西门子CPU模块6ES7318-3FL01-0AB0型号规格

1 引言
电源监控是铁路信号的重要的监控系统。在此之前信号的电源监控系统基本上是采用单片机作为信号采集系统的核心。单片机监控系统一方面存在采集速度慢、界面不友好、操作不方便等技术局限，另一方面由于其中的电源模块部分的监控相对独立，对电源系统带来了诸多不便，比如维护困难、界面显示繁琐等。基于以上原因本项目配套开发了基于台达PLC作为信号采集核心、台达HMI触摸屏作为操作和监视界面的电源监控系统。监控子系统与电源模块通过工业总线网络互连实现整合的经济实用、技术**的铁路信号的电源监控系统。
2 硬软件系统设计
2.1硬件体系设计



图1 硬件体系设计
铁路信号电源监控硬件体系设计参见图1。系统规模：44个数字量输入；1个数字量输出；6个电源模块；39路模拟量输入。
控制系统配置如下：触摸屏：DOPA75CSTD；PLC：DVP16EH00T＋1个DVP04AD-H＋3个DVP16HM11N；电源模块通讯卡1块；分时采集电路卡1块。
触摸屏主要是用来显示采集数据、报警、报警上下限设定、采集数据显示微调、报警数据显示、历史趋势图显示等。PLC主要是采集数据并计算，由于考虑系统对模拟量采集的速度要求不是很高，为了节省成本，系统中使用了1 个DVP04AD-H对39路模拟量进行了分时采集，为了实现这个功能我们与厂家共同实验开发了一个电子开关电路，对39路模拟量分了十组、每组4路，通过输出不同的组别进行采集。电源通讯卡主要负责把6块电源模块的数据汇总并且通过RS484接口以MODBUS协议与PLC通讯，使PLC采集得到6块电源模块的数据，为实现这个功能我们公司的电源研发部门做了大量的工作，终使PLC与电源模块的通讯卡实现了通讯，电源模块的信息得到了采集。
2.2软件体系设计
（1）系统功能设计：44个数字量采集显示，故障判断；6个电源模块的数据采集显示、显示电源模块的工作状态并判断报警；39路模拟量显示、并判断上下限报警；显示报警画面、报警信息、当前报警、报警频次；报警上下限设定；数据微调功能，并且显示微调值；
历史趋势图显示；不同画面开启权限设定；
以上有必要说明的是数据微调功能，由于现场的一次测量元件测量会有误差，而且此误差是固定的，短时间内是不变的，所以在程序当中增加这部分功能，使终显示出来的数值是消除误差之后的值；
（2）系统结构设计分为HMI人机对话界面部分和PLC现场监控部分。HMI部分主要构架参见图2。


图2 HMI人机对话界面
PLC监控部分主要包括：电源模块通讯；分时采集40路模拟量，每次采集4路；对采集的模拟量根据量程进行计算得出显示值，显示电源模块的工作状态并判断报警；微调值计算，显示值微调，并做负值消除；故障和报警；数字量采集显示，故障判断；
3 工程调试
调试分时采集功能时需要注意分时采集的时间，过大会影响整体数据采集的时间，过小会造成采集数据混乱，另外需要在两次采集数据之间加一段间隔时间，避免两组数据的重叠。对采集的模拟量根据量程进行计算得出显示值。微调值计算，显示值微调，并做负值消除；注意微调时可能会出现负值情况，所以要考虑负值的消除。电源模块通讯注意电源通讯时的通讯协议一定要在通讯卡中设置好，包括站号设定，另外注意地址对应。故障和报警；因为报警点共有79个，很繁琐，需要思路清晰。

激光系统

激光发生器由机器人或控制单元控制，被放置在激光安全防护罩外，为了节省占地面积，有时将其放在高处。连续Nd：YAG固体激光器1.06mm的波长和光纤传导适用于快速切割，一般用10～30m长的光纤将激光能量传送到工件表面。用金属加固的光纤导管非常坚韧耐用，可像普通的管线一样使用，唯一的限制是小弯曲半径约为200mm。

