112 11 3
114

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2009/05/18三j妻工位变频嚣i故障故障2I.变频嚣供电7F正确藏熔断嚣烧断 2009/05/10三缝工位变频善1故障故障21.变劳嚣伊电不正确藏熔断嚣烧断 2009/05/18三线工位变努暑1故障故障21,变努嚣供电不正确藏熔断羞撬断 2000/05/18三线工位变频嚣I故障故障M.通讯错误 2009/05/19三线工位变频睾1故障 2000/05/10三鳢工位变频箸1故障 2009/05/10三线工位蓼婶嚣I抄障 2009/05/10

115 1 16 1 17


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2009/05/19三装长轨E变劳搴:故障故障2.内存故障,控制卡 2009/05/19三封:长轨医变频嚣2故障故障2.内存故障,控制卡 2000/05/19三线长轨匠变绚搴2故障故障2,内存故障,控制卡 2009/05/19三线长轨巨变频箸2故障故障20,变频嚣输出端—个相擎失 2009/05/19三线长轨区变频毫1故障故障19,线电压过高线电潭有扰动 2009/05/19三线长轨匠蔓频基l故障dltdNi22.变频嚣线电潭过低 2009/05/19三线长轨区变狮嚣i故障 2009/05/19三线长轨医变频暑2故障故障10。绒电压进商线电潭育扰动



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图4-15历史故障查询I旦J面

2、Access数据库报表的生成

由于实时数据库在系统运行过程中,应占用空间小并常驻内存,以保证数据库读 取速度快,存取灵活,易于各功能模块之间的数据共享。对于那些实时性要求不高的 非共享数据和共享数据,可以存放在外存储空间。因此,在实时数据库设计时,可将 历史数据存放在外存储空间,以保证工控系统的实时性。实时数据库中的事务并发运 行和存取共享数据,彼此存在相互干扰,因此还需要采用合适方法解决数据库的实时

西南交通大学硕士研究生学位论文 并发控制问题【棚。

第46页

力控组态软件作为基于Windows平台的过程控制系统的资源配置和人机界面的通

用开发软件工具,充分利用了Windows提供的数据交换技术和标准,实现与其它软件 的数据交换,使人机界面能更生动、更直接反映工艺生产过程的状态,操作人员可以 更方便地进行系统操作和管理。在实际应用中,经常会遇到需要监控软件与其它应用
程序进行数据交换的问题,如现场采集的数据要送到EXCEL表格或数据库中进行数据 处理等。目前,Windows提供了ODBC标准来支持组态软件与第三方程序间的数据交 换【471。

其中ODBC.Driver是数据库登录驱动程序,如Access

Driver、SQL Driver等,这些驱

动程序是由操作系统管理调用的。组态软件将点值交给Windows数据源,操作系统负责 将这些点值送往数据库,数据的流向是双向的。配置ODBC数据源,可以用Windows 控制面板的数据管理器来定义。选择不同的ODBC驱动器,可以配置不同类型的数据 源。例如可以配置SQL Server或Access数据源,然后在组态软件中对相应的数据源与 实时数据库进行匹配,加入点组态名称,这些点名将被登录至实时数据库,这样,组

态软件与Access数据库之间通过ODBC就可以实时交换数据,如4.16副431。本文运用
以上技术,通过编写连接数据库脚本函数,将采集的变频器故障类型生成Access数据 库报表,如图4.17。 Data Source Name

l Windows

32Bit∞Bcl

ICongfiguration腑I
l(Data Point)
图4.16组态软件与Access之间数据交换原理

数据库连接脚本函数: SQLConnect(net,"DBQ=C:kDocumentsandSettingskAdministrator\ 桌面\guzhang.mdb;
DefaultDir=C:\Documents and

SettingskAdministratofl桌面;

Driver={Driver
Driverld=25;

do Microsoft Access(宰.mdb));

西南交通大学硕士研究生学位论文
FIL=MSAccess; FILEDSN-C:kDocuments and

第47页

settingsudministrmr懔面、l;z—db

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MaxBufferSize22048;MaxScanRows28;PageTimeout=5:

SafeTransactions=0;mads=3;
UID=admin;UserCornmilSync2Yes;”)

