基于格雷母線技術(shù)的長(zhǎng)鋼軌平移系統(tǒng)

吳心淳 吳敬兵 胥 軍

武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 武漢 430070

0 引言

當(dāng)今我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程達(dá)3.79萬km，穩(wěn)居世界第一[1]。高速鐵路的長(zhǎng)足發(fā)展對(duì)鋼軌的生產(chǎn)提出了越來越高的要求，超長(zhǎng)的鋼軌在各加工位置間的精準(zhǔn)轉(zhuǎn)運(yùn)一直是生產(chǎn)和作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的難題。

傳統(tǒng)的鋼軌常采用橋式起重機(jī)配合電磁鐵或鋼纜進(jìn)行吊裝搬運(yùn)[2]，由于支撐點(diǎn)較少，鋼軌因自重會(huì)產(chǎn)生縱向變形；懸空吊運(yùn)的方式還會(huì)因電磁鐵斷電和鋼軌移動(dòng)時(shí)的巨大慣性等原因產(chǎn)生安全問題。除此之外，該方式主要依靠人工操作，自動(dòng)化程度極低。傳統(tǒng)移載設(shè)備的定位方式有旋轉(zhuǎn)編碼器、激光定位器、紅外測(cè)距儀、接近開關(guān)、限位開關(guān)、GPS等[3]，因其精度、成本、穩(wěn)定性或工作方式等原因，應(yīng)用到鋼軌轉(zhuǎn)運(yùn)中都存在著一定的問題，不能很好地滿足生產(chǎn)需求。

為此，本文提出了一種基于格雷母線定位技術(shù)的鋼軌平移系統(tǒng)，以解決鋼軌轉(zhuǎn)運(yùn)過程中的變形、安全和定位問題，提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平。

1 系統(tǒng)總體方案

1.1 被控對(duì)象

本文針對(duì)各生產(chǎn)加工工序之間鋼軌的轉(zhuǎn)移問題，提出一種解決方案。百米長(zhǎng)鋼軌經(jīng)歷一個(gè)加工工序后需要向下一加工工位移動(dòng)，使用多個(gè)平移單元為一組，對(duì)鋼軌進(jìn)行頂升、平移，最后放置在放軌位的堒道上，然后由堒道上的滾輪將鋼軌運(yùn)送到下一工序的位置，可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。圖1為鋼軌平移作業(yè)示意圖。

圖1 鋼軌平移作業(yè)示意圖（局部）

1.2 控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

在取軌位的堒道線上放置多根鋼軌，多個(gè)平移單元為一組，頂升鋼軌并移動(dòng)到放軌位，屬于從非固定位置到固定位置間的移動(dòng)。為了提高生產(chǎn)效率，減少人工，就需要平移單元具備獨(dú)立找尋鋼軌的能力。為了增加互換性和兼容性，減少開發(fā)和維護(hù)成本，要求平移單元具有相同且獨(dú)立的底層控制系統(tǒng)。為了保證通信的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，減輕上位機(jī)的數(shù)據(jù)吞吐量，提出設(shè)置主控站、地面站、車載站3級(jí)控制系統(tǒng)。使用PLC控制平移單元?jiǎng)幼?，使用無線模塊進(jìn)行通訊。車載站組件包括PLC S7-1200、地址編碼器、金屬傳感器、無線通訊模塊、天線箱；地面站組件包括PLC S7-1200、地址解碼器、無線通訊模塊；主控站組件包括PLC S7-1500、上位機(jī)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖

地址解碼器解析獲得平移單元的位置之后，將位置信息由分站PLC—主站PLC—上位機(jī)層層轉(zhuǎn)發(fā)，上位機(jī)對(duì)傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，再將指令層層下發(fā)到車載PLC，從而控制平移單元實(shí)現(xiàn)既定的動(dòng)作。

1.3 定位系統(tǒng)的選用

單元平移過程中如果不能準(zhǔn)確定位，將會(huì)使鋼軌產(chǎn)生水平方向上的撓度，故平移系統(tǒng)對(duì)定位精度的要求很高。表1為各傳統(tǒng)定位方式的特點(diǎn)。

表1 傳統(tǒng)定位方式的特點(diǎn)

本文提出的基于格雷母線技術(shù)的定位系統(tǒng)，主要應(yīng)用于軌道交通、物流、礦山、港口、冶金等領(lǐng)域，該技術(shù)有效地解決了工況比較惡劣的移動(dòng)輸送設(shè)備的精確定位問題，其可以檢測(cè)規(guī)則或不規(guī)則移動(dòng)軌跡，定位精度達(dá)5 mm，且使用壽命長(zhǎng)，一次性投入永久免維護(hù)。

