论文部分内容阅读
摘要：本文针对我国现有轨道梁模板自动化程度低、国内外轨道梁模板智能化研究落后的问题，研发了柔性轨道交通箱梁模板的智能控制系统。
本文智能控制系统由信息采集反馈单元、传输线路、智能控制单元、人机交互界面组成。研究重点围绕智能控制单元、人机交互界面开展。通过对智能化控制系统研究，实现模板调节过程数字化、智能化，大幅提高模板系统精度，控制精度可以达到±2mm。
本文智能控制系统以PLC控制器、NS-系列PT屏幕、位移传感器及电动推杆作为硬件基础，通过对PLC控制器进行编程开发，实现对整机设备的精确控制。软件需实现自动控制、手动控制、报警、参数设置、电源保护、极限限位保护、热保护、权限等功能。
引言
轨道梁既是列车行驶轨道及系统设备通道，同时又是承受列车荷载的承重结构，轨道梁的设计应满足这两种功能：首先，轨道梁线路的平、纵、竖曲线以及横向超高均应在轨道梁梁体上实现，轨道梁截面尺寸应符合单轨交通列车车型对轨道断面尺寸的要求;其次，轨道梁的线型必须通过调整轨道梁本身尺寸来实现。因此，预制轨道梁的钢模板必须是高精度可调式的，模板应能保证PC轨道梁各部位形状、尺寸及预埋件的准确性，应具有高精度、高效率调整平面曲线、竖曲线及横向超高的装置，并可按设计要求进行自动检查。
我国现有轨道梁模板智能化程度低，大多是采用传统的人工操作，施工效率低。
本文基于智能控制的柔性轨道交通箱梁模板系统关键核心技术研究，是将箱梁模板的立模、脱模、曲线调节等整个操作过程通过智能化软件控制，提升模板的自动化水平，大幅降低劳动强度，节省模板调节时间、提高调节精度、减少误差、保证施工质量，大幅提高交通轨道梁制备施工企业的工作效率，缩短工程周期。
研究范围：
根据初步确定的研究方向，基于智能控制的柔性轨道交通箱梁模板的智能控制系统由信息采集反馈单元、传输线路、智能控制单元、人机交互界面组成。研制内容重点围绕智能控制单元、人机交互界面开展。
研究目标：
通过智能化控制系统研究，实现模板调节过程数字化、智能化、可视化，大幅提高模板系统精度，控制精度可以达到±2mm;
研究思路和总体方案：
通过研究国内外先进的模板设备技术，结合国内研究的具体要求进行初步设计，采用位移传感器及电动推杆、PLC控制器、NS-系列PT屏幕作为硬件基础，通过对PLC控制器进行编程开发，实现对整机设备的精确控制。
软件开发载体采用欧姆龙CX-one Version4.2，编程语言采用梯形图、时序功能图 （SFC）及ST语言 （ST）。软件需实现自动控制、手动控制、报警、参数设置、电源保护、极限限位保护、热保护、权限等功能。
1 智能控制系统组成
1.1 结构组成
智能化控制系统是整个模板系统工效的关键性因素之一。操作者在人机交互界面中输入曲线控制点参数，即可形成所需要的曲线，实现实时反馈，实时控制。
本研究智能控制系统包含信息采集反馈单元、传输线路、智能控制单元、人机交互界面。如图已所示。
本研究信息采集反馈单元采用数字式位移传感器。位移传感器又称为线性传感器，是一种属于金属感应的线性器件，其作用是把各种被测物理量转换为电量。在使用过程中，位移的测量一般分为测量实物尺寸和机械位移两种。按被测变量变换的形式不同，位移传感器可分为模拟式和数字式两种。数字式位移传感器的一个重要优点是便于将信号直接送入计算机系统。这种传感器发展迅速，应用日益广泛。它可以实时传送电动推杆的位置信息到控制系统，供控制系统分析和运行。位置信息对本项目的研究非常重要，是整个智能控制系统的“眼睛”。本研究采用高精度MTM-425-N/A位移传感器。
智能控制单元及人机交互界面是整个系统的“大脑”，上述两个功能部件集成在控制柜上，本项目单套模板包含两个电控柜，左、右侧模板系统分别独立控制，制梁时一侧控制模板形成外侧模，另一侧控制模板形成内侧模，从而形成一个整体。单个电控柜的基本功能包含单侧电动推杆的位置读取、推杆的驱动、控制系统和显示系统。
本研究中电动推杆为系统的执行机构，接受来自控制系统的信号，使推杆伸出量与设置数据相同，从而使模板整体成型的曲线与理论所需曲线达成一致。
