李林駿

（山西省財(cái)政科學(xué)研究院， 山西 太原 030006）

0 引言

國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布新中國(guó)成立70 周年經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展成就報(bào)告顯示，70 年來，我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施加速成網(wǎng)，綜合運(yùn)輸保障能力大幅上升，截至2021 年12 月30 日，中國(guó)高鐵運(yùn)營(yíng)總里程已突破四萬公里。鐵路軌道的巡檢、維護(hù)成為保障鐵路正常運(yùn)行的重要內(nèi)容之一。其中軌道連接采用緊固件連接，其螺母緊固得當(dāng)能有效防止軌道的松動(dòng)和移位，同時(shí)能減少列車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲，保證列車安全運(yùn)行。如何提高軌道緊固件螺母巡檢的效率，降低巡檢工人的勞動(dòng)強(qiáng)度是亟待解決的問題之一[1-2]。

本文以軌道堅(jiān)固件檢修問題為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)一種可用于螺母巡檢的軌道車，解決人工檢修螺母效率低、攜帶工具不便的問題[3]，對(duì)保障鐵路運(yùn)行具有較好的意義。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由行走裝置、擰緊裝置、控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、人機(jī)交互以及移動(dòng)小車等組成，具體見圖1。其中移動(dòng)小車采用框架結(jié)構(gòu)，為系統(tǒng)提供基礎(chǔ)支撐，由底盤、框架等組成，行走裝置安裝于底盤上，通過傳動(dòng)裝置帶動(dòng)軌道車可沿導(dǎo)軌行進(jìn)。行走裝置由行走輪、轉(zhuǎn)向輪、行走電機(jī)、調(diào)速裝置以及速度傳感器等組成，行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)行走輪轉(zhuǎn)動(dòng)，采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可由PWM波控制，可實(shí)現(xiàn)行走速度的調(diào)節(jié)。動(dòng)力裝置為系統(tǒng)提供動(dòng)力，由蓄電池組、充電模塊以及轉(zhuǎn)換模塊組成，其中轉(zhuǎn)換模塊可將蓄電池電壓轉(zhuǎn)為控制器、觸摸屏所需電壓。擰緊裝置采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)作業(yè)裝置，通過力傳感器可實(shí)現(xiàn)擰緊力的檢測(cè)，并對(duì)緊固力進(jìn)行修正。電控系統(tǒng)采用西門子SMART 系列控制器，并擴(kuò)展模擬量模塊以滿足系統(tǒng)檢測(cè)需求。人機(jī)交互為系統(tǒng)提供良好的人機(jī)交互界面，可實(shí)時(shí)顯示軌道車各參數(shù)，同時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)啟停、前進(jìn)、后退等操作按鈕，方便工作人員操作。

圖1 系統(tǒng)組成

2 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用西門子SMART 系列ST60 PLC 為主控制器，并擴(kuò)展DP01 通信模塊、AE 模擬量輸入模塊，與觸摸屏以及充電單元組成總線網(wǎng)絡(luò)，通過以太網(wǎng)與觸摸屏通信，實(shí)時(shí)顯示軌道車狀態(tài)，并提供虛擬操作按鈕；通過DP01 通信模塊采用RS485 與充電模塊通信，可顯示充電狀態(tài)、蓄電池電量、續(xù)航里程等信息。通過西門子高速脈沖輸出PWM，可實(shí)現(xiàn)行走電機(jī)速度的調(diào)節(jié)、擰緊電機(jī)力的調(diào)節(jié)。行走啟動(dòng)、停止、擰緊作業(yè)啟動(dòng)、停止、行程開關(guān)、指示燈以及繼電器驅(qū)動(dòng)等開關(guān)量通過I/O 點(diǎn)接入控制器。系統(tǒng)擴(kuò)展模擬量模塊用于采集傳感器的模擬量信號(hào)。具體見圖2。

圖2 控制系統(tǒng)

2.2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)開機(jī)后，通過行走啟動(dòng)按鈕給行走電機(jī)上電，通過前進(jìn)/后退按鈕由控制器控制軌道車沿軌道行進(jìn)，行進(jìn)過程中行走指示燈交替閃爍，以提示軌道車處于行進(jìn)中，并可通過觸摸屏調(diào)節(jié)行走的速度，行進(jìn)至軌道緊固件作業(yè)區(qū)域后停止軌道車。根據(jù)軌道維修手冊(cè)緊固件所要求的緊固力矩，操作人員通過觸摸屏扭矩設(shè)定界面設(shè)置檢修扭矩，即可開展軌道緊固件螺母的巡檢。操作人員通過手輪分別驅(qū)動(dòng)擰緊裝置沿橫向和垂向移動(dòng)，直至擰緊作業(yè)裝置扭矩頭與螺母接觸，啟動(dòng)檢修按鈕，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)扭矩頭旋轉(zhuǎn)對(duì)螺母進(jìn)行緊固，同時(shí)通過串聯(lián)的動(dòng)態(tài)扭矩傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)緊固力矩，與要求的力矩進(jìn)行對(duì)比，形成力矩的閉環(huán)控制。螺母緊固力達(dá)到允許誤差范圍的數(shù)值后，伺服電機(jī)自動(dòng)停止作業(yè)，同時(shí)控制器將扭矩?cái)?shù)值反饋給觸摸屏，觸摸屏顯示此螺母緊固力符合要求，同時(shí)作業(yè)完成指示燈交替閃爍進(jìn)行提示。操作人員通過手輪提升作業(yè)裝置，移動(dòng)至行程開關(guān)時(shí)提示作業(yè)裝置已抬升至安全高度，作業(yè)完成指示燈熄滅，此時(shí)操作人員可啟動(dòng)行走電機(jī)，驅(qū)動(dòng)軌道車運(yùn)行至下一個(gè)工位，依次開展軌道螺母檢修工作。系統(tǒng)的I/O 分配如表1 所示。

