大型养路机械电气控制系统的开发

大型养路机械电气控制系统的开发

0捣固车国产化和c畅通中国的大型养路机采用了国外技术的正确概念，实现了从缺到全的快速发展。从1989年起,昆明机械厂和株洲电力机车研究所等单位组成大型养路机械开发联合体开始了大型养路机械中技术最复杂的捣固车的国产化研制,株洲电力机车研究所主攻电气控制系统。经过多年不懈努力,成功开发出D08-32步进式捣固车、D09-32连续式捣固车和CD08-475道岔捣固车等系列产品,并已批量应用于全国各铁路局。相对于整车步进式作业的D08-32捣固车来说,D09-32捣固车实现了大车连续走行、小车步进作业的工作方式。1双弦三点式补平法D09-32捣固车电气系统的主要控制原理是基于奥地利普拉塞公司的单弦三点和四点拨道法以及双弦三点式抄平法。由于D09-32捣固车的作业小车相对于大车运动,即作业小车步进运动,大车连续运动,三点和四点拨道法中的作业点在运动,因此D09-32捣固车电气系统采用的是带动点补偿的单弦三点拨道法和四点拨道法,以及带动点补偿的双弦三点式抄平法。1.1拨道点正佐h的固定比例关系四点拨道法的原理是根据拨道后B点的正确正矢(弧上的点到弦的垂直距离)H2与拨道点C点正矢H1的固定比例关系i(约1.33)来控制C点的拨道位置,将C点正矢误差减少到原来的1/n4;在预先给定前端D点偏移FD后消除C点的正矢误差(A、B、C、D分别是捣固车的测量小车对应的4个测量点,见图1)。图1中1.2c点拨道位置控制三点拨道法的原理是根据C点的理论正矢H1来控制C点的拨道位置,将C点正矢误差减少至1/n3;在预先给定前端D点偏移FD后消除C点的正矢误差,见图2。1.3捣固车横向起平测量线路的抄平作业包含有纵向抄平和横向抄平2种。纵向抄平是指捣固车通过左右轨相同的起道作业将线路纵向(行进方向)顺平的作业;横向抄平是指捣固车通过左右轨不同的起道作业将线路横向起平或达到规定的超高(缓和曲线和圆曲线上)的作业。双弦三点式抄平法的纵向抄平是指用分别装在捣固车F、M、R点左右轨的2根抄平弦来测量M点左右轨的上下起道量。横向抄平是通过装在捣固车F、M、R点测量小车上用来测量左右水平偏差的3个电子摆传感器(图3中的1、2、3)来控制的。纵向抄平作业和横向抄平作业由电气控制系统综合后输出到左右起道装置完成,见图3。1.4前代步进式捣固车在以上介绍的几何原理中,无论是A、B、C、D四点拨道法,还是B、C、D三点拨道法,或者F、M、R三点抄平法,它们的相对位置是固定的,前一代步进式捣固车D08-32就是如此;但对于D09-32连续式捣固车,其中的C点、M点相对于其他点是运动的,因此对于以上的基本原理,D09-32电气控制系统需要增加动点补偿控制。根据这一情况,D09-32电气控制系统设计了专门的控制电路进行补偿。通过设置作业小车即动点的位置传感器(图3中的12)测量C点、M点的移动距离,调整上述几何原理中的参数,由控制电路在作业过程中进行自动补偿控制。2机械控制系统D09-32捣固车是一种复杂的大型养路机械,含有作业和运行两大部分功能,电气控制系统复杂。按照控制功能分,D09-32捣固车电气控制系统由下列子系统组成。2.1拨道控制功能拨道控制系统是典型的PID自动调节闭环控制系统,通过它实现D09-32捣固车的拨道作业控制。拨道控制系统在P500程序控制系统的协调配合下,完成D09-32捣固车一般的自动拨道功能,并同时具有自动超压拨道和自动交替拨道功能,还具有人工拨道控制功能。在程控系统的控制下拨道控制系统可以实现三点拨道法和四点拨道法的自动转换。拨道控制系统框图(见图4)中的正矢传感器2、调零电位器3、小车移动补偿控制4、前端人工拨道量给定5、前端人工偏移量FD给定6、前端激光偏移量FD给定7、ALC计算机给定17等均为闭环控制的各种给定环节;正矢传感器1为闭环控制的反馈环节;放大器11为综合调节比较环节;拨道液压伺服阀14为执行机构。放大器11通过综合比较后输出驱动液压伺服阀14进行拨道,在拨道的同时正矢传感器1跟随动作形成反馈,构成拨道闭环控制系统。2.2不同的起道量来实现起道抄平控制系统实现D09-32捣固车的横向抄平和纵向抄平控制功能。横向抄平和纵向抄平是通过左右轨相同或不同的起道量来实现的。起道抄平控制系统同样是PID自动调节闭环控制系统。起道抄平控制系统电路将前、中、后3个电子摆传感器和左、右抄平传感器检测到的信号与相关给定电位器的给定信号进行比较与运算,控制左右抄平伺服阀实现相同或不同的起道量,自动完成线路的横向抄平和纵向抄平功能。起道抄平控制系统同样提供人工起道控制功能。2.3深度控制系统捣固头下插控制系统实现D09-32捣固车的左右捣固头下插并提起的控制功能。