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固4-1 7Access报表的生成

由图形对象措制而成的图形画面是静止不动的,需要对这些对象进行动态设计,

真实的表现外界对象的状态变化,达到过程的实时监控目的。力控实现图形动画设计 的主要方法是将窗u中的图形对象与实时数据库中的数据对象建立相关性连接,并设
罱相应的动画属性。在系统运行的过程中,图形对象的外观和状忐特征.有数据对象

的实时采集驰动,从而实现了图形对象的动画教果。 钢轨焊接输送线监控系统需要制作的动画效果包括滚筒状态变化、横移装罱上下 运动、速度显示等。由于动画连接的操作方法及步骤相似,仅以横移装置上下运动说 明动画的组态没计:

皇里圣堡奎兰至圭堑窒圭兰堡篁塞
1、双击横移装置图形,弹出“动画连接”窗口,如图4—18

里!!里

圈418动画连接窗口

2、点击“尺寸旋转移动”中的“旋转按钮”,弹出“目标旋转”窗口,见图4-19 在“表达式”中选择变量“hengyizhuangzhishang”,在下方设置值变化,完成动威连接。

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图4-19横移装置动作的醴置

西南交通大学硕士研究生学位论文

第49页

4.9动作脚本编程
4.9.1脚本系统简介
为了给用户提供最大需求,力控提供了动作脚本编译系统,具有自己的编程语言, 语法采用类似BASIC的结构。这些程序设计语言,允许在力控的基本功能基础上,扩 展自定义的功能来满足用户的要求。力控的动作脚本语言功能很强大,可以访问和控 制实时系统的所有组件,如实时数据、历史数据、报警、报表、’趋势和安全等;同时,
r●^1

用户通过这类脚本语言,可以实现从简单的数字计算到用于高级控制的算法功能卜酬。 动作脚本可以增强对应用程序控制的灵活性。比如,可以在按下某一个按钮,打 开某个窗口或当某一个变量的值变化时,用脚本触发一系列的逻辑控制、联锁控制, 改变变量的值、图形对象的颜色、大小,控制图形对象的运动等等。所有动作脚本都 是事件驱动的。事件可以是数据改变、条件、鼠标或键盘、计时器等

4.9.2动作脚步语法
“脚本”的英文叫Script。它是一种解释性的编程语言,是从主流开放编程语言演 变而来的,比如C、BASIC、PASAL等,通常是它们的子集,脚本不能单独运行,比 如力控软件的脚本要靠VIEW程序解释执行,脚本可以扩充和增强VIEW程序的功能。 动作脚本语言支持赋值、数学运算等基本语法,也可以书写由IF.ELSE.ENDIF等 语句构成的带有分支结构的程序脚本,它由这几部分组成t变量和常数、操作符、表 达式、赋值语句、条件语句、多分支语句、循环语句。

4.9.3动作脚本编写
命令型动作脚本包括窗口、应用程序、数据改变、键和条件等。可以在菜单或者 在的导航器中启动命令型动作脚本的定义过程,如图4.20所示故障显示脚本程序。故
障显示动作脚本程序通过SWICH语句,属于数据改变的动作脚本,当变量“gzl"发

生变化时,将会输出显示的故障类型。(程序见附录)

皇里茎塑奎兰至圭墼塞兰兰堡重塞

量i!圣

圈4.20故障显示脚本科厅

4.10安全管理
对于钢轨焊接输送线,安全是最重要的环节。作为保证安全生产的措施,对监控 系统的安全管理也是非常必要的。为了保证监控系统的安全运行,通过进行安全管理 力方面的设置可以防lt因咀外或非法关闭系统、非法进入丌发环境修改参数或者对未 授权的数据进行更改等操作。

4101系统保护
在“配置/系统参数”项中,通过设置“禁止退出”、“禁止Alt及右键”和“禁止
Ctrl+Alt+Del”选项后,即可以防止在未经容许的情况下非法关闭系统,非法进入开发 环境修改参数。具体设置方法如图4_2l所示:

堑里圣塑奎兰墼圭竺至兰茎篁堡塞

篓i!至

410.2用户管理
用户管理窗口用于不同级别用户登录进行不同绒别操作及对下级用户的管理㈣。 在钢轨焊接输送线监控系统中,创建了四个操作级别,即操作工级、班长级、工程师 级和系统管理员级。在四个操作级别中操作工级别最低,系统管理员级别最高。通过 SWITCH语句可进行相关的用户创建,并为1;同的用户分配密码。动作脚本如下: SWITCH¥userlevel
CASE O:

