鐵路貨車遷車臺自動定位與無線控制系統的改進

史偉龍

（中車石家莊實業有限公司，河北石家莊 051430）

0 引言

在鐵路造修工廠，通常采用遷車臺作為車體、轉向架、假臺車等輔助工裝的換道、傳送、牽引設備。遷車臺一般采用繞線電機驅動，以凸輪控制器作為控制機構，也有少量遷車臺采用三相異步電機驅動，采用變頻器與凸輪控制器作為控制機構。

遷車臺一般由3 人操作，專職司機、司索工、瞭望員各1人，相互配合實現遷車臺對道、牽引等操作。使用過程中發現，司機通過凸輪控制器控制遷車臺，存在勞動強度大、視線受阻、反轉制動違章操作等問題，存在較大的安全隱患，給設備及周邊人員的安全帶來極大挑戰。

隨著科學技術的快速發展，變頻調速技術被廣泛應用于日常生活和工作[1]，同時取代了原有的串電阻調速、星三角啟動等應用方式，使大功率電機控制方式得到突破性改變[2]，具有節能高效、控制簡便、精度高等特點。目前變頻電機種類與性能已得到極大發展，而且自動控制技術的普及，也為鐵路遷車臺自動定位與無線控制提供了可能。

1 系統設計

1.1 設計原理

1.1.1 變頻控制方式

變頻器（Variable-Frequency Drive，VFD）是利用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源頻率的方式來控制交流電機的控制設備。它主要由整流、濾波、逆變、制動單元、驅動單元、檢測單元、微處理單元等部分組成，依靠內部IGBT 的開、斷來調整輸出電源的電壓和頻率，并根據電機的實際需要為其提供所需要的電源電壓，從而達到節能、調速的目的。變頻器還具有過流、過壓、過載等保護功能，隨著工業自動化程度的不斷提高，其用途非常廣泛。

變頻器通常采用正弦脈寬調制（SPWM）、電壓空間矢量（SVPWM）、矢量控制（VC）、直接轉矩控制（DTC）等控制方式，隨著國產變頻器技術的發展與應用，矢量控制方式應用較為廣泛。由于鐵路貨車遷車臺的定位特性，選用精度更高的閉環矢量控制方式進行系統設計[3]。

1.1.2 電機類型

鐵路貨車遷車臺系統屬于大慣性、高扭矩、低轉速負載。通過市場調研發現，永磁同步電機具有體積小、重量輕、高轉矩密度、高效率等優點被廣泛應用于各個領域[4-5]，實際測試發現，永磁同步電機在1 Hz 時任然具有良好的驅動能力，所以選擇永磁同步電機及其專用變頻器作為鐵路貨車遷車臺系統的驅動。

1.1.3 控制系統

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）具有穩定、可靠、功能豐富等特點，在工業控制系統中得到廣泛應用[6]。同時，PLC 系統可以連接模擬量、數字量、總線、以太網等信號，具有豐富控制功能，可以簡潔、高效地實現各種控制功能，因此選用PLC 作為控制核心。

1.1.4 位置檢測方式

（1）鐵路貨車遷車臺采用鐵道行進方式，采用固定線路、固定方式、固定范圍的運行方式，其行進范圍一般大于100 m，常見的定位檢測方式如電阻尺、光柵尺、激光等方式無法適用，而旋轉編碼器作為常用檢測方式，適用范圍更廣。

（2）編碼器信號輸出有正弦波（電流或電壓）、方波（TTL、HTL）、集電極開路（PNP、NPN）、推拉式等多種形式，其中長線差分驅動（TTL）方式具有良好的抗干擾特性，在復雜環境下尤其是存在大功率電磁干擾環境中適應性更強。

1.2 系統組建

按照設計原理，對系統進行模塊化設計，系統由PLC 控制系統、定位檢測系統、定位驅動系統、牽引驅動系統、無線控制系統、保護系統等組成（圖1）。

圖1 鐵路貨車遷車臺系統構成

（1）定位控制邏輯。定位控制采用坐標與硬限位雙重確認模式，當車體行駛到目標軌道區間，進行區間減速，并充分利用永磁同步電機1 Hz 運行特性，直至運行到目標通道硬件標識，系統控制變頻器執行0 Hz 保持程序，定位系統液壓抱閘釋放，解除變頻器控制。

（2）定位功能設計。操作人員在指定位置選擇遷車臺需要到達的軌道編號，確認周邊環境安全后啟動自動定位程序，操作人員隨遷車臺行進，遷車臺進行自動駕駛，操作人員負責瞭望。