2 格雷母線系統(tǒng)

2.1 格雷母線定位系統(tǒng)的組成

格雷母線定位系統(tǒng)主要由格雷母線電纜、地址編碼發(fā)生器、天線箱和地址解碼器等組成，通過線圈之間的電磁耦合的方式進(jìn)行定位，其實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于格雷母線電纜芯線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。如圖3所示，格雷母線由一對(duì)基準(zhǔn)線(R線)和多對(duì)地址線(G線)構(gòu)成。R線相互平行，用于獲取基準(zhǔn)信號(hào)。G線按格雷碼的編碼規(guī)律編制而成，用于地址檢測(cè)。每對(duì)G線相隔一定步長(zhǎng)交叉一次[4]。若格雷母線的最小步長(zhǎng)為W，則G0的步長(zhǎng)為W，G1的步長(zhǎng)為2W，Gn的步長(zhǎng)為2nW。

圖3 格雷母線電纜結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 格雷母線定位系統(tǒng)的工作原理

格雷母線定位技術(shù)利用單匝線圈的電磁感應(yīng)原理進(jìn)行定位。如圖4所示，地址編碼器向天線箱輸入正弦信號(hào)，天線箱將信號(hào)放大后，以分時(shí)同頻率的方式發(fā)送給R線和G線，使之處于交變磁場(chǎng)中，并產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，地址解碼器對(duì)來自R線和G線的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，若2信號(hào)的相位相同，即綠線在上，紅線在下，則地址編碼為0，反之則地址編碼為1。通過分析不難得出，兩對(duì)地址線可以檢測(cè)4個(gè)地址。以此類推，n對(duì)地址線可以檢測(cè)2n個(gè)地址。

圖4 格雷母線位置檢測(cè)原理圖

2.3 格雷母線的定位精度

格雷母線利用線圈的電磁感應(yīng)原理定位，如圖5所示，假設(shè)一對(duì)地址線的寬度為H，地址線1的步長(zhǎng)為W。

圖5 格雷母線利用線圈的電磁感應(yīng)原理定位示意圖

如圖6所示，當(dāng)天線箱從初始位置移動(dòng)W/2距離時(shí)，交叉前后的地址線上產(chǎn)生等大反向的電動(dòng)勢(shì)而相互抵消，越過此位置繼續(xù)移動(dòng)才會(huì)產(chǎn)生新的信號(hào)。

圖6 格雷母線定位的工作原理

因此，此種方式的定位精度是步長(zhǎng)的1/2。定位精度計(jì)算公式為

式中：μ為定位精度，W為步長(zhǎng)。

從理論上看，格雷母線的最小步長(zhǎng)W越小，定位精度越高；在工程實(shí)際中，W取值過小會(huì)導(dǎo)致地址檢測(cè)的信噪比過低，無法穩(wěn)定獲取地址，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，步長(zhǎng)為200 mm時(shí)較合適[5]。

在上述基礎(chǔ)之上，增加一對(duì)步長(zhǎng)也為W的地址線，可以獲得更精密的地址信息。新增的地址線L0與G0錯(cuò)開半個(gè)步長(zhǎng)，如圖7所示。

圖7 精密地址的檢測(cè)方法

由磁通量的計(jì)算公式

式中：φ為磁通量，S為線圈的面積，B為電磁強(qiáng)度。

當(dāng)天線箱向格雷母線電纜發(fā)射正弦信號(hào)，并移動(dòng)X距離（X<100mm）時(shí)。L0和G0產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為

式中：N為線圈數(shù)，S為磁場(chǎng)作用在G0、L0上的有效面積，其余參數(shù)同上。

在同一時(shí)間間隔內(nèi)，2地址線上的電動(dòng)勢(shì)之比U為

可知當(dāng)X在W/2的范圍內(nèi)變化時(shí)，X與U呈線性關(guān)系，由于G0、L0的交叉間距相同且錯(cuò)開100 mm，故在100 mm間距的每個(gè)位置總有唯一的比值U對(duì)應(yīng)。如果將該比值繼續(xù)細(xì)分，就可以得到更高的檢測(cè)精度，但受限于工藝條件，該比值不能無限細(xì)分，一般來說，U取20比較合適[5]，此時(shí)的檢測(cè)精度X為

