XM—1800銑單元電氣控制系統(tǒng)研究

吳鵬坤

【摘 要】針對鋼軌在線銑削技術(shù)在鋼軌維護方面的優(yōu)勢，先對國內(nèi)的兩種鋼軌在線銑削養(yǎng)護設(shè)備SF03-FFS銑磨車和XM-1800銑磨車的銑單元電氣控制系統(tǒng)進行了分析比較，其中重點研究分析XM-1800銑磨車的銑單元電氣控制系統(tǒng)，并對XM-1800銑磨車電氣控制系統(tǒng)未來的優(yōu)化方向進行了展望。

【關(guān)鍵詞】鋼軌在線銑削；銑單元；XM-1800銑磨車；電機控制

【Abstract】In the view of on-line rail milling technology in rail maintenance advantage. First domestic two on-line rail maintenance equipment SF03-FFS and XM-1800 milling unit electrical control system is analyzed and compared， the key research XM-1800 milling unit electrical control system are analyzed， and optimization of electrical control system for XM-1800 milling and grinding machine direction was prospected.

【Key words】On-line rail milling； Milling unit； XM-1800 milling and grinding； Machine motor control

0 前言

目前，鋼軌在線修復(fù)技術(shù)主要有鋼軌在線打磨和鋼軌在線銑削，相比鋼軌在線打磨，鋼軌在線銑削在鋼軌輪廓修復(fù)、處理病害較重的鋼軌方面具有明顯優(yōu)勢，作業(yè)效率較高，作業(yè)過程環(huán)保，火花飛濺少，利于防護，鋼軌在線銑削養(yǎng)護設(shè)備在鐵路鋼軌維護方面與鋼軌打磨養(yǎng)護設(shè)備具有很強的互補性，同時鋼軌在線銑削養(yǎng)護設(shè)備更適合于城市軌道交通隧道等對環(huán)境要求較高的應(yīng)用領(lǐng)域。隨著列車列車提速對鋼軌廓形及平順度提出更高的要求、城市軌道交通的快速發(fā)展，鋼軌在線銑削技術(shù)將會有更廣闊的應(yīng)用前景。

國內(nèi)主要的鋼軌在線銑削養(yǎng)護設(shè)備有林辛格公司的SF03-FFS銑磨車和中國鐵建高新裝備股份公司的XM-1800銑磨車。SF03-FFS銑磨車作為全進口引進機型，上海局、北京局、朔黃公司各有一臺在使用，整車配置了2套銑削單元，銑盤直徑為600mm。XM-1800銑磨車為中國鐵建高新裝備股份有限公司與MFL公司聯(lián)合研制的，其中銑削單元及其控制系統(tǒng)引進了MFL公司技術(shù)，XM-1800整車配置了1套銑削單元，銑盤直徑為1400mm，相比SF03-FFS直徑600mm的銑盤它的殘余波磨小、切削能力強、作業(yè)效率高。

1 林辛格電氣控制系統(tǒng)

SF03-FFS銑磨車電氣控制系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)由一個西門子標準PLC和840D數(shù)控系統(tǒng)組成，子站采用ET200S分布式IO，840D控制系統(tǒng)通過西門子611D系列驅(qū)動器控制銑削電機、Y向伺服電機、Z向伺服電機。其中控制器與人機界面采用MPI通訊協(xié)議，控制器間及控制器與子站采用PROFIBUS通訊協(xié)議，現(xiàn)場輸入設(shè)備通過AS-Interface網(wǎng)絡(luò)接入控制系統(tǒng)。840D數(shù)控系統(tǒng)主要用于數(shù)控機床，一般都用于微米極加工，還且不同的工件、工藝都要用G代碼和高級語言編寫不同的用戶程序，顯得太過于復(fù)雜，造價昂貴，在操作和維護上極為不便。由于840D無法取消專用的操作鍵盤，整車控制系統(tǒng)很難集成銑削單元的遠程操作控制。

2 XM-1800銑單元電氣控制系統(tǒng)

XM-1800銑單元電氣系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示，該系統(tǒng)由一個西門子S7-300 PLC作為銑削單元邏輯控制器，通過控制西門子SINAMICS S120驅(qū)動器完成銑削電機、Y向伺服電機、Z向伺服電機控制，子站ET200S、定位壓力傳感器、HNC油缸控制模塊、FESTO閥島分別完成銑單元外圍信號采集、銑削壓力采集、銑單元升降油缸控制、鎖定氣缸控制。S7-300 PLC控制器與子站之間采用PROFIBUS通訊協(xié)議，PLC控制器與上位人機界面采用PROFINET通訊協(xié)議。

銑削電機、Y向伺服電機、Z向伺服電機三個電機的控制是銑單元電氣控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵點也是難點，MFL系統(tǒng)選用SINAMICS S120驅(qū)動系統(tǒng)，它將智能控制單元與功率單元分離開，由CU320控制單元、電源模塊、單電機模塊、雙電機驅(qū)動模塊組成，控制單元與各模塊、電機編碼器的通訊采用全新標準--DRIVE-CLIQ通訊，模塊化的SINAMICS S120驅(qū)動器既可以實現(xiàn)高水平的多軸伺服控制也可以用來實現(xiàn)矢量驅(qū)動控制。

2.1 銑削主軸電機控制

為了保證鋼軌銑削質(zhì)量即鋼軌頂面光澤度，銑刀需要按一定的線速度進行銑削，特別是在啟動或低速時要保證足夠的轉(zhuǎn)矩，否則銑削表面會有不規(guī)則的波紋出現(xiàn)，同時在不同的作業(yè)速度下，需保證銑刀相對于鋼軌銑削點的相對線速度保持相對恒定，以保證鋼軌銑削表面的一致性，銑刀的使用壽面也可以大大提高。

