柔性軌道交通箱梁模板的智能控制系統(tǒng)研究

李綱平

摘要：本文針對(duì)我國(guó)現(xiàn)有軌道梁模板自動(dòng)化程度低、國(guó)內(nèi)外軌道梁模板智能化研究落后的問(wèn)題，研發(fā)了柔性軌道交通箱梁模板的智能控制系統(tǒng)。

本文智能控制系統(tǒng)由信息采集反饋單元、傳輸線路、智能控制單元、人機(jī)交互界面組成。研究重點(diǎn)圍繞智能控制單元、人機(jī)交互界面開(kāi)展。通過(guò)對(duì)智能化控制系統(tǒng)研究，實(shí)現(xiàn)模板調(diào)節(jié)過(guò)程數(shù)字化、智能化，大幅提高模板系統(tǒng)精度，控制精度可以達(dá)到±2mm。

本文智能控制系統(tǒng)以PLC控制器、NS-系列PT屏幕、位移傳感器及電動(dòng)推桿作為硬件基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)PLC控制器進(jìn)行編程開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整機(jī)設(shè)備的精確控制。軟件需實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、手動(dòng)控制、報(bào)警、參數(shù)設(shè)置、電源保護(hù)、極限限位保護(hù)、熱保護(hù)、權(quán)限等功能。

引言

軌道梁既是列車(chē)行駛軌道及系統(tǒng)設(shè)備通道，同時(shí)又是承受列車(chē)荷載的承重結(jié)構(gòu)，軌道梁的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足這兩種功能：首先，軌道梁線路的平、縱、豎曲線以及橫向超高均應(yīng)在軌道梁梁體上實(shí)現(xiàn)，軌道梁截面尺寸應(yīng)符合單軌交通列車(chē)車(chē)型對(duì)軌道斷面尺寸的要求;其次，軌道梁的線型必須通過(guò)調(diào)整軌道梁本身尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，預(yù)制軌道梁的鋼模板必須是高精度可調(diào)式的，模板應(yīng)能保證PC軌道梁各部位形狀、尺寸及預(yù)埋件的準(zhǔn)確性，應(yīng)具有高精度、高效率調(diào)整平面曲線、豎曲線及橫向超高的裝置，并可按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行自動(dòng)檢查。

我國(guó)現(xiàn)有軌道梁模板智能化程度低，大多是采用傳統(tǒng)的人工操作，施工效率低。

本文基于智能控制的柔性軌道交通箱梁模板系統(tǒng)關(guān)鍵核心技術(shù)研究，是將箱梁模板的立模、脫模、曲線調(diào)節(jié)等整個(gè)操作過(guò)程通過(guò)智能化軟件控制，提升模板的自動(dòng)化水平，大幅降低勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省模板調(diào)節(jié)時(shí)間、提高調(diào)節(jié)精度、減少誤差、保證施工質(zhì)量，大幅提高交通軌道梁制備施工企業(yè)的工作效率，縮短工程周期。

研究范圍：

根據(jù)初步確定的研究方向，基于智能控制的柔性軌道交通箱梁模板的智能控制系統(tǒng)由信息采集反饋單元、傳輸線路、智能控制單元、人機(jī)交互界面組成。研制內(nèi)容重點(diǎn)圍繞智能控制單元、人機(jī)交互界面開(kāi)展。

研究目標(biāo)：

通過(guò)智能化控制系統(tǒng)研究，實(shí)現(xiàn)模板調(diào)節(jié)過(guò)程數(shù)字化、智能化、可視化，大幅提高模板系統(tǒng)精度，控制精度可以達(dá)到±2mm;

研究思路和總體方案：

通過(guò)研究國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的模板設(shè)備技術(shù)，結(jié)合國(guó)內(nèi)研究的具體要求進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，采用位移傳感器及電動(dòng)推桿、PLC控制器、NS-系列PT屏幕作為硬件基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)PLC控制器進(jìn)行編程開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整機(jī)設(shè)備的精確控制。

軟件開(kāi)發(fā)載體采用歐姆龍CX-one Version4.2，編程語(yǔ)言采用梯形圖、時(shí)序功能圖 （SFC）及ST語(yǔ)言 （ST）。軟件需實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、手動(dòng)控制、報(bào)警、參數(shù)設(shè)置、電源保護(hù)、極限限位保護(hù)、熱保護(hù)、權(quán)限等功能。

1 智能控制系統(tǒng)組成

1.1 結(jié)構(gòu)組成

智能化控制系統(tǒng)是整個(gè)模板系統(tǒng)工效的關(guān)鍵性因素之一。操作者在人機(jī)交互界面中輸入曲線控制點(diǎn)參數(shù)，即可形成所需要的曲線，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)反饋，實(shí)時(shí)控制。