由此可知，格雷母線定位的精度可達(dá)5 mm。

3 系統(tǒng)應(yīng)用介紹

3.1 平移單元運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

1) 平移機(jī)構(gòu) 平移機(jī)構(gòu)采用變頻器和三相異步電動(dòng)機(jī)相融合的變頻調(diào)速系統(tǒng)。三相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行性能良好，工作穩(wěn)定可靠，變頻器控制精度高，選取合適間隔的頻率可以實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，能夠保證多臺(tái)平移單元行走速度的一致性。通過PLC的協(xié)調(diào)控制，可以保證鋼軌平移過程平穩(wěn)運(yùn)行。

2) 升降機(jī)構(gòu) 升降機(jī)構(gòu)采用液壓泵驅(qū)動(dòng)，由2個(gè)電磁閥控制升降動(dòng)作。液壓泵工作范圍廣，運(yùn)行穩(wěn)定，安全可靠。通過前期調(diào)整流量大小，可以保證升降臺(tái)的動(dòng)作一致。

平移單元的結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。以一個(gè)平移單元為例，系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，平移單元由待機(jī)位向取軌位運(yùn)動(dòng)，當(dāng)金屬傳感器在取軌位感應(yīng)到鋼軌時(shí)停止移動(dòng)，液壓泵驅(qū)動(dòng)升降臺(tái)將鋼軌頂升一定高度，然后平移至放軌位，升降臺(tái)下降將鋼軌放在放軌位的堒道上，平移單元再返回待機(jī)位，完成一個(gè)動(dòng)作循環(huán)。

圖8 平移單元的模型示意圖

3.2 PLC程序和通信設(shè)計(jì)

1) PLC程序設(shè)計(jì) 鋼軌平移的關(guān)鍵是平移單元之間的協(xié)同動(dòng)作，這就要求系統(tǒng)的可控性良好，每個(gè)單元都應(yīng)能獨(dú)立判斷自身狀態(tài)，自行調(diào)整上位機(jī)發(fā)來的動(dòng)作指令并將執(zhí)行狀態(tài)實(shí)時(shí)上傳。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)程序流程如圖9，其中尋軌是指平移單元向取軌位方向移動(dòng)，直到傳感器發(fā)出感應(yīng)到鋼軌的信號(hào)，平移單元停止移動(dòng)的過程。

圖9 程序執(zhí)行流程示意圖

2) 通信設(shè)計(jì) 除平移單元的執(zhí)行程序外，PLC之間的良好通信也是保證系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的前提。在工程實(shí)踐中，最為常見的通信方式是S7單邊通信，即客戶端(Client)/服務(wù)器(Server)模式的通信方式[6]。該通信方式只需在客戶端簡(jiǎn)單配置，然后在服務(wù)器端預(yù)設(shè)好需要訪問的數(shù)據(jù)，不用額外編程，就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。地面站作為通信的重心，其通信流程示意圖如圖10所示。地面站PLC將總控PLC的指令下發(fā)給車載PLC，并獲取車載PLC的實(shí)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，然后上傳給主控PLC。為保證通訊的連續(xù)穩(wěn)定，在每2級(jí)PLC通信之間加入心跳檢測(cè)功能，即以較高的固定頻率獲取PLC之間的通信響應(yīng)狀態(tài)。同時(shí)，要求各級(jí)PLC在通訊故障時(shí)能夠保存最近的狀態(tài)，在故障修復(fù)后能迅速恢復(fù)生產(chǎn)。

圖10 地面站通信流程示意圖

4.結(jié)論

傳統(tǒng)起重運(yùn)輸裝置的定位方式，常見的限位開關(guān)、接近開關(guān)等機(jī)械定位的方式動(dòng)作緩慢且故障率高，在惡劣環(huán)境中容易失效；旋轉(zhuǎn)編碼器的定位方式則會(huì)因?yàn)檐囕喆蚧虮划愇锟ㄗ《a(chǎn)生誤差；激光定位器、紅外測(cè)距儀的精密性高，但價(jià)格昂貴且在惡劣工況下不可靠。使用格雷母線技術(shù)的定位方式，在應(yīng)用到鋼軌平移上時(shí)，能夠有效地解決以上問題，定位精度可達(dá)5 mm，并能穩(wěn)定工作，基本免維護(hù)。

與傳統(tǒng)鋼軌搬運(yùn)方式相比，本系統(tǒng)采用鋼軌平移的方式，減少了吊裝方式造成的鋼軌彎曲扭轉(zhuǎn)變形問題，減小了鋼軌吊運(yùn)后的內(nèi)應(yīng)力；利用PLC控制平移單元運(yùn)行，減少了工人操作的危險(xiǎn)性，提高了搬運(yùn)過程的自動(dòng)化水平；平移單元使用格雷母線技術(shù)精確定位，相較于其他定位方式減少了鋼軌平移過程中的水平撓度。