軌枕生產(chǎn)線鋼模橫移自動控制系統(tǒng)設(shè)計

0 引言

隨著中國鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，軌枕制造技術(shù)也不斷向前發(fā)展。國內(nèi)外新型材料軌枕也相繼推出例如玄武巖/ 碳纖維混雜符合軌枕^[1]、高聚合物復(fù)合材料軌枕^[2]、合成材料軌枕^[3]，但混凝土軌枕具有強(qiáng)度高、道床橫向阻力大、穩(wěn)定性好、不受氣候、腐蝕的影響、使用壽命長等顯著優(yōu)點^[4]，仍作為我國鐵路建設(shè)的首選。

目前，國內(nèi)混凝土軌枕生產(chǎn)線主要采用流水機(jī)組傳送法^[5]進(jìn)行設(shè)計。流水機(jī)組傳送法生產(chǎn)線通常采用“U”型布局設(shè)計，采用2*4 或2*5 型鋼模進(jìn)行軌枕生產(chǎn)。其具有生產(chǎn)效率高、設(shè)備通用性強(qiáng)、生產(chǎn)成本低等特點^[6]。流水機(jī)組傳送法軌枕生產(chǎn)線實現(xiàn)閉環(huán)生產(chǎn)過程中，鋼模在相互平行的縱向輥道之間輸送。因此，生產(chǎn)線通常設(shè)置1 ～ 2 套鋼模橫移裝備。

參考中鐵物資平頂山軌枕有限公司（以下簡稱平軌公司）軌枕生產(chǎn)線，生產(chǎn)線工藝流程沿東西方向“U”型設(shè)計，如圖1 所示。其生產(chǎn)線存在兩處鋼模橫移設(shè)計：其一設(shè)置在兩組橫移輥道之間；另一設(shè)置在預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉輥道和配件安裝輥道之間。橫移設(shè)備平面圖如圖2所示。兩處鋼模橫移設(shè)備及控制方式完全相同。本鋼模橫移自動控制系統(tǒng)依據(jù)平軌公司生產(chǎn)線鋼模橫移設(shè)備為基礎(chǔ)進(jìn)行控制設(shè)計^[7]，同時為類似橫移過程的生產(chǎn)線提供自動化控制方案參考。

圖1 平軌公司軌枕生產(chǎn)線工藝流程示意圖

圖2 生產(chǎn)線橫移設(shè)備平面圖

1 控制要求

鋼模橫移自動控制^[8] 系統(tǒng)依托生產(chǎn)線既有設(shè)備，通過增加傳感器和變頻器等配件進(jìn)行重新設(shè)計。系統(tǒng)控制的設(shè)備有：2 組橫移輥道、4 套連桿式升降機(jī)構(gòu)（分別對應(yīng)4 臺一體式電液推桿）、4 臺一體式電液推桿（2臺/ 組）和2 臺運輸小車?？刂七\動電機(jī)共10 臺，分別為4 臺橫移輥道電機(jī)，4 臺電液推桿電機(jī)和2 臺運輸小車電機(jī)。鋼模橫移過程需要以上設(shè)備相互配合完成，且設(shè)備之間存在嚴(yán)格的運行邏輯順序。原控制臺存在操作按鈕多、設(shè)備狀態(tài)需要人工觀察判斷、易誤操作等問題。根據(jù)鋼模橫移過程分析容易得出橫移過程雖然繁瑣但邏輯判斷簡單且具有嚴(yán)格的重復(fù)性，采用PLC 作為控制單元能夠?qū)崿F(xiàn)自動化控制。

根據(jù)設(shè)備實際生產(chǎn)運行情況，對鋼模橫移自動控制系統(tǒng)控制要求如下：

1）自動控制系統(tǒng)具備手動運行模式、單段運行模式和自動運行模式3 種模式。

2）在連續(xù)工作中要求運輸小車載1 套鋼模處于等待狀態(tài)。

3）設(shè)置電源急停按鈕，當(dāng)其被按下后整個控制系統(tǒng)斷電，且所有控制設(shè)備全部停止運行。

4）自動控制系統(tǒng)包含2 臺運輸小車運行一致性自動調(diào)節(jié)功能。防止兩個臺運輸小車不同步，造成鋼模掉落、損壞等風(fēng)險。

5）自動程序啟動后首先執(zhí)行初始化程序，初始化程序完成指示燈亮起，點擊啟動按鈕開始執(zhí)行自動程序。

6）系統(tǒng)初始狀態(tài)設(shè)定為2 組輥道處于停止?fàn)顟B(tài)，4套連桿式升降機(jī)構(gòu)處于復(fù)位狀態(tài)；2 臺運輸小車停止在軌道中間設(shè)定位置；南側(cè)橫移輥道上無鋼模。

