中国激光立体成形技术已达*水平

　　工控摘要：本文主要介绍了北京地铁14号线BAS系统的总体设计、系统结构、网络层次、功能实现，结合控制要求，分析了和利时LK系列PLC在地铁BAS系统中的应用。实践证明，该系统设计合理，运行稳定、可靠。
　　
　　关键词地铁；BAS；LKPLC；冗余；模式
　　
　　1、引言
　　
　　北京地铁14号线全长47.7公里，起于丰台区永定河以西的张郭庄站，向东经过丰台北路、南二环和南三环之间，至西大望路一线向北，迄于朝阳区来广营以北的善各庄站，呈L状。全线经过丰台、东城、朝阳3区，共设车站37座，除张郭庄站及园博园站是高架站外，其余均为地下车站。
　　
　　为了配合第九届中国（北京）园林博览会的举办，项目于2013年05月05日开通张郭庄站至西局站段（全长12.4千米，共有7座车站），有利地保障了园博会在北京的顺利举办。
　　
　　2、项目概况
　　
　　北京地铁十四号线的环境和设备监控系统（以下简称BAS系统）对全线所有地下车站、高架车站、车辆段、区间隧道内设置的各种正常运营保障设施（包括通风空调设备、给排水设备、动力照明设备、自动电/扶梯、电保温设备、EPS等）和事故紧急防救灾设施（防排烟系统、应急照明系统等）进行全面、有效地自动化监控及管理，确保设备处于安全、可靠、、节能的*运行状态，从而提供一个舒适的乘车环境，特别是在地下车站发生火灾事故的情况下，使有关救灾设施按照设计工况及时有效地运行，充分发挥各种设备应有的作用，保证乘客的安全和设备的正常运行。
　　
　　37座车站的BAS均采用的是和利时LK系列的大型PLC产品。通过冗余以太网通信接口与综合监控系统连接，将信息集中上传至综合监控系统，实现BAS在综合监控系统中的深度集成。
　　
　　3、系统结构
　　
　　BAS系统是基于分层分布式系统结构：
　　
　　*级：BAS的*级主要是OCC的调度工作站，由综合监控系统实现;
　　
　　车站级：包括车站级综合监控功能和车站BAS监控功能，正常情况下，车站级监控功能由综合监控
　　
　　系统完成。车站BAS监控功能以车站BAS应急操作终端、BAS维护工作站、32位LKPLC
　　
　　控制器为平台实现;
　　
　　现场级：通过LK系列远程I/O模块实现车站各就地信号的采集与控制，具体包括各类传感器、执行
　　
　　器、或装置等。
　　
　　3.1*级系统
　　
　　综合监控系统软件由和利时开发，通过冗余光纤环网与各个车站BAS系统通讯，进行数据采集与控制，整个监控点数大约在150000点左右。
　　
　　3.2车站级BAS系统
　　
　　车站级包括地下车站和高架站两类，每个车站监控点数大约在4000点左右，由PLC控制器、现场传感器、维护终端等组成。
　　
　　3.2.1地下车站BAS系统
　　
　　由车站维护工作站、应急操作终端、PLC、RI/O、现场总线、IBP（综合后备盘）PLC等组成。
　　
　　车站控制室设IBP，IBP处设置PLC和应急操作终端，IBP盘处PLC选用和利时的LK210冗余CPU，应急操作终端选用工业级产品触摸屏式一体化工控机，实现IBP盘面监视和控制。
　　
　　车站两端各设置一套冗余控制器PLC_A和PLC_B，选用和利时LK210CPU，LK210CPU数字量可扩展57344点,模拟量3584点，集成了4路冗余以太网接口，支持CPU之间数据共享，通过冗余光纤环网（TCP/IP协议）进行连接实现大数据信息上传和PLC_A与PLC_B之间关键数据交互，对本车站所辖区间隧道及车站的通风空调大系统、小系统及其水系统、照明系统、自动扶梯、电梯、给排水系统相关设备进行监控及管理，同时对相关设备用房和公共区的环境温湿度等参数进行监测。
