戴明宏,江興盟,安文秀

(1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院,鄭州 450052;2.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司鄭州設(shè)計(jì)院,鄭州 450000)

格雷母線在長(zhǎng)鋼軌群吊集控系統(tǒng)中的應(yīng)用

戴明宏1,江興盟1,安文秀2

(1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院,鄭州 450052;2.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司鄭州設(shè)計(jì)院,鄭州 450000)

500m長(zhǎng)鋼軌吊運(yùn)需要多臺(tái)門(mén)吊的協(xié)同配合才能完成。為提高焊軌基地吊運(yùn)長(zhǎng)鋼軌的效率,防止吊運(yùn)過(guò)程中長(zhǎng)鋼軌發(fā)生扭曲變形,減輕作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,采用格雷母線通信定位技術(shù)和PLC網(wǎng)絡(luò)通信集控系統(tǒng),克服多臺(tái)門(mén)吊在吊運(yùn)過(guò)程中出現(xiàn)的不同步誤差,確保長(zhǎng)鋼軌在吊運(yùn)過(guò)程中精確定位、同步吊運(yùn),為焊軌基地長(zhǎng)鋼軌吊運(yùn)提供了一個(gè)很好的群吊集控系統(tǒng)方案。

格雷母線;PLC;長(zhǎng)鋼軌;群吊集控系統(tǒng)

目前我國(guó)鐵路向高速、重載發(fā)展,因此,對(duì)鐵路鋼軌焊接長(zhǎng)度、焊接質(zhì)量提出了新的要求[1]。鐵路焊軌基地需要將短鋼軌焊接成500m的長(zhǎng)鋼軌,然后由運(yùn)軌列車(chē)將長(zhǎng)鋼軌運(yùn)送到路基上鋪設(shè)。

目前,我國(guó)各鐵路局焊軌基地所使用的長(zhǎng)鋼軌吊運(yùn)設(shè)備,采用的是每隔16m設(shè)置1臺(tái)龍門(mén)吊車(chē),吊運(yùn)500m長(zhǎng)鋼軌需用32臺(tái)龍門(mén)吊車(chē)[2],每臺(tái)吊車(chē)配備1名操作人員,各操作人員通過(guò)與相鄰操作人員的相互協(xié)調(diào)來(lái)進(jìn)行吊裝作業(yè),不具備同步吊運(yùn)的功能,工作效率較低,鋼軌易發(fā)生多方向的彎曲扭轉(zhuǎn)變形。也有鐵路焊軌基地對(duì)龍門(mén)吊車(chē)進(jìn)行集控改造,但因各龍門(mén)吊車(chē)的運(yùn)行、起落不同步等原因,難以實(shí)現(xiàn)同步吊運(yùn)。因此,長(zhǎng)鋼軌群吊集控系統(tǒng)[3-4]必須采用具有高精度和高可靠性的位置檢測(cè)系統(tǒng)。

1 格雷母線定位的基本原理

格雷母線技術(shù)是一種比較成熟的位移檢測(cè)和數(shù)據(jù)通信技術(shù)[5-7]。它利用電磁感應(yīng)原理,以相互靠近的扁平狀的電纜和天線箱之間的電磁耦合來(lái)進(jìn)行通信,并在通信的同時(shí)檢測(cè)到天線箱在格雷母線長(zhǎng)度方向上的位置。

在本工程應(yīng)用中,將主控制系統(tǒng)設(shè)置在地面控制站上。因此,選用地上檢測(cè)方式,也就是將地址編碼發(fā)射器和天線箱安裝在移動(dòng)站,通過(guò)天線箱發(fā)射地址信號(hào),地址編碼接收器安裝在固定站上,在固定站完成地址檢測(cè)[7]。其設(shè)備配置如圖1所示。

格雷母線由電纜芯線、模芯和電纜護(hù)套構(gòu)成。電纜芯線有2種,即基準(zhǔn)線(R線)和地址線(G0線-G9線),基準(zhǔn)線用于獲取標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),地址線用于檢測(cè)地址。其中,地址線每隔一定的步長(zhǎng)交叉一次,而基準(zhǔn)線為平行線不交叉。

圖1 格雷母線地上檢測(cè)設(shè)備配置

如圖1所示,移動(dòng)站上的天線箱1為地址信號(hào)的“發(fā)射天線”,固定站格雷母線芯線為地址信號(hào)“接收天線”。移動(dòng)站上的天線箱2為格雷母線數(shù)據(jù)通信單元的設(shè)備。在格雷母線還有2對(duì)感應(yīng)環(huán)線用于數(shù)據(jù)通信,通過(guò)電磁耦合在發(fā)信機(jī)和收信機(jī)之間傳送信息,信息使用頻率鍵控(FSK)方式調(diào)制,使用相干解調(diào),標(biāo)準(zhǔn)通信速率4800bps或9600bps,通信誤碼率:10-7。工作時(shí),由移動(dòng)站天線箱發(fā)射地址信號(hào),由于電磁耦合,會(huì)在格雷母線上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。在格雷母線上感應(yīng)的信號(hào)會(huì)通過(guò)交叉線和平行線傳送到固定站的地址編碼接收器。地址編碼接收器對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行相位比較。如果相應(yīng)地址交叉線的信號(hào)相位與平行線的信號(hào)相位相同,那么定義移動(dòng)站地址為“0”;如果交叉線的信號(hào)相位與平行線的信號(hào)相位相反,那么移動(dòng)站地址為“1”。由此可見(jiàn),格雷母線用一對(duì)地址線可以檢測(cè)到2個(gè)地址,用兩對(duì)地址線可以檢測(cè)到4個(gè)地址,用n對(duì)地址線可以檢測(cè)到2n個(gè)地址。

