（机械电子工程专业论文）百米焊接长轨生产系统平移装置控制系统的实现与实验研究.pdf

摘要 百米焊接长轨生产系统平移装置控制系统的实现与实验研究 摘要 百米钢轨在高速铁路中的使用带来了在其焊接生产工序之间切换的 搬运问题。北京铁路局沙河焊轨厂在针对百米钢轨焊接生产线的改造中引 进了一套新型的钢轨平移设备，用于解决钢轨在工序之间切换的搬运问 题。本文以该套设备的控制系统实现为研究对象，应用控制器件的编程、 组态软件，进行了该套设备控制系统的设计和调试，并在实际生产中进行 实验。 进行控制系统的设计前，本文分析了控制系统的方案，涉及控制器件 的选型，控制网络的构成方式及相关通信技术分析，讨论了课题前期和后 期所使用不同型号的控制器件所对应的不同的网络结构。 进行执行控制程序设计前，使用3 d s m a x 软件对平移执行单元进行 建模及动作模拟。通过对平移流程的模拟动作的分析，确定单元的程序流 程及控制程序中的故障处理和自动保护的触发条件，在模拟分析和实际现 场测量的基础上编写了单元动作的控制程序。 进行通信控制系统的设计时，通过控制器的基本通信实验，在其基础 上进行了整个通信系统程序的规划和设计，并针对不同方式的通信流程进 行分析及编写相应的通信程序。 完成控制系统的程序编写后，进行了实验室内的模拟实验和调试，并 在生产现场使用实际生产中使用的钢轨进行多单元多组不同组合的平移 实验，通过实验完善了控制系统的调试，达到了交付使用的目的。 北京化工大学硕士学位论文 本文通过对钢轨平移设备控制系统的设计研究完成了工业自动化控 制的一种具体实现，为新型的起重运输机械的进一步研究提供的非常具有 价值的参考和实验经验。 关键词：钢轨平移，底项式起重设备，控制网络，可编程控制器，人机界 - ，一 回 n 摘要 r e a l i z a t i o no ft h ec o n t r o ls y s t e mo ft r a n s l a t i o ne u i p m e n ti n h u n d r e d s - r a i lw e l d i n gp r o d u c t i o ns y s t e m a b s t r a c t t h eu s eo ft h eh u n d r e d s m e t e r - r a i li nh i g h - s p e e dr a i l w a yh a sb r o u g h tt h e t r a n s p o r t a t i o np r o b l e mt h a th o w t os w i t c ht h er a i lb e t w e e nd i f f e r e n tp r o c e s s e s i nt h er a i l s w e l d i n gl i n e t h es h a h ew e l d i n gf a c t o r yo fb e i j i n gb u r e a uh a s i m p o r t e dan e wt y p eo fe q u i p m e n tt h a tn a m e dt r a n s l a t i o ne q u i p m e n to f h u n d r e d s - m e t e r - r a i l ，i n t e n d i n g t os o l v e t h e t r a n s p o r t a t i o np r o b l e m o f s w i t c h i n gt h er a i lb e t w e e nd i f f e r e n tp r o c e s s e s t h ec o n t r o ls y s t e mo ft h e e q u i p m e n tw a ss t u d i e di nt h i st h e s i s t h ep r o g r a ma n dc o n f i g u r a t i o ns o f t s t h a t m a t c ht h ec o n t r o l l e rw e r eu t i l i z e dt od e s i g na n dt e s tt h ec o n t r o ls y s t e mo ft h e e q u i p m e n t se x e c u t i o na n dc o m m u n i c a t i o n t h et r a n s l a t i o ne x p e r i m e n tw a s c a r r i e di nt h ep r a c t i c a lp r o d u c t i o ns oa st op u tt h ee q u i p m e n ti n t os e r v i c e t h es o l u t i o no ft h ec o n t r o ls y s t e mw a sa n a l y z e da n dd i