　　
　　FAS接口通信是自定义的特殊协议，采用LK239串口通讯模块接收FAS主机传送的火灾报警模式号，实现车站BAS在火灾工况下对设备的联动控制。
　　
　　区间设备房设备距离控制室非常远，通过LK233光纤通信模块进行远程I/O扩展，zui远可以扩展20KM。
　　
　　4、网络层次
　　
　　BAS系统在车站内的网络可分为三级，分别为：车站级、子系统级（即BAS级）、现场级。
　　
　　车站级：车站A、B端的冗余LKPLC集成冗余以太网接口接入车站级环网，无须额外配以太网通信模块。为保证系统安全，不同专业数据有效传输，PLC网络均分配特定的IP段，在进入综合监控系统时需要做地址映射，LKPLC自身集成的以太网接口支持跨VLAN功能，可灵活应用于复杂网络配置中，通过三层交换机与综合监控通信;
　　
　　子系统：A端与B端通过冗余光纤环网通信，同时LKPLC支持多机互联，方便实现A、B端数据共享，进行有效的联锁控制;
　　
　　现场级：由BAS系统负责配置。距离小于1000m采用LK232PRIFIBUS-DP总线扩展模块扩展远程I/O;距离超过1km，使用LK233光纤通信模块，zui远可以扩展4级，每级5km，总计20km。
　　
　　5、BAS系统实现的功能
　　
　　1.工艺参数及画面显示
　　
　　BAS系统对现场各类传感器数据以及机电设备的运行状态、故障报警信息等进行实时采集、处理，以便及时准确的处理各类突发事故，信息采集量单个车站可达数千点。
　　
　　2.冗余功能
　　
　　LK冗余系统可实现CPU冗余、以太网冗余、总线冗余、电源冗余。每个CPU带有冗余以太网口，冗余PLC控制器通过以太网与车站综合监控进行连接，实现综合监控系统对车站机电设备的监视与控制。
　　
　　3.模式控制
　　
　　即设备组控制，是根据工艺设计要求而形成，其触发有人工触发（HMI，IBP）和自动触发（FAS系统、时间表）两种。BAS系统可以实现对本站所有模式及相关设备的监控与操作功能。正常模式的状态分为：未启动、执行中、执行成功和执行失败。模式执行时间结束后，根据该模式中设备状态是否符合模式要求，判断模式的执行结果为成功或失败。所监视的模式分为早晚换气模式控制、异常模式控制、火灾模式控制、阻塞模式控制等。
　　
　　4.调节功能
　　
　　车站LKPLC能够根据所检测的车站环境参数自动判断车站所处空调季工况，根据检测参数采用科学的算法和实用的控制策略，对空调冷水系统的二通调节阀、公共区风机转速根据时间的信息进行调节。对车站大系统空调设备根据热焓计算，进行运行模式的*化控制，从而达到节能目的。
　　
　　5.参数存储
　　
　　所有系统设置参数、所有模式控制、预制时间表控制等相关参数由操作站进行设置，经确认后下载到LKPLC中，因此车站PLC能够脱离综合监控系统独立运行。
　　
　　6.与FAS的联动控制
　　
　　BAS系统与FAS系统的联动在所有的控制权限里优先级别是zui高的。BAS系统同FAS系统的通信是通过LK239串口通信模块进行的，当收到FAS报警数据后，根据收到的数据（二者事先定义对应的模式），BAS系统开始执行相应的火灾模式。此后，BAS系统不再接收任何操作指令，直到FAS报警信号复位。
　　
　　7.多控制点功能
　　
　　BAS系统控制权分为五级控制，就地控制箱、IBP、ISCS、BAS维护工作站、现场触摸屏。每个控制点的控制级别由高到低排列，每个可控制设备都有这五个控制级。
　　
　　6、系统特点
　　
　　基于LK系列PLC应用于BAS系统具有的特点：
　　
　　1.高性能
　　
　　LKCPU配置工业级（533MHz）处理器，拥有纳秒级（13ns）的处理速度;
　　
