應用于聚氨酯固化道床施工的烘干車控制系統設計研究

馬時雨 周佳亮 高春雷

（1.中國鐵道科學研究院研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

聚氨酯固化道床兼具有砟軌道和無砟軌道的優點，是一種軌道結構新技術。其原理是在已經達到穩定的新鋪碎石道床內灌注由異氰酸酯、多元醇及各種配合劑的混合液體，混合液體滲入道床內部，在碎石道砟空隙中完成發泡、膨脹、凝固等一系列聚合過程，泡沫狀聚氨酯彈性材料擠滿碎石道砟的空隙并牢固黏結碎石道砟顆粒，形成彈性固結整體道床結構［1］。根據聚氨酯的混合工藝要求，須將道砟烘干、冷卻，達到一定的技術標準后方可進行道床澆注施工。其技術標準包括：烘干后表面道砟溫度不高于80 ℃，道砟中部溫度不低于35 ℃；冷卻后表面道砟溫度不高于35 ℃，道砟中部溫度不高于25 ℃［2］。

目前，聚氨酯固化道床烘干施工的主流設備為德國拜爾固化施工設備與國內徐工開發的固化道床施工設備，存在烘干效率低、污染較嚴重、無自走行功能等缺點。為提高道床澆注施工的烘干冷卻效率，中國鐵道科學研究院集團有限公司研制了一套烘干車控制系統，可達到聚氨酯固化道床澆注施工所要求的烘干效果。

1 總體設計方案

烘干車控制系統由可編程邏輯控制器模塊（Programmable Logic Controller，PLC）、烘干冷卻設備、密封裝置、走行模塊、檢測設備、顯示器、輸入設備等組成，如圖1所示。

圖1 烘干車控制系統總體設計方案

PLC 模塊是控制系統的核心，它將接收到的輸入設備和檢測設備的信號轉換成控制信號并發送至烘干冷卻設備、密封裝置、走行模塊進行控制。烘干冷卻設備包括風機、電機、變頻器、燃燒爐、點火器、電磁閥等，可根據PLC 發出的控制信號對燃燒爐的加熱溫度實現閉環控制，其中風機在烘干冷卻階段為烘干車提供風壓。密封裝置主要用于烘干道砟時密封周圍間隙，強化設備對道砟的烘干效果，包括空壓機、限位密封板、烘干罩、氣閥等。走行模塊包括變頻器、輪對、驅動電機、電磁離合器等，其中走行變頻器接收PLC 發出的控制信號并使驅動電機以設定的速度運行。檢測設備主要作用是將信號反饋至PLC，使操作人員可以實時監測各限位狀態，包括限位傳感器、溫度傳感器。輸入設備包括控制面板與遙控器，其中控制面板能夠將數字量直接輸入至PLC，遙控器通過配套的接收器將信號傳輸至PLC。顯示器提供了直觀的人機交互界面，可使工作人員實時觀測到各執行機構的運行狀態，也可將工作參數傳輸至PLC。

2 系統配置

2.1 硬件

為滿足烘干作業的工藝要求，烘干車控制系統具有風機、電機、燃燒爐、走行電機、卷筒機、離合器等主要部件及8個限位氣缸，主要測控量包括走行距離、走行速度、燃燒爐內溫度、出風口溫度、密封位置、烘干∕冷卻時間、風機轉速、卷筒機轉矩、變頻器故障等參數。其中實現控制的參數有走行距離、走行速度、密封位置、烘干∕冷卻時間、風機轉速、卷筒機轉矩。考慮到主要測控量所需數字量和模擬量的路數及控制算法的復雜程度，烘干車控制系統中PLC 硬件配置選用西門子S7?200 模塊，CPU 為SR60，附加2 個EM ST32數字量模塊及EM AM06，EM AM02 模擬量模塊。PLC模塊共有128 路數字量和4 路模擬量輸入輸出，可接收動作指令并反饋信息［3］。上位機選用維綸MT8102iE型顯示器，可使用以太網接口與PLC連接。

2.2 軟件

烘干車控制系統中的軟件系統設計包括主機PLC的控制軟件、上位機顯示器的監控交互軟件設計。在西門子專用的Step 7?Micro∕WIN 編程環境下，以梯形圖方法在PC 機上編制PLC 控制軟件，經調試編輯后下載至PLC。烘干車控制系統的控制程序主要由主程序、自動走行程序、烘干冷卻程序、氣缸控制程序、限位檢測程序、遙控面板程序等子程序構成。每個子程序的調用均與輸入到PLC 的信號及上位機傳輸的參數有關。烘干作業時首先要判斷烘干車是否到達作業位置，未到達則執行自動走行程序；確認到達作業位置后，檢測各密封氣缸是否閉合，未閉合則執行限位鎖定程序；限位鎖定后執行烘干冷卻程序，燃燒爐、風機依序啟動；作業完成后密封系統限位解除，烘干車等待下一個命令。