s c u s s e di nt h i s t h e s i sb e f o r ed e s i g n i n gt h ec o n t r o ls y s t e m t h ea n a l y s i sa n dd i s c u s s i o ni s a b o u tt h es e l e c t i o no fc o n t r o l l e r , t h em a t c h i n go ft h ee x e c u t i o ns y s t e ma n dt h e c o n t r o l l e r , t h es t r u c t u r eo ft h ec o n t r o ln e t ，t h ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n d t h ed i f f e r e n tc o n n e c t i o n w a y so fd i f f e r e n t n e ts t r u c t u r e s c o r r e s p o n d i n g d i f f e r e n tc o n t r o l l e r si nd i f f e r e n tp e r i o d so ft h es t u d y i i i 北京化工大学硕士学位论文 t h e3 d s m 匕xw a su s e dt ob u i l dt h e3 dm o d e lo f t h et r a n s l a t i o nu n i ta n d m a k et h em o t i o ns i m u l a t i o na n i m a t i o nb e f o r et h ed e s i g no ft h ee x e c u t i o n c o n t r o ls y s t e mo ft h et r a n s l a t i o ne q u i p m e n t t h r o u g ht h em o t i o ns i m u l a t i o no f t h et r a n s l a t i o n ，t h ep r o g r a mf l o wo ft h eu n i t ，t h et r i g g e rc o n d i t i o no ft h ef a u l t a n dt h ea u o - p r o t e c t i o nw e r ed e t e r m i n e d t h eu n i t sm o t i o nc o n t r o lp r o g r a m w a sc o m p i l e db a s e do nt h es i m u l a t i o na n dt h em e a s u r e m e n to ft h em o t i o n p a r a m e t e r sa tt h ew o r ks i t e w h i l ed e s i g n i n gt h ec o m m u n i c a t i o nc o n t r o ls y s t e m ，as m a l ln e tw a sb u i l t w i t hs o m ec o n t r o l l e rt od ob a s i cc o m m u n i c a t i o ne x p e r i m e n t o nt h eb a s i so f t h eb a s i cc o m m u n i c a t i o ne x p e r i m e n t ，t h ep r o c e s s sp l a na n dd e s i g no ft h e w h o l es y s t e m sc o m m u n i c a t i o np r o g r a mw a sd o n e ，t h ep r o g r a m sa n da n a l y s i s f o rd i f f e r e n tw a y so fc o m m u n i c a t i o n p r o c e s sw a s a l s od o n e t h ed e b u ga n de x p e r i m e n to ft h et r a n s l a t i o nu n i t sm o t i o nw a sc a r r i e d a f t e rt h ec o n t r o lp r o g r a mw a sd o n e ，a sw e l la st h ee x p e r i m e n to ft h es y s t e m s c o m m u n i c a t i o n t h e nt h e s ee x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e