廣州地鐵線網(wǎng)內(nèi)移動(dòng)式架車機(jī)同步計(jì)數(shù)方式的比較分析及優(yōu)化方法

唐義，鄧文平，王進(jìn)奇，李岳（廣州市地下鐵道總公司，廣東廣州510000）

廣州地鐵線網(wǎng)內(nèi)移動(dòng)式架車機(jī)同步計(jì)數(shù)方式的比較分析及優(yōu)化方法

唐義，鄧文平，王進(jìn)奇，李岳
（廣州市地下鐵道總公司，廣東廣州510000）

根據(jù)廣州地鐵現(xiàn)有移動(dòng)式架車機(jī)，通過分析兩種同步計(jì)數(shù)方式的的原理特點(diǎn)及出現(xiàn)的故障，總結(jié)兩種不同計(jì)數(shù)方式的優(yōu)缺點(diǎn)并提出優(yōu)化方案，為后續(xù)移動(dòng)式架車機(jī)設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)參考。

移動(dòng)式架車機(jī)；同步計(jì)數(shù)方式；接近開關(guān)；旋轉(zhuǎn)編碼器

移動(dòng)式架車機(jī)，用于將車輛舉升，對(duì)車輛的轉(zhuǎn)向架或車底部件進(jìn)行檢修作業(yè)，是城市軌道交通車輛檢修的重要設(shè)備之一。為了保證列車的架車安全，架車機(jī)在架車過程中的同步升降功能是整個(gè)設(shè)備的技術(shù)核心，同步計(jì)數(shù)方式作為同步升降功能的直接控制方式，直接關(guān)系整臺(tái)架車機(jī)的使用安全。

1　同步計(jì)數(shù)方式的兩種方式

根據(jù)廣州地鐵的使用經(jīng)驗(yàn)，在國(guó)內(nèi)外的架車機(jī)行業(yè)中所采用的同步計(jì)數(shù)方式主要有兩種，分別是接近開關(guān)-旋轉(zhuǎn)編碼盤模式和旋轉(zhuǎn)編碼器模式。

根據(jù)表1可以看到，其同步控制結(jié)構(gòu)分為兩種，一號(hào)線、廣佛線、八號(hào)線Neuero移動(dòng)式架車機(jī)采用接近開關(guān)-旋轉(zhuǎn)編碼盤計(jì)數(shù)方式。其原理為在每臺(tái)架車機(jī)絲桿頂部（一號(hào)線）或底部（廣佛線）絲桿軸承座位置安裝旋轉(zhuǎn)編碼盤，旋轉(zhuǎn)編碼盤設(shè)置有凹凸槽，接近開關(guān)通過凹凸槽檢測(cè)脈沖信號(hào)進(jìn)行同步控制。

表1　廣州地鐵各線路移動(dòng)式架車機(jī)同步計(jì)數(shù)方式統(tǒng)計(jì)表

2　風(fēng)險(xiǎn)分析

接近開關(guān)-旋轉(zhuǎn)編碼盤計(jì)數(shù)模式：當(dāng)絲桿旋轉(zhuǎn)時(shí)安裝在絲桿軸承座的旋轉(zhuǎn)編碼盤同軸旋轉(zhuǎn)，計(jì)算的是絲桿的實(shí)際轉(zhuǎn)速。風(fēng)險(xiǎn)在于，需要注意接近開關(guān)感應(yīng)距離，當(dāng)感應(yīng)距離過小時(shí)，傳感器和旋轉(zhuǎn)編碼盤產(chǎn)生位置干涉，導(dǎo)致傳感器損壞；當(dāng)感應(yīng)距離過大時(shí)（每款傳感器都有相應(yīng)的感應(yīng)距離要求），傳感器無法檢測(cè)到脈沖信號(hào)，導(dǎo)致系統(tǒng)報(bào)同步故障。如圖1所示。

