轨枕生产线钢模横移自动控制系统设计
0 引言
随着中国铁路建设的快速发展，轨枕制造技术也不断向前发展。国内外新型材料轨枕也相继推出例如玄武岩/ 碳纤维混杂符合轨枕[1]、高聚合物复合材料轨枕[2]、合成材料轨枕[3]，但混凝土轨枕具有强度高、道床横向阻力大、稳定性好、不受气候、腐蚀的影响、使用寿命长等显著优点[4]，仍作为我国铁路建设的首选。
目前，国内混凝土轨枕生产线主要采用流水机组传送法[5]进行设计。流水机组传送法生产线通常采用“U”型布局设计，采用2*4 或2*5 型钢模进行轨枕生产。其具有生产效率高、设备通用性强、生产成本低等特点[6]。流水机组传送法轨枕生产线实现闭环生产过程中，钢模在相互平行的纵向辊道之间输送。因此，生产线通常设置1 ～ 2 套钢模横移装备。
参考中铁物资平顶山轨枕有限公司（以下简称平轨公司）轨枕生产线，生产线工艺流程沿东西方向“U”型设计，如图1 所示。其生产线存在两处钢模横移设计：其一设置在两组横移辊道之间；另一设置在预应力钢筋张拉辊道和配件安装辊道之间。横移设备平面图如图2所示。两处钢模横移设备及控制方式完全相同。本钢模横移自动控制系统依据平轨公司生产线钢模横移设备为基础进行控制设计[7]，同时为类似横移过程的生产线提供自动化控制方案参考。
图1 平轨公司轨枕生产线工艺流程示意图
图2 生产线横移设备平面图
1 控制要求
钢模横移自动控制[8] 系统依托生产线既有设备，通过增加传感器和变频器等配件进行重新设计。系统控制的设备有：2 组横移辊道、4 套连杆式升降机构（分别对应4 台一体式电液推杆）、4 台一体式电液推杆（2台/ 组）和2 台运输小车。控制运动电机共10 台，分别为4 台横移辊道电机，4 台电液推杆电机和2 台运输小车电机。钢模横移过程需要以上设备相互配合完成，且设备之间存在严格的运行逻辑顺序。原控制台存在操作按钮多、设备状态需要人工观察判断、易误操作等问题。根据钢模横移过程分析容易得出横移过程虽然繁琐但逻辑判断简单且具有严格的重复性，采用PLC 作为控制单元能够实现自动化控制。
根据设备实际生产运行情况，对钢模横移自动控制系统控制要求如下：
1）自动控制系统具备手动运行模式、单段运行模式和自动运行模式3 种模式。
2）在连续工作中要求运输小车载1 套钢模处于等待状态。
3）设置电源急停按钮，当其被按下后整个控制系统断电，且所有控制设备全部停止运行。
4）自动控制系统包含2 台运输小车运行一致性自动调节功能。防止两个台运输小车不同步，造成钢模掉落、损坏等风险。
5）自动程序启动后首先执行初始化程序，初始化程序完成指示灯亮起，点击启动按钮开始执行自动程序。
6）系统初始状态设定为2 组辊道处于停止状态，4套连杆式升降机构处于复位状态；2 台运输小车停止在轨道中间设定位置；南侧横移辊道上无钢模。
7）暂停按钮仅用于自动控制部分。当其被按下后自动运行程序停止，按下第2 次系统继续执行后续未执行程序。
8）停止按钮在手动模式程序和自动模式程序中应用。当其被按下时，控制设备全部停止运行。在自动程序中当按下停止按钮后再次启动自动程序时，需要先执行初始化程序后再点击启动按钮开始执行自动运行程序。
2 控制程序设计
根据控制要求和控制横移设备的数量，综合市场PLC 产品的稳定性、经济性和适用性[9]，选用西门子S7-200Smart ST40 DC/DC/DC PLC 作为本控制系统的控制主单元。
2.1 控制程序构架设计
根据生产线横移设备实际控制过程和控制要求，设计控制程序总体构架如下：
1）主程序（含小车一致性调节程序，手/ 自模式选择）；
2）初始化程序；
3）公用程序；
4）手动模式程序；
5）自动模式程序（含单段运行模式）。
根据控制程序框架设计，将PLC I/O 地址分配情况如表1 所示。由于输入点位较多且存在模拟量输入，另外增加2 个数字量输入模块EMED08 和1 个模拟量输入模块EMAE04。
表1 钢模横移自动控制系统I/O地址分配表
依据PLC I/O 地址分配和控制要求，钢模横移自动控制系统功能流程图设计如图2 所示。
图2 钢模横移自动控制系统功能流程图
2.2 主程序
主程序主要实现以下功能，其程序设计具体内容如图3 所示：
1）不论何种运行模式，主程序能控制南侧横移辊道电机的正、反向运动；
2）运输小车运行减速控制；
3）2 台运输小车之间运行一致性调节；
4）信号输入地址与程序中M 地址转换。
2.3 初始化程序
初始化程序是执行自动化程序的前提，初始化程序执行完成后横移设备达到自动模式启动的初始状态。无论系统处于何种运行模式，都可用启动初始化程序完成初始状态设置。初始化程序启动前要求，南侧横移辊道上无钢模，如果存在有钢模可以通过手动模式进行清空，否则不能启动初始化程序。
图3 控制系统主程序
2.4 自动模式程序
自动模式启动前设备需满足以下条件（初始状态）：
1）2 台运输小车上无钢模；
2）2 台运输小车处于中间位置；
3）北侧升降装置处于原位；
4）南侧升降装置处于原位。
当现场设备情况满足自动运行初始状态下，旋转开关至自动模式，按下启动按钮，横移设备自动完成钢模横移作业。
在自动化程序中含有单步运行模式开关。单步运行模式主要用于程序调试。当现场设备情况满足自动运行初始条件下，旋钮开关转至单步运行模式，每点击一次启动按钮，控制系统就会执行一行自动运行程序。需注意程序中设有时间停顿和空步程序段。
2.5 手动模式
手动模式下，操作人员按照控制面板上的按钮启动对应电机即可。
3 结束语
此自动控制系统可以减少操作工人1 名，同时提高了设备可靠性和钢模传送效率。另外，控制系统还设置有工作警示灯和报警灯等附加功能，提高了横移设备的安全性和智能性。
参考文献：
[1] 杨堃,玄武岩.碳纤维混杂复合轨枕制备与性能测试[J].产业用纺织品,2016(12):27-30.
[2] 王守琛,薛平,蔡建臣.新型高聚物复合材料轨枕的成型技术研究[J].工程塑料应用,2012(5):36-41.
[3] 张吉财.浅谈铁路轨枕复合材料的结构设计[J].建筑工程技术与设计,2017(9):624
[4] 杨宝峰,于春华.铁路轨枕现状及发展[J].铁道工程学报,2007(2):37-40
[5] 李兰.预应力混凝土轨枕生产工艺分析[J].科技创新与应用,2019(15):112-116
[6] 尤瑞林.国内外预应力混凝土轨枕生产工艺分析[J].铁道建筑,2021(10).
[7] 娄冈,孙志刚等.基于STL语言的焊管生产线横移车自动控制技术[J].焊管,2021(10):42-45.
[8] 徐永飞.横移牵引装置自动控制[J].理论创新,2010(12).
[9] 吴峰,郑海英,王浩.基于S7-200 SMART PLC的饲料生产线控制系统的设计[J].电工技术,2018(16).
（本文来源于《电子产品世界》杂志2023年6月期）
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