鐵路絕緣子快速清掃裝置的控制系統設計

張 旭,劉超穎,2,吳文江,龍海潮,郭 斌

(1.石家莊鐵道大學機械工程學院,石家莊 050043； 2.河北中醫學院,石家莊 050200； 3.石家莊鐵道大學工程訓練中心,石家莊 050043)

隨著我國經濟和科技的發展，以及社會對運輸需求量的持續增加，鐵路交通迅猛興起。截至2015年底，中國鐵路營業里程達到12.1萬km，居世界第二位[1]。根據國家鐵路“十三五”規劃綱要，到2020年，中國高速鐵路營業里程將達到3萬km[2]。絕緣子作為極其重要的絕緣器件，在鐵路接觸網系統中被大量使用。暴露在外界的絕緣子常年遭受大氣污穢的污染，導致表面積污，在雨雪、大霧等氣候條件下很容易引起大面積污閃導致中斷行車的事故，給鐵路運輸系統的安全運行帶來了嚴重的威脅[3]。

定期清掃絕緣子是預防污閃事故最直接有效的方式，目前國內外清潔絕緣子的設備主要分為接觸式清洗設備和噴射式水清洗設備。在接觸式清洗設備中：半自動的清洗刷需人工手持瞄準，人工干預過多；韓國的絕緣子清洗機器人自動化程度高，但是其造價昂貴，清洗效率低[4-8]。在噴射式水清洗設備中：高壓清洗機沖洗，清潔效果明顯，但是要求近距離和人工手持操作；西南交通大學研究的KJ系列水沖洗裝置得到很好的應用，但是操作難度大，對人員的素質要求高，受人為因素影響大[9-10]。

針對現狀，石家莊鐵道大學工程訓練中心、北京鐵路局石家莊供電段和河北宇牛電氣設備有限公司共同協作，立項研制了絕緣子快速清掃裝置。為了實現裝置的自動化控制，設計了一種基于PLC的控制系統，利用PLC的可調整性和易操作性，大大提高了清掃工作的效率和質量。

1 裝置的整體結構及工作原理

鐵路絕緣子清掃裝置機械系統包括上臂、下臂、電柜箱、液壓站和底盤五大部分，裝置整體示意如圖1所示。下臂負責清掃斜腕臂絕緣子，采用滑動軸承，由下臂升降液壓缸驅動上升和下降；下臂刷頭與斜腕臂保持相同傾角，由電機驅動旋轉。上臂負責清掃橫腕臂絕緣子，采用可折疊穿過式四桿結構，其高度和臂長可調，將接觸線、承力索、腕臂、定位器等構件囊括在大臂和小臂之間，滿足線路中水平和豎直方向上所有極限尺寸，避免裝置在線路上行走時發生碰撞；由上臂升降液壓缸驅動其上升和下降，上臂刷頭同樣由電機驅動旋轉。上臂、下臂、電柜箱、液壓站4部分共同組成機架，由機架翻轉液壓缸驅動機架平臥和直立，實現機架的折疊，以減小設備體積、便于運輸。底盤負責承載所有機械結構，采用90°旋轉機構，保障上臂在展開時不會觸碰到接觸網，而上臂在工作時又能與橫腕臂絕緣子對正；由電機驅動齒輪帶動機架旋轉，并由機架移動液壓缸驅動機架在底盤上微調[11]。

圖1 絕緣子清掃裝置整體示意

對絕緣子進行清掃時，可將鐵路絕緣子清掃裝置安裝固定在軌道車作業平臺上，軌道車可提供220 V交流電。工作過程主要由機架初始化、清掃、下一工位和機架復位4個階段組成。機架初始化動作包括：機架直立，上臂上升到位，機架正轉90°，下臂上升到位；清掃動作包括：在刷頭對準絕緣子的情況下，刷頭正轉清掃，停止，反轉清掃；下一工位：在每基桿絕緣子清掃工作結束后，軌道車以5 km/h速度前行50～60 m對下一基桿絕緣子清掃，依次循環直至所有絕緣子清掃完畢；復位動作包括：機架反轉90°，下臂下降，上臂下降，機架平臥。應用光電傳感器實現刷頭與絕緣子的對正，其余各個運動狀態分別由接近開關來檢測。