捣固头下插控制系统电路根据左、右捣固深度传感器检测到的位置信号分别得出捣固头在上、中、下位的程控信号,再与深度给定电位器的给定信号进行运算,控制左右捣固头下插比例阀实现捣固头下插到给定的深度,然后提起。在捣固头上下运动的同时捣固头控制板输出含有振动分量的下插和提升比例电流,使捣固头在轻微垂向振动的同时下插或提起。作业小车走行控制系统的工作原理与控制方式与捣固头下插相同。其中小车前行对应捣固头下降,小车后退对应捣固头提起,小车的后位、中位、前位的位置程控信号对应捣固头的上位、中位、下位位置信号,小车位置传感器对应捣固深度传感器。2.4输入和信号调整功能前端输入控制系统实现拨道和起道抄平控制系统需要从前端得到的一些控制参数的输入和信号调整功能,主要调整基本起道量给定、前端偏移量和前端超高给定等信号的输入和信号当量,同时具有ALC计算机和激光准直装置前端给定接口功能,使ALC计算机和激光准直装置能替代前端人工给定输入,实现自动给定输入。2.5汽车整车控制器数字程序控制系统实现D09-32捣固车的程序控制功能。数字程序控制系统对电气系统各个子系统间的相互逻辑关系进行协调控制,同时实现整车上所有操作连锁、安全连锁、动作时序等逻辑控制功能。普拉塞公司程控系统又称P500一位机系统,是普拉塞公司自行开发的专用程序控制平台,P500程控系统简单、可靠、实用,易于扩充、调试和维护。2.6d29-32捣固车各各系统优化测试ALC轨道几何形状自动导向计算机系统是一套专用工业控制计算机系统,使用WINDOWS版ALC专用控制软件。ALC计算机系统是D08-32捣固车电气系统中GVA计算机的升级换代产品,主要用于控制捣固车作业时主控制系统需要的线路几何参数的给定值的计算。ALC计算机系统有2种工作方式:一种同于原GVA计算机的“理论参数计算”工作方式,在这种工作方式下,ALC计算机根据事先输入线路设计时已知的几何参数,计算出D09-32捣固车主控制系统所需的8种给定值参与控制;另一种工作方式称之为“测量与补偿”工作方式,这种工作方式适用于未知理论几何参数的线路,捣固车作业前ALC计算机测量运行一次,ALC计算机的数据采集系统采集到未知线路的数据,在随后的控制运行中计算、优化并输出主控制系统所需的理论给定参数。因此,ALC计算机既保留了原有的线路几何参数的理论计算功能,又新增了测量并优化线路几何参数的功能;同时其线路几何参数的理论计算功能又有很好的改进,如测量点的距离可以作为可变参数在ALC计算机进行控制运行前设置,以提高控制精度,降低对测量点固定距离值的要求。2.7液压驱动控制除以上子系统外,D09-32捣固车电气控制系统还包含:大车作业走行控制,实现D09-32捣固车大车作业走行液压驱动控制功能;捣固头夹持压力控制,实现捣固头下插时捣镐夹持压力的调节功能;捣固头集中润滑控制;整车电源及发电机控制;ZF变扭器连锁保护控制;发动机电动油门控制;线路几何参数记录仪;整车照明及行车信号控制;作业安全保护与控制;前后司机室通话控制;辅助电气设备控制等等。3对相关技术开发的需要研究在D09-32捣固车技术引进的过程中,首先是消化吸收,然后按照我国的使用条件和制造工艺条件进行系统的国产化设计开发;另外还有很多技术细节特别是电气系统方面的细节没有技术参考资料,需要按我国实际情况进行改进设计和开发,如电气控制系统中电子插件的调试技术、ALC计算机内部核心控制技术、高精度传感器制造与测试技术等等都需要研究与探讨。在已完成的国产化D09-32捣固车电气控制系统中,除了部分特殊元器件外,所有部件均实现国产化。我们按照机车电子插件标准,应用EDA软件设计工具,完成了系统中30多种电子插件的设计和调试技术的开发;结合我国铁路现场使用情况提高了电气控制系统箱体结构的抗振性设计;重新设计了以通用单片机为硬件平台的程序控制系统替代逐渐老化的P500程序控制系统;开发出了电子式记录仪替代原机电式记录仪;重新设计ALC计算机系统解决原ALC计算机抗振差、可靠性不高的问题,等等。这些设计改进都对D09-32捣固车在我国铁路的推广使用起到了很好的促进作用。4电气控制系统验证自2001年第1台D09-32捣固车样机成功交车起,目前共完成60多台D09-32捣固车的生产,60多套D09-32捣固车电气控制系统批量应用于全国各铁路局。通过几年的跟踪服务,整个电气控制系统使用情况良好,运行可靠,维护方便,作业效率和作业精度均达到进口产品水平。国产化的D09-32捣固车非常适合我国铁路的使用要求。5捣固车电气控制系统尽管D09-32连续式捣固车已成为我国铁路的主型正线捣固车,但随着我国铁路不断发展,铁路的