軌枕生產線鋼模橫移自動控制系統設計

0 引言

隨著中國鐵路建設的快速發展，軌枕制造技術也不斷向前發展。國內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]、高聚合物復合材料軌枕^[2]、合成材料軌枕^[3]，但混凝土軌枕具有強度高、道床橫向阻力大、穩定性好、不受氣候、腐蝕的影響、使用壽命長等顯著優點^[4]，仍作為我國鐵路建設的首選。

目前，國內混凝土軌枕生產線主要采用流水機組傳送法^[5]進行設計。流水機組傳送法生產線通常采用“U”型布局設計，采用2*4 或2*5 型鋼模進行軌枕生產。其具有生產效率高、設備通用性強、生產成本低等特點^[6]。流水機組傳送法軌枕生產線實現閉環生產過程中，鋼模在相互平行的縱向輥道之間輸送。因此，生產線通常設置1 ～ 2 套鋼模橫移裝備。

參考中鐵物資平頂山軌枕有限公司（以下簡稱平軌公司）軌枕生產線，生產線工藝流程沿東西方向“U”型設計，如圖1 所示。其生產線存在兩處鋼模橫移設計：其一設置在兩組橫移輥道之間；另一設置在預應力鋼筋張拉輥道和配件安裝輥道之間。橫移設備平面圖如圖2所示。兩處鋼模橫移設備及控制方式完全相同。本鋼模橫移自動控制系統依據平軌公司生產線鋼模橫移設備為基礎進行控制設計^[7]，同時為類似橫移過程的生產線提供自動化控制方案參考。

圖1 平軌公司軌枕生產線工藝流程示意圖

圖2 生產線橫移設備平面圖

1 控制要求

鋼模橫移自動控制^[8] 系統依托生產線既有設備，通過增加傳感器和變頻器等配件進行重新設計。系統控制的設備有：2 組橫移輥道、4 套連桿式升降機構（分別對應4 臺一體式電液推桿）、4 臺一體式電液推桿（2臺/ 組）和2 臺運輸小車?？刂七\動電機共10 臺，分別為4 臺橫移輥道電機，4 臺電液推桿電機和2 臺運輸小車電機。鋼模橫移過程需要以上設備相互配合完成，且設備之間存在嚴格的運行邏輯順序。原控制臺存在操作按鈕多、設備狀態需要人工觀察判斷、易誤操作等問題。根據鋼模橫移過程分析容易得出橫移過程雖然繁瑣但邏輯判斷簡單且具有嚴格的重復性，采用PLC 作為控制單元能夠實現自動化控制。

根據設備實際生產運行情況，對鋼模橫移自動控制系統控制要求如下：

1）自動控制系統具備手動運行模式、單段運行模式和自動運行模式3 種模式。

2）在連續工作中要求運輸小車載1 套鋼模處于等待狀態。

3）設置電源急停按鈕，當其被按下后整個控制系統斷電，且所有控制設備全部停止運行。

4）自動控制系統包含2 臺運輸小車運行一致性自動調節功能。防止兩個臺運輸小車不同步，造成鋼模掉落、損壞等風險。

5）自動程序啟動后首先執行初始化程序，初始化程序完成指示燈亮起，點擊啟動按鈕開始執行自動程序。

6）系統初始狀態設定為2 組輥道處于停止狀態，4套連桿式升降機構處于復位狀態；2 臺運輸小車停止在軌道中間設定位置；南側橫移輥道上無鋼模。

7）暫停按鈕僅用于自動控制部分。當其被按下后自動運行程序停止，按下第2 次系統繼續執行后續未執行程序。

8）停止按鈕在手動模式程序和自動模式程序中應用。當其被按下時，控制設備全部停止運行。在自動程序中當按下停止按鈕后再次啟動自動程序時，需要先執行初始化程序后再點擊啟動按鈕開始執行自動運行程序。

