基于PLC 的軌道緊固件檢修車設計

李林駿

（山西省財政科學研究院， 山西 太原 030006）

0 引言

國家統計局發布新中國成立70 周年經濟社會發展成就報告顯示，70 年來，我國交通基礎設施加速成網，綜合運輸保障能力大幅上升，截至2021 年12 月30 日，中國高鐵運營總里程已突破四萬公里。鐵路軌道的巡檢、維護成為保障鐵路正常運行的重要內容之一。其中軌道連接采用緊固件連接，其螺母緊固得當能有效防止軌道的松動和移位，同時能減少列車運行時產生的振動和噪聲，保證列車安全運行。如何提高軌道緊固件螺母巡檢的效率，降低巡檢工人的勞動強度是亟待解決的問題之一[1-2]。

本文以軌道堅固件檢修問題為研究對象，設計一種可用于螺母巡檢的軌道車，解決人工檢修螺母效率低、攜帶工具不便的問題[3]，對保障鐵路運行具有較好的意義。

1 系統組成

系統由行走裝置、擰緊裝置、控制系統、動力系統、人機交互以及移動小車等組成，具體見圖1。其中移動小車采用框架結構，為系統提供基礎支撐，由底盤、框架等組成，行走裝置安裝于底盤上，通過傳動裝置帶動軌道車可沿導軌行進。行走裝置由行走輪、轉向輪、行走電機、調速裝置以及速度傳感器等組成，行走電機驅動行走輪轉動，采用直流電機驅動，可由PWM波控制，可實現行走速度的調節。動力裝置為系統提供動力，由蓄電池組、充電模塊以及轉換模塊組成，其中轉換模塊可將蓄電池電壓轉為控制器、觸摸屏所需電壓。擰緊裝置采用伺服電機驅動作業裝置，通過力傳感器可實現擰緊力的檢測，并對緊固力進行修正。電控系統采用西門子SMART 系列控制器，并擴展模擬量模塊以滿足系統檢測需求。人機交互為系統提供良好的人機交互界面，可實時顯示軌道車各參數，同時系統設計啟停、前進、后退等操作按鈕，方便工作人員操作。

圖1 系統組成

2 電氣系統設計

2.1 控制系統設計

采用西門子SMART 系列ST60 PLC 為主控制器，并擴展DP01 通信模塊、AE 模擬量輸入模塊，與觸摸屏以及充電單元組成總線網絡，通過以太網與觸摸屏通信，實時顯示軌道車狀態，并提供虛擬操作按鈕；通過DP01 通信模塊采用RS485 與充電模塊通信，可顯示充電狀態、蓄電池電量、續航里程等信息。通過西門子高速脈沖輸出PWM，可實現行走電機速度的調節、擰緊電機力的調節。行走啟動、停止、擰緊作業啟動、停止、行程開關、指示燈以及繼電器驅動等開關量通過I/O 點接入控制器。系統擴展模擬量模塊用于采集傳感器的模擬量信號。具體見圖2。

圖2 控制系統

2.2 系統工作原理

系統開機后，通過行走啟動按鈕給行走電機上電，通過前進/后退按鈕由控制器控制軌道車沿軌道行進，行進過程中行走指示燈交替閃爍，以提示軌道車處于行進中，并可通過觸摸屏調節行走的速度，行進至軌道緊固件作業區域后停止軌道車。根據軌道維修手冊緊固件所要求的緊固力矩，操作人員通過觸摸屏扭矩設定界面設置檢修扭矩，即可開展軌道緊固件螺母的巡檢。操作人員通過手輪分別驅動擰緊裝置沿橫向和垂向移動，直至擰緊作業裝置扭矩頭與螺母接觸，啟動檢修按鈕，伺服電機驅動扭矩頭旋轉對螺母進行緊固，同時通過串聯的動態扭矩傳感器實時檢測緊固力矩，與要求的力矩進行對比，形成力矩的閉環控制。螺母緊固力達到允許誤差范圍的數值后，伺服電機自動停止作業，同時控制器將扭矩數值反饋給觸摸屏，觸摸屏顯示此螺母緊固力符合要求，同時作業完成指示燈交替閃爍進行提示。操作人員通過手輪提升作業裝置，移動至行程開關時提示作業裝置已抬升至安全高度，作業完成指示燈熄滅，此時操作人員可啟動行走電機，驅動軌道車運行至下一個工位，依次開展軌道螺母檢修工作。系統的I/O 分配如表1 所示。

表1 I/O 分配表

2.3 動力系統設計

為提高軌道車工作效率，采用蓄電池模塊為其提供動力，伺服電機、行走電機均采用直流式電機，蓄電池可直接為行走電機、伺服電機電壓匹配，可提高供電系統的效率。充電模塊具有短路、過載以及過充等保護，保障蓄電池的充電安全性。設計電池監測模塊實時檢測蓄電池的電壓、容量、剩余電量等信息，并具有通信功能，可與西門子控制器以RS485 串口進行通信，將蓄電池相關參數反饋給控制器。

3 程序系統設計

3.1 PLC 程序設計

系統以西門子SR60 為主站，充電單元為從站，組建通信網絡，同時與觸摸屏組建以太網?？刂瞥绦蛟O計了主程序和子程序，主程序完成開機自檢、系統參數設置并調用子程序，子程序包括行走控制子程序、螺母作業子程序、通信子程序、故障處理子程序。系統具有開機自檢功能，啟動后對通信狀態、蓄電池電量以及電機狀態等進行檢查，出現故障后及時報警。主程序主要完成存儲器設置、通信參數設置、初始值設置等，為軌道車運行做好基礎設置。

3.2 人機交互設計

系統采用觸摸屏實現人機交互，與主控制器以以太網通信，可實時顯示軌道車的狀態，并設計虛擬按鈕，可同步控制行走電機、伺服電機等執行元件。

人機交互界面分為主界面和二級界面，主界面調用各二級界面，二級界面包含行走控制界面、作業控制界面、故障處理界面以及通信設置界面，可有效提高系統的效率。行走控制界面提供行走電機的虛擬啟動、停止按鈕，設計行走速度調節輸入框，可通過輸入框輸入所需設置的速度，即可通過控制器調整行走電機速度，該界面實時顯示軌道車的行走狀態、蓄電池電量等信息。作業界面可設置螺母緊固所需扭矩，也設計扭矩輸入框，作業時實時顯示扭矩值的大小，方便檢修人員實時了解螺母擰緊力的狀態。二級界面設計了故障存儲界面，可將參數超限時的故障信息以表格的形式進行存儲，方便后續對巡檢數據進行分析。通信設置界面可調節總線網絡以太網IP 地址、串口通信波特率等參數，方便系統適應不同產品的通信。

4 結語

本文從軌道緊固件檢修過程中工作量大、效率低等問題出發，設計基于PLC 控制的軌道作業車，可用于軌道緊固件的檢修。本文設計了軌道車的總體框架，闡述了行走裝置、控制系統、人機交互、動力裝置以及移動小車各部分的組成和作用。系統選用西門子SMART 控制器，并擴展了通信模塊和模擬量模塊，構建了以控制器為主站，觸摸屏、充電單元為從站的總線網絡，并對軟件系統和人機交互界面進行了詳細設計。本文所設計軌道檢修車可應用于軌道緊固件的巡檢和檢修，可提高工作效率，為軌道檢修提供一種較好的思路。