　　数字量I/O可达57344点，模拟量I/O可达3584点;
　　
　　远程I/Ozui远可扩展20KM;
　　
　　程序容量可达16MB，数据容量可达64MB，掉电保持区可达1MB。
　　
　　2.高可靠性
　　
　　LKPLC是经济型单机架硬件冗余设计，支持电源冗余、CPU冗余、以太网冗余、PROFIBUS-DP总线冗余。两个CPU之间通过高速背板总线进行数据同步，无需专门的同步模块。每个运算周期，主机检测自己发生变化都要向从机进行数据同步，保障主从数据一致。冗余切换过程是无扰切换，切换时间<50ms，切换过程无报警或中断的丢失;
　　
　　LKPLC具有通信故障时输出预置功能，当输出模块与CPU通信出故障时，输出模块会按上一个预算周期的有效值或者预先设置的安全值输出，保障系统安全运行;
　　
　　提供三防（防潮、防盐雾、防霉）模块，适用于地铁恶劣的环境。
　　
　　3.强大的网络通信能力
　　
　　LKPLC本体集成冗余以太网接口，具有可配置不同IP段地址、网关、子网掩码、静态路由功能;
　　
　　支持跨VLAN功能，LKPLC同网段支持IP地址数量为89个，如果PLC使用数量超过这个数量时，系统可以通过划分不同VLAN，把不同IP地址映射到同一IP段，有效解决IP节点的限制，系统容量无限扩展。
　　
　　4.多机互联，实现数据共享
　　
　　通过自身集成的以太网接口，实现zui多32个站数据共享;
　　
　　可配置共享数据大小，每次zui多可共享700个字;
　　
　　适合分布式控制系统间联锁控制。
　　
　　5.易用、易维护性
　　
　　模块小型化、智能化设计，具有超限报警、超量程报警、断线检测、掉电检测等自诊断功能;
　　
　　支持带电插拔，可在不停机的状态下更换故障模块;
　　
　　背板上设计有防混销，避免插错模块。
　　
　　7、结束语
　　
　　目前北京地铁14号线西局至园博园站已顺利开通，系统运行稳定，有效地保障了北京园博会的交通。
　　
　　增材制造/激光立体成形技术的发展现状与趋势
　　
　　近年来，激光立体成形技术得到发达国家政府、大企业和研究机构的高度重视。作为美国制造业振兴计划“WeCan，tWait”项目的一部分,美国政府于2013年8月高调宣布成立国家增材制造创新研究所，其*阶段的政府和民间投资为7000万美元。奥巴马总统强调这个研究所的成立是强化美国制造业的步骤。在空客于2006年启动的集成机翼计划（IntegratedWingATVP，*阶段总经费3400万英镑）中，英国焊接研究所（TWI）承担起落架激光成形研发工作，经费400万英镑，TWI为此建立了两套激光成形装备。南非科技与工业研究院（CSIR）下属的国家激光中心与南非航空制造公司Aerosud将合作开展Aeroswift项目研究。Aeroswift的目标是，自主开发高速度、大体积的高性能金属零件激光添加材料制造（LAM）系统，为航空工业制造钛金属材料配件，并力争在未来三年内，使Aerosud成为航空结构材料制造领域的者。Aeroswift的目标是直接加工2m×0.5m×0.5m的零件。为此，南非*已经投入了2800万兰特（约合1712万元人民币），并且预计他们的LAM制造体系将在2012年底至2013年初完成组建和试验工作，然后开始优化和工艺鉴定，希望从2015年开始全面生产。
　　
　　美国波音公司、洛克希德·马丁公司、通用电气航空发动机公司、Sandia国家实验室和LosAlomos国家实验室、欧洲EADS公司、英国罗罗公司、法国SAFRAN公司、意大利AVIO公司、加拿大*、澳大利亚国家科学研究中心等大型公司和国家研究机构都对激光立体成形技术及其在航空航天领域的应用开展了大量研究工作。参与这项研究的世界大学更是数不胜数。