銑削主軸電機的運行工況：在設(shè)定作業(yè)速度下，銑削電機保持恒轉(zhuǎn)矩恒轉(zhuǎn)速運行；在不同作業(yè)速度下，銑削電機保持恒轉(zhuǎn)矩變速運行。SINAMICS S120驅(qū)動系統(tǒng)的矢量控制可以實現(xiàn)銑削電機高動態(tài)、高性能控制，控制方案如圖3所示。

矢量控制是采用參數(shù)重構(gòu)和狀態(tài)重構(gòu)的現(xiàn)代控制理論，實現(xiàn)電機定子電流的勵磁分量與轉(zhuǎn)矩分量之間的解耦，從而使交流電機能像直流電機一樣分別對其勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量進行獨立控制。銑削主軸電機選用基于編碼器的矢量控制，在低速（低頻）附件，電機數(shù)學(xué)模型也能精確的確定磁通量和速度，這樣就能保證在低速銑削工況下也能準確控制電機轉(zhuǎn)矩，保證鋼軌表面的銑削質(zhì)量。

2.2 Y向、Z向伺服電機控制

銑削前需要對銑刀和銑削導(dǎo)軌進行準確定位，銑裝置橫向定位由Y向伺服電機帶動絲杠驅(qū)動銑削單元完成，同時Y向伺服電機還負責(zé)鋼軌銑削過程中銑刀的橫向偏移。銑單元的銑削深度控制由Z向伺服電機驅(qū)動定位機構(gòu)完成，Y向、Z向伺服電機都采用位置閉環(huán)伺服控制，同時還需考慮絲杠反向間隙和減速齒輪間隙帶來的精度問題，因此為了保證銑削質(zhì)量，減速齒輪間隙應(yīng)小于或等于12arcmin，同時控制器還要對絲杠的反向間隙進行補償，控制方案如圖4所示。

Y向、Z向伺服電機都選用24位+12位多圈絕對值編碼器，相比單圈絕對值編碼器，它可以監(jiān)測伺服電機任何時刻的絕對位置，這使銑單元Y向、Z向定位及位置監(jiān)控的實現(xiàn)容易得多。

在SINAMICS S120驅(qū)動系統(tǒng)中可以啟用BPOS定位功能，它包括以下功能：位置實際值調(diào)節(jié)、位置控制器（位置限幅、調(diào)整和計算預(yù)控制）、監(jiān)控功能（定位監(jiān)控、動態(tài)跟隨誤差監(jiān)控）、反向間隙補償、模數(shù)校正，通過BPOS定位功能可以很好的保證銑單元定位精度及銑削精度的控制。

2.3 其余PROFIBUS DP 子站控制

子站ET200S分布式IO主要負責(zé)銑單元外圍信號采集及DI動作輸出，如銑單元鎖定信號、解鎖信號、激光反饋信號、齒輪箱油溫、集中潤滑報警等。

控制器S7-300 PLC通過PROFIBUS總線可以實時讀取子站HBM壓力傳感器信號，實時監(jiān)控銑單元銑刀的銑削壓力，從而保證鋼軌表面的銑削質(zhì)量。

HNC油缸控制模塊是力士樂二次元件專用控制模塊，在銑單元垂直升降Z向定位過程中，HNC油缸控制模塊可以通過位置閉環(huán)完成升降油缸的精確定位。在鋼軌銑削過程中，HNC油缸控制模塊可以通過壓力閉環(huán)完成銑單元銑刀銑削銑削壓力的恒定控制。

子站FESTO閥島主要完成銑單元鎖定氣缸動作、鋼軌表面吹塵等功能。

3 XM-1800銑磨車電氣控制系統(tǒng)集成方案

XM-1800銑磨車電氣控制系統(tǒng)主要分4個部分：銑單元控制系統(tǒng)、作業(yè)走行控制系統(tǒng)、磨單元控制系統(tǒng)、高速行車及輔助控制系統(tǒng)。在銑單元控制系統(tǒng)國產(chǎn)化的基礎(chǔ)上，不但可以降低成本，還可以實現(xiàn)鋼軌銑磨車電氣系統(tǒng)各個部分的網(wǎng)絡(luò)集成，達到優(yōu)化硬件配置、提升整機控制性能的作用（圖5）。

銑單元控制器與作業(yè)操作界面及磨單元控制器之間采用PROFINET網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，該協(xié)議在更適合較大的數(shù)據(jù)量傳輸，方便在作業(yè)操作界面與銑、磨系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，也不會因此影響力控制層設(shè)備的運行；銑單元控制器與其子站間通過PROFIBUS-DP工業(yè)現(xiàn)場總線進行網(wǎng)絡(luò)通信，保證數(shù)據(jù)的實時性與安全性；為了能與現(xiàn)有大型養(yǎng)路機械成熟的行車控制系統(tǒng)及力士樂RC控制器通訊兼容，在銑、磨系統(tǒng)與作業(yè)走行及高速行車系統(tǒng)之間采用CAN通訊協(xié)議。

4 結(jié)語

基于鋼軌在線銑削技術(shù)在修復(fù)鋼軌橫斷面廓形，改善輪軌接觸狀態(tài)，降低輪軌噪聲，提高鋼軌的使用壽命方面的明顯優(yōu)勢，隨著XM-1800銑單元電氣控制系統(tǒng)國產(chǎn)化的不斷深入，在XM-1800銑磨車上將銑單元控制系統(tǒng)與其他部分控制系統(tǒng)集成在一起，將使XM-1800銑磨車功能更完善、系統(tǒng)更優(yōu)化、操作更便捷、成本更具競爭性，在未來的軌道交通養(yǎng)護領(lǐng)域有更大的市場。

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[責(zé)任編輯：湯靜]