基于格雷母線技術的長鋼軌平移系統

吳心淳 吳敬兵 胥 軍

武漢理工大學機電工程學院 武漢 430070

0 引言

當今我國高速鐵路運營里程達3.79萬km，穩居世界第一[1]。高速鐵路的長足發展對鋼軌的生產提出了越來越高的要求，超長的鋼軌在各加工位置間的精準轉運一直是生產和作業現場的難題。

傳統的鋼軌常采用橋式起重機配合電磁鐵或鋼纜進行吊裝搬運[2]，由于支撐點較少，鋼軌因自重會產生縱向變形；懸空吊運的方式還會因電磁鐵斷電和鋼軌移動時的巨大慣性等原因產生安全問題。除此之外，該方式主要依靠人工操作，自動化程度極低。傳統移載設備的定位方式有旋轉編碼器、激光定位器、紅外測距儀、接近開關、限位開關、GPS等[3]，因其精度、成本、穩定性或工作方式等原因，應用到鋼軌轉運中都存在著一定的問題，不能很好地滿足生產需求。

為此，本文提出了一種基于格雷母線定位技術的鋼軌平移系統，以解決鋼軌轉運過程中的變形、安全和定位問題，提高生產的自動化水平。

1 系統總體方案

1.1 被控對象

本文針對各生產加工工序之間鋼軌的轉移問題，提出一種解決方案。百米長鋼軌經歷一個加工工序后需要向下一加工工位移動，使用多個平移單元為一組，對鋼軌進行頂升、平移，最后放置在放軌位的堒道上，然后由堒道上的滾輪將鋼軌運送到下一工序的位置，可以實現這一目標。圖1為鋼軌平移作業示意圖。

圖1 鋼軌平移作業示意圖（局部）

1.2 控制系統整體結構

在取軌位的堒道線上放置多根鋼軌，多個平移單元為一組，頂升鋼軌并移動到放軌位，屬于從非固定位置到固定位置間的移動。為了提高生產效率，減少人工，就需要平移單元具備獨立找尋鋼軌的能力。為了增加互換性和兼容性，減少開發和維護成本，要求平移單元具有相同且獨立的底層控制系統。為了保證通信的穩定性和實時性，減輕上位機的數據吞吐量，提出設置主控站、地面站、車載站3級控制系統。使用PLC控制平移單元動作，使用無線模塊進行通訊。車載站組件包括PLC S7-1200、地址編碼器、金屬傳感器、無線通訊模塊、天線箱；地面站組件包括PLC S7-1200、地址解碼器、無線通訊模塊；主控站組件包括PLC S7-1500、上位機。系統整體結構如圖2所示。

圖2 控制系統的整體結構示意圖

地址解碼器解析獲得平移單元的位置之后，將位置信息由分站PLC—主站PLC—上位機層層轉發，上位機對傳來的數據進行匯總，再將指令層層下發到車載PLC，從而控制平移單元實現既定的動作。

1.3 定位系統的選用

單元平移過程中如果不能準確定位，將會使鋼軌產生水平方向上的撓度，故平移系統對定位精度的要求很高。表1為各傳統定位方式的特點。

表1 傳統定位方式的特點

本文提出的基于格雷母線技術的定位系統，主要應用于軌道交通、物流、礦山、港口、冶金等領域，該技術有效地解決了工況比較惡劣的移動輸送設備的精確定位問題，其可以檢測規則或不規則移動軌跡，定位精度達5 mm，且使用壽命長，一次性投入永久免維護。

2 格雷母線系統

2.1 格雷母線定位系統的組成

格雷母線定位系統主要由格雷母線電纜、地址編碼發生器、天線箱和地址解碼器等組成，通過線圈之間的電磁耦合的方式進行定位，其實現的關鍵在于格雷母線電纜芯線的結構設計。如圖3所示，格雷母線由一對基準線(R線)和多對地址線(G線)構成。R線相互平行，用于獲取基準信號。G線按格雷碼的編碼規律編制而成，用于地址檢測。每對G線相隔一定步長交叉一次[4]。若格雷母線的最小步長為W，則G0的步長為W，G1的步長為2W，Gn的步長為2nW。

圖3 格雷母線電纜結構示意圖

2.2 格雷母線定位系統的工作原理

格雷母線定位技術利用單匝線圈的電磁感應原理進行定位。如圖4所示，地址編碼器向天線箱輸入正弦信號，天線箱將信號放大后，以分時同頻率的方式發送給R線和G線，使之處于交變磁場中，并產生感應電動勢，地址解碼器對來自R線和G線的信號進行對比，若2信號的相位相同，即綠線在上，紅線在下，則地址編碼為0，反之則地址編碼為1。通過分析不難得出，兩對地址線可以檢測4個地址。以此類推，n對地址線可以檢測2n個地址。