di nd i f f e r e n tg r o u p so f m u l t i u n i t sa tt h ew o r ks i t e t h r o u g ht h e s ed e b u ga n de x p e r i m e n t ，t h ef u n c t i o n o ft h ec o n t r o ls y s t e ma n dt h ec o o r d i n a t i o no ft h ee x e c u t i o ns y s t e ma n dt h e c o n t r o ls y s t e mw e r ei m p r o v e d ，s ot h ee q u i p m e n tw a sc a p a b l ei ns e r v i c e ar e a l i z a t i o no fi n d u s t r i a la u t o m a t i o nw a sa c h i e v e db yd e s i g n i n gt h e c o n t r o ls y s t e mo ft h er a i l st r a n s l a t i o ni nt h es t u d y t h er e s e a r c hp r o v i d e dv e r y v a l u a b l er e f e r e n c ea n de x p e r i m e n te x p e r i e n c et ot h ef u r t h e rs t u d yf o rn e wt y p e o f h o i s t i n ga n dc o n v e y i n gm a c h i n e r y i v 摘要 k e y w o r d s ：r a i lt r a n s l a t i o n ，b o t t o m l i f t u ph o i s t ，c o n t r o ln e t w o r k , p l c ，h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：二盈耻日期：2 挫。哩 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名： 导师签名： 日期： 2 1 垂芝旦兰z 旦 日期：盈厶年翻盈旦 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 高速铁路：根据u i c ( 国际铁路联盟) 的定义，高速铁路是指通过改造原有线路 ( 直线化、轨距标准化) ，使营运速率达到每小时2 0 0 公里以上，或者重新修建专用 的高速轨道，使营运速率达到每小时2 5 0 公里以上的铁路系统。 高速铁路具有输送能力大，安全可靠，在一定的旅行距离内可节省时间，旅行舒 适度高，较少受气候变化的影响，又具有节省石油和土地资源，保护生态环境，摆脱 交通堵塞等优势，是解决大通道上大量旅客快速输送问题的最有效途径，已成为世界 各国铁路的普遍发展趋势。高速铁路是高新技术在铁路上的集中反映，它使交通运输 结构发生了新的重大变化，是当代经济、社会、科技、交通发展的必然产物，是世界 “交通革命 的一个重要标志。因此大力发展高速铁路技术，通过“交通革命来推 进国家经济建设具有重要的意义。 钢轨是铁路轨道结构的重要组成部分，是铁路实现高速、重载发展的重要基础。 为满足列车高速运行平稳和安全的需要，日本、法国、德国、西班牙及意大利等国的 高速铁路均使用6 0 k g m 的新型钢轨。为了适应我国铁路发展的需要，铁道部有关部 门确定发展百米定尺新型钢轨作为我国铁路的一项重要技术政策。 1 1 1 高速铁路发展引出的问题 钢轨接头是铁路轨道结构的薄弱环节之一，线路的钢轨接头不仅对线路设备、机 车和车辆的使用寿命、旅客的舒适度、能源的消耗等有一定的不良影响，而且还直接 威胁着铁路行车安全。为彻底解决钢轨接头的稳固与平顺，世界各国铁路竞相发展无 缝线路，目前已累计铺设3 0 多万公里。无缝线路既是铁路轨道结构技术进步的重要 标志，也是高速铁路轨道结构的最优选择，它以无可争议的优越性为各国铁路所承认。 长尺寸钢轨的搬运、铺设和焊接是铺设无缝线路的三大技术难题。钢轨长度受制 于制造、运输、铺设和养护方面的技术，目前各国一般采用分步焊接钢轨的办法，即 先在铁路沿线设立地点适中的焊接工厂，将制造厂运来的标准轨在工厂焊接成适合工 地近距离运输和铺设机械能够负担的长钢轨，然后再进行工地焊接，连成跨区间无缝 线路。 国内对于无缝钢轨的加工制造方案受地域因素限制，各个局段采用的方案略有区 别。如武昌铁路段就采用的方案是铁路沿线就近设置焊接工地，焊接完成后直接可用 于铺设。而北京铁路局因北京附近没有大型的钢轨生产制造厂以及占地使用问题，采 用的是对原有的北京焊轨厂进行改造使其具有百米定尺钢轨焊接能力，再从其他地区 北京化工大学硕士学位论文 的钢轨生产制造厂调运百米定尺钢轨进行焊接生产的方案。