格雷母線在長鋼軌群吊集控系統中的應用

戴明宏,江興盟,安文秀

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

格雷母線在長鋼軌群吊集控系統中的應用

戴明宏1,江興盟1,安文秀2

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

500m長鋼軌吊運需要多臺門吊的協同配合才能完成。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生扭曲變形,減輕作業人員的勞動強度,采用格雷母線通信定位技術和PLC網絡通信集控系統,克服多臺門吊在吊運過程中出現的不同步誤差,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方案。

格雷母線;PLC;長鋼軌;群吊集控系統

目前我國鐵路向高速、重載發展,因此,對鐵路鋼軌焊接長度、焊接質量提出了新的要求[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。

目前,我國各鐵路局焊軌基地所使用的長鋼軌吊運設備,采用的是每隔16m設置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調來進行吊裝作業,不具備同步吊運的功能,工作效率較低,鋼軌易發生多方向的彎曲扭轉變形。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,難以實現同步吊運。因此,長鋼軌群吊集控系統[3-4]必須采用具有高精度和高可靠性的位置檢測系統。

1 格雷母線定位的基本原理

格雷母線技術是一種比較成熟的位移檢測和數據通信技術[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,將主控制系統設置在地面控制站上。因此,選用地上檢測方式,也就是將地址編碼發射器和天線箱安裝在移動站,通過天線箱發射地址信號,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備配置

如圖1所示,移動站上的天線箱1為地址信號的“發射天線”,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為格雷母線數據通信單元的設備。在格雷母線還有2對感應環線用于數據通信,通過電磁耦合在發信機和收信機之間傳送信息,信息使用頻率鍵控(FSK)方式調制,使用相干解調,標準通信速率4800bps或9600bps,通信誤碼率:10-7。工作時,由移動站天線箱發射地址信號,由于電磁耦合,會在格雷母線上產生感應電動勢。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。

根據工程經驗,格雷母線最小步長W根據定位精度來確定,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

根據需要,還可以在此基礎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結構

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

圖2 長軌群吊作業現場

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。要實現吊運過程中長鋼軌保持自然直線形態,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量,必須采用高精度和高可靠性的位置檢測系統。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傳輸給工控機,工控機根據需要調整變頻器的頻率和電動機的轉速,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。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編碼器檢測引起的機械傳動裝置、電動機轉速差、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構如圖3所示。

圖3 長鋼軌群吊計算機集中控制結構

每臺吊車包括1個PLC為核心的測控系統,采用PID閉環控制算法控制電機轉速,實現吊車同步運動。單臺吊車變頻執行機構 PID閉環控制結構如圖4所示。

圖4 單臺吊車變頻執行機構PID閉環控制結構

控制系統采用主控工控機+分控PLC+變頻執行機構的3層結構,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,現場實時狀態的顯示以及數據記錄存儲等功能。

軟件設計中,關鍵部分為PID閉環算法[9]。其具體原理如下。

E(t)是PID算法的輸入,U(t)是輸出,具體關系式為

式中 Kp——比例系數;

TI——積分時間常數,s;

TD——微分時間常數,s;

Uo——控制常數。

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,KI=T/TI;

KD——微分系數,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積分形式的算法轉化為乘加的形式,便于計算機處理。在本系統軟件設計時為了更好地實現閉環控制,即采用了增量式PID控制方案[10]。

變頻執行機構采用變頻器+小車走行(起升)電機+格雷母線(旋轉編碼器),構成位置閉環控制。由于小車走行(起升)機構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編碼器反饋的位置參數,及時控制小車走行和起升電機加減速微調,通過單臺龍門吊車的絕對位置控制,最終實現所有龍門吊車的同步運動、同步起落。

3 結論

該系統采用格雷母線進行檢測和通信,實現長鋼軌群吊集控系統,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。該系統具有以下技術特點。

(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,改變了之前的工業以太網的組網方式,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,提高了生產效率。

[1] 謝讓皋.新型的長鋼軌吊運裝置[J].北方交通大學學報,1990 (2):98 -104.

[2] 席平.AFC-JCT10G吊車長鋼軌同步移動集控系統改造方案探討[J].建筑機械技術與管理,2010(10):110 -114.

[3] 汪林永.G120變頻器在群吊集控系統中的應用[J].鄭鐵科技通訊,2010(2):14 -16.

[4] 汪林永.模糊PID控制技術在群吊集控系統中的應用[J].鄭鐵科技通訊,2010(3):16 -22.

[5] 管襄華.格雷母線位移檢測技術在燒結機成品卸料車上的應用[J].高科技與產業化,2010(2):84 -86.

[6] 楊孟江.格雷母線在推車機、撥車機位置檢測中的應用[J].港口裝卸,2008(5):16 -17.

[7] 王正國.格雷母線定位技術在內河集裝箱碼頭堆場中的應用[J].交通科技,2008(4):107 -109.

[8] 張潘.百米定尺軌焊軌基地工藝設計[J].鐵道標準設計,2009 (9):17 -20.

[9] 李書巳.基于PID的電動閉環控制[J].數字技術與應用,2010 (3):19.

[10]李玉春.電動調節閥增量式PID控制算法的修正[J].順德職業技術學院學報,2011(2):1 -3.

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。