本研究智能控制系統(tǒng)包含信息采集反饋單元、傳輸線路、智能控制單元、人機(jī)交互界面。如圖已所示。

本研究信息采集反饋單元采用數(shù)字式位移傳感器。位移傳感器又稱(chēng)為線性傳感器，是一種屬于金屬感應(yīng)的線性器件，其作用是把各種被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為電量。在使用過(guò)程中，位移的測(cè)量一般分為測(cè)量實(shí)物尺寸和機(jī)械位移兩種。按被測(cè)變量變換的形式不同，位移傳感器可分為模擬式和數(shù)字式兩種。數(shù)字式位移傳感器的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是便于將信號(hào)直接送入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。這種傳感器發(fā)展迅速，應(yīng)用日益廣泛。它可以實(shí)時(shí)傳送電動(dòng)推桿的位置信息到控制系統(tǒng)，供控制系統(tǒng)分析和運(yùn)行。位置信息對(duì)本項(xiàng)目的研究非常重要，是整個(gè)智能控制系統(tǒng)的“眼睛”。本研究采用高精度MTM-425-N/A位移傳感器。

智能控制單元及人機(jī)交互界面是整個(gè)系統(tǒng)的“大腦”，上述兩個(gè)功能部件集成在控制柜上，本項(xiàng)目單套模板包含兩個(gè)電控柜，左、右側(cè)模板系統(tǒng)分別獨(dú)立控制，制梁時(shí)一側(cè)控制模板形成外側(cè)模，另一側(cè)控制模板形成內(nèi)側(cè)模，從而形成一個(gè)整體。單個(gè)電控柜的基本功能包含單側(cè)電動(dòng)推桿的位置讀取、推桿的驅(qū)動(dòng)、控制系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)。

本研究中電動(dòng)推桿為系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，接受來(lái)自控制系統(tǒng)的信號(hào)，使推桿伸出量與設(shè)置數(shù)據(jù)相同，從而使模板整體成型的曲線與理論所需曲線達(dá)成一致。

本研究中電動(dòng)推桿又名直線驅(qū)動(dòng)器，主要是由電機(jī)推桿和控制裝置等機(jī)構(gòu)組成的一種新型直線執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是旋轉(zhuǎn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)方面的一種延伸。電動(dòng)推桿按絲杠形式可分為：梯形絲桿式，滾珠絲桿式，行星滾珠絲桿式，行星滾柱絲杠等，由于本項(xiàng)目電動(dòng)推桿需在混凝土澆筑狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)機(jī)械自鎖功能，因此本項(xiàng)目推桿采用梯形絲電動(dòng)推桿。

1.2 工作原理

本研究中位移傳感器一端安裝在電動(dòng)推桿活塞桿上，另一端固定在電動(dòng)推桿缸筒上，電動(dòng)推桿安裝在固定支架和側(cè)模之間。當(dāng)需要調(diào)節(jié)模板的曲線半徑時(shí)，操作者只需要在人機(jī)交互界面中輸入曲線控制點(diǎn)的參數(shù)，人機(jī)交互界面自動(dòng)將這些參數(shù)值傳輸?shù)街悄芸刂茊卧?，智能控制單元接到指令后，讀取位移傳感器的數(shù)據(jù)，并與曲線控制點(diǎn)的參數(shù)值進(jìn)行比對(duì)，根據(jù)比對(duì)結(jié)果來(lái)控制電動(dòng)推桿活塞桿的伸出或縮回，使側(cè)模發(fā)生彈性變形，形成所需要的曲線?？刂葡到y(tǒng)程序流程如圖2所示。

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)

硬件環(huán)境（機(jī)型及CPU）：歐姆龍SYSMAC CJ-系列PLC、NS-系列PT屏幕、CJ35型號(hào)CPU

操作系統(tǒng)：Windows7及以上版本

開(kāi)發(fā)軟件：歐姆龍CX-one Version4.2

編程語(yǔ)言：梯形圖、時(shí)序功能圖 （SFC），ST語(yǔ)言 （ST）

2.2 軟件概述

本研究中軟件是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)柔性軌道梁鋼模板曲線調(diào)整的智能控制而開(kāi)發(fā)的，運(yùn)行平臺(tái)為歐姆龍SYSMAC CJ-系列PLC，通過(guò)PLC控制器輸入輸出模塊以及FA通信采集柔性軌道梁鋼模板各控制輸入信息，經(jīng)過(guò)軟件程序處理，控制柔性軌道梁鋼模板的彎曲、傾斜，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)滿足柔性軌道梁的曲線預(yù)制尺寸參數(shù)要求。通過(guò)檢測(cè)各設(shè)置點(diǎn)位置的反饋信息，自動(dòng)診斷軌道梁鋼模板的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)異常狀態(tài)及時(shí)報(bào)警，必要時(shí)停止相應(yīng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行。