在机器人手臂和光纤末端连接的是激光切割头，它将光束聚焦到工件表面，同时保持与工件表面恒定的距离，并传递切割辅助气体。在切割平板的激光系统中，为了使切割头坚固且操作灵活，可将其做的较大。机器人系统进行的是三维切割，必须将切割头设计的轻而小，尤其在靠近切割喷嘴的部分，以便使它更靠近切割部位而不受干扰。另外，它还必须具备良好的密封，以防止灰尘和金属蒸气进入，同时尽量避免碰撞，以防止被损坏。

为了保持激光始终聚焦在工件表面上，在切割头喷嘴上使用了电容高度传感器，将指令传送给伺服系统。移动聚焦透镜和喷嘴与工件表面保持1mm的距离（如图1），浮动范围为25mm。

图1 切割头必须沿工件表面跟踪，使激光始终在工件表面聚焦以补偿工件的制造误差

工艺流程

液压成型管在每一侧都有许多部位需要切割，并在端口有一处切割，称为“端口切割”。 我们以此作为工艺流程的实例：步是将管液压成型为所需形状，将管送入激光机器人工作站里并将其立起，使里面积蓄的液体流出，否则液体会影响激光切割头上传感器的工作。当然干燥的管子是好的，但如果在切割位置附近没有过多积蓄的液体，湿的表面也可以接受。随后，管子被装入卡具准备切割，通常为一种变位装置。这种转动系统可以在一个管子转入激光防护罩内进行加工的同时，使另一个管子在加工区外装卡。将工件的每一面转动到切割头位置进行切割，既可以减少机器人的动作量及空程时间，也可以简化管线的运动路径（如图2）。

在激光切割时，排尘装置从管子末端吸走切割中产生的金属蒸气和颗粒。在切割完成后，管子再次被垂直立起，倒掉里面的熔渣，后集中到废料收集器里。

激光器

激光切割的缝宽约为0.2～0.6mm，切割部位的尺寸受机器人臂长等因素的限制，而切速由激光功率和缝宽来决定，激光切割的速度曲线如图3。然而，激光切割速度并不是加工周期的唯一因素，机器人系统还必须花大量时间在不同的加工位置间移动，即“空程时间”。在整个加工周期中，机器人以快速度运动的空程时间要占50%，甚至更多，因此，在计算成本时还要考虑到这一问题。

图3 决定激光机器人单元加工周期的因素。以切割10个圆孔和3个型孔为例，上下料和装卡需20s

液压成型管激光切割系统配置的优化主要取决于速度、成本和质量，其中GSI激光器一个突出的功能是可以产生几百赫兹的脉冲输出，峰值功率高于连续波平均功率的2倍。这不仅可以产生更快的穿刺，在进行垂直于表面的切割时，还可以产生更快、更稳定的切割；对于半径小的圆进行切割，可以保证边缘切割的质量更好；对于反射性材料进行切割，可使速度更快，如铝和镀锌板。

对机器人的选择

机器人运动的精度、光滑度和重复性决定了切割精度。激光切割几毫米厚材料的精度为±35mm，包括机器人路径，精度为±250mm。机器人点对点的重复定位精度决定了实际加工点的位置，大约为±70mm。

一个合适的机器人应至少有六轴运动，并可再加一个或更多轴来旋转或移动长的工件。负载为激光切割头，通常小于10kg。

切割头

如前文所述，切割头应该小、窄、轻且快，并能耐受较脏的切割环境。大的金属氧化物颗粒和烟尘会损坏光学镜片和移动机构，而不锈钢结构和滑块密封结构会减少磨损，快换式、预准直的切割喷嘴和聚焦镜片还可快速更换。此外，新型切割头还可以防止碰撞。当在切割中产生飞溅和等离子云，或在进行斜角切割时，保持切割头与工件的固定距离至关重要，GSI的切割头可以做到这点，并可在加工中不断地进行自我校准。

将光纤、电缆和气管固定在一起，需远离切割区，以免工件在加工中受阻或使其在运动中扭曲，所有的管路都应安置在切割头的一侧。切割头为直角是好的，这样光纤可以沿机器人手臂固定，不仅可减少光纤在切割头上的扭曲，也可使更多的光纤用于工作区。