格雷母線在長鋼軌群吊集控系統(tǒng)中的應用

戴明宏,江興盟,安文秀

(1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學院,鄭州 450052;2.中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司鄭州設(shè)計院,鄭州 450000)

格雷母線在長鋼軌群吊集控系統(tǒng)中的應用

戴明宏1,江興盟1,安文秀2

(1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學院,鄭州 450052;2.中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司鄭州設(shè)計院,鄭州 450000)

500m長鋼軌吊運需要多臺門吊的協(xié)同配合才能完成。為提高焊軌基地吊運長鋼軌的效率,防止吊運過程中長鋼軌發(fā)生扭曲變形,減輕作業(yè)人員的勞動強度,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),克服多臺門吊在吊運過程中出現(xiàn)的不同步誤差,確保長鋼軌在吊運過程中精確定位、同步吊運,為焊軌基地長鋼軌吊運提供了一個很好的群吊集控系統(tǒng)方案。

格雷母線;PLC;長鋼軌;群吊集控系統(tǒng)

目前我國鐵路向高速、重載發(fā)展,因此,對鐵路鋼軌焊接長度、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的長鋼軌,然后由運軌列車將長鋼軌運送到路基上鋪設(shè)。

目前,我國各鐵路局焊軌基地所使用的長鋼軌吊運設(shè)備,采用的是每隔16m設(shè)置1臺龍門吊車,吊運500m長鋼軌需用32臺龍門吊車[2],每臺吊車配備1名操作人員,各操作人員通過與相鄰操作人員的相互協(xié)調(diào)來進行吊裝作業(yè),不具備同步吊運的功能,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龍門吊車進行集控改造,但因各龍門吊車的運行、起落不同步等原因,難以實現(xiàn)同步吊運。因此,長鋼軌群吊集控系統(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和數(shù)據(jù)通信技術(shù)[5-7]。它利用電磁感應原理,以相互靠近的扁平狀的電纜和天線箱之間的電磁耦合來進行通信,并在通信的同時檢測到天線箱在格雷母線長度方向上的位置。

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

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

圖1 格雷母線地上檢測設(shè)備配置

如圖1所示,移動站上的天線箱1為地址信號的“發(fā)射天線”,固定站格雷母線芯線為地址信號“接收天線”。移動站上的天線箱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對感應環(huán)線用于數(shù)據(jù)通信,通過電磁耦合在發(fā)信機和收信機之間傳送信息,信息使用頻率鍵控(FSK)方式調(diào)制,使用相干解調(diào),標準通信速率4800bps或9600bps,通信誤碼率:10-7。工作時,由移動站天線箱發(fā)射地址信號,由于電磁耦合,會在格雷母線上產(chǎn)生感應電動勢。在格雷母線上感應的信號會通過交叉線和平行線傳送到固定站的地址編碼接收器。地址編碼接收器對接收到的信號進行相位比較。如果相應地址交叉線的信號相位與平行線的信號相位相同,那么定義移動站地址為“0”;如果交叉線的信號相位與平行線的信號相位相反,那么移動站地址為“1”。由此可見,格雷母線用一對地址線可以檢測到2個地址,用兩對地址線可以檢測到4個地址,用n對地址線可以檢測到2n個地址。

根據(jù)電磁理論

式中,φ為磁通量;S為線圈面積;B為電磁強度。

式中,e為感應電動勢;N為線圈的匝數(shù)。

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

絕對定位精度μ=W/2

格雷母線長度L=2nμ

式中,n為格雷母線芯線的數(shù)量。

通過上面的分析,可知當格雷母線最小步長W= 200mm時,檢測精度為

μ=W/2=200/2=100mm

如果同時格雷母線地址為10對,則格雷母線長度為

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方式。在實際運用中,一般可以再細分20倍,即在精度為100mm的基礎(chǔ)上細分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 采用格雷母線的長鋼軌群吊集控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

