基于单片机和PLC控制的铁轨喷油监控系统

孙立辉，陈　伟（.吉林化工学院信息与控制工程学院，吉林吉林　30；.南京航空航天大学自动化学院，江苏南京　06）



基于单片机和PLC控制的铁轨喷油监控系统

孙立辉1，陈伟2
（1.吉林化工学院信息与控制工程学院，吉林吉林132022；2.南京航空航天大学自动化学院，江苏南京211106）

摘要：针对铁道运输过程中铁轨弯道磨耗严重的问题，设计一种基于单片机和PLC控制的铁轨喷油监控系统，通过对铁轨喷油器喷油的控制，较好地减轻了机车在弯道时对铁轨的磨损，延长了铁轨的使用寿命。该系统分为两部分：下位机采用两种控制器，AT89C52单片机实现信号采集和存储功能，同时采用三菱EX2N文本一体机实现喷油控制；上位机采用虚拟仪器软件LabVIEW 8.6为开发平台，实现了监控喷油器的喷油次数、油量控制以及故障报警等功能；下位机通过GSM模块与上位机建立无线通信。经过实验室的模拟实验，完全能够实现多台铁轨喷油器实时监控功能，具有广阔的市场前景。

关键词：铁轨润滑；监控系统；文本一体机；LabVIEW

随着列车速度和车载重量的不断提高，轮轨润滑问题显得越来越突出，合理的润滑可以减少轮轨的磨耗，提高机车运行的安全性和平稳性[1⁃2]。近年来，许多学者也积极研制轮轨润滑装置[3⁃4]，但市场上的喷油器缺乏自动化和智能化。智能铁轨喷油系统的开发，节省了大量保证喷油器正常工作所需要的人力、物力和财力，同时实现上位机的监测和管理，大大提高了铁轨喷油器的工作效率。

1　系统总体方案设计

该系统采用三菱EX2N文本一体机实现对铁轨喷油器进行控制，通过对雷达探测电路和电磁探测电路的信号采集以实现对机车进行探测的功能，通过对油量检测电路的信号采集以实现对油箱内剩余油量情况的判断。AT89C52单片机用来采集喷油器的各种故障信息和对喷油次数进行记录，外加存储电路将其进行存储方便系统进行调用。利用GSM模块将报警信息和喷油次数发送到上位机，同时接收上位机下达的各项指令，以实现对铁轨喷油器的信号采集和监控的功能。系统框图如图1所示。

2　下位机硬件设计

下位机由单片机和PLC两个控制核心组成，彼此通过无线通信传递信息。PLC负责机车检测和轨道喷油控制，单片机负责信息储存以及与上位机通信。下位机硬件连接实物图如图2所示。

图1　系统框图

图2　下位机实物图

2.1机车探测电路的设计

本系统机车探测电路由雷达开关传感器和电磁开关传感器构成，两种传感器独立工作，即其中一个传感器检测到机车时，系统即认定机车行驶到铁轨喷油器处，并开始进行喷油工作。雷达开关传感器工作原理与倒车雷达传感器工作原理相同，即利用超声波原理[5]，由探头发送超声波，当有障碍物通过时反射此声波，以此实现机车探测功能。

电磁接近开关工作原理是其内部振荡器产生一个交变磁场，当有金属进入磁场范围时，金属内产生涡流，从而导致振荡衰减。这种振荡衰减变化经过后级放大电路处理并转换成开关信号，触发驱动控制器件，从而达到非接触式之检测目的。

机车探测传感器接线图如图3所示。

图3　机车探测传感器接线图

2.2喷油控制电路的设计

本系统需要采集电磁开关信号和雷达开关信号以实现对机车的探测功能，行程开关信号用来指示油箱内剩余油量情况，同时三菱EX2N文本一体机输出喷油信号、雷达故障指示信号和电磁故障指示信号。铁轨喷油器的喷油控制电路接线图如图4所示。