这样就引出了对现有的焊 轨基地进行改造，并研究新的生产工艺以及相应的配套设备的问题。 1 1 2 百米定尺寸钢轨焊接生产线 北京铁路局沙河焊轨基地( 以下简称沙河焊轨基地) 隶属于北京工务机械段，始 建于1 9 6 4 年，是我国第一个从事无缝线路长轨条焊接生产的厂家。是北京铁路局从 事无缝线路长轨条焊接生产的专业基地。主要产品为6 0 k g m 及7 5 k g m 级5 0 0 m 焊接 长轨条和5 0 0 m 全长淬火长轨条。经过多年来的发展，目前沙河焊轨基地的生产规模 和产量已经居国内之首，生产技术装备在国内处于顿先水平。 5 0 0 m 焊接长轨条生产线改造工作是在躁有2 5 m 定尺5 0 0 m 长轨条生产线基础上 进行，原有的2 5 m 定尺5 0 0 m 长轨条生产线的主要工艺流程如图i - l 所示。 ”2 “。”固墨 图1 - 1 北京局沙河捍轨基地2 5 r a 定尺5 0 0 m 长轨条生产工艺流程示意图 f i g 1 1 t h e t e c h n o l 咽c a l f l o we h a a o f 2 5 m 缸c d l e n g t h t o5 0 0 m l o n g r a i lo f s h a h e r a i l w e l d i n g b a s e o f b e l j i n g b l l r e a u 改造后1 0 0 m 定尺5 0 0 m 焊接长轨条的主要工艺流程计划如图1 - 2 所示。 m 墨盈 硼暇戤答譬警嘲自_ 8 图1 - 2 北京局沙 可焊轨基地1 0 0 m 定尺5 0 0 m 长轨条生产工艺流程示意图 f i 9 1 - 2 t h e t e c h n o l o g i c a l f l o wc h a r to f l 0 0 m f i x e d l e n g t h t o5 0 0 m l o n gr a i l o f s h a h e r a i l w e l d i n g b a s e o f b e i j i n gb u m a u 为了缩短生产线的长度，把生产线分成两条生产线，采用并行布局方式，其改造 设计布局计划如图1 - 3 所示： r 圈 第一章绪论 圈i - 3 北京局沙河焊轨基地1 0 0 m 定尺5 0 0 m 焊接长轨条生产线布局方案示意图 f 垭1 - 3 t h e p r o d u c t l o n l l n e sd i s t n ”o u t l o nc h a r t o f l 0 0 m 矗x 酣l g m t o5 0 0 m l o n gr a i l o f s h a h e r a l l w e l d i n g b a s e o f b 嘶i n g b u 嘲u 与采用直线流水作业方式相比，此方案采用并行作业方式要增加5 0 0 m 横向平移 装簧。 基于目前国内技术状况和实际生产条件，对于1 0 0 m 定尺5 0 0 m 焊接长轨条生产 线工艺设备，国内外尚无比较合适的成功案例可以借鉴。由于钢轨纵向尺度增大以后 就会在自重作用下产生明显的柔性变形，当长度增加到5 0 嘶焊接长轨条时，这种自 重下垂现象就更加明显。认识钢轨的自重下垂问题，是在1 0 0 m 定尺5 0 0 r n 焊接长轨 条生产线改造方案中平移装置研制的关键技术理论依据。 1 2 钢轨生产中搬运技术概况 1 2 i 传统钢轨搬运技术概况 传统的钢轨搬运主要采用多台纵向排列的桥式起重机进行悬空式吊装搬运，如图 1 _ 4 至如i - 6 所示这种搬运方案使用的桥式起重机有较为大穗行车( 图l - 4 ) ，也有 中型( 圈i - 5 ) 及小型( 图1 - 6 ) 方案。大型行车方案一般可以一次性吊装多根1 0 0 米 定尺钢轨，而中小型行车一般只吊装单根1 0 0 米定尺钢轨。对于1 0 0 , - 5 0 0 米定尺钢轨 则一般使用的是中小型方案，大型行车由于占地、造价和安全因素不被用于超过1 0 0 米尺寸以e 的长钢轨吊装。【2 昂1 北京忧工大学硕士学位论文 酗1 4 大型传统钢轨搬运设备 f i g 1 - 4 t h e l a r g e w a d i f i o n a l r a i l s 廿a n s p o r 【a 6 0 ne q u l p m t 传统吊装方式对于钢轨的卡固方式主要有两种，其一是如图卜5 中所示的电磁抓 轨机构，通过人工将抓轨机构定位到钢轨上方后，放下抓轨机构贴紧钢轨上沿，然后 给抓轨机构上电磁铁通电吸住钢轨，之后便可以将钢轨吊起进行搬运。使用电磁抓轨 机构依靠的是电磁力抓紧钢轨，不需要专门的卡紧机构因此结构相对较为简单，但一 旦出现停电事故则容易造成危险发生。通过电磁抓轨的钢轨搬运方式需要人工参与定 位抓取钢轨，而且抓取完成之后的搬运大多数需要人工依靠视觉进行同步操作。钢轨 处于悬挂状态，由于钢丝绳的柔性及钢轨很大的惯性在搬运起始及结束时会存在摇摆 现象。依靠人工控制行车的横向移动钢轨并不能保证较好的同步性，由此带来的钢轨 局部弯曲现象不仅会使钢轨存在内应力，而且会引入新的安全隐患。