2 液壓傳動系統設計

根據上述鐵路絕緣子清掃裝置動作分析，設計的液壓傳動系統如圖2所示。為實現上臂、下臂、機架的往復動作，執行元件采用雙作用式單桿液壓缸，方向控制閥采用三位四通電磁換向閥。上臂升降缸和機架垂直缸分別支撐整個大臂和機架的重力，液壓鎖保證這兩個油缸不會卸荷，單向節流閥用于調節大臂和機架的重力對速度造成的影響。同時，分別為下臂升降缸和機架移動缸安裝單向節流閥，以保證下臂和機架平穩的運動。

圖2 液壓傳動系統

3 控制系統硬件結構

控制系統硬件主要包括PLC、電機、光電傳感器、接近開關、無線遙控器等。控制系統原理如圖3所示。

圖3 控制系統原理

PLC的輸入信號包括：工作啟動、停止和急停信號，機架直立和側翻限位信號，機架正反轉限位信號，機架移動限位信號，上臂上升限位信號，下臂上升限位信號，上臂光電傳感器信號，自動/手動切換信號等共15個輸入信號。輸出信號包括：油泵啟動/停止信號，機架直立/側翻信號，機架正轉/反轉信號，機架前移/后移信號，上臂和下臂上升/下降信號，刷頭正轉/反轉信號，指示燈等共15個信號。

根據控制系統I/O點數、可操作性、穩定性和后續可開發性等方面考慮，選用三菱FX3U-48MR/MT系列PLC。裝置采用無線遙控器作為控制終端，可以在50 m遠的距離內遙控操作裝置的各種動作。機架安裝攝像頭采集圖像信息，軌道車駕駛室內的顯示器實時顯示裝置的工作狀況，以便于觀察工作情況和清掃效果[12]。

4 控制系統軟件設計

PLC程序設計采用模塊化結構思想，根據鐵路絕緣子快速清掃裝置的工作原理，將控制系統分為機架初始化、清掃和機架復位3個模塊[13]。

鐵路絕緣子快速清掃裝置按照指定的順序依次動作，FX系列可編程控制器設置有專門用于順序控制或稱為步進控制的指令。FX-3U系列PLC有兩條步進指令，同時輔之以大量的狀態器S，結合狀態轉移圖很容易編寫出順序控制程序[14]。兩條步進指令：STL和RET，STL是步進開始指令，RET是步進結束指令。每個狀態器有3個功能：驅動有關負載、指定轉移目標和指定轉移條件[15]。

圖4 程序狀態轉移

狀態轉移圖類似于順序功能圖SFC語言，具有直觀、簡單的特點，是設計PLC順序控制程序的有力工具。圖4所示給出了機架初始化自動運行方式下的程序狀態轉移圖。狀態圖的工作方式是：由某一狀態轉移到下一狀態后，前一狀態自動復位。S2是初始狀態，用雙線框表示。PLC啟動運行時，特殊輔助繼電器M8002會接通一個脈沖，令狀態器S2置位。當按下啟動按鈕時，狀態由S2向S20轉移，機架直立輸出Y0動作。當機架上限位開關X1接通時，狀態器S20向S21轉移，機架直立輸出Y0斷開，上臂上升輸出Y1動作。當上臂上限位開關X2接通時，狀態器S21向S22轉移，上臂上升輸出Y1斷開，機架正轉輸出Y2動作。當90°角限位開關X3接通時，狀態器S22向S23轉移，機架正轉輸出Y2斷開，下臂上升輸出Y3動作。當下臂上限位開關X4接通時，下臂上升輸出Y3斷開，機架初始化動作全部結束。