图4　喷油控制电路接线图

图4中X00端为电磁接近开关模拟量输入端，X01端为油箱液位行程开关模拟量输入端，X02端为雷达接近开关模拟量输入端，Y00端为喷油电路控制输出端，Y02端为雷达接近开关故障指示灯控制输出端，Y03端为电磁接近开关故障指示灯控制输出端。

电路中SA1开关为保护开关，当油箱内油量达到最低限值时，程序内部会闭合SA1开关，将喷油电路短路，起到保护作用。

2.3喷油控制电路的设计

本系统的单片机需要采集PLC输出的传感器故障指示信号和喷油工作信号[6⁃7]，并且单片机需要与GSM模块进行串口通信，以发送和接收信息的方式来实现与上位机的通信功能。同时单片机外围需要添加AT24C02存储芯片电路，以实现对各项参数的存储功能。图5为单片机外围电路。

图5　单片机外围电路

图5中P1.1引脚为雷达开关传感器故障信号输入端；P1.2引脚为电磁接近开关故障信号输入端；P1.3引脚为行程开关信号输入端；P1.4引脚为喷油工作信号输入端。P2.0引脚与P2.1引脚分别与AT24C02存储芯片的SDA引脚和SCL引脚相连，以实现其存储功能；P3.0 与P3.1引脚分别与GSM模块的RX和TX引脚相连，以实现单片机和GSM模块的串口通信功能。

3　软件设计

3.1上位机软件设计

上位机软件采用LabVIEW软件编程，主要分为GSM初始化模块、发送短信模块和提取短信字符模块，以实现显示报警信息、喷油次数和对下位机下达指令的功能。上位机软件设计流程图如图6所示。

图6　上位机软件设计流程图

GSM初始化模块通过串口发送字符串，字符串为GSM模块所能识别的AT指令，命令GSM模块信息格式为文本格式，设置GSM模块为来短信提醒模式，并且清除SIM卡所存的信息。发送短信模块通过串口发送对象基站号码和所发送的指令。提取短信字符模块利用GSM模块收到新的信息时会向串口发送提示信息，通过匹配字符串函数将信息的短信号提取，当短信号满足程序设定的条件时，上位机通过串口向GSM模块发送提取此短信号的短信指令，GSM模块收到指令后会将此短信号的短信发送到上位机，通过匹配字符串函数将其分别提取，提取的信息分别送到基站号码、接收时间、报警信息和喷油次数等各个显示控件中。上位机程序后框图如图7所示。

3.2上位机HMI设计

LabVIEW中的前面板就是图形化用户界面，用于设置数值输入和输出量观察。以GSM模块作为数据接收端，设计了系统HMI界面，如图8所示。通过设置与GSM模块串口通信匹配的波特率、串口号、数据位，实现LabVIEW与GSM模块串口通信[8]，并用LabVIEW将GSM模块的消息提取显示出来，并且可以给GSM模块发送消息。

图7　上位机程序后框图

图8　HMI界面

3.3下位机软件设计

下位机PLC程序设计一部分需要对下位机三菱EX2N文本一体机的人机界面进行设计，同时需要对每一个寄存器进行关联和赋值，使得人机界面可以正常工作。另一部分需要对输入I/O进行扫描判断，当检测到相应传感器有信号输入时，输出I/O则会做出相应的动作，以完成对喷油器的控制工作。下位机PLC程序设计流程如图9所示。

下位机单片机程序设计中，首先需要对GSM模块进行初始化设定，包括设置信息为文本格式，设置GSM模块为来短信提醒模式，清除SIM卡内的存储信息。对于收发短信部分，由于GSM模块短信的收发功能需要其所识别的AT指令才能进行操作，在本程序设计中，将其所用到的AT指令编写成字符串，并通过串口发送到GSM模块中来实现短信的收发功能。