表1 I/O 分配表

2.3 動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為提高軌道車工作效率，采用蓄電池模塊為其提供動(dòng)力，伺服電機(jī)、行走電機(jī)均采用直流式電機(jī)，蓄電池可直接為行走電機(jī)、伺服電機(jī)電壓匹配，可提高供電系統(tǒng)的效率。充電模塊具有短路、過載以及過充等保護(hù)，保障蓄電池的充電安全性。設(shè)計(jì)電池監(jiān)測(cè)模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)蓄電池的電壓、容量、剩余電量等信息，并具有通信功能，可與西門子控制器以RS485 串口進(jìn)行通信，將蓄電池相關(guān)參數(shù)反饋給控制器。

3 程序系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 PLC 程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以西門子SR60 為主站，充電單元為從站，組建通信網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)與觸摸屏組建以太網(wǎng)?？刂瞥绦蛟O(shè)計(jì)了主程序和子程序，主程序完成開機(jī)自檢、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置并調(diào)用子程序，子程序包括行走控制子程序、螺母作業(yè)子程序、通信子程序、故障處理子程序。系統(tǒng)具有開機(jī)自檢功能，啟動(dòng)后對(duì)通信狀態(tài)、蓄電池電量以及電機(jī)狀態(tài)等進(jìn)行檢查，出現(xiàn)故障后及時(shí)報(bào)警。主程序主要完成存儲(chǔ)器設(shè)置、通信參數(shù)設(shè)置、初始值設(shè)置等，為軌道車運(yùn)行做好基礎(chǔ)設(shè)置。

3.2 人機(jī)交互設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，與主控制器以以太網(wǎng)通信，可實(shí)時(shí)顯示軌道車的狀態(tài)，并設(shè)計(jì)虛擬按鈕，可同步控制行走電機(jī)、伺服電機(jī)等執(zhí)行元件。

人機(jī)交互界面分為主界面和二級(jí)界面，主界面調(diào)用各二級(jí)界面，二級(jí)界面包含行走控制界面、作業(yè)控制界面、故障處理界面以及通信設(shè)置界面，可有效提高系統(tǒng)的效率。行走控制界面提供行走電機(jī)的虛擬啟動(dòng)、停止按鈕，設(shè)計(jì)行走速度調(diào)節(jié)輸入框，可通過輸入框輸入所需設(shè)置的速度，即可通過控制器調(diào)整行走電機(jī)速度，該界面實(shí)時(shí)顯示軌道車的行走狀態(tài)、蓄電池電量等信息。作業(yè)界面可設(shè)置螺母緊固所需扭矩，也設(shè)計(jì)扭矩輸入框，作業(yè)時(shí)實(shí)時(shí)顯示扭矩值的大小，方便檢修人員實(shí)時(shí)了解螺母擰緊力的狀態(tài)。二級(jí)界面設(shè)計(jì)了故障存儲(chǔ)界面，可將參數(shù)超限時(shí)的故障信息以表格的形式進(jìn)行存儲(chǔ)，方便后續(xù)對(duì)巡檢數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。通信設(shè)置界面可調(diào)節(jié)總線網(wǎng)絡(luò)以太網(wǎng)IP 地址、串口通信波特率等參數(shù)，方便系統(tǒng)適應(yīng)不同產(chǎn)品的通信。

4 結(jié)語

本文從軌道緊固件檢修過程中工作量大、效率低等問題出發(fā)，設(shè)計(jì)基于PLC 控制的軌道作業(yè)車，可用于軌道緊固件的檢修。本文設(shè)計(jì)了軌道車的總體框架，闡述了行走裝置、控制系統(tǒng)、人機(jī)交互、動(dòng)力裝置以及移動(dòng)小車各部分的組成和作用。系統(tǒng)選用西門子SMART 控制器，并擴(kuò)展了通信模塊和模擬量模塊，構(gòu)建了以控制器為主站，觸摸屏、充電單元為從站的總線網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)軟件系統(tǒng)和人機(jī)交互界面進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。本文所設(shè)計(jì)軌道檢修車可應(yīng)用于軌道緊固件的巡檢和檢修，可提高工作效率，為軌道檢修提供一種較好的思路。