0 引言

隨著中國(guó)鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，軌枕制造技術(shù)也不斷向前發(fā)展。國(guó)內(nèi)外新型材料軌枕也相繼推出例如玄武巖/ 碳纖維混雜符合軌枕^[1]、高聚合物復(fù)合材料軌枕^[2]、合成材料軌枕^[3]，但混凝土軌枕具有強(qiáng)度高、道床橫向阻力大、穩(wěn)定性好、不受氣候、腐蝕的影響、使用壽命長(zhǎng)等顯著優(yōu)點(diǎn)^[4]，仍作為我國(guó)鐵路建設(shè)的首選。

目前，國(guó)內(nèi)混凝土軌枕生產(chǎn)線主要采用流水機(jī)組傳送法^[5]進(jìn)行設(shè)計(jì)。流水機(jī)組傳送法生產(chǎn)線通常采用“U”型布局設(shè)計(jì)，采用2*4 或2*5 型鋼模進(jìn)行軌枕生產(chǎn)。其具有生產(chǎn)效率高、設(shè)備通用性強(qiáng)、生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)^[6]。流水機(jī)組傳送法軌枕生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)閉環(huán)生產(chǎn)過(guò)程中，鋼模在相互平行的縱向輥道之間輸送。因此，生產(chǎn)線通常設(shè)置1 ～ 2 套鋼模橫移裝備。

參考中鐵物資平頂山軌枕有限公司（以下簡(jiǎn)稱平軌公司）軌枕生產(chǎn)線，生產(chǎn)線工藝流程沿東西方向“U”型設(shè)計(jì)，如圖1 所示。其生產(chǎn)線存在兩處鋼模橫移設(shè)計(jì)：其一設(shè)置在兩組橫移輥道之間；另一設(shè)置在預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉輥道和配件安裝輥道之間。橫移設(shè)備平面圖如圖2所示。兩處鋼模橫移設(shè)備及控制方式完全相同。本鋼模橫移自動(dòng)控制系統(tǒng)依據(jù)平軌公司生產(chǎn)線鋼模橫移設(shè)備為基礎(chǔ)進(jìn)行控制設(shè)計(jì)^[7]，同時(shí)為類似橫移過(guò)程的生產(chǎn)線提供自動(dòng)化控制方案參考。

圖1 平軌公司軌枕生產(chǎn)線工藝流程示意圖

圖2 生產(chǎn)線橫移設(shè)備平面圖

1 控制要求

鋼模橫移自動(dòng)控制^[8] 系統(tǒng)依托生產(chǎn)線既有設(shè)備，通過(guò)增加傳感器和變頻器等配件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。系統(tǒng)控制的設(shè)備有：2 組橫移輥道、4 套連桿式升降機(jī)構(gòu)（分別對(duì)應(yīng)4 臺(tái)一體式電液推桿）、4 臺(tái)一體式電液推桿（2臺(tái)/ 組）和2 臺(tái)運(yùn)輸小車(chē)。控制運(yùn)動(dòng)電機(jī)共10 臺(tái)，分別為4 臺(tái)橫移輥道電機(jī)，4 臺(tái)電液推桿電機(jī)和2 臺(tái)運(yùn)輸小車(chē)電機(jī)。鋼模橫移過(guò)程需要以上設(shè)備相互配合完成，且設(shè)備之間存在嚴(yán)格的運(yùn)行邏輯順序。原控制臺(tái)存在操作按鈕多、設(shè)備狀態(tài)需要人工觀察判斷、易誤操作等問(wèn)題。根據(jù)鋼模橫移過(guò)程分析容易得出橫移過(guò)程雖然繁瑣但邏輯判斷簡(jiǎn)單且具有嚴(yán)格的重復(fù)性，采用PLC 作為控制單元能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化控制。

根據(jù)設(shè)備實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行情況，對(duì)鋼模橫移自動(dòng)控制系統(tǒng)控制要求如下：

1）自動(dòng)控制系統(tǒng)具備手動(dòng)運(yùn)行模式、單段運(yùn)行模式和自動(dòng)運(yùn)行模式3 種模式。

2）在連續(xù)工作中要求運(yùn)輸小車(chē)載1 套鋼模處于等待狀態(tài)。

3）設(shè)置電源急停按鈕，當(dāng)其被按下后整個(gè)控制系統(tǒng)斷電，且所有控制設(shè)備全部停止運(yùn)行。

4）自動(dòng)控制系統(tǒng)包含2 臺(tái)運(yùn)輸小車(chē)運(yùn)行一致性自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。防止兩個(gè)臺(tái)運(yùn)輸小車(chē)不同步，造成鋼模掉落、損壞等風(fēng)險(xiǎn)。

5）自動(dòng)程序啟動(dòng)后首先執(zhí)行初始化程序，初始化程序完成指示燈亮起，點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕開(kāi)始執(zhí)行自動(dòng)程序。

6）系統(tǒng)初始狀態(tài)設(shè)定為2 組輥道處于停止?fàn)顟B(tài)，4套連桿式升降機(jī)構(gòu)處于復(fù)位狀態(tài)；2 臺(tái)運(yùn)輸小車(chē)停止在軌道中間設(shè)定位置；南側(cè)橫移輥道上無(wú)鋼模。