圖4 格雷母線位置檢測原理圖

2.3 格雷母線的定位精度

格雷母線利用線圈的電磁感應原理定位，如圖5所示，假設一對地址線的寬度為H，地址線1的步長為W。

圖5 格雷母線利用線圈的電磁感應原理定位示意圖

如圖6所示，當天線箱從初始位置移動W/2距離時，交叉前后的地址線上產生等大反向的電動勢而相互抵消，越過此位置繼續移動才會產生新的信號。

圖6 格雷母線定位的工作原理

因此，此種方式的定位精度是步長的1/2。定位精度計算公式為

式中：μ為定位精度，W為步長。

從理論上看，格雷母線的最小步長W越小，定位精度越高；在工程實際中，W取值過小會導致地址檢測的信噪比過低，無法穩定獲取地址，根據工程經驗，步長為200 mm時較合適[5]。

在上述基礎之上，增加一對步長也為W的地址線，可以獲得更精密的地址信息。新增的地址線L0與G0錯開半個步長，如圖7所示。

圖7 精密地址的檢測方法

由磁通量的計算公式

式中：φ為磁通量，S為線圈的面積，B為電磁強度。

當天線箱向格雷母線電纜發射正弦信號，并移動X距離（X<100mm）時。L0和G0產生的感應電動勢為

式中：N為線圈數，S為磁場作用在G0、L0上的有效面積，其余參數同上。

在同一時間間隔內，2地址線上的電動勢之比U為

可知當X在W/2的范圍內變化時，X與U呈線性關系，由于G0、L0的交叉間距相同且錯開100 mm，故在100 mm間距的每個位置總有唯一的比值U對應。如果將該比值繼續細分，就可以得到更高的檢測精度，但受限于工藝條件，該比值不能無限細分，一般來說，U取20比較合適[5]，此時的檢測精度X為

由此可知，格雷母線定位的精度可達5 mm。

3 系統應用介紹

3.1 平移單元運動機構

1) 平移機構 平移機構采用變頻器和三相異步電動機相融合的變頻調速系統。三相異步電動機運行性能良好，工作穩定可靠，變頻器控制精度高，選取合適間隔的頻率可以實現有級調速，能夠保證多臺平移單元行走速度的一致性。通過PLC的協調控制，可以保證鋼軌平移過程平穩運行。

2) 升降機構 升降機構采用液壓泵驅動，由2個電磁閥控制升降動作。液壓泵工作范圍廣，運行穩定，安全可靠。通過前期調整流量大小，可以保證升降臺的動作一致。

平移單元的結構示意圖如圖8所示。以一個平移單元為例，系統開始運行時，平移單元由待機位向取軌位運動，當金屬傳感器在取軌位感應到鋼軌時停止移動，液壓泵驅動升降臺將鋼軌頂升一定高度，然后平移至放軌位，升降臺下降將鋼軌放在放軌位的堒道上，平移單元再返回待機位，完成一個動作循環。

圖8 平移單元的模型示意圖

3.2 PLC程序和通信設計

1) PLC程序設計 鋼軌平移的關鍵是平移單元之間的協同動作，這就要求系統的可控性良好，每個單元都應能獨立判斷自身狀態，自行調整上位機發來的動作指令并將執行狀態實時上傳。在此基礎上設計程序流程如圖9，其中尋軌是指平移單元向取軌位方向移動，直到傳感器發出感應到鋼軌的信號，平移單元停止移動的過程。

圖9 程序執行流程示意圖

2) 通信設計 除平移單元的執行程序外，PLC之間的良好通信也是保證系統正常運轉的前提。在工程實踐中，最為常見的通信方式是S7單邊通信，即客戶端(Client)/服務器(Server)模式的通信方式[6]。該通信方式只需在客戶端簡單配置，然后在服務器端預設好需要訪問的數據，不用額外編程，就能實現數據的交換。地面站作為通信的重心，其通信流程示意圖如圖10所示。地面站PLC將總控PLC的指令下發給車載PLC，并獲取車載PLC的實時運轉數據，然后上傳給主控PLC。為保證通訊的連續穩定，在每2級PLC通信之間加入心跳檢測功能，即以較高的固定頻率獲取PLC之間的通信響應狀態。同時，要求各級PLC在通訊故障時能夠保存最近的狀態，在故障修復后能迅速恢復生產。

圖10 地面站通信流程示意圖

4.結論

傳統起重運輸裝置的定位方式，常見的限位開關、接近開關等機械定位的方式動作緩慢且故障率高，在惡劣環境中容易失效；旋轉編碼器的定位方式則會因為車輪打滑或被異物卡住而產生誤差；激光定位器、紅外測距儀的精密性高，但價格昂貴且在惡劣工況下不可靠。使用格雷母線技術的定位方式，在應用到鋼軌平移上時，能夠有效地解決以上問題，定位精度可達5 mm，并能穩定工作，基本免維護。

與傳統鋼軌搬運方式相比，本系統采用鋼軌平移的方式，減少了吊裝方式造成的鋼軌彎曲扭轉變形問題，減小了鋼軌吊運后的內應力；利用PLC控制平移單元運行，減少了工人操作的危險性，提高了搬運過程的自動化水平；平移單元使用格雷母線技術精確定位，相較于其他定位方式減少了鋼軌平移過程中的水平撓度。