同时，由于人 工控制钢轨提升的高度不能保证一致，以及这种悬挂吊装方式较少的存放支撑点，会 造成钢轨存在多处挠度，同样对钢轨的质量及焊接造成不良影响。 图1 - s 中型传统钢轨搬运设备 f i g 1 - 5 t h e m i d d l eh a d i t l o n a lr a i l s t r a n s p o r t a t i o n e q u i p m e n t 第一章绪论 除电磁抓轨机构外，还有传统的机械式卡紧机构，这种机械式机构见图1 6 左侧 所示。机械式抓轨机构依然需要人工操作定位到钢轨，相对于电磁式抓轨机械式抓轨 还需要人工将卡具装卡在钢轨上，图中所示的操作人员都戴着工作手套即是将卡具装 卡的需要。卡具装卡完成后便可以进行钢轨的搬运了。机械式抓轨机构相对于电磁式 抓轨机构的优点在于不会因为停电事故造成危险，但除此之外仍然属于悬挂式搬运， 其具有悬挂式吊装的共同危险。 图1 _ 6 小裂传统钢轨搬运设备及夹其 f 蜒l - 6 t h es m a l l t r a d i t i o n a lr a i l l s t r a n s p o r t a t i o ne q u i p m 即t 衄d t h e j i g 传统的悬挂式吊装搬运钢轨的方式，需要人工操作定位钢轨，钢轨为钢丝绳柔性 悬挂方式搬运过程仍然需要人工参与保证同步，使用的桥式起重机制造成本高，占 用空间大，消耗电能多这些缺点使得其并不适用于自动化安全节能生产，不利于生 产效率的提升。同时由于传统搬运技术依靠人工操作，同步性差，会对钢轨质量及焊 接造成不良影响。 1 22 由传统钢轨搬运到钢轨平移 从生产角度考虑，在1 0 0 m 定尺5 0 0 m 焊接长轨条生产搬运过程中，如果钢轨出 现明显的挠度，不仅会影响钢轨在搬运过程中的平稳性，过大的挠度也会导致钢轨的 塑性变形和焊缝的对中精度。为了肪止钢轨在搬运过程中出现过大的挠度，吊装和轧 制技术上广泛采用多点支承技术，因此新型的钢轨搬运设备也将采用多点支承技术， 并通过理论建模计算及实验来求证台理的支承点数。 在1 0 0 m 定尺5 0 0 m 焊接长轨条生产平移过程中采用多点支承技术，还要妥善解 决设备的制造安装精度问题。合理运用被支撑钢轨的挠度，可望降低对设备制造安装 精度的要求简化设备结构和节省建设投资。在】0 0 m 定尺5 0 0 m 焊接长轨条生产平 移过程中采用多点支撑技术，还要解决多点运动的同步问题，应该充分工业自动化和 计算机控制技术，力求能够发挥设备的最大功能。1 0 0 m 定尺5 0 0 m 焊接长轨条生产线 属于长周期运转工艺装备，对于新型的钢轨搬运设备的设计要充分考虑节能降耗问 一煮瑟 北京化i 大学硬学位论文 题，以求获得更大的经济效益。最后，新型的钢轨搬运设备应该能大大提升设备的运 行安全系数，减少事故发生的概率。 针对传统悬挂式吊装钢轨搬运方案的缺点，由笔者导师提出了钢轨平移的设计思 想，旨在解决传统方案中的不足。钢轨平移的设计思想，是由多个地面自行式单元采 用类似于千斤顶项起重物的方式从钢轨底部顶起钢轨，然后这些自行式单元一齐行走 将钢轨从一处水平移动至另一处，完成对钢轨的搬运。钢轨平移设备的初期三维模拟 图如图1 7 所示，图中示出了整个平移生产线的一段，可以在图中看到两个自行式单 元，本课题中将其称为平移单元，它是平移设备的基本组成单元。平移单元在各自的 导轨上行走，每个平移单元由隔离护轨隔开，隔离护轨的两端有纵向线护轨及将钢轨 运输至下一生产环节的滚道。 图1 4 铺轨平移设备的三维模拟图 f l g 1 4 t h e3 ds i m u l a t i n g g r a p h o f t h er a i l s t r a n s l a t i o ne q u i p m e n t 对于1 0 0 米定尺钢轨平移设备作为整条钢轨焊接生产线的起始环节仅在一侧由 纵向线滚道，另一侧没有滚道用来存放待平移钢轨。钢轨在卸车之后存放在没有滚道 的一侧存轨台上，通过平移设备将其平移至有纵向线滚道的侧，再由纵向线滚道将 钢轨运送至钢轨焊接车间，开始钢轨的焊接生产。对于5 0 0 米定尺钢轨平移设备作为 钢轨焊接生产的中间环节，在其两侧都有纵向线滚道，1 0 0 米5 0 0 米定尺钢轨从一侧 滚道进入5 0 0 米钢轨平移设备，由平移设备平移至另一侧滚道后，再由另一侧滚道运 输至下一生产环节。 针对传统悬挂式吊装钢轨搬运方案支承点数较少的问题，钢轨平移设备在i ( 3 0 米 平移设备上设计了3 0 个平移单元作为动支承点3 1 个隔离护轨存轨台作为静支承点。 从实际的1 0 0 米平移设备生产线布局可以对于传统行车与平移设备的明显不同，如图 i 一8 所示，用于将钢轨卸车的传统行车有4 台，每台上有2 个悬挂点，一共8 个悬挂 点。而1 0 0 米平移设备的3 0 个平移单元。3 0 个支承点可以进行灵活的组合，通过实 验获得最佳的支承点数目配置。 