史偉龍

（中車石家莊實(shí)業(yè)有限公司，河北石家莊 051430）

0 引言

在鐵路造修工廠，通常采用遷車臺(tái)作為車體、轉(zhuǎn)向架、假臺(tái)車等輔助工裝的換道、傳送、牽引設(shè)備。遷車臺(tái)一般采用繞線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以凸輪控制器作為控制機(jī)構(gòu)，也有少量遷車臺(tái)采用三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用變頻器與凸輪控制器作為控制機(jī)構(gòu)。

遷車臺(tái)一般由3 人操作，專職司機(jī)、司索工、瞭望員各1人，相互配合實(shí)現(xiàn)遷車臺(tái)對(duì)道、牽引等操作。使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，司機(jī)通過(guò)凸輪控制器控制遷車臺(tái)，存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、視線受阻、反轉(zhuǎn)制動(dòng)違章操作等問(wèn)題，存在較大的安全隱患，給設(shè)備及周邊人員的安全帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)被廣泛應(yīng)用于日常生活和工作[1]，同時(shí)取代了原有的串電阻調(diào)速、星三角啟動(dòng)等應(yīng)用方式，使大功率電機(jī)控制方式得到突破性改變[2]，具有節(jié)能高效、控制簡(jiǎn)便、精度高等特點(diǎn)。目前變頻電機(jī)種類與性能已得到極大發(fā)展，而且自動(dòng)控制技術(shù)的普及，也為鐵路遷車臺(tái)自動(dòng)定位與無(wú)線控制提供了可能。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原理

1.1.1 變頻控制方式

變頻器（Variable-Frequency Drive，VFD）是利用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過(guò)改變電機(jī)工作電源頻率的方式來(lái)控制交流電機(jī)的控制設(shè)備。它主要由整流、濾波、逆變、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元、微處理單元等部分組成，依靠?jī)?nèi)部IGBT 的開(kāi)、斷來(lái)調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，并根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要為其提供所需要的電源電壓，從而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的。變頻器還具有過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)載等保護(hù)功能，隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高，其用途非常廣泛。

變頻器通常采用正弦脈寬調(diào)制（SPWM）、電壓空間矢量（SVPWM）、矢量控制（VC）、直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）等控制方式，隨著國(guó)產(chǎn)變頻器技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，矢量控制方式應(yīng)用較為廣泛。由于鐵路貨車遷車臺(tái)的定位特性，選用精度更高的閉環(huán)矢量控制方式進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)[3]。

1.1.2 電機(jī)類型

鐵路貨車遷車臺(tái)系統(tǒng)屬于大慣性、高扭矩、低轉(zhuǎn)速負(fù)載。通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，永磁同步電機(jī)具有體積小、重量輕、高轉(zhuǎn)矩密度、高效率等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[4-5]，實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)，永磁同步電機(jī)在1 Hz 時(shí)任然具有良好的驅(qū)動(dòng)能力，所以選擇永磁同步電機(jī)及其專用變頻器作為鐵路貨車遷車臺(tái)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)。

1.1.3 控制系統(tǒng)

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）具有穩(wěn)定、可靠、功能豐富等特點(diǎn)，在工業(yè)控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[6]。同時(shí)，PLC 系統(tǒng)可以連接模擬量、數(shù)字量、總線、以太網(wǎng)等信號(hào)，具有豐富控制功能，可以簡(jiǎn)潔、高效地實(shí)現(xiàn)各種控制功能，因此選用PLC 作為控制核心。

1.1.4 位置檢測(cè)方式

（1）鐵路貨車遷車臺(tái)采用鐵道行進(jìn)方式，采用固定線路、固定方式、固定范圍的運(yùn)行方式，其行進(jìn)范圍一般大于100 m，常見(jiàn)的定位檢測(cè)方式如電阻尺、光柵尺、激光等方式無(wú)法適用，而旋轉(zhuǎn)編碼器作為常用檢測(cè)方式，適用范圍更廣。

（2）編碼器信號(hào)輸出有正弦波（電流或電壓）、方波（TTL、HTL）、集電極開(kāi)路（PNP、NPN）、推拉式等多種形式，其中長(zhǎng)線差分驅(qū)動(dòng)（TTL）方式具有良好的抗干擾特性，在復(fù)雜環(huán)境下尤其是存在大功率電磁干擾環(huán)境中適應(yīng)性更強(qiáng)。