圖1　接近開關(guān)-旋轉(zhuǎn)編碼盤模式現(xiàn)場(chǎng)圖

旋轉(zhuǎn)編碼器計(jì)數(shù)模式：三號(hào)線、八號(hào)線移動(dòng)式架車機(jī)旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在絲桿頂端，在升降過程中通過編碼器聯(lián)軸節(jié)將絲桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞給編碼器，并通過編碼器觸發(fā)脈沖經(jīng)過PLC高速計(jì)算模塊處理，計(jì)算出托頭實(shí)際高度值。五號(hào)線移動(dòng)式架車機(jī)旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在電機(jī)頂端，在升降過程中通過編碼器聯(lián)軸節(jié)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞給編碼器。如圖2所示。

圖2　旋轉(zhuǎn)編碼器模式現(xiàn)場(chǎng)圖

2013年9月廣州地鐵三號(hào)線移動(dòng)式架車機(jī)8#架車機(jī)在三編組群組上升架車過程中，8#架車機(jī)托頭高度超過其他架車機(jī)100mm左右，系統(tǒng)未提示同步故障。

通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，第二組（5#、6#、7#、8#）架車機(jī)在起升過程中接觸器出現(xiàn)多次吸合斷開動(dòng)作，在30 s時(shí)間段內(nèi)，8#架車機(jī)起升高度超過其他三臺(tái)架車機(jī)50mm。超過系統(tǒng)允許同步誤差極限值（20mm），系統(tǒng)未提示同步故障，未自動(dòng)停機(jī)。

根據(jù)移動(dòng)式架車機(jī)原理可知，架車機(jī)工作時(shí)減速機(jī)帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)，螺母隨著絲桿的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)架車托頭上下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)車輛舉升、下降動(dòng)作。在三號(hào)線移動(dòng)式架車機(jī)絲桿頂端安裝有旋轉(zhuǎn)編碼器，在升降過程中通過聯(lián)軸節(jié)將絲桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞給編碼器，并通過編碼器觸發(fā)脈沖經(jīng)過PLC高速計(jì)算模塊處理，計(jì)算出托頭實(shí)際高度值，三組架車機(jī)群組操作時(shí)，系統(tǒng)對(duì)12臺(tái)架車機(jī)的高度值進(jìn)行比較，若比較差值超過8mm，系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)（系統(tǒng)調(diào)節(jié)），調(diào)節(jié)方式為高度值大的架車機(jī)停止動(dòng)作等待高度值小的架車機(jī)，當(dāng)同步誤差消除時(shí)，群組繼續(xù)動(dòng)作[1]。

該次故障在上升過程中8#架車機(jī)在顯示屏的顯示的高度值小于其余架車機(jī)高度值，接觸器出現(xiàn)多次吸合斷開動(dòng)作，檢查發(fā)現(xiàn)8#架車機(jī)編碼器聯(lián)軸器已經(jīng)松動(dòng)。其故障原因是編碼器聯(lián)軸節(jié)松動(dòng)，旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)的數(shù)據(jù)與絲桿實(shí)際旋轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)不一致，PLC系統(tǒng)判斷8#架車機(jī)高度值偏小，5#、6#、7#架車機(jī)停止動(dòng)作等待8#架車機(jī)上升至系統(tǒng)檢測(cè)同步誤差值已消除，再同步群組上升，但根據(jù)實(shí)際測(cè)量發(fā)現(xiàn)8#架車機(jī)實(shí)際高度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)檢測(cè)高度，最終導(dǎo)致架車傾斜。如圖3所示。

圖3　三號(hào)線移動(dòng)式架車機(jī)同步控制程序段

五號(hào)線移動(dòng)式架車機(jī)也采用旋轉(zhuǎn)編碼器計(jì)數(shù)方式，同樣存在因旋轉(zhuǎn)編碼器聯(lián)軸節(jié)松動(dòng)或斷裂導(dǎo)致PLC系統(tǒng)出現(xiàn)計(jì)數(shù)誤差的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)，因該架車機(jī)旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在電機(jī)頂端，其實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)為電機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)電機(jī)與絲桿之間的聯(lián)軸節(jié)出現(xiàn)斷裂或松脫時(shí)，同樣會(huì)造成PLC系統(tǒng)檢測(cè)編碼器數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差。如圖4、圖5所示。