上位機軟件編程使用Easy Builder pro程序進行編輯，包括主界面、烘干限位監控界面、電機監控界面、參數設置界面，見圖2。主界面用于顯示當前走行距離、風機∕燃燒爐報警、走行限位狀態；烘干限位界面顯示密封裝置的氣缸狀態［4］；電機監控界面顯示由變頻器反饋模擬量的速度與電流（行走機、風機、卷筒機）；參數設置界面主要用于用戶輸入烘干時間、冷卻時間、枕木間距、走行軌枕根數、行走機速度設置等。

圖2 上位機顯示屏界面

3 控制方法

為實現烘干車的自動化控制并保證系統安全可靠，烘干車控制系統的烘干冷卻控制、走行模塊控制、密封裝置控制均采用多種方法綜合控制。

3.1 烘干冷卻控制

烘干冷卻系統可分為燃燒爐組和風機組2 部分。烘干工作時燃燒爐組與風機組同時運行，冷卻工作時只有風機組運行。烘干流程如圖3所示。

圖3 烘干流程

燃燒爐組采用PID進行控制。燃燒爐控制回路的外圍設備由PID 溫度表、燃油加熱爐、2 個燃燒電磁閥組成。燃燒爐的大小火調節功能由2 個電磁閥控制，其中小火電磁閥直接根據PLC 輸出的信號控制燃燒爐的啟停；大火電磁閥無法單獨控制燃燒爐，只有在小火電磁閥啟動的情況下方可控制燃燒爐的大火和小火切換［5］。大火電磁閥由測量風機出風口溫度的PID溫度表的輸出端子控制。

風機組控制回路的外圍設備包括風機變頻器和風機。變頻器由PLC 數字量進行控制，并將電流與轉速以模擬量形式反饋至PLC。上位機輸入烘干冷卻時間后，烘干機控制系統會按照所設定的時間進行烘干冷卻；未設定時間則自動烘干20 s+冷卻10 s。

3.2 走行模塊控制

走行模塊控制回路的外圍設備由絕對值編碼器、走行電機、走行變頻器、減速器、電磁離合器等組成。回路輸出可直接控制變頻器和電磁離合器，通過調節變頻器輸入頻率改變走行電機速度。走行模塊的走行距離和走行速度由上位機設置，若未輸入則自動設定為35%（走行速度）和3.6 m（走行距離）。走行模塊可由輸入設備切換自動∕手動走行功能。PLC 讀取絕對值編碼器的4～20 mA 模擬量信號計算當前距離。選擇自動模式時烘干車自動前進，走行速度取決于當前距離與走行距離的比值［6］。走行流程如圖4所示。

圖4 走行流程

3.3 密封裝置控制

密封裝置通過對待烘干冷卻區域形成密閉的作業空間，使氣流以一定的流速和壓力穿透道砟，實現道砟的烘干冷卻作業，是決定烘干冷卻效果的重要因素。密封控制回路的外圍設備由氣缸、閘瓦、氣閥、傳感器等組成，回路的輸出值直接控制電磁閥，通過氣閥控制各密封氣缸的伸縮。PLC 程序中，根據傳感器探測的數據對各氣閥動作進行互鎖控制，如烘干罩鎖定限位解除后方可升降、枕木軌腰密封解除前車輛無法移動等。互鎖可保護車輛機械結構的使用安全。傳感器監控各氣缸狀態并將信號傳輸至PLC，工作人員可通過上位機實時觀測各密封點的氣缸狀態。

4 現場測試

為測試烘干車控制系統的烘干性能，于2019年初在鐵科院東郊環形試驗軌道進行現場測試（圖5）。試驗中對固定位置聚氨酯固化道床進行2種工況的烘干冷卻，分別為烘干13 min +冷卻8 min（工況1）、烘干10 min+冷卻6 min（工況2），每種工況進行3 組試驗。溫度測量采用手持式紅外測溫儀，分別在烘干、冷卻作業完成后進行測量。結果見表1。可見，烘干效果與烘干時間、烘干溫度有關。工況1中，烘干13 min后道砟表層溫度低于80 ℃，道砟中部溫度高于35℃；冷卻8 min 后道砟表層溫度低于35 ℃，道砟中部溫度未高于25 ℃，均符合聚氨酯固化道床澆注施工的技術要求。工況2 未能符合要求。因此，選用烘干13 min+冷卻8 min方案能夠高效地對道床進行烘干。

圖5 烘干車測試現場

表1 道砟溫度測量結果 ℃

5 結語

烘干車控制系統能夠通過手動∕自動控制快速對聚氨酯固化道床進行烘干冷卻，并可通過顯示屏直觀地檢測到車上各限位氣缸的狀態。經過現場測試，選用烘干13 min +冷卻8 min 方案能夠高效地對聚氨酯固化道床進行烘干，驗證了本控制系統的可行性和可靠性，提高了聚氨酯固化道床的烘干自動化程度。