應(yīng)用于聚氨酯固化道床施工的烘干車控制系統(tǒng)設(shè)計研究

馬時雨 周佳亮 高春雷

（1.中國鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

聚氨酯固化道床兼具有砟軌道和無砟軌道的優(yōu)點，是一種軌道結(jié)構(gòu)新技術(shù)。其原理是在已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定的新鋪碎石道床內(nèi)灌注由異氰酸酯、多元醇及各種配合劑的混合液體，混合液體滲入道床內(nèi)部，在碎石道砟空隙中完成發(fā)泡、膨脹、凝固等一系列聚合過程，泡沫狀聚氨酯彈性材料擠滿碎石道砟的空隙并牢固黏結(jié)碎石道砟顆粒，形成彈性固結(jié)整體道床結(jié)構(gòu)［1］。根據(jù)聚氨酯的混合工藝要求，須將道砟烘干、冷卻，達(dá)到一定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)后方可進(jìn)行道床澆注施工。其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)包括：烘干后表面道砟溫度不高于80 ℃，道砟中部溫度不低于35 ℃；冷卻后表面道砟溫度不高于35 ℃，道砟中部溫度不高于25 ℃［2］。

目前，聚氨酯固化道床烘干施工的主流設(shè)備為德國拜爾固化施工設(shè)備與國內(nèi)徐工開發(fā)的固化道床施工設(shè)備，存在烘干效率低、污染較嚴(yán)重、無自走行功能等缺點。為提高道床澆注施工的烘干冷卻效率，中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司研制了一套烘干車控制系統(tǒng)，可達(dá)到聚氨酯固化道床澆注施工所要求的烘干效果。

1 總體設(shè)計方案

烘干車控制系統(tǒng)由可編程邏輯控制器模塊（Programmable Logic Controller，PLC）、烘干冷卻設(shè)備、密封裝置、走行模塊、檢測設(shè)備、顯示器、輸入設(shè)備等組成，如圖1所示。

圖1 烘干車控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案

PLC 模塊是控制系統(tǒng)的核心，它將接收到的輸入設(shè)備和檢測設(shè)備的信號轉(zhuǎn)換成控制信號并發(fā)送至烘干冷卻設(shè)備、密封裝置、走行模塊進(jìn)行控制。烘干冷卻設(shè)備包括風(fēng)機、電機、變頻器、燃燒爐、點火器、電磁閥等，可根據(jù)PLC 發(fā)出的控制信號對燃燒爐的加熱溫度實現(xiàn)閉環(huán)控制，其中風(fēng)機在烘干冷卻階段為烘干車提供風(fēng)壓。密封裝置主要用于烘干道砟時密封周圍間隙，強化設(shè)備對道砟的烘干效果，包括空壓機、限位密封板、烘干罩、氣閥等。走行模塊包括變頻器、輪對、驅(qū)動電機、電磁離合器等，其中走行變頻器接收PLC 發(fā)出的控制信號并使驅(qū)動電機以設(shè)定的速度運行。檢測設(shè)備主要作用是將信號反饋至PLC，使操作人員可以實時監(jiān)測各限位狀態(tài)，包括限位傳感器、溫度傳感器。輸入設(shè)備包括控制面板與遙控器，其中控制面板能夠?qū)?shù)字量直接輸入至PLC，遙控器通過配套的接收器將信號傳輸至PLC。顯示器提供了直觀的人機交互界面，可使工作人員實時觀測到各執(zhí)行機構(gòu)的運行狀態(tài)，也可將工作參數(shù)傳輸至PLC。