根據(jù)電磁理論

式中,φ為磁通量;S為線圈面積;B為電磁強(qiáng)度。

式中,e為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì);N為線圈的匝數(shù)。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),格雷母線最小步長(zhǎng)W根據(jù)定位精度來(lái)確定,W一般取200mm,電纜長(zhǎng)度由格雷母線芯線的數(shù)量和最小步長(zhǎng)W確定。一般來(lái)說(shuō):

絕對(duì)定位精度μ=W/2

格雷母線長(zhǎng)度L=2nμ

式中,n為格雷母線芯線的數(shù)量。

通過(guò)上面的分析,可知當(dāng)格雷母線最小步長(zhǎng)W= 200mm時(shí),檢測(cè)精度為

μ=W/2=200/2=100mm

如果同時(shí)格雷母線地址為10對(duì),則格雷母線長(zhǎng)度為

L=2n×100mm=102.4m

根據(jù)需要,還可以在此基礎(chǔ)上采用精密地址檢測(cè)方式。在實(shí)際運(yùn)用中,一般可以再細(xì)分20倍,即在精度為100mm的基礎(chǔ)上細(xì)分20,則精密地址精度為100/20=5mm[7]。這樣,定位精度完全能夠滿足鋼軌群吊的需求。

2 采用格雷母線的長(zhǎng)鋼軌群吊集控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

長(zhǎng)鋼軌群吊現(xiàn)場(chǎng)一般由承軌臺(tái)、放置長(zhǎng)軌區(qū)(一般稱為“垛區(qū)”)、龍門(mén)吊車(chē)、裝運(yùn)長(zhǎng)軌列車(chē)專用線等組成[8]。如圖2所示。

圖2 長(zhǎng)軌群吊作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)

當(dāng)軌道焊接流水線把焊好后的長(zhǎng)軌運(yùn)送到承軌臺(tái)上后,群吊集控系統(tǒng)控制32臺(tái)龍門(mén)吊車(chē),將500m的長(zhǎng)鋼軌吊起并水平移動(dòng)到指定的位置,進(jìn)行碼垛或裝車(chē)。要實(shí)現(xiàn)吊運(yùn)過(guò)程中長(zhǎng)鋼軌保持自然直線形態(tài),多點(diǎn)群吊的水平和垂直兩方向運(yùn)動(dòng)就必須保持同步,這不僅要保證每一吊點(diǎn)的平移速度相等,而且每一吊點(diǎn)的升降速度要一致,因此,這就提出了對(duì)多點(diǎn)群吊采用精確定位,進(jìn)行計(jì)算機(jī)集中控制的要求。

為了保證32臺(tái)龍門(mén)吊車(chē)在吊運(yùn)過(guò)程中同步一致,避免長(zhǎng)鋼軌扭曲變形,影響長(zhǎng)鋼軌吊運(yùn)的工作效率和長(zhǎng)鋼軌焊接后的質(zhì)量,必須采用高精度和高可靠性的位置檢測(cè)系統(tǒng)。為此,提出了在平移方向采用格雷母線傳感器檢測(cè),在垂直方向采用旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè),將檢測(cè)到的信息實(shí)時(shí)傳輸給PLC,通過(guò)格雷母線的通信系統(tǒng)傳輸給工控機(jī),工控機(jī)根據(jù)需要調(diào)整變頻器的頻率和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,從而達(dá)到每個(gè)龍門(mén)吊車(chē)的吊點(diǎn)同步一致,確保在吊運(yùn)過(guò)程中長(zhǎng)鋼軌保持直線形態(tài)。在平移方向采用格雷母線傳感器絕對(duì)位置檢測(cè),克服了長(zhǎng)距離運(yùn)行采用旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)引起的機(jī)械傳動(dòng)裝置、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速差、車(chē)輪與鋼軌打滑等引起的積累誤差,而且,格雷母線本身具有較好的通訊功能,可以直接與PLC和工控機(jī)進(jìn)行通訊,在PLC和工控機(jī)之間傳遞信息,長(zhǎng)軌群吊計(jì)算機(jī)集中控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 長(zhǎng)鋼軌群吊計(jì)算機(jī)集中控制結(jié)構(gòu)