　　
　　值得注意的是，美国军方对这项技术的发展给予了相当大的关注，在其直接支持下，美国于2000年将这一*技术实用化。应用目标包括*飞机承力结构件如钛合金支架、吊耳、框、梁等，航空发动机零件如镍基高温合金单晶叶片，战术导弹、人造卫星、超音速飞行器的薄壁结构件如导弹制导部外壳座、导弹姿态控制系统的铼燃烧室等。2002年10月该公司获得美国*后勤局（U.S.DefenseLogisticsAgency）出资1940万美元，资助AeroMet公司由单纯的技术研究开发到成为军用及民用飞机的通过认证的、性能可靠的钛合金结构件激光立体成形制造供应商的转变。
　　
　　我国在激光立体成形技术领域处于*水平。西北工业大学于1995年开始在国内提出以获得*（相当于锻件）性能构件为目标的激光立体成形的技术构思，并在迄今17年的时间里持续进行了激光立体成形技术的系统化研究工作，形成了包括材料、工艺、装备和应用技术在内的完整的技术体系。针对航空航天等高技术领域对结构件高性能、轻量化、整体化、精密成形技术的迫切需求，开展了钛合金、高温合金、超高强度钢和梯度材料激光立体成形工艺研究，突破结构件的轻质、高刚度、高强度、整体化成形，应力变形与冶金质量控制，成形件组织性能优化等关键技术。激光成形和修复了大量飞机中关键结构件，解决了飞机任务研制过程中迫切需要解决的关键技术难题，为飞机研制与生产提供了有力的技术保障。针对大型钛合金构件的激光立体成形，解决了大型构件变形控制、几何尺寸控制、冶金质量控制、系统装备等方面的一系列难题，并试制成功C919大飞机翼肋TC4上、下缘条构件，该类零件尺寸达450mm×350mm×3000mm，成形后长时间放置后的zui大变形量小于1mm，静载力学性能的稳定性优于1%，疲劳性能也优于同类锻件的性能。而于*飞机结构件的激光成形修复装备可以修复尺寸达5000mm×600mm×3000mm的零件。激光组合制造和成形修复在航空工业中得到广泛应用。该技术的研究和应用还包括大型机械装备关键零件的高性能快速修复和口腔金属植入体的成形和医学临床研究。在激光立体成形工艺装备建设方面取得重大突破，实现我国商用激光立体成形工艺装备制造的零突破。截至2012年，西工大向航空航天领域内国家大型企业和研究院所，以及GE中国研究中心提供了5台激光立体成形与修复装备，在领域内形成较大影响力。在激光立体成形装备方面，国内除西工大外，目前没有其他单位提供过商用化激光立体成形装备。目前，西北工业大学已经开发出了系列固定式和移动式激光立体成形工艺装备。针对不同应用特点，分别采用CO2气体激光器，YAG固体激光器，光纤激光器和半导体激光器，成形气氛中氧含量可控制在10ppm以内，具有熔池温度、尺寸和沉积层高度的实时监测和反馈控制系统，配备自主开发的材料送进装置、成形CAPP/CAM及集成控制软件，能够实现各种金属材料，包括高活性的钛合金、铝合金和锆合金复杂结构零件的无模具、快速、近净成形以及修复再制造。表1比较了目前上技术成熟度比较高的商业化激光立体成形装备的主要特性。可以看到，西北工业大学所研制的LSF系列激光立体成形装备多项指标处于水平。
　　