（3）無線控制遷車。操作人員通過遙控器控制牽引機的運行，將牽引吊具與車體可靠連接后，通過遙控器控制牽引機遷車，并觀察周邊環境，隨時應對突發狀況。

（4）保護功能設計。采用自動定位與無線控制遷車方式后，遷車臺原有的極限限位、緊急停止、遇車限位、聲光報警等功能不變，同時升級系統，增加語音提示功能，對遷車臺行進、牽引等關鍵動作實行語音提示，保障人員與設備安全。

2 項目實施

2.1 元器件選型

按照設計方案，對系統各關鍵元器件進行選型（表1）。

表1 主要元器件選型

2.2 升級改造

該系統主要是對原有遷車臺系統進行升級改造，主要內容包括定位電機更換、控制系統更換、遙控及語音報警系統加裝、操作臺加裝、定位檢測等工作。

2.2.1 更換定位電機

測繪定位電機安裝尺寸，并按照選型電機安裝尺寸，重新制作了電機安裝座，保持電機與變速箱中心高一致，完成了定位電機升級更換工作（圖2）。

圖2 定位電機

2.2.2 升級控制系統

控制系統采用PLC作為控制核心，PLC 與變頻器通過端子連接進行控制，以提高變頻器的通用性，同時通過RS-485 總線與語音報警系統、操作臺觸摸屏進行通信連接，實現系統控制與操作。

2.2.3 加裝遙控及語音報警系統

遙控系統控制遷車臺牽引機的工作，主要包括牽引鋼絲繩伸出與收回，操作人員在操作的同時執行掛鉤與摘鉤操作，同時及時觀察車體周邊情況，應對突發事件。

語音報警系統由語音報警模塊與工業音箱組成，當遷車臺出現定位、牽引、設備故障等情況時進行語音實時播報，提醒周邊人員保持安全距離，操作者同時通過語音報警確認操作是否正確，為設備安全提供雙重保障。

2.2.4 加裝操作臺

遷車臺只有兩個運行方向，在系統兩個運行方向同時加裝操作臺并配備安全扶手，操作人員通過觸摸屏與控制系統進行實時交互，遷車臺運行時操作人員在遷車臺運行側執行系統操作，進行瞭望與緊急事件處置，進一步保證設備運行安全（圖3）。

圖3 操作臺

2.2.5 定位檢測

遷車臺運行采用旋轉編碼器作為位置檢測裝置，可編程序控制器（PLC）接收編碼器傳送回來的位置信號，并與系統設定的目標坐標進行實時對比，當遷車臺準確運行到目標股道，操作人員確認定位準確并開始牽引操作時，按照每股道的絕對坐標進行編碼器數值校準，修正編碼器數據偏差。

2.2.6 絕對定位

遷車臺工作的每股道安裝了絕對定位裝置，只有當遷車臺自動運行到目標股道區域后，系統會自動減速，并在絕對定位坐標區域實現低轉速定位，尋找目標股道定位裝置，操作與維修人員會在開工前與巡檢過程中對該定位裝置進行檢查與校準，以保證遷車臺定位精準可靠，為設備定位提供雙重保護。

2.3 改造效果

經過調試優化并穩定運行6 個月以上時間，系統的運行參數見表2。

表2 系統運行參數

改造完成后，設備運行與維護比改造前發生了發以下兩大變化：①每部遷車臺減少操作人員兩人，每年可減少人員支出20萬元以上；②按照近3 年維修頻次統計，自動對道可有效降低設備故障率30%，平均每年降低該設備維修費用1.2 萬元，同時可以大幅降低維修人員工作量。

3 系統特點

（1）自動化程度高。該系統可以實現遷車臺的自動定位，解決了手動定位方式精度低、頻繁對道等問題。

（2）勞動強度低。操作人員無需頻繁操作，即可實現對道控制，避免原有操作人員反轉制動等對設備造成損害的行為。

（3）節能高效。系統采用永磁同步電機替代了原有的繞線電機，將原有的串電阻調速方式升級成變頻調速，避免能源浪費，減少設備對電網的沖擊。

（4）減員增效。改進后系統操作人員可以減少到1 人，有效提高人員利用率，為企業減員提供技術支持。

4 結束語

該系統的實施達到了如下目的：有效解決原有的鐵路貨車遷車臺多人操作、勞動強度高、能源浪費等問題；減少人員對于設備運行的干預程度，提高設備可靠性、實用性、穩定性等；在節能方面進行探索，替代了原有的串電阻調速方式，實現了無級調速、精準定位；升級語音提示功能，使得設備操作更加人性化，具有良好的推廣價值和應用空間。