第一章绪论 对于传统钢轨搬运方式的大量的人工操作，钢轨平移方案使用自动控制器件，通 过将主控器件与分控器件组建称通信网络，达到由主控器件实现对平移设备的集中分 布式控制，将大大提升设备的自动化程度，节省人力资源，提高生产效率。 对于悬挂式吊装钢轨搬运方案的占地及制造成本问题，由于使用耗材较少的自行 式单元设计，对占地及成本都做到了很好的控制。 平移单元使用直流机组驱动，相对传统搬运设备的大功率交流机组，其能耗大大 降低。同时由于平移设备对钢轨的平移属于近地操作，其顶升的高度有限，且通过控 制器件实现自动化操作，同步性及安全性都大大提升。表l - i 列出了传统悬挂式吊装 方案与本课题的钢轨平移方案的优缺点对比。 袁k 1 传统钢轨搬运方式与钢轨平移方案比较 t a b l e l - 1 t h e c o m p a r i s o no f t h e t r a d i t o e a lr a i l s t r a n s p o r t a t i o ne q i n p m 吼t 衄d t h e m i l l sa a n s l a 6 0 a e q u i p m e n t 项日传统悬挂式吊装 钢轨平移 实际的钢轨平移生产线如图卜8 及图i - 9 所示图1 8 所示为1 0 0 米定尺钢轨平 移设备图1 - 9 所示为5 0 0 米定尺钢轨平移设备的一部分。 图1 - 81 0 0 米钢轨平移生产线 f i 9 1 - 8 t h c l 0 0 mr a i l s t r a n s l a t i o n p r o d u c t i o n l i n e 北京化工学碗士学位论文 圈1 - 95 0 0 米钢轨平移生产线 f i g 1 - 9 t h e5 0 0 mr a i l s w ；m s l a t i o n p r o d u c t i o n l i n e 1 3 研究内容和设计目标 1 3 1 研究内容 本课题属于钢轨平移设备研发项目中的一部分，主要研究内容为平移设备的控制 系统实现。在本课题的的研究过程中将结合c a d 制图软件、三维建模软件、控制 器编程软件及组态软件综合运用电工学、接口技术、控制系统设计和控制器编程相 关学科的知识，搭建实验平台，经过合理的理论设计和实际实验实践，架构处平移系 统可用的控制软件实现方案。最后通过现场的调试及实验，完成控制系统的设计，为 钢轨平移设备提供可靠的控制系统支持。 1 3 2 设计目标 完成1 0 0 米平移设备控制系统硬件的搭建，完成软件的编程与调试。在完成1 0 0 米系统的基础上，借鉴其经验和方法搭建和完成5 0 0 米系统的硬件和软件。并通过 实验室内的模拟平台实验和钢轨焊接生产现场的实地实验，调试和完善整个控肯0 系统 的软硬件。 第二章钢轨平移设备控制系统设计方案 第二章钢轨平移设备控制系统设计方案 钢轨平移设备的控制系统需要实现对平移设备的每个平移单元的控制进而实现 由所有平移单元同步动作完成对钢轨的平移操作。在本章节中将由组成平移设备的平 移单元、平移的工作流程起，讨论控制系统的输入与输出量、控制器的选择以及控制 网络的构成。 2 1 平移设备及工作流程描述 2 1 1 平移设备的构成 平移设备由执行系统及控制系统两部分组成，其中执行系统负责将操作人员通过 控制系统下达的对钢轨的操作指令转化为每个平移单元的机械机构对钢轨的平移操 作动作，例如将钢轨项升至一定高度和从平移生产线的一端平移至另一端；控制系统 则负责将操作人员下达的控制指令传达给每一个平移单元的控制单元，平移单元上的 控制单元通过平移单元上的控制信号产生器件检测平移单元机械机构的动作情况进 而控制驱动机械机构动作的电动机最终完成对钢轨的平移操作。 平移单元是平移设备的基本组成单元，1 0 0 米平移设备的执行系统包含3 0 个平移 单元，5 0 0 米平移设备则包含5 组各3 0 个平移单元共1 5 0 个平移单元。除平移单元外， 平移设备还包括平移操作控制柜、纵向线滚道及护轨、平移单元隔离护轨及供电控制 柜。平移操作控制柜用于安装人机操作界面及主控制器件；纵向线滚道及护轨用于将 钢轨运输至下一工序生产线及保护；平移单元隔离护轨在5 0 0 米平移设备用于隔离各 平移单元及防止在平移过程中出现掉轨事故，在1 0 0 米平移设备除完成5 0 0 米平移设 备的功能之外还用于存放待平移钢轨；供电控制柜用于平移控制系统的供电。 平移单元作为平移设备的基本组成单元，是实现钢轨平移的最重要元素，其构成 如图2 1 所示，由图中可以看出平移单元由项升机构、行走机构以及平移过程控制行 程开关组成：顶升机构包括蜗轮蜗杆顶升机、顶升用直流力矩电机及附属光电旋转编 码器；行走机构包括蜗轮蜗杆减速器和链传动驱动轮系，以及行走用直流力矩电机及 附属光电旋转编码器；平移过程控制行程开关包括寻轨行程开关、顶轨行程开关及顶 升零点行程开关。平移单元行走的轨道上有两组平移过程控制行程开关，轨道两侧有 硬限位挡块，两组平移过程控制行程开关为平移零点行程开关组( 一对) 及复位行程 开关组( 一对) 。 