地铁钢轨打磨列车道岔打磨控制系统自主化研制

2016-02-16王坤

轨道交通装备与技术 2016年5期

关键词：背压砂轮道岔

王坤

(北京东风电器有限公司北京 100072)

地铁钢轨打磨列车道岔打磨控制系统自主化研制

王坤

(北京东风电器有限公司北京 100072)

目前地铁钢轨打磨列车的道岔打磨控制系统，一般依赖于整车设备进口，不仅购置成本高，而且后续维修、更新困难，本文重点介绍完全自主研发的GMC16A型地铁钢轨打磨列车道岔打磨控制系统的组成、功能及设计。

地铁钢轨打磨车；道岔打磨；控制系统；自主化

1 概况

地铁钢轨打磨列车道岔打磨主要用于有效避开道岔及护轨有害区域，对单开型道岔钢轨在生产、运输和铺设过程中产生的病害进行修复性打磨，提高钢轨的平顺性[1]，大幅度提高钢轨利用率，延长使用寿命，改善地铁车辆运行平稳性，减少噪音，提高道岔区域运行品质。

GMC16A型地铁钢轨打磨列车道岔打磨控制系统是完全自主研制的一套系统。列车由2节车(A1、A2)编组，每节车各包含1套独立的动力系统、走行系统及道岔打磨控制系统，每节车装配1个打磨小车，包含8个打磨电机和砂轮，其中有4个特殊单元(打磨角度为0°～-70°，钢轨内侧为负角度)，4个普通单元(打磨角度为+20°～-15°)，列车可进行编组作业，提高作业效率，也可每节车单独作业，提升作业灵活性。

2 道岔打磨控制系统总体方案设计

道岔打磨控制系统由交换机、两车CPU单元(包含AI、AO模块和DI、DO模块)、通信单元(包括远程通信模块)、显示屏等设备组成，相互之间由通信模块通过以太网进行数据通信。系统通信网络采用以太网连接组网，且采用以太网并行冗余技术，提升控制系统的稳定性及可靠性。采集单元包括各种传感器采集的数据，如电压、电流、气缸压力、工作压力、温度等。执行机构包括气动装置(气动阀岛、溢流阀、气缸等)及液压装置(倾斜油缸、张紧油缸、归中油缸、接触油缸)等。根据地铁钢轨道岔打磨的现场需求及技术要求，设计打磨列车的道岔打磨控制系统如图1所示。

CPU单元通过通信模块对道岔打磨相关的电气信号进行采集、处理，以控制机、电、液系统等执行机构，实现打磨电机控制、打磨电机偏转控制、打磨小车控制、恒功率打磨控制、打磨模式编组及设定、人机界面显示等功能；显示屏用于显示系统关键数据及相关控制；交换机用于连接显示屏和CPU及以太网并行冗余组网。

3 道岔打磨控制方法

3.1 道岔打磨作业区域

根据铁路标准TB/T 2658.22—2010《工务作业第22部分：钢轨、道岔打磨车作业》及实际用户需求，道岔打磨作业区域示意图如图2所示。为避免在打磨过程中对尖轨尖、辙叉心造成伤害，打磨作业方向为由叉心向尖轨，即A到H方向为打磨作业的方向。

3.2 道岔打磨作业控制系统程序设计

道岔打磨作业时，首先在显示屏设置道岔打磨模式及相应曲线模式，PLC(可编程控制器)主机在接收到道岔和曲线模式设置控制指令后，通过主通信模块向PLC从机发送；PLC从机在接收到指令后，向道岔打磨机构发送执行指令，使相应机构工作到位；采集单元采集相关状态信号发送至CPU单元，并在显示屏显示。在作业过程中，通过显示屏可实时查看当前的打磨小车机构执行动作反馈状态和打磨电机电流、打磨角度等各种打磨电机状态量。

图1 地铁钢轨打磨列车道岔打磨控制系统示意图

图2 道岔打磨作业区域示意图

从叉心向尖轨方向打磨作业时，其中A点为作业起始点，落下打磨砂轮开始打磨作业，到B点处夹紧提升叉心侧的打磨砂轮；到D点处落下叉心侧全部打磨砂轮，到E点处夹紧提升叉心侧普通单元正角度的打磨砂轮，到F点处收起叉心侧全部打磨砂轮；到G点放下叉心侧全部打磨砂轮，到H点处提升全部打磨砂轮。