圖4　旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在電機(jī)頂部

由表2分析可得出結(jié)論，當(dāng)旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在電機(jī)頂端時(shí)，同步控制風(fēng)險(xiǎn)最大。

表2　移動(dòng)式架車機(jī)同步計(jì)數(shù)方式風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)分析

3　控制精度分析

從控制精度角度分析，移動(dòng)式架車機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)要求其同步升降誤差不得超過一定范圍，同步計(jì)數(shù)方式的精度直接影響整臺(tái)架車機(jī)的同步升降誤差值。以三號(hào)線和一號(hào)線兩臺(tái)架車機(jī)所采用的旋轉(zhuǎn)編碼器和接近開關(guān)-旋轉(zhuǎn)編碼盤的具體參數(shù)為例，分析兩者的同步控制精度。

（1）三號(hào)線

旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)量精度：1 600P/r；

絲桿導(dǎo)程16mm；

每個(gè)脈沖所反映的高度值=絲桿導(dǎo)程/旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)量精度=16/ 1 600=0.01mm。

（2）一號(hào)線

絲桿旋轉(zhuǎn)一圈接近開關(guān)觸發(fā)次數(shù)：16次；

絲桿導(dǎo)程：16mm；

每個(gè)脈沖所反映的高度值=絲桿導(dǎo)程/絲桿旋轉(zhuǎn)一圈接近開關(guān)觸發(fā)次數(shù)=16/16=1 mm。

圖5　旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在絲桿頂部

由上述計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，采用旋轉(zhuǎn)編碼器的同步計(jì)數(shù)方式精度遠(yuǎn)高于接近開關(guān)方式。旋轉(zhuǎn)編碼器精度較高的原因由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定。以廣州地鐵五號(hào)線使用的歐姆龍E6A2-C系列旋轉(zhuǎn)編碼器為例分析，如圖6所示，該編碼器由發(fā)光元件、受光元件、光檢測(cè)器、旋轉(zhuǎn)板組成，當(dāng)輸入軸旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，帶動(dòng)寫入光學(xué)圖案的旋轉(zhuǎn)板轉(zhuǎn)動(dòng)，通過兩處狹縫的光就會(huì)相應(yīng)地被透過、遮斷。這種光通過與各自的狹縫相對(duì)的受光元件轉(zhuǎn)換為電流，通過波形整形后，成為矩形波輸出[2]。而接近開關(guān)-旋轉(zhuǎn)編碼盤的結(jié)構(gòu)原理是，在旋轉(zhuǎn)編碼盤設(shè)置若干個(gè)孔徑相同的孔槽，旋轉(zhuǎn)編碼盤安裝在絲桿軸承套上或者是絲桿上端，接近開關(guān)固定在旋轉(zhuǎn)編碼盤可觸發(fā)的距離范圍內(nèi)，當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)動(dòng)作時(shí)，旋轉(zhuǎn)編碼盤跟隨絲桿旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，觸發(fā)接近開關(guān)產(chǎn)生脈沖信號(hào)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)編碼盤的孔槽越多，該脈沖反饋裝置的精度也越高。

圖6　旋轉(zhuǎn)編碼器原理示意圖

4　優(yōu)化方法

對(duì)于采用旋轉(zhuǎn)編碼器方式的移動(dòng)式架車機(jī)，建議在PLC程序中增加同步調(diào)整次數(shù)限制條件，防止計(jì)數(shù)出現(xiàn)偏差時(shí)，系統(tǒng)一直處于同步調(diào)整狀態(tài)導(dǎo)致架車傾斜。