根據狀態轉移圖可以將其轉換成梯形圖，再寫出語句表，如圖5所示。

圖5 梯形圖與語句表

最后，使用三菱GX works2軟件將編好的程序下載到PLC進行調試和仿真，以驗證程序的正確性和合理性，直到符合控制要求。

同樣，清掃和機架復位模塊的程序也依照該方法設計、編寫和仿真調試。

5 上線測試

圖6 上線測試

鐵路絕緣子快速清掃裝置在石家莊供電段所管轄的電氣化鐵路上進行了現場清掃試驗，如圖6所示。測試結果表明：無線遙控器能靈敏地控制各個動作穩步有序的響應；液壓系統運行穩定沒有沖擊，各個限位開關和傳感器也能精確的限定運動的極限位置；每支絕緣子清掃15 s即可達到要求；每小時可以清掃40基支柱，80個絕緣子。總體來講，該控制系統表現良好、運行可靠，各項指標基本達到了預期設計要求。

6 結論

鐵道絕緣子快速清掃裝置控制系統結合了液壓、電氣、傳感器、視覺監控、自動控制等多方面的技術，經過實際使用，可知具有以下特點。

(1)操作方便、簡單。工作時由1人使用無限遙控器就可完成清掃操作，在雨雪天氣時，工作人員還可以在駕駛室進行清掃操作，提高了天窗利用率，保證了操作人員的人身安全。

(2)工作效率高。電氣化鐵道絕緣子快速清掃裝置比人工清掃速度提高了60倍，節省了大量的人力和物力。

(3)清掃效果好。人工清掃絕緣子時絕緣子的污穢很難用手擦下來，清掃質量難以保證，該裝置的使用，提高了絕緣子的清掃質量，降低了絕緣子污閃事故的發生幾率，保證了電氣化鐵道的供電安全和列車安全正點運行。

目前，鐵道絕緣子快速清掃裝置控制系統，只能控制該裝置對接觸網橫腕臂絕緣子、斜腕臂絕緣子進行清掃，對懸式絕緣子還不能進行機械化清掃。下一步的發展目標是研發針對接觸網懸式絕緣子的快速清掃設備及控制系統，為電氣化鐵路的安全運行做出貢獻。

[1] 王凱隆.中國高速鐵路發展分析[J].大陸橋視野，2015(3):56-58.

[2] 楊建光.詹天佑先生誕辰155周年座談會在北京召開[N/OL].人民鐵道，2016-04-29(1)[2017-07-12].http://www.peoplerail.com/rail/show-456-267423-1.html.

[3] 魏儔元.接觸網棒式絕緣子大面積污閃原因分析及防范對策[J].鐵道標準設計，2006(8):101-103.

[4] 畢睿華，耿亞明，柴宇，等.500 kV支柱式絕緣子帶電清洗依托式絕緣升降支架及雙驅除靜電清掃刷的研制[J].電瓷避雷器，2015(5):6-10.

[5] 雷鑫，秦劍，余紅娟，等.KJ系列絕緣子帶電水沖洗裝置控制技術的研究[[J].機械工程與自動化，2009(5)：177-178.

[6] 孫麟.500kV電力設備帶電水沖洗技術應用展望[J].電網技術，2015(8):2297-2302.

[7] 張巍.絕緣子帶電水沖洗車淺析[J].機械管理開發，2012(1):95-97.

[8] 胡志忠.電氣化鐵路絕緣子水沖洗噴射流場特性研究[D].成都：西南交通大學，2011.

[9] 張雷.鐵路接觸網絕緣子清潔機器人關鍵技術研究[D].四川綿陽：西南科技大學，2016.

[10] 林文文.基于雙目視覺的接觸網絕緣子識別定位[D].成都：西南交通大學，2017.

[11] 吳文江，段成華，宋修軍，等.接觸網絕緣子自動清掃裝置：中國，ZL 201621136292.2[P].2016-10-19.

[12] 車立新，楊汝清，顧毅.220/330 kV變電設備高壓帶電清掃機器人設計[J].機器人，2005(2):102-107.

[13] 王開元，吳焱明，蘭毅，等.新型鐵路接觸網檢修車梯的控制系統設計[J].機械設計與制造，2016(2):150-152.

[14] 陽勝峰.三菱FX系列PLC[M].北京:中國電力出版社，2015：64-69.

[15] 初航.零基礎學三菱FX系列PLC[M].北京：機械工業出版社，2010.