Userlevell-“操作丁级” Userlevel2=“陵用户只具有【操作工级】及以下的管理权限”;
CASEl:

Userlevell=“班长级” Usedevel2=“该用户只具有【班长级】及以下的管理权限”:
CASE2:

Userlevell-“工程师绒” Userlevel2=“该』;}j户只具有【丁程师级】及以下的管理权限”:
CASE3:

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Userlevell=“系统管理员级’’ Userlevel2=“该用户具有全部管理权限”;
DEFAULT:

第52页

Userlevell=“当前无用户登录’’

Userlevel2=“操作权限相当于【操作工级】身份登录”;
ENDSWITCH

4.10.3变量操作管理
变量是钢轨焊接输送线监控系统的重要组成部分。在系统的运行坏境下,工业现 场的生产状况将实时地反映在变量的数值中,操作人员在计算机前发布的指令也将通 过变量迅速传达到生产现场。在力控中,有窗口中间变量、DDE中间变量、间接变量、 实时数据库变量、宏变量、系统变量等类型。在变量方面设定相关安全区,四个操作 级别只能操作相应允许的安全区中的参数变量,这样就可以避免许多误操作。

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第五章焊轨输送线监控系统的调试
钢轨焊接输送线监控系统软件完成了编译工作后,需要对PLC和变频器通信程序 以及组态内容进行调试,检查PLC是否能和变频器实现数据交换,组态参数是否连接 正确,动作脚本是否可以正确表现钢轨焊接输送线运行状况,相关参数变量是否能正 确显示等,系统总体调试工作分为PLC调试和组态软件调试两部分。

5.1

PLC和变频器通信调试
在对单台变频器调试之后,PLC可以读到变频器的故障代码,但是逐步增加变频器

台数,通信距离超过200M后,变频器故障代码无法显示。同样,PLC给变频器发送指 令时,变频器也无动作。通过成功调试单台变频器,排除了程序编写错误的可能性, 最后得出结论:CANopen通信受到现场干扰和信号衰减使得通信中断。

5.1.1系统抗干扰措施
干扰又称噪声,是窜入或叠加在系统电源、信号线上与信号无关的电信号。干扰 不仅会造成测量误差,严重的可使整个检测、控制系统失灵、甚至崩溃。只有充分认 识干扰的危害,认真分析各类干扰,并采取行之有效的措施才能保证自动控制系统正
常运行。


可编程控制器的主要应用场合是工业现场,工作环境中各种干扰对系统设备的正 常运行存在着严重的影响。在本系统中也不例外,所以有必要考虑抗干扰的措施。 干扰种类繁多,以下主要介绍在调试过程中遇到的几类常见信号干扰及解决方法。 1、电源对信号的干扰 有些设备采用简单供电方式或者电源和信号回路间“隔离"不理想均可造成信号 干扰,严重影响PLC正常工作和通讯质量。PLC供电电源应和大型设备采用分离的电网, 避免大型设备工作时对电网造成较大波动而致PLC供电系统不稳定。同时,为了消除 PLC供电电源对信号线的干扰,在本系统中采用外加合适磁环稳定通信。 2、电容耦合引入的干扰 控制现场很多信号电缆同时接入PLC,这些电缆之间存在分布电容,干扰会通过

西南交通大学硕士研究生学位论文 分布电容加到信号回路中,对系统造成干扰。

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抑制这类干扰行之有效的措施是信号电缆屏蔽层和设备可靠接地,对这~要求在

安装过程中必须严格把关,由于屏蔽接地不正确可以造成整个系统无法工作,甚至瘫痪
的情况。 3、抗干扰的主要措施有¨卵: (1)采用地下深埋方式。由于架空线路受干扰较大,采用地下方式可以有效地消 减各带电体的静电感应,从而排除干扰。 (2)输入信号电缆、输出信号电缆和电力电缆都要分开敷设,不能扎在一起。 (3)必要时需选用带有屏蔽层的输入和输出信号电缆,并注意一端接地。