1.2 系統(tǒng)組建

按照設(shè)計(jì)原理，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)由PLC 控制系統(tǒng)、定位檢測(cè)系統(tǒng)、定位驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、牽引驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、無(wú)線控制系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)等組成（圖1）。

圖1 鐵路貨車遷車臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)成

（1）定位控制邏輯。定位控制采用坐標(biāo)與硬限位雙重確認(rèn)模式，當(dāng)車體行駛到目標(biāo)軌道區(qū)間，進(jìn)行區(qū)間減速，并充分利用永磁同步電機(jī)1 Hz 運(yùn)行特性，直至運(yùn)行到目標(biāo)通道硬件標(biāo)識(shí)，系統(tǒng)控制變頻器執(zhí)行0 Hz 保持程序，定位系統(tǒng)液壓抱閘釋放，解除變頻器控制。

（2）定位功能設(shè)計(jì)。操作人員在指定位置選擇遷車臺(tái)需要到達(dá)的軌道編號(hào)，確認(rèn)周邊環(huán)境安全后啟動(dòng)自動(dòng)定位程序，操作人員隨遷車臺(tái)行進(jìn)，遷車臺(tái)進(jìn)行自動(dòng)駕駛，操作人員負(fù)責(zé)瞭望。

（3）無(wú)線控制遷車。操作人員通過(guò)遙控器控制牽引機(jī)的運(yùn)行，將牽引吊具與車體可靠連接后，通過(guò)遙控器控制牽引機(jī)遷車，并觀察周邊環(huán)境，隨時(shí)應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況。

（4）保護(hù)功能設(shè)計(jì)。采用自動(dòng)定位與無(wú)線控制遷車方式后，遷車臺(tái)原有的極限限位、緊急停止、遇車限位、聲光報(bào)警等功能不變，同時(shí)升級(jí)系統(tǒng)，增加語(yǔ)音提示功能，對(duì)遷車臺(tái)行進(jìn)、牽引等關(guān)鍵動(dòng)作實(shí)行語(yǔ)音提示，保障人員與設(shè)備安全。

2 項(xiàng)目實(shí)施

2.1 元器件選型

按照設(shè)計(jì)方案，對(duì)系統(tǒng)各關(guān)鍵元器件進(jìn)行選型（表1）。

表1 主要元器件選型

2.2 升級(jí)改造

該系統(tǒng)主要是對(duì)原有遷車臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，主要內(nèi)容包括定位電機(jī)更換、控制系統(tǒng)更換、遙控及語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)加裝、操作臺(tái)加裝、定位檢測(cè)等工作。

2.2.1 更換定位電機(jī)

測(cè)繪定位電機(jī)安裝尺寸，并按照選型電機(jī)安裝尺寸，重新制作了電機(jī)安裝座，保持電機(jī)與變速箱中心高一致，完成了定位電機(jī)升級(jí)更換工作（圖2）。

圖2 定位電機(jī)

2.2.2 升級(jí)控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用PLC作為控制核心，PLC 與變頻器通過(guò)端子連接進(jìn)行控制，以提高變頻器的通用性，同時(shí)通過(guò)RS-485 總線與語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)、操作臺(tái)觸摸屏進(jìn)行通信連接，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制與操作。

2.2.3 加裝遙控及語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)

遙控系統(tǒng)控制遷車臺(tái)牽引機(jī)的工作，主要包括牽引鋼絲繩伸出與收回，操作人員在操作的同時(shí)執(zhí)行掛鉤與摘鉤操作，同時(shí)及時(shí)觀察車體周邊情況，應(yīng)對(duì)突發(fā)事件。

語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)由語(yǔ)音報(bào)警模塊與工業(yè)音箱組成，當(dāng)遷車臺(tái)出現(xiàn)定位、牽引、設(shè)備故障等情況時(shí)進(jìn)行語(yǔ)音實(shí)時(shí)播報(bào)，提醒周邊人員保持安全距離，操作者同時(shí)通過(guò)語(yǔ)音報(bào)警確認(rèn)操作是否正確，為設(shè)備安全提供雙重保障。