为了实现存储功能，需按照AT24C02存储芯片的时序编写存储程序。系统运行时，读取存储芯片中的数据，单片机检测到喷油信号时自动将喷油次数累加并存储到存储芯片中。

当单片机收到上位机要求发送喷油次数的指令时，单片机就会直接将存储芯片中所写入的喷油次数发送到上位机。下位机单片机程序设计流程如图10所示。

图9　下位机PLC程序流程图

4　结　语

本文设计的铁轨喷油监控系统能够对铁轨喷油器雷达开关和电磁接近开关状态进行检测并向上位机发送故障报警信息；能够对铁轨喷油器油箱剩余油量状态进行检测并向上位机发送缺油报警信息，同时上位机可以向下位机发送指令，命令其将喷油次数发送到上位机，方便上位机对喷油器的工作情况进行查询。上位机和下位机通过GSM模块进行通信，每一个基站配备一块GSM模块，当有报警信息需要发送时，下位机利用单片机将报警信息以短信的方式发送到上位机，以实现上位机与下位机的无线通信。

图10　下位机单片机程序流程图

参考文献

[1]王文斌，范钦海，刘力.轨面摩擦控制技术防治曲线钢轨侧面磨耗研究[J].现代城市轨道交通，2015（1）：78⁃81.

[2]俞展猷.地铁车辆轮轨关系中几个重要问题的研究[J].中国铁路，2014（12）：87⁃92.

[3]于水波，余军，杨光宽，等.道旁轮轨踏面摩擦调控设备研制与应用[J].中国铁路，2013（6）：81⁃84.

[4]阴泽泽.便捷式轮轨润滑装置检测仪的研制[J].铁道机车与动车，2014（10）：45⁃46.

[5]高大容，苏玉萍，刘洪涛.基于超声波的汽车倒车主动防御系统[J].自动化与仪器仪表，2013（2）：130⁃131.

[6]辛鑫.基于LabVIEW的高速铁路道岔实时监测系统[D].重庆：重庆大学，2007.

[7]蔡胜年，李鑫，庞宝麟，等.基于ARM9的轨道油气润滑系统控制器设计[J].沈阳化工大学学报，2015（2）：172⁃177.

[8]夏锴，杨增宝.基于LabVIEW读取串口数据技术[J].制造业自动化，2012，34（19）：21⁃22.

Design of rail oil injection monitoring system based on SCM and PLC

SUN Lihui1，CHEN Wei2
（1. College of Information and Control Engineering，Jilin Institute of Chemical Technology，Jilin 132022，China；2. College of Automation Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 211106，China）

Abstract：In view of the serious problem of rail curve wear in the course of railway transportation，a rail oil injection moni⁃toring system based on SCM and PLC was designed. The wear of the rail in the curve is reduced，and the service life of the rail is prolonged by the control of the oil injection of the rail injector. The system is divided into two parts：lower computer and up⁃per computer. Two kinds of controllers are used in the lower computer，with which the signal acquisition and storage functions are realized by AT89C52 SCM，and the oil injection is controlled by Mitsubishi EX2N text all⁃in⁃one machine. The virtual instru⁃ment software LabVIEW8.6 is used as the developing platform of the upper computer，with which the functions of monitoring the oil injection frequency，oil injection quantity control，fault alarm and so on are realized. The wireless communication with upper computer is established by the lower computer through the GSM module. The simulation experiment result shows that the system can completely realize the real⁃time monitoring of the multi rail oil sprayers，and has a broad market prospect.

Keywords：rail lubrication；monitoring system；EX2N text machine；LabVIEW

中图分类号：TN926⁃34；TP271+.5

文献标识码：A

文章编号：1004⁃373X（2016）10⁃0076⁃04

doi：10.16652/j.issn.1004⁃373x.2016.10.020

收稿日期：2015⁃10⁃25

基金项目：吉林化工学院科学技术研究项目(2014093）

作者简介：孙立辉（1976—），男，副教授，硕士。主要研究方向为单片机开发与应用。陈伟（1991—），男，硕士研究生。主要研究方向为永磁电机控制。