圖7顯示的是西門子S7PLC系統(tǒng)同步計(jì)數(shù)次數(shù)限制的一種方法，利用S_CU計(jì)數(shù)器，在CU端設(shè)置計(jì)數(shù)器觸發(fā)條件，即調(diào)整條件；CV_BCD端設(shè)置計(jì)數(shù)器被觸發(fā)次數(shù)，記錄在MW236存儲(chǔ)器中，B端設(shè)置計(jì)數(shù)器復(fù)位條件[3]。再利用CMP命令將MW236存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)與CMP命令比對(duì)條件設(shè)置的2次進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)MW 236中的數(shù)據(jù)大于或等于2的時(shí)候，CMP命令觸發(fā)，PLC輸出調(diào)節(jié)次數(shù)報(bào)警，設(shè)備停止運(yùn)行。當(dāng)操作人員檢查設(shè)備狀態(tài)正常時(shí)，可通過觸發(fā)S-CU計(jì)數(shù)器R端設(shè)置的復(fù)位條件。計(jì)數(shù)器恢復(fù)初始值0，調(diào)節(jié)次數(shù)報(bào)警解除[4]。

通過以上方式，可有效地解決因旋轉(zhuǎn)編碼器計(jì)數(shù)出現(xiàn)誤差導(dǎo)致架車傾斜的風(fēng)險(xiǎn)。

圖7　調(diào)節(jié)次數(shù)報(bào)警功能

5　結(jié)論

根據(jù)本文上述分析可以得出結(jié)論：從風(fēng)險(xiǎn)控制角度分析，接近開關(guān)-旋轉(zhuǎn)編碼盤方式安裝結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，安裝難度低，維護(hù)方便；旋轉(zhuǎn)編碼器方式對(duì)編碼器安裝的同心度要求較高，維護(hù)時(shí)需定期檢查編碼器聯(lián)軸節(jié)狀態(tài)，維護(hù)較為麻煩。從控制精度分析，旋轉(zhuǎn)編碼器和接近開關(guān)-旋轉(zhuǎn)編碼盤兩種方式均能滿足移動(dòng)式架車機(jī)技術(shù)要求。綜上所述，在后續(xù)配置的移動(dòng)式架車機(jī)設(shè)備建議采用接近開關(guān)-旋轉(zhuǎn)編碼盤的同步計(jì)數(shù)方式。對(duì)于已經(jīng)采用旋轉(zhuǎn)編碼器方式的移動(dòng)式架車機(jī)，建議在PLC程序中增加同步調(diào)整次數(shù)限制條件，防止計(jì)數(shù)出現(xiàn)偏差時(shí)，系統(tǒng)一直處于同步調(diào)整狀態(tài)導(dǎo)致架車傾斜。

［1］廣州地鐵公司.廣州地鐵三號(hào)線移動(dòng)式架車機(jī)使用說明書［Z］.2008.

［2］溫殿忠，趙曉鋒.傳感器原理及其應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2013.

［3］劉華波，何文雪，王雪.西門子S7-300/400 PLC編程與應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［4］吳作明，杜明星.深入淺出西門子STEP［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

(編輯：王智圣)

The SynchronousCounting M ode Com parative Analysisand Optim izing M ethod of Guangzhou Subway In-Network M obile Car Lifting M achine

TANGYi，DENGWen-ping，WANG Jin-qi，LIYue
（Guangzhou Metro Corporation，Guangzhou510440，China）

Thisarticle combined with Guangzhoumetroexisting car lifting jack，by analyzing the two synchronizationmethodsof counting principles and faults.Summarized the advantages and disadvantages of two different counting methods and proposed optimization program，provided a reference for the car lifting jack design.

car lifting jack；synchronous countingmethod；proximity switch；encoder

U231.94

B

1009－9492(2015)04－0145－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.04.039

2014－11－26

唐義，女，1987年生，安徽池州人，大學(xué)本科，工程師。研究領(lǐng)域：城市軌道交通專用設(shè)備維修。已發(fā)表論文1篇。