每臺(tái)吊車(chē)包括1個(gè)PLC為核心的測(cè)控系統(tǒng),采用PID閉環(huán)控制算法控制電機(jī)轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)吊車(chē)同步運(yùn)動(dòng)。單臺(tái)吊車(chē)變頻執(zhí)行機(jī)構(gòu) PID閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 單臺(tái)吊車(chē)變頻執(zhí)行機(jī)構(gòu)PID閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)采用主控工控機(jī)+分控PLC+變頻執(zhí)行機(jī)構(gòu)的3層結(jié)構(gòu),并由總控室的上位微機(jī)作為人機(jī)操作界面,完成操作控制命令的下發(fā),現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)狀態(tài)的顯示以及數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)等功能。

軟件設(shè)計(jì)中,關(guān)鍵部分為PID閉環(huán)算法[9]。其具體原理如下。

E(t)是PID算法的輸入,U(t)是輸出,具體關(guān)系式為

式中 Kp——比例系數(shù);

TI——積分時(shí)間常數(shù),s;

TD——微分時(shí)間常數(shù),s;

Uo——控制常數(shù)。

在計(jì)算機(jī)控制中,常采用增量式PID算法。方法是:以T作為采樣周期,K為采樣序號(hào),則離散采樣點(diǎn)kT對(duì)應(yīng)著連續(xù)時(shí)間t上的每一刻:用求和的形式代替積分;用增量的形式代替微分,具體如下

經(jīng)歸納整理可得

式中 k——采樣序號(hào),k=0,1,2,…;

Uk——第k次采樣時(shí)刻的輸出值;

Ek——第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值;

Ek-1——第k-1次采樣時(shí)刻輸入的偏差值;

KI——積分系數(shù),KI=T/TI;

KD——微分系數(shù),KD=TD/T。

由式(2)可得到第k-1次的采樣輸出值,將兩式相減并整理得

得出增量式控制公式

增量式控制公式,將PID積分形式的算法轉(zhuǎn)化為乘加的形式,便于計(jì)算機(jī)處理。在本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)為了更好地實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制,即采用了增量式PID控制方案[10]。

變頻執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用變頻器+小車(chē)走行(起升)電機(jī)+格雷母線(旋轉(zhuǎn)編碼器),構(gòu)成位置閉環(huán)控制。由于小車(chē)走行(起升)機(jī)構(gòu)對(duì)位置精度的要求比較高,所以,采用在小車(chē)走行和起升運(yùn)動(dòng)中通過(guò)格雷母線和高速旋轉(zhuǎn)編碼器反饋的位置參數(shù),及時(shí)控制小車(chē)走行和起升電機(jī)加減速微調(diào),通過(guò)單臺(tái)龍門(mén)吊車(chē)的絕對(duì)位置控制,最終實(shí)現(xiàn)所有龍門(mén)吊車(chē)的同步運(yùn)動(dòng)、同步起落。

3 結(jié)論

該系統(tǒng)采用格雷母線進(jìn)行檢測(cè)和通信,實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)鋼軌群吊集控系統(tǒng),能很好地改善之前吊裝過(guò)程中遇到的不同步等問(wèn)題,具有很高的實(shí)用價(jià)值。該系統(tǒng)具有以下技術(shù)特點(diǎn)。

(1)位移信號(hào)采用非接觸式格雷母線位移檢測(cè)方式,分辨率可以達(dá)到5mm,系統(tǒng)運(yùn)行可靠,維護(hù)量小。

(2)通過(guò)格雷母線的通信方式,改變了之前的工業(yè)以太網(wǎng)的組網(wǎng)方式,減少了連接電纜,提高了可靠性。

(3)友好的人機(jī)界面,可以方便地控制吊車(chē)的運(yùn)行。

(4)降低了工人的工作強(qiáng)度,提高了生產(chǎn)效率。

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Application of Gray Bus for Centralized Control System of Multiple Cranes in Long Rail Hoisting

DAI Ming-hong1, JIANG Xing-meng1, AN Wen-xiu2
( 1. Zhengzhou Railway Vocational and Technical College, Zhengzhou 450052, China; 2. Zhengzhou Design Institute, China Railway Engineering Consulting Group Co. , Ltd. , Zhengzhou 450000, China)

Cooperation of multiple gantry cranes is a stronger requirement when hoisting a long rail of 500 m.In order to improve the efficiency of long rail hoisting at the rail-welding plant,prevent long rail from distorting in the process of hoisting and reduce the labor intensity,the communication positioning technology with gray bus and the centralized control system of PLC communication network were utilized, which can eliminate the hoisting error caused by asynchrony among the multiple cranes and can ensure the accurate positioning and synchronous hoisting of long rail.So this paper provides a good method of centralized control for long rail hoisting by multiple cranes at the rail-welding plant.

gray bus;PLC;long rail;centralized control system of multiple cranes

U215.5

A

1004 -2954(2012)11 -0028 -03

2012 -04 -18

河南省教育廳自然科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2010C110004)

戴明宏 (1960—),男,副教授,E-mail:daiminghong@ yahoo.cn。