(4)多芯电缆中的备用芯线也要一端接地,一则扩大屏蔽作用,二则抑制芯线间
的信号串扰及外部干扰。

(5)为避免干扰,同一电平等级的信号才能用一条多芯电缆传输。所以,低电平
信号线应与其它信号线分开。尽量缩短模拟量工信号线的长度,并采用双芯屏蔽线作 为信号线。 (6)PLC柜和变频器柜应有独立的接地线。 (7)引至柜的电缆要尽量远离那些会产生电磁干扰的装置。 (8)一般要将装于专门的电柜中,要注意四周应留有足够的净空间,保证良好的 通风环境,在设备现场,要充分考虑周围环境的影响,尽量不要将安装在多尘、有油 烟、有导电灰尘、有腐蚀性气体、振动、热源或潮湿的地方。

5.1.2信号衰减解决方案

本项目所选择CANOpen通信波特率为125Kbps,理想情况下通信距离为500m,

在复杂的工业现场情况下,环境干扰使其通信距离大大缩短,在本项目1400多米的现
场中,必须采取有效的信号衰减解决方案才能实现统一控制。 中继器的采用能够增加总线的负载能力和延长通信距离。同时,通信线路末端及 中继器处还要接入适当阻值的终端电阻,接入终端电阻的目的是为了消除在通信电缆 中的信号反射。 通过反复改变中继器位置并进行调试,最终确定在每间隔200m距离处加上中继 器,并匹配120欧终端电阻。

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第55页

5.2组态软件的调试
5.2.1仿真调试
仿真调试是指在计算机不连接PLC情况下,测试所编写的程序逻辑及语法是否正

确,其简单方便,为下一步现场调试做好充分准备。
进入调试前,首先保持所有组态内容。在力控开发系统(DRAW)中,点击“文 件",点“进入运行”,将进入力控的运行系统。模拟调试主要完成以下工作: 1、观看各个模块图形界面布置是否合理,基本功能(如运行主页面显示)‘能否实 现。 2、改变系统数据库变量,测试脚本函数是否正确,查看变频器状态显示,横移装 置,速度设置等是否合理。 3、查看故障是否能实时显示并在历史记录里记录下来,是否生成Access报表。 调试过程中,如果达到要求,即可进入下一步调试。如果达不到要求,就要进入

开发系统做进一步优化,直到符合要求为止。

5.2.2现场调试
现场调试是指在钢轨焊接输送线现场,通过交换机将计算机与一、二线的PLC连 接,打开仿真调试好的组态程序,点击“进入运行"进入运行系统,进行调试。 现场调试首先要检查PLC程序,确定变频器相关信息是否成功存储在PLC相应的 寄存器中。然后检查组态程序中与PLC连接的变量地址和PLC中变量地址是否一致。 数据连接成功后,检查画面是否按照预先设计根据变频器动作显示相应的变化,由此 进行反复修改以优化画面,达到最终目的。 仿真调试工作准备好后,即可结合钢轨焊接输送线操作台进行调试。主画面调试 分为变频器动作状态显示调试,横移装置调试,速度控制调试等。 1、变频器状态显示调试 如图5.1所示,按下焊前前进,3号房之前200m滚筒颜色变化为黄色,即向左滚 动。经过多次重复调试后退、停止、故障后,画面均按照编写的脚本进行了相应的变

化。变频器状态显示程序已初步达到要求。

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缸板滩钢轨焊接输送线监挣系统

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型熙嘉“怠磊鼐蕊me,
幽5-l监控土画面动态显示调试

2、速度控制调试

如图5.2,在一线速度给定框中输入40HZ,点击确认.就会将数据库中变量sudul 设氍为40HZ(这晕的速度指的是变频器的频率)。这时滚筒实时速度显示也为40HZ, 说明速度已经成功给定变频器。如皋输入100HZ,速度值将超限,滚筒的实时速度显 示不会变化,变频器维持原有频率运行。

滚筒速度控制与硅示

线建度R示与挡制

壤信实时建度蛤定40 豌幅盛时磕度显示40

HZ

缓饲实时速度鲐定100 攘俪宴时速度显示30

Hz

HZ

HZ

黧熙二赢息磊鼐嘉
幽5-2速度控制画而调试

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3、变频器故障显示调试 (I)当前显示调试

第57页

因为变频器故障有几十种,如输出短路,输入短路,欠压等f5“,所以变频器故障 变量为整形模拟量。例如,将三线长轨隧2号变频器内存卡强行拔掉后.PLC程序中
故障代码显示为2,长轨区1弓柜画面中2号变频嚣故障灯显示红色,报警出现故障,