7）暫停按鈕僅用于自動(dòng)控制部分。當(dāng)其被按下后自動(dòng)運(yùn)行程序停止，按下第2 次系統(tǒng)繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)未執(zhí)行程序。

8）停止按鈕在手動(dòng)模式程序和自動(dòng)模式程序中應(yīng)用。當(dāng)其被按下時(shí)，控制設(shè)備全部停止運(yùn)行。在自動(dòng)程序中當(dāng)按下停止按鈕后再次啟動(dòng)自動(dòng)程序時(shí)，需要先執(zhí)行初始化程序后再點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕開(kāi)始執(zhí)行自動(dòng)運(yùn)行程序。

2 控制程序設(shè)計(jì)

根據(jù)控制要求和控制橫移設(shè)備的數(shù)量，綜合市場(chǎng)PLC 產(chǎn)品的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和適用性^[9]，選用西門(mén)子S7-200Smart ST40 DC/DC/DC PLC 作為本控制系統(tǒng)的控制主單元。

2.1 控制程序構(gòu)架設(shè)計(jì)

根據(jù)生產(chǎn)線橫移設(shè)備實(shí)際控制過(guò)程和控制要求，設(shè)計(jì)控制程序總體構(gòu)架如下：

1）主程序（含小車(chē)一致性調(diào)節(jié)程序，手/ 自模式選擇）；

2）初始化程序；

3）公用程序；

4）手動(dòng)模式程序；

5）自動(dòng)模式程序（含單段運(yùn)行模式）。

根據(jù)控制程序框架設(shè)計(jì)，將PLC I/O 地址分配情況如表1 所示。由于輸入點(diǎn)位較多且存在模擬量輸入，另外增加2 個(gè)數(shù)字量輸入模塊EMED08 和1 個(gè)模擬量輸入模塊EMAE04。

表1 鋼模橫移自動(dòng)控制系統(tǒng)I/O地址分配表

依據(jù)PLC I/O 地址分配和控制要求，鋼模橫移自動(dòng)控制系統(tǒng)功能流程圖設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 鋼模橫移自動(dòng)控制系統(tǒng)功能流程圖

2.2 主程序

主程序主要實(shí)現(xiàn)以下功能，其程序設(shè)計(jì)具體內(nèi)容如圖3 所示：

1）不論何種運(yùn)行模式，主程序能控制南側(cè)橫移輥道電機(jī)的正、反向運(yùn)動(dòng)；

2）運(yùn)輸小車(chē)運(yùn)行減速控制；

3）2 臺(tái)運(yùn)輸小車(chē)之間運(yùn)行一致性調(diào)節(jié)；

4）信號(hào)輸入地址與程序中M 地址轉(zhuǎn)換。

2.3 初始化程序

初始化程序是執(zhí)行自動(dòng)化程序的前提，初始化程序執(zhí)行完成后橫移設(shè)備達(dá)到自動(dòng)模式啟動(dòng)的初始狀態(tài)。無(wú)論系統(tǒng)處于何種運(yùn)行模式，都可用啟動(dòng)初始化程序完成初始狀態(tài)設(shè)置。初始化程序啟動(dòng)前要求，南側(cè)橫移輥道上無(wú)鋼模，如果存在有鋼模可以通過(guò)手動(dòng)模式進(jìn)行清空，否則不能啟動(dòng)初始化程序。

圖3 控制系統(tǒng)主程序

2.4 自動(dòng)模式程序

自動(dòng)模式啟動(dòng)前設(shè)備需滿足以下條件（初始狀態(tài)）：

1）2 臺(tái)運(yùn)輸小車(chē)上無(wú)鋼模；

2）2 臺(tái)運(yùn)輸小車(chē)處于中間位置；

3）北側(cè)升降裝置處于原位；

4）南側(cè)升降裝置處于原位。

當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備情況滿足自動(dòng)運(yùn)行初始狀態(tài)下，旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)至自動(dòng)模式，按下啟動(dòng)按鈕，橫移設(shè)備自動(dòng)完成鋼模橫移作業(yè)。

在自動(dòng)化程序中含有單步運(yùn)行模式開(kāi)關(guān)。單步運(yùn)行模式主要用于程序調(diào)試。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備情況滿足自動(dòng)運(yùn)行初始條件下，旋鈕開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)至單步運(yùn)行模式，每點(diǎn)擊一次啟動(dòng)按鈕，控制系統(tǒng)就會(huì)執(zhí)行一行自動(dòng)運(yùn)行程序。需注意程序中設(shè)有時(shí)間停頓和空步程序段。

2.5 手動(dòng)模式

手動(dòng)模式下，操作人員按照控制面板上的按鈕啟動(dòng)對(duì)應(yīng)電機(jī)即可。

3 結(jié)束語(yǔ)

此自動(dòng)控制系統(tǒng)可以減少操作工人1 名，同時(shí)提高了設(shè)備可靠性和鋼模傳送效率。另外，控制系統(tǒng)還設(shè)置有工作警示燈和報(bào)警燈等附加功能，提高了橫移設(shè)備的安全性和智能性。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年6月期）