2 系統(tǒng)配置

2.1 硬件

為滿足烘干作業(yè)的工藝要求，烘干車控制系統(tǒng)具有風(fēng)機、電機、燃燒爐、走行電機、卷筒機、離合器等主要部件及8個限位氣缸，主要測控量包括走行距離、走行速度、燃燒爐內(nèi)溫度、出風(fēng)口溫度、密封位置、烘干∕冷卻時間、風(fēng)機轉(zhuǎn)速、卷筒機轉(zhuǎn)矩、變頻器故障等參數(shù)。其中實現(xiàn)控制的參數(shù)有走行距離、走行速度、密封位置、烘干∕冷卻時間、風(fēng)機轉(zhuǎn)速、卷筒機轉(zhuǎn)矩?？紤]到主要測控量所需數(shù)字量和模擬量的路數(shù)及控制算法的復(fù)雜程度，烘干車控制系統(tǒng)中PLC 硬件配置選用西門子S7?200 模塊，CPU 為SR60，附加2 個EM ST32數(shù)字量模塊及EM AM06，EM AM02 模擬量模塊。PLC模塊共有128 路數(shù)字量和4 路模擬量輸入輸出，可接收動作指令并反饋信息［3］。上位機選用維綸MT8102iE型顯示器，可使用以太網(wǎng)接口與PLC連接。

2.2 軟件

烘干車控制系統(tǒng)中的軟件系統(tǒng)設(shè)計包括主機PLC的控制軟件、上位機顯示器的監(jiān)控交互軟件設(shè)計。在西門子專用的Step 7?Micro∕WIN 編程環(huán)境下，以梯形圖方法在PC 機上編制PLC 控制軟件，經(jīng)調(diào)試編輯后下載至PLC。烘干車控制系統(tǒng)的控制程序主要由主程序、自動走行程序、烘干冷卻程序、氣缸控制程序、限位檢測程序、遙控面板程序等子程序構(gòu)成。每個子程序的調(diào)用均與輸入到PLC 的信號及上位機傳輸?shù)膮?shù)有關(guān)。烘干作業(yè)時首先要判斷烘干車是否到達(dá)作業(yè)位置，未到達(dá)則執(zhí)行自動走行程序；確認(rèn)到達(dá)作業(yè)位置后，檢測各密封氣缸是否閉合，未閉合則執(zhí)行限位鎖定程序；限位鎖定后執(zhí)行烘干冷卻程序，燃燒爐、風(fēng)機依序啟動；作業(yè)完成后密封系統(tǒng)限位解除，烘干車等待下一個命令。

上位機軟件編程使用Easy Builder pro程序進(jìn)行編輯，包括主界面、烘干限位監(jiān)控界面、電機監(jiān)控界面、參數(shù)設(shè)置界面，見圖2。主界面用于顯示當(dāng)前走行距離、風(fēng)機∕燃燒爐報警、走行限位狀態(tài)；烘干限位界面顯示密封裝置的氣缸狀態(tài)［4］；電機監(jiān)控界面顯示由變頻器反饋模擬量的速度與電流（行走機、風(fēng)機、卷筒機）；參數(shù)設(shè)置界面主要用于用戶輸入烘干時間、冷卻時間、枕木間距、走行軌枕根數(shù)、行走機速度設(shè)置等。

圖2 上位機顯示屏界面

3 控制方法

為實現(xiàn)烘干車的自動化控制并保證系統(tǒng)安全可靠，烘干車控制系統(tǒng)的烘干冷卻控制、走行模塊控制、密封裝置控制均采用多種方法綜合控制。

3.1 烘干冷卻控制

烘干冷卻系統(tǒng)可分為燃燒爐組和風(fēng)機組2 部分。烘干工作時燃燒爐組與風(fēng)機組同時運行，冷卻工作時只有風(fēng)機組運行。烘干流程如圖3所示。

圖3 烘干流程

燃燒爐組采用PID進(jìn)行控制。燃燒爐控制回路的外圍設(shè)備由PID 溫度表、燃油加熱爐、2 個燃燒電磁閥組成。燃燒爐的大小火調(diào)節(jié)功能由2 個電磁閥控制，其中小火電磁閥直接根據(jù)PLC 輸出的信號控制燃燒爐的啟停；大火電磁閥無法單獨控制燃燒爐，只有在小火電磁閥啟動的情況下方可控制燃燒爐的大火和小火切換［5］。大火電磁閥由測量風(fēng)機出風(fēng)口溫度的PID溫度表的輸出端子控制。