　　成形修复是激光立体成形技术受到高度重视的发展方向。有一个十分值得关注的趋势是成形修复技术。虽然激光立体成形技术zui初主要是作为一种致密金属零件的高性能快速制造技术而发展起来的，但工业界却越来越关注它作为一种高性能成形修复技术的巨大技术优势。除了航空航天领域外，机械、能源、船舶等领域的大型装备的高性能快速修复都对激光立体成形技术提出了迫切的需求。据报道，美国采用激光立体成形技术维护的军事装备资产达40亿美元/年，其包括飞机、陆基和海基系统都配备了激光立体成形系统。以制造成本高昂的整体叶盘为例，近几年来包括美国GE公司、美国H&RTechnology公司、Optomec公司以及德国Fraunhofer激光技术研究所在内的多个研究机构开展了整体叶盘的激光成形修复技术研究。2009年3月，作为美国激光修复技术商用化推进*的Optomec公司宣称其采用激光成形修复技术修复的T700整体叶盘通过了军方的振动疲劳验证试验。美军已经在其“野战零件医院”中列装了激光立体成形装备，用于在靠近现场需要位置快速制造战损装备所需金属零件。这些激光立体成形装备已分别布置在科威特、伊拉克和阿富汗的军事基地。
　　
　　基于激光立体成形的激光组合制造技术是重要的技术发展方向。同锻造、铸造和机械加工等传统制造技术结合，形成激光组合制造技术，是激光立体成形技术一个十分重要的技术发展方向。没有任何一项技术是十全十美，足以覆盖任何工艺需求的，而相互结合，取长补短则是zui适当的选择。激光立体成形技术的工艺灵活性和柔性化的特点，使得以其为基础发展激光组合制造技术具有十分重要的实用价值。zui为重要的是，激光立体成形技术可以把异质材料结合成一个高性能的整体构件，这是激光组合制造的技术思路具有实用性的必要基础。美国Sandia国家实验室采用激光立体成形技术开展了“FeatureAddition”（可理解为“特征结构生长制造”）研究，在机械加工的盘上激光直接沉积薄壁复杂结构，实现了电子装置支架的激光复合制造。对于此类结构复杂构件，传统的铸造成形工艺存在的以下几个主要问题：由于结构复杂，铸造本身工艺困难；制造周期长，如电子装置支架的铸造周期长达52周；制造成本高。采用激光组合制造后该结构件的制造周期缩短为3周，成本降低65%，同时结构件的重量得以减轻。
　　
　　进一步深化激光立体成形技术在材料、工艺和装备等方面的基础性研究，对于支撑激光立体成形技术的进一步快速发展和大规模应用具有重要作用。这一特点同激光立体成形是一个涉及到激光、机械、数控、材料的多学科交叉的新技术有关。通过整合形成一支具备上述多学科能力的高水平研究团队，针对影响激光立体成形进一步发展的关键科学和技术问题开展深入系统的研究，这对于激光立体成形技术的发展具有重要意义。
　　
　　优先发展领域或重点研究方向建议
　　
　　激光立体成形的材料、工艺的基础研究和工程化研究。激光立体成形是一个涉及激光、机械、数控、材料等的多学科交叉新技术，并且发展时间很短，相对于铸、锻、焊、粉末冶金、机械加工等传统的制造技术而言，其技术成熟度还有显著差距，需要开展系统深入的基础研究和工程化研究工作，这是使激光立体成形技术得以在工业与科技实践中广泛应用的必要基础，也是使我国在这项占据战略制高点的新技术方面与西方发达国家长期竞争发展中保持同步以至于争取所必须坚持的。
　　
　　*装备技术。任何*的工业技术必然以*的装备技术作为其集中体现。激光立体成形装备涉及到激光、机械、数控、工艺软件设计、温度与化学环境检测与控制、成形材料特性等许多方面因素的交互作用与技术集成，需要高度专业化的团队与技术条件的密切协同，才能设计制造出高水平的装备。具备高水平激光立体成形装备设计与制造技术，也是我国必须在增材制造技术领域必须发展的核心竞争力。
　　
　　高性能激光成形修复再制造技术。高性能激光成形修复再制造的市场需求可能比直接成形的市场需求要广阔得多，未来的社会发展必然越来越强调材料、资源的高度节约与循环利用，这方面的发展需要及早规划安排。
　　
　　激光组合制造技术。激光组合制造能够更充分发挥增材制造技术作为信息化时代的代表性技术的特征。如果我们以激光立体成形技术为核心，结合各种传统制造技术的优势，回避各种技术的短处，必将迎来信息化时代制造技术的跨越式发展。