本研究中軟件以PLC控制器為硬件基礎(chǔ)，通過(guò)PLC控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)整機(jī)設(shè)備的控制，PLC控制器作為系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)所有數(shù)據(jù)的運(yùn)算并處理，并向外圍設(shè)備發(fā)出指令，同時(shí)接收從外來(lái)設(shè)備返回的信號(hào)，所有指令及信號(hào)都可以實(shí)時(shí)顯示在控制總成的顯示屏上，做到實(shí)時(shí)反饋，實(shí)時(shí)控制。

根據(jù)圖3可以看出該系統(tǒng)的界面結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)在開(kāi)機(jī)后進(jìn)入開(kāi)始界面，進(jìn)入開(kāi)始界面后輸入用戶(hù)名及密碼進(jìn)入手動(dòng)或自動(dòng)界面，通過(guò)觸摸屏下方的界面切換按鈕進(jìn)入設(shè)置和查詢(xún)界面。自動(dòng)界面是單一畫(huà)面含一個(gè)彈窗用于選擇所需成型的曲線樣式。手動(dòng)界面是單一畫(huà)面，用于手動(dòng)操作。

設(shè)置界面包含四個(gè)畫(huà)面，分別為曲線設(shè)置、參數(shù)設(shè)置、上側(cè)零點(diǎn)設(shè)置、下側(cè)零點(diǎn)設(shè)置。其中零點(diǎn)設(shè)置是非常重要的參數(shù)，所以需最高等級(jí)的權(quán)限密碼才能進(jìn)入并進(jìn)行設(shè)置。

查詢(xún)界面是單一畫(huà)面，用于查詢(xún)具體故障信息。

3 結(jié)論

本研究包含信息采集反饋單元、傳輸線路、智能控制單元、人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)了各系統(tǒng)間信息傳輸?shù)臒o(wú)縫連接。

本研究基于歐姆龍SYSMAC CJ-系列PLC及NS-系列PT屏幕開(kāi)發(fā)了一套以歐姆龍CX-one Version4.2為編程載體的控制系統(tǒng)。采用人性化的人機(jī)交互界面，系統(tǒng)界面操作簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制、手動(dòng)控制、報(bào)警、參數(shù)設(shè)置、電源保護(hù)、極限限位保護(hù)、熱保護(hù)、權(quán)限等功能。

本研究采用高精度MTM-425-N/A位移傳感器，靈敏度可以到達(dá)0.1mm，使得模板調(diào)曲后的成型半徑尺寸更準(zhǔn)確，完全滿足系統(tǒng)的精度要求。

本研究實(shí)現(xiàn)整套模板系統(tǒng)調(diào)節(jié)過(guò)程數(shù)字化、智能化，使得整套模板系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“一鍵控制”，大幅提高模板系統(tǒng)精度，控制精度達(dá)到±2mm，大大降低了工人的操作難度及勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境，同時(shí)效率、質(zhì)量及精度也得到了保障，真正實(shí)現(xiàn)了模板調(diào)曲自動(dòng)化。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 馮亞忠，重慶輕軌高精度PC軌道彎梁現(xiàn)場(chǎng)制作施工技術(shù)與工藝研究[D]，西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005.

[2] 黎林，淺談PC軌道梁預(yù)制施工技術(shù)[J]，商品與質(zhì)量·建筑與發(fā)展，2015.

[3] 陸松，跨座式單軌PC梁預(yù)制技術(shù)在重慶軌道交通中的應(yīng)用[J]，科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015（6）：28-49.

[4] 朱英磊，孟慶峰，跨坐式單軌交通預(yù)應(yīng)力混凝土軌道梁制作技術(shù)[J]，石家莊鐵道學(xué)院土木分院研究報(bào)告，2006.

[5] 田寶華，跨座式單軌PC梁國(guó)產(chǎn)化制造技術(shù)[J]，中國(guó)鐵道建筑總公司養(yǎng)馬河橋梁廠，1999.

[6] 王貴明，PC軌道梁制造的線性控制技術(shù)[J]，橋梁建設(shè)，2003：24-27.

[7] 袁亮文，陳克選，王希靖，常春梅，基于PLC與觸摸屏的拱腿成型機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]，蘭州理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，2015.

[8] 梁育貴， 半徑75m曲線PC軌道梁制作[J]， 中鐵二十三局集團(tuán)重慶輕軌項(xiàng)目部，2004.

[9] 馮光權(quán)，潘子華，周明， 基于PLC控制的雙層展示車(chē)同步升降系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]，廣東信源物流設(shè)備有限公司，2014.

[10] 高煥垚，龔瑞昆， 基于PLC的位移傳感器控制系統(tǒng)的研究和應(yīng)用[J]， 河北聯(lián)合大學(xué)，2012.