風(fēng)機組控制回路的外圍設(shè)備包括風(fēng)機變頻器和風(fēng)機。變頻器由PLC 數(shù)字量進(jìn)行控制，并將電流與轉(zhuǎn)速以模擬量形式反饋至PLC。上位機輸入烘干冷卻時間后，烘干機控制系統(tǒng)會按照所設(shè)定的時間進(jìn)行烘干冷卻；未設(shè)定時間則自動烘干20 s+冷卻10 s。

3.2 走行模塊控制

走行模塊控制回路的外圍設(shè)備由絕對值編碼器、走行電機、走行變頻器、減速器、電磁離合器等組成?；芈份敵隹芍苯涌刂谱冾l器和電磁離合器，通過調(diào)節(jié)變頻器輸入頻率改變走行電機速度。走行模塊的走行距離和走行速度由上位機設(shè)置，若未輸入則自動設(shè)定為35%（走行速度）和3.6 m（走行距離）。走行模塊可由輸入設(shè)備切換自動∕手動走行功能。PLC 讀取絕對值編碼器的4～20 mA 模擬量信號計算當(dāng)前距離。選擇自動模式時烘干車自動前進(jìn)，走行速度取決于當(dāng)前距離與走行距離的比值［6］。走行流程如圖4所示。

圖4 走行流程

3.3 密封裝置控制

密封裝置通過對待烘干冷卻區(qū)域形成密閉的作業(yè)空間，使氣流以一定的流速和壓力穿透道砟，實現(xiàn)道砟的烘干冷卻作業(yè)，是決定烘干冷卻效果的重要因素。密封控制回路的外圍設(shè)備由氣缸、閘瓦、氣閥、傳感器等組成，回路的輸出值直接控制電磁閥，通過氣閥控制各密封氣缸的伸縮。PLC 程序中，根據(jù)傳感器探測的數(shù)據(jù)對各氣閥動作進(jìn)行互鎖控制，如烘干罩鎖定限位解除后方可升降、枕木軌腰密封解除前車輛無法移動等?；ユi可保護(hù)車輛機械結(jié)構(gòu)的使用安全。傳感器監(jiān)控各氣缸狀態(tài)并將信號傳輸至PLC，工作人員可通過上位機實時觀測各密封點的氣缸狀態(tài)。

4 現(xiàn)場測試

為測試烘干車控制系統(tǒng)的烘干性能，于2019年初在鐵科院東郊環(huán)形試驗軌道進(jìn)行現(xiàn)場測試（圖5）。試驗中對固定位置聚氨酯固化道床進(jìn)行2種工況的烘干冷卻，分別為烘干13 min +冷卻8 min（工況1）、烘干10 min+冷卻6 min（工況2），每種工況進(jìn)行3 組試驗。溫度測量采用手持式紅外測溫儀，分別在烘干、冷卻作業(yè)完成后進(jìn)行測量。結(jié)果見表1。可見，烘干效果與烘干時間、烘干溫度有關(guān)。工況1中，烘干13 min后道砟表層溫度低于80 ℃，道砟中部溫度高于35℃；冷卻8 min 后道砟表層溫度低于35 ℃，道砟中部溫度未高于25 ℃，均符合聚氨酯固化道床澆注施工的技術(shù)要求。工況2 未能符合要求。因此，選用烘干13 min+冷卻8 min方案能夠高效地對道床進(jìn)行烘干。

圖5 烘干車測試現(xiàn)場

表1 道砟溫度測量結(jié)果 ℃

5 結(jié)語

烘干車控制系統(tǒng)能夠通過手動∕自動控制快速對聚氨酯固化道床進(jìn)行烘干冷卻，并可通過顯示屏直觀地檢測到車上各限位氣缸的狀態(tài)。經(jīng)過現(xiàn)場測試，選用烘干13 min +冷卻8 min 方案能夠高效地對聚氨酯固化道床進(jìn)行烘干，驗證了本控制系統(tǒng)的可行性和可靠性，提高了聚氨酯固化道床的烘干自動化程度。