長鋼軌群吊現(xiàn)場一般由承軌臺、放置長軌區(qū)(一般稱為“垛區(qū)”)、龍門吊車、裝運長軌列車專用線等組成[8]。如圖2所示。

圖2 長軌群吊作業(yè)現(xiàn)場

當軌道焊接流水線把焊好后的長軌運送到承軌臺上后,群吊集控系統(tǒng)控制32臺龍門吊車,將500m的長鋼軌吊起并水平移動到指定的位置,進行碼垛或裝車。要實現(xiàn)吊運過程中長鋼軌保持自然直線形態(tài),多點群吊的水平和垂直兩方向運動就必須保持同步,這不僅要保證每一吊點的平移速度相等,而且每一吊點的升降速度要一致,因此,這就提出了對多點群吊采用精確定位,進行計算機集中控制的要求。

為了保證32臺龍門吊車在吊運過程中同步一致,避免長鋼軌扭曲變形,影響長鋼軌吊運的工作效率和長鋼軌焊接后的質(zhì)量,必須采用高精度和高可靠性的位置檢測系統(tǒng)。為此,提出了在平移方向采用格雷母線傳感器檢測,在垂直方向采用旋轉(zhuǎn)編碼器檢測,將檢測到的信息實時傳輸給PLC,通過格雷母線的通信系統(tǒng)傳輸給工控機,工控機根據(jù)需要調(diào)整變頻器的頻率和電動機的轉(zhuǎn)速,從而達到每個龍門吊車的吊點同步一致,確保在吊運過程中長鋼軌保持直線形態(tài)。在平移方向采用格雷母線傳感器絕對位置檢測,克服了長距離運行采用旋轉(zhuǎn)編碼器檢測引起的機械傳動裝置、電動機轉(zhuǎn)速差、車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和工控機進行通訊,在PLC和工控機之間傳遞信息,長軌群吊計算機集中控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 長鋼軌群吊計算機集中控制結(jié)構(gòu)

每臺吊車包括1個PLC為核心的測控系統(tǒng),采用PID閉環(huán)控制算法控制電機轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)吊車同步運動。單臺吊車變頻執(zhí)行機構(gòu) PID閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 單臺吊車變頻執(zhí)行機構(gòu)PID閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)

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

軟件設(shè)計中,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——積分時間常數(shù),s;

TD——微分時間常數(shù),s;

Uo——控制常數(shù)。

在計算機控制中,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,則離散采樣點kT對應著連續(xù)時間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,k=0,1,2,…;

Uk——第k次采樣時刻的輸出值;

Ek——第k次采樣時刻輸入的偏差值;

Ek-1——第k-1次采樣時刻輸入的偏差值;

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,便于計算機處理。在本系統(tǒng)軟件設(shè)計時為了更好地實現(xiàn)閉環(huán)控制,即采用了增量式PID控制方案[10]。

變頻執(zhí)行機構(gòu)采用變頻器+小車走行(起升)電機+格雷母線(旋轉(zhuǎn)編碼器),構(gòu)成位置閉環(huán)控制。由于小車走行(起升)機構(gòu)對位置精度的要求比較高,所以,采用在小車走行和起升運動中通過格雷母線和高速旋轉(zhuǎn)編碼器反饋的位置參數(shù),及時控制小車走行和起升電機加減速微調(diào),通過單臺龍門吊車的絕對位置控制,最終實現(xiàn)所有龍門吊車的同步運動、同步起落。

3 結(jié)論

該系統(tǒng)采用格雷母線進行檢測和通信,實現(xiàn)長鋼軌群吊集控系統(tǒng),能很好地改善之前吊裝過程中遇到的不同步等問題,具有很高的實用價值。該系統(tǒng)具有以下技術(shù)特點。

(1)位移信號采用非接觸式格雷母線位移檢測方式,分辨率可以達到5mm,系統(tǒng)運行可靠,維護量小。

(2)通過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)友好的人機界面,可以方便地控制吊車的運行。

(4)降低了工人的工作強度,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研究計劃項目(2010C110004)

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