如图5-3。这时故障实时显示框中,显示故障号和故障类型为内存故障。

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圈5"3实时故障显示画面

(2)故障历史记录调试 点击图5-4中的故障查询按钮,进入故障历史查询画而,即故障查询画卣。通过

设置时问,选择需要查询的变频器,可以查询近一个月任何时段任何变频器拉生的故 障。打开Access数据库报表也有相应的记录。经过多次重复调试,故障显示符合要求。
4、组态软件调试中遇到的问题

(1)主画面中个别滚筒位置与现场滚筒位置不~致,通过调整画面上滚筒位置即
可。

(2)将变频器断开电源后,计算机组畚画面没有显示变频器故障,查看实时数据 库系统如图5-4.变频器故障变量“gz”为0。是因为PLC没有将故障传送到汁算机, 需要检查PLC与变频器通信程序和组态软件数据库与I/O设各连接。 (3)在速度调试过程中,计算机组悫程序中改变“suau”变量值,通过PLE编程 软件Un时监视,PLC中速度变量没有发生变化,变频器频率没有发生变化。经过多 次调试,发现组态软件的上位机可以读写PLC中的数字量,可E工读取PLC中的模拟量,

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变。

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却不能将其写入PLC中,通过改变速度寄存器的命令类型,实现了对变频嚣频率的改

。:球

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图54实时数据库系统

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结论
本文针对焊轨基地传统控制方式的不足,设计了一套基于力控组态软件的网络监 控系统,重点解决了系统中的网络搭建问题、组态画面设计问题以及变频器状态采集 问题。通过在成都铁路局焊轨基地的调试及试运行,得出以下结论: 1、根据焊轨生产线的工位布局,结合网络技术、变频调速和PLC技术,设计了基 于以太网的监控系统网络,组建了以工控机一PLC一变频器等构成的集散式多重网络
监控结构。

2、根据焊轨生产线工艺流程,设计了合理的控制逻辑,使得生产现场钢轨运输更
加安全可靠。

3、运用力控组态软件开发平台,设计了动态监控界面,通过PLC与变频器数据 交换,将生产输送线的参数设置,变频器的实时状态显示和故障报警集中到操作界面 上,同时将故障记录生成Access数据库报表,达到了生产输送线可视化集中监控要求,
系统运行稳定可靠。

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第60页

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致谢
首先,向我尊敬的导师骆德阳老师,致以最诚挚的谢意!在两年多的研究生学习 期间,骆老师就像我的父亲一样,无论在学习上还是生活上,都给予了我莫大的关怀、 帮助和鞭策!导师在理论课程学习、科研实践工作和毕业设计中都给予了悉心的指导。

导师严谨求实的治学态度、脚踏实地的工作作风和优良的个人品质,都是学生学习的
楷模! 再次,感谢课题组的吕其兵老师、谭克利老师、戴虹老师、陈辉老师,他们在学 业上对我进行指导,在生活中像亲人一样关心我,帮助我。同时,感谢成都艾格机电 王济川工程师、张民安、陈建、程小红、任好娟、冯文杰等同学对我学习和生活上的 帮助,让我度过了一段美好的研究生时光。成都铁路局焊轨段的领导及员工在本论文 的研究过程中给予大了力支持和帮助,在此一并表示感谢。 最后,我要感谢我深爱的父母和我的男友,他们为我的成长付出了无尽的心血, 多年来,正是由于他们对我学业上的支持、理解和鼓励,对我一如既往的殷切期望和 无私奉献,给予了我无尽的关爱和动力,才使得我得以顺利完成学业!

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攻读硕士学位期间发表的论文
[1]张丹妮,骆德阳,冯文杰等.基于力控组态软件的百米焊轨生产输送线监控系统 [J].西南交通大学学报增刊,收录

钢轨焊接生产输送线监控系统软件开发及应用
作者: 学位授予单位: 张丹妮 西南交通大学

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y1687823.aspx


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