2 控制程序設計

根據控制要求和控制橫移設備的數量，綜合市場PLC 產品的穩定性、經濟性和適用性^[9]，選用西門子S7-200Smart ST40 DC/DC/DC PLC 作為本控制系統的控制主單元。

2.1 控制程序構架設計

根據生產線橫移設備實際控制過程和控制要求，設計控制程序總體構架如下：

1）主程序（含小車一致性調節程序，手/ 自模式選擇）；

2）初始化程序；

3）公用程序；

4）手動模式程序；

5）自動模式程序（含單段運行模式）。

根據控制程序框架設計，將PLC I/O 地址分配情況如表1 所示。由于輸入點位較多且存在模擬量輸入，另外增加2 個數字量輸入模塊EMED08 和1 個模擬量輸入模塊EMAE04。

表1 鋼模橫移自動控制系統I/O地址分配表

依據PLC I/O 地址分配和控制要求，鋼模橫移自動控制系統功能流程圖設計如圖2 所示。

圖2 鋼模橫移自動控制系統功能流程圖

2.2 主程序

主程序主要實現以下功能，其程序設計具體內容如圖3 所示：

1）不論何種運行模式，主程序能控制南側橫移輥道電機的正、反向運動；

2）運輸小車運行減速控制；

3）2 臺運輸小車之間運行一致性調節；

4）信號輸入地址與程序中M 地址轉換。

2.3 初始化程序

初始化程序是執行自動化程序的前提，初始化程序執行完成后橫移設備達到自動模式啟動的初始狀態。無論系統處于何種運行模式，都可用啟動初始化程序完成初始狀態設置。初始化程序啟動前要求，南側橫移輥道上無鋼模，如果存在有鋼?？梢酝ㄟ^手動模式進行清空，否則不能啟動初始化程序。

圖3 控制系統主程序

2.4 自動模式程序

自動模式啟動前設備需滿足以下條件（初始狀態）：

1）2 臺運輸小車上無鋼模；

2）2 臺運輸小車處于中間位置；

3）北側升降裝置處于原位；

4）南側升降裝置處于原位。

當現場設備情況滿足自動運行初始狀態下，旋轉開關至自動模式，按下啟動按鈕，橫移設備自動完成鋼模橫移作業。

在自動化程序中含有單步運行模式開關。單步運行模式主要用于程序調試。當現場設備情況滿足自動運行初始條件下，旋鈕開關轉至單步運行模式，每點擊一次啟動按鈕，控制系統就會執行一行自動運行程序。需注意程序中設有時間停頓和空步程序段。

2.5 手動模式

手動模式下，操作人員按照控制面板上的按鈕啟動對應電機即可。

3 結束語

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

參考文獻：

[1] 楊堃,玄武巖.碳纖維混雜復合軌枕制備與性能測試[J].產業用紡織品,2016(12):27-30.

[2] 王守琛,薛平,蔡建臣.新型高聚物復合材料軌枕的成型技術研究[J].工程塑料應用,2012(5):36-41.

[3] 張吉財.淺談鐵路軌枕復合材料的結構設計[J].建筑工程技術與設計,2017(9):624

[4] 楊寶峰,于春華.鐵路軌枕現狀及發展[J].鐵道工程學報,2007(2):37-40

[5] 李蘭.預應力混凝土軌枕生產工藝分析[J].科技創新與應用,2019(15):112-116

[6] 尤瑞林.國內外預應力混凝土軌枕生產工藝分析[J].鐵道建筑,2021(10).

[7] 婁岡,孫志剛等.基于STL語言的焊管生產線橫移車自動控制技術[J].焊管,2021(10):42-45.

[8] 徐永飛.橫移牽引裝置自動控制[J].理論創新,2010(12).

[9] 吳峰,鄭海英,王浩.基于S7-200 SMART PLC的飼料生產線控制系統的設計[J].電工技術,2018(16).

（本文來源于《電子產品世界》雜志2023年6月期）