3.2.1 打磨电机偏转控制

每2个打磨电机通过机械结构固定为1组，通过对打磨小车偏转油缸的控制实现对打磨电机的偏转控制，图3为升降缸、打磨电机、砂轮、机构受力及偏转示意图 (θ为打磨电机偏转角度) 。

图3 升降缸、打磨电机、砂轮、机构受力及偏转示意图

打磨电机角度偏转控制分为手动和自动2种模式：手动模式下，系统CPU 的AO模块向偏转油缸比例阀输出固定值为5 V的电压(内偏为-5 V，外偏为+5 V)，摇篮筐匀速偏转；自动模式即作业模式下，为了形成完整的打磨包络曲线及固定角度的精准打磨，需要对打磨电机偏转角度进行设定及实时调整，以在不同的打磨模式下实现不同角度的打磨。在角度调节过程中系统采集实时反馈角度值，并与设定值作比较，角度差值为Δθ，系统根据Δθ范围向偏转油缸比例阀输出相应的控制电压值(见图4)。

图4 偏转角度与电压关系

(1)如果Δθ处于大范围区间，则输出极限电压(10 V)，偏转油缸以最快速度偏转；

(2)如果Δθ处于中范围区间，则输出中间电压5 V，偏转油缸以中间速度偏转，缓冲偏转油缸；

(3)如果Δθ处于小范围区间，需要角度精准微调，偏转油缸比例阀输出电压值公式如下：

U=2.020 59×|Δθ|+C1

式中：U为比例阀输出电压，C1为固定常数。

3.2.2 打磨电机背压控制

打磨电机背压控制方式有2种。

第1种方式是在静态模式下，打磨电机工作压不参与控制，手动控制打磨电机升降，背压值随偏转角度变化，公式为：

F背压=13 361×cosθ+18×sinθ+C2

式中：F背压为背压值；θ为电机偏转角度值；C2为固定常数。

第2种是动态打磨中的背压设定，工作压、背压和机构重力三者共同作用，采取的控制方式是设定背压值只与偏转角度θ有关系，即F背压=f(θ)。

3.2.3 打磨电机工作压控制

打磨作业过程中，打磨电机工作压的作用是控制打磨电机在图3中虚线方向上升降、动态改变打磨砂轮作用在钢轨上的打磨压力F。打磨压力控制的最终目的是通过调整打磨压力控制打磨电机的功率，实现恒功率打磨，进而实现磨削量的控制。

打磨电机工作压的控制方式全部为开环控制和闭环PID调节控制相结合：第1阶段是在打磨电机刚开始下降时，工作压开环控制，按固定斜率增加；第2阶段是打磨电机电流反馈值大于空载电流0.5A时，开始进入闭环调节控制，实现恒功率打磨。

3.2.4 恒功率打磨控制PID算法

恒功率打磨控制是道岔打磨控制系统中的核心控制部分。工作压控制电流PID算法的实现原理如图5所示。

图5 PID算法的实现原理

图3中，打磨作业中作用在钢轨上的压力F为F工作压、F背压及机构自身重力在与钢轨接触面垂直方向(图中虚线方向)上的分量G分=G×cosθ共同作用的结果，即F=F工作压-F背压-G分。

控制策略为：控制F背压+G分为固定值，动态调整F工作压的值即可实现作用在钢轨上的力F值恒定，进而在列车低恒速走行工况下实现恒功率控制。具体步骤为：(1)设定输出电流值，控制输出打磨电机工作压；(2)采集打磨电机工作时的电机反馈电流；(3)根据打磨电机实际电流反馈值与电流设定值，通过PID闭环调节，改变AO模块工作压控制电流；(4)通过改变工作压控制电流，实时改变打磨电机的工作压；(5)改变工作压，提升或下压打磨砂轮；(6)改变打磨电砂轮作用在钢轨上的压力，同时反馈打磨电机工作电流。