7）暫停按鈕僅用于自動控制部分。當(dāng)其被按下后自動運行程序停止，按下第2 次系統(tǒng)繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)未執(zhí)行程序。

8）停止按鈕在手動模式程序和自動模式程序中應(yīng)用。當(dāng)其被按下時，控制設(shè)備全部停止運行。在自動程序中當(dāng)按下停止按鈕后再次啟動自動程序時，需要先執(zhí)行初始化程序后再點擊啟動按鈕開始執(zhí)行自動運行程序。

2 控制程序設(shè)計

根據(jù)控制要求和控制橫移設(shè)備的數(shù)量，綜合市場PLC 產(chǎn)品的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和適用性^[9]，選用西門子S7-200Smart ST40 DC/DC/DC PLC 作為本控制系統(tǒng)的控制主單元。

2.1 控制程序構(gòu)架設(shè)計

根據(jù)生產(chǎn)線橫移設(shè)備實際控制過程和控制要求，設(shè)計控制程序總體構(gòu)架如下：

1）主程序（含小車一致性調(diào)節(jié)程序，手/ 自模式選擇）；

2）初始化程序；

3）公用程序；

4）手動模式程序；

5）自動模式程序（含單段運行模式）。

根據(jù)控制程序框架設(shè)計，將PLC I/O 地址分配情況如表1 所示。由于輸入點位較多且存在模擬量輸入，另外增加2 個數(shù)字量輸入模塊EMED08 和1 個模擬量輸入模塊EMAE04。

表1 鋼模橫移自動控制系統(tǒng)I/O地址分配表

依據(jù)PLC I/O 地址分配和控制要求，鋼模橫移自動控制系統(tǒng)功能流程圖設(shè)計如圖2 所示。

圖2 鋼模橫移自動控制系統(tǒng)功能流程圖

2.2 主程序

主程序主要實現(xiàn)以下功能，其程序設(shè)計具體內(nèi)容如圖3 所示：

1）不論何種運行模式，主程序能控制南側(cè)橫移輥道電機(jī)的正、反向運動；

2）運輸小車運行減速控制；

3）2 臺運輸小車之間運行一致性調(diào)節(jié)；

4）信號輸入地址與程序中M 地址轉(zhuǎn)換。

2.3 初始化程序

初始化程序是執(zhí)行自動化程序的前提，初始化程序執(zhí)行完成后橫移設(shè)備達(dá)到自動模式啟動的初始狀態(tài)。無論系統(tǒng)處于何種運行模式，都可用啟動初始化程序完成初始狀態(tài)設(shè)置。初始化程序啟動前要求，南側(cè)橫移輥道上無鋼模，如果存在有鋼?？梢酝ㄟ^手動模式進(jìn)行清空，否則不能啟動初始化程序。

圖3 控制系統(tǒng)主程序

2.4 自動模式程序

自動模式啟動前設(shè)備需滿足以下條件（初始狀態(tài)）：

1）2 臺運輸小車上無鋼模；

2）2 臺運輸小車處于中間位置；

3）北側(cè)升降裝置處于原位；

4）南側(cè)升降裝置處于原位。

當(dāng)現(xiàn)場設(shè)備情況滿足自動運行初始狀態(tài)下，旋轉(zhuǎn)開關(guān)至自動模式，按下啟動按鈕，橫移設(shè)備自動完成鋼模橫移作業(yè)。

在自動化程序中含有單步運行模式開關(guān)。單步運行模式主要用于程序調(diào)試。當(dāng)現(xiàn)場設(shè)備情況滿足自動運行初始條件下，旋鈕開關(guān)轉(zhuǎn)至單步運行模式，每點擊一次啟動按鈕，控制系統(tǒng)就會執(zhí)行一行自動運行程序。需注意程序中設(shè)有時間停頓和空步程序段。

2.5 手動模式

手動模式下，操作人員按照控制面板上的按鈕啟動對應(yīng)電機(jī)即可。

3 結(jié)束語

此自動控制系統(tǒng)可以減少操作工人1 名，同時提高了設(shè)備可靠性和鋼模傳送效率。另外，控制系統(tǒng)還設(shè)置有工作警示燈和報警燈等附加功能，提高了橫移設(shè)備的安全性和智能性。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年6月期）