9 北京化i 大学砸t 学位论文 圈2 - 1 平移单元构成 f 睡2 l t h es 口u c t l 北o f t h e t r a n s l a t i o nu n i t 图2 - 1 中标号所对应平移单元的部件为：1 、轨托；2 、顶轨行程开关；3 、寻轨行 程开关；4 、顶升电机：5 、车身；6 、顶升零点行程开关；7 、平移行走电机；8 、平 移零点行程开关；9 、导轨。其中复位行程开关在导轨的另一端图中未能示出。 2 1 2 平移设备的工作流程 对于平移设备工作流程的分析如下： 由于百米原料轨长轨条在自然状态下存在弯曲情况，为了让每个单元能够准确 到达钢轨底部，每个顶升单元都需具备自动定位到钢轨的功能。 在完成自动定位钢轨后，各单元需要自动找到顶升零点。 在完成自动找到项升零点后，各单元要求同步顶升，自动识别顶升高度。 在完成顶升钢轨的动作后各单元同步水平移动将钢轨运送到目标纵向线滚道 上方，颈具各平移到位自动识别功能。 在完成对钢轨的水平运送后，各单元自动下降，将钢轨落在纵向线滚道上须 具备下降到位自动识别功能。在完成落轨动作后，各单元要回到原始位置，为下一个 工作循环做准备。 对于上述分析，可以将平移流程归纳为如图2 2 所示的工作循环图，对于自动定 位钢轨的过程成为寻轨，对于自动找到顶升零点的过程称为初顶，对于自动识别顶升 高度的过程成为顶升，对于钢轨的水平运送过程称为平移最后对于将钢轨落放在滚 道上并回到原始位置的过程称为落轨。 第= 章锕轨平移设备控科系统设计方案 圈2 - 2 平移流程 f 唾2 - 2 t h e 仃a l u 蜥o n i n o e e s s 寻轨过程的模拟图见图2 _ 3 至图2 - 7 。在寻轨开始前，如图2 3 所示，平移单元位 于平移零点处。 。厦_ t 圈2 - 3 平移单元位于平移零点 f i g 2 - 3 t h e t r a n s l a t i o n u m ta t t h e 啪p o 血o f b l a n s l a f i o n 开始寻轨后，顶升电机驱动顶升机构上升，如图2 _ 4 所示 也 北京化工大学硕士学位论文 田2 4 平移单元进行预项升 f i # 2 4 t h e t r a m l a t i o n u n i t i sd o i n g p r e - l i - u p 上升至预设高度后，行走电机驱动平移单元向钢轨一侧的移动如图2 - 5 所示 预定升的高度值由顶升电机的编码器脉冲计数值控制。 。 ： | i 一王+ ! ，+ h l ：! - l ：2 豆鍪坠：耋盏垂 图2 - 5 平移单元执行寻轨动作 f 1 8 2 - 5 t h e 咖l s t i o n u n i t i sd o i n ga u t o - l o c a t i o no f t a i l 当平移单元移动至靠近钢轨底部时寻轨相关器件开始动作，如图2 - 6 所示。 嚣= 章钢轨平移设备控崩系统社计方寨 i i ，。叫 经过一定的点动行走后，平移单元的托轨装置定位至钢轨正下方，如图2 7 所示。 图2 - 7 平移单元的寻轨动作完成 f 1 8 2 - 7 t h e 口a n s l a t i o nu n i t h a s f i n i s h e d t h ea u t o - l o c a t i o no f t a l l 初顶过程的模拟图见图2 _ 8 ，在寻轨是平移单元的托轨装置定位至钢轨正f 方后， 顶升电机驱动项升机构上升至托轨装置紧密贴合钢轨底部，找正到本单元的顶升零 点。 北京化i 太学碗士学也论文 图2 - 8 平移单元执行初顶动作 f i g 2 t h e t r a n s l a t i o nu n i t i sd o i n g t h e f i r s t l l f t 项升过程的模拟图见图2 - 9 ，完成初顶后，顶升电机再次启动驱动顶升机构上升 至设定高度后停止，具体的顶升高度值由顶升电机的编码器脉冲计数值控制。 - f - 一“工。一 一 匿盛二茎：一2 三噩j 囝2 - 9 平移单元执行顶升动作 f i 9 2 - 9 t h e i 岫l s l a f i o nu n i t i sd o i n g l i f t - u p 平移过程的模拟图见图2 1 0 及2 一1 1 。在图2 - 1 0 中，当各平移单元完成顶升后 所有平移单元一起动作，托着钢轨向平移生产线另一侧平移终点方向作水平移动。 第二章钢轨平移设备控崩系统设计方案 图2 一1 0 平穆单元执行平移动作 f i g 2 - 1 0 t h e u 锄, s l a t l o n u n i t i s d o l z g t h e h o r i z o n t a l t a m l a t l o n 当各平移单元一起将钢轨平移至平移生产线平移终点纵向线滚道上方时，如图 2 1 l 所示，平移单元停止行走，具体的行走距离值由行走电机的编码器脉冲计数值控 制。 圈2 - 1 l 平移单元的平移动作完成 f i g 2 - 1 1 t h e t r a n s l a t i o n u n i t h a s f i n i s h e d t h e h o r i z o n t a l 咖n s l a t i o n 落轨过程的模拟图见图2 - 1 2 所示，完成平移后，平移单元的项升电机驱动顶升机 构下降，将钢轨落放在滚道上，然后自行回到平移零点原始位置。 