2.2.4 加裝操作臺(tái)

遷車臺(tái)只有兩個(gè)運(yùn)行方向，在系統(tǒng)兩個(gè)運(yùn)行方向同時(shí)加裝操作臺(tái)并配備安全扶手，操作人員通過(guò)觸摸屏與控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，遷車臺(tái)運(yùn)行時(shí)操作人員在遷車臺(tái)運(yùn)行側(cè)執(zhí)行系統(tǒng)操作，進(jìn)行瞭望與緊急事件處置，進(jìn)一步保證設(shè)備運(yùn)行安全（圖3）。

圖3 操作臺(tái)

2.2.5 定位檢測(cè)

遷車臺(tái)運(yùn)行采用旋轉(zhuǎn)編碼器作為位置檢測(cè)裝置，可編程序控制器（PLC）接收編碼器傳送回來(lái)的位置信號(hào)，并與系統(tǒng)設(shè)定的目標(biāo)坐標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比，當(dāng)遷車臺(tái)準(zhǔn)確運(yùn)行到目標(biāo)股道，操作人員確認(rèn)定位準(zhǔn)確并開(kāi)始牽引操作時(shí)，按照每股道的絕對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行編碼器數(shù)值校準(zhǔn)，修正編碼器數(shù)據(jù)偏差。

2.2.6 絕對(duì)定位

遷車臺(tái)工作的每股道安裝了絕對(duì)定位裝置，只有當(dāng)遷車臺(tái)自動(dòng)運(yùn)行到目標(biāo)股道區(qū)域后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)減速，并在絕對(duì)定位坐標(biāo)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)低轉(zhuǎn)速定位，尋找目標(biāo)股道定位裝置，操作與維修人員會(huì)在開(kāi)工前與巡檢過(guò)程中對(duì)該定位裝置進(jìn)行檢查與校準(zhǔn)，以保證遷車臺(tái)定位精準(zhǔn)可靠，為設(shè)備定位提供雙重保護(hù)。

2.3 改造效果

經(jīng)過(guò)調(diào)試優(yōu)化并穩(wěn)定運(yùn)行6 個(gè)月以上時(shí)間，系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)

改造完成后，設(shè)備運(yùn)行與維護(hù)比改造前發(fā)生了發(fā)以下兩大變化：①每部遷車臺(tái)減少操作人員兩人，每年可減少人員支出20萬(wàn)元以上；②按照近3 年維修頻次統(tǒng)計(jì)，自動(dòng)對(duì)道可有效降低設(shè)備故障率30%，平均每年降低該設(shè)備維修費(fèi)用1.2 萬(wàn)元，同時(shí)可以大幅降低維修人員工作量。

3 系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）自動(dòng)化程度高。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遷車臺(tái)的自動(dòng)定位，解決了手動(dòng)定位方式精度低、頻繁對(duì)道等問(wèn)題。

（2）勞動(dòng)強(qiáng)度低。操作人員無(wú)需頻繁操作，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)道控制，避免原有操作人員反轉(zhuǎn)制動(dòng)等對(duì)設(shè)備造成損害的行為。

（3）節(jié)能高效。系統(tǒng)采用永磁同步電機(jī)替代了原有的繞線電機(jī)，將原有的串電阻調(diào)速方式升級(jí)成變頻調(diào)速，避免能源浪費(fèi)，減少設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

（4）減員增效。改進(jìn)后系統(tǒng)操作人員可以減少到1 人，有效提高人員利用率，為企業(yè)減員提供技術(shù)支持。

4 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)的實(shí)施達(dá)到了如下目的：有效解決原有的鐵路貨車遷車臺(tái)多人操作、勞動(dòng)強(qiáng)度高、能源浪費(fèi)等問(wèn)題；減少人員對(duì)于設(shè)備運(yùn)行的干預(yù)程度，提高設(shè)備可靠性、實(shí)用性、穩(wěn)定性等；在節(jié)能方面進(jìn)行探索，替代了原有的串電阻調(diào)速方式，實(shí)現(xiàn)了無(wú)級(jí)調(diào)速、精準(zhǔn)定位；升級(jí)語(yǔ)音提示功能，使得設(shè)備操作更加人性化，具有良好的推廣價(jià)值和應(yīng)用空間。