藤 北京化工大学颈学位论文 图2 - 1 2 平移单元执行落轨动作 1 2 - 1 2 t h e m _ n s l a t i o n u n i t i s d o i n g t h e l i f c - c l o w n 2 2 控制系统功能分析 2 2 1 控制系统的输入量和输出量 平移设备通过控制平移单元的动作来实现对钢轨的平移，平移单元对钢轨的平移 分成5 个动过步骤，这5 个步骤的具体实现必须要有一些控制信号来控制平移单元的 动作对于这些控制信号在本课题中称之为平移控制系统的输入量。本课题使用行程 开关及光电旋转编码器作为控制信号的产生器件，如图2 - 1 3 和2 - 1 4 所示x 2 x 6 的行 程可开关。 在图2 1 3 中标号为x 2 的行程开关为寻轨行程开关，在寻轨过程中产生平移单 元自动定位到钢轨的信号。标号为x 5 的行程开关为顶轨行程丌关，在初顶过程中产 生托轨装置紧密贴合钢轨底部的信号。标号为x 6 的行程丌关为项升零点行程丌= 关， 在平移单元的顶升机构工作时提供顶升零点信号。 第二章钢轨平咎世軎控制系统设计方案 图2 - 1 3 行程开关分布图i f i g 2 - 1 3 t h e d i s t n m u t l o a m a p1 o f t r a v e ls w i t c h 髂 在图2 1 4 中，标号为x 3 的行程开关为平移零点行程开关，在平移单元做水平移 动时提供平移零点的位置信号。标号为x 4 的行程开关为复位行程开关，在平移单元 做复位动作时提供复位极限点的位置信号。 围2 一1 4 行程开关分布图2 f i g 2 1 4 t h e f l i s a i b u t i o n m a p2o f w a v e ls w l t c h e s 平移控制的输出量主要是顶升电机与行走电机的正反转控制信号，由于控制器件 选择为p l c ，则使用其输出接点的y 2 一y 5 作为电机的正反转控制信号输出，y 2 对应 行走电机i f 装信号输出，y 3 对应行走电机反转信号输出，y 4 对应顶升电机正转信号 输出，y 5 对应项升电机反转信号输出。 2 2 2 平移控制系统的通信数据 北京化工大学硕士学位论文 对于平移控制系统的主控器件与作为分控器件的平移单元控制器件之间的通信 数据，分为控制指令数据和控制器运行状态数据。控制指令数据是指平移单元控制器 件执行平移动作的特定数据，主控器件在得到操作人员通过人机操作界面触发的相关 指令后，将特定数据通过通信总线发送给平移单元的控制器件，平移单元得到这些特 定数据后便会由内部的程序判断执行何种平移动作。主控器件发送不同的特定数据则 平移单元的控制器件执行不同的平移动作。 控制器件运行状态数据是指包括主控器件及平移单元控制器件的运行状态数据， 这些状态数据可以是p l c 内部特殊继电器或寄存器的数据，也可以是人为编写的程序 中使用的用来保存特定程序或某个阶段平移动作执行完成数据，还可以是平移单元上 某个器件运行故障的数据。主控器件需要这些状态数据来判断当前系统的运行状态以 及供操作人员了解以便确定下一步该何种操作。 2 3 控制系统方案 2 3 1 控制器件选型 本课题对平移设备的控制系统使用每个平移单元对应一个独立的分控制器件，再 由一个或若干个高一级的主控制器件控制这些分控制器件的方案。每个平移单元具有 自己的分控制器件，这样不仅有利于单机程序调试，在日后的功能升级上也有足够的 硬件资源，更重要的一点是使得平移设备具有良好的兼容互换性，1 0 0 米平移设备与 5 0 0 米平移设备的基本功能单元具有相同的形式，可以大大降低设计难度与成本，同 时控制程序上也具有可移植性。 1 0 0 m 平移设备包含3 0 个平移单元，5 0 0 米平移设备包含1 5 0 个平移单元，平移 设备具有占地面积较大、运动单元、控制距离远、同步要求高、牵涉元件多等特点， 为了保证该系统的正常运行，应该选择工作稳定性高，运行可靠的控制器件作为主控 器件与分控器件。在现代控制系统中，主控器件与分控器件构建通讯网络可有多种选 择，主、分控器件可选工业计算机、单片机、d s p 、p l c 等等，都可以实现对分控器 件的通讯控制。具体到不同工况可以选择不同的控制方式，但在达到需求功能的同时， 也要考虑方案的经济性。目前几种主流的工业控制器件的特点如下所述及见表2 1 ： 工业计算机：工业计算机为人机界面和复杂生产流程控制提供了最佳的解决方 案，与一般商用电脑不同，工业电脑产品系列具备坚固、防震、防潮、防尘、耐高温 多插槽和易于扩充等特点。工业计算机由显示器，计算机，及扩展口等组成。可用多 种开发软件开发控制程序，应用灵活，功能强大，能适应不同工况，是各种工业控制 和自动化领域中的最佳平台。但系统网络构架较复杂，适合较大型的系统控制应用。 1 8 第二章钢轨平移设备控制系统设计方案 单片机：单片机是功能单一化的计算机，