本研究中電动推杆又名直线驱动器，主要是由电机推杆和控制装置等机构组成的一种新型直线执行机构，是旋转电机在结构方面的一种延伸。电动推杆按丝杠形式可分为：梯形丝杆式，滚珠丝杆式，行星滚珠丝杆式，行星滚柱丝杠等，由于本项目电动推杆需在混凝土浇筑状态下实现机械自锁功能，因此本项目推杆采用梯形丝电动推杆。
1.2 工作原理
本研究中位移传感器一端安装在电动推杆活塞杆上，另一端固定在电动推杆缸筒上，电动推杆安装在固定支架和侧模之间。当需要调节模板的曲线半径时，操作者只需要在人机交互界面中输入曲线控制点的参数，人机交互界面自动将这些参数值传输到智能控制单元中，智能控制单元接到指令后，读取位移传感器的数据，并与曲线控制点的参数值进行比对，根据比对结果来控制电动推杆活塞杆的伸出或缩回，使侧模发生弹性变形，形成所需要的曲线。控制系统程序流程如图2所示。
2 控制系统软件设计
2.1 软件开发平台
硬件环境（机型及CPU）：欧姆龙SYSMAC CJ-系列PLC、NS-系列PT屏幕、CJ35型号CPU
操作系统：Windows7及以上版本
开发软件：欧姆龙CX-one Version4.2
编程语言：梯形图、时序功能图 （SFC），ST语言 （ST）
2.2 软件概述
本研究中软件是为了实现对柔性轨道梁钢模板曲线调整的智能控制而开发的，运行平台为欧姆龙SYSMAC CJ-系列PLC，通过PLC控制器输入输出模块以及FA通信采集柔性轨道梁钢模板各控制输入信息，经过软件程序处理，控制柔性轨道梁钢模板的弯曲、倾斜，自动实现满足柔性轨道梁的曲线预制尺寸参数要求。通过检测各设置点位置的反馈信息，自动诊断轨道梁钢模板的运行状态，对异常状态及时报警，必要时停止相应机构的运行。 本研究中软件以PLC控制器为硬件基础，通过PLC控制器实现对整机设备的控制，PLC控制器作为系统的核心，负责所有数据的运算并处理，并向外围设备发出指令，同时接收从外来设备返回的信号，所有指令及信号都可以实时显示在控制总成的显示屏上，做到实时反馈，实时控制。
根据图3可以看出该系统的界面结构。系统在开机后进入开始界面，进入开始界面后输入用户名及密码进入手动或自动界面，通过触摸屏下方的界面切换按钮进入设置和查询界面。自动界面是单一画面含一个弹窗用于选择所需成型的曲线样式。手动界面是单一画面，用于手动操作。
设置界面包含四个画面，分别为曲线设置、参数设置、上侧零点设置、下侧零点设置。其中零点设置是非常重要的参数，所以需最高等级的权限密码才能进入并进行设置。
查询界面是单一画面，用于查询具体故障信息。
3 结论
本研究包含信息采集反馈单元、传输线路、智能控制单元、人机交互界面，实现了各系统间信息传输的无缝连接。
本研究基于欧姆龙SYSMAC CJ-系列PLC及NS-系列PT屏幕开发了一套以欧姆龙CX-one Version4.2为编程载体的控制系统。采用人性化的人机交互界面，系统界面操作简单，实现了自动控制、手动控制、报警、参数设置、电源保护、极限限位保护、热保护、权限等功能。
本研究采用高精度MTM-425-N/A位移传感器，灵敏度可以到达0.1mm，使得模板调曲后的成型半径尺寸更准确，完全满足系统的精度要求。
本研究实现整套模板系统调节过程数字化、智能化，使得整套模板系统实现“一键控制”，大幅提高模板系统精度，控制精度达到±2mm，大大降低了工人的操作难度及劳动强度，改善了生产作业环境，同时效率、质量及精度也得到了保障，真正实现了模板调曲自动化。
参 考 文 献
[1] 冯亚忠，重庆轻轨高精度PC轨道弯梁现场制作施工技术与工艺研究[D]，西南交通大学硕士学位论文，2005.
[2] 黎林，浅谈PC轨道梁预制施工技术[J]，商品与质量·建筑与发展，2015.
[3] 陆松，跨座式单轨PC梁预制技术在重庆轨道交通中的应用[J]，科技创新与应用，2015（6）：28-49.
[4] 朱英磊，孟慶峰，跨坐式单轨交通预应力混凝土轨道梁制作技术[J]，石家庄铁道学院土木分院研究报告，2006.
[5] 田宝华，跨座式单轨PC梁国产化制造技术[J]，中国铁道建筑总公司养马河桥梁厂，1999.
[6] 王贵明，PC轨道梁制造的线性控制技术[J]，桥梁建设，2003：24-27.
[7] 袁亮文，陈克选，王希靖，常春梅，基于PLC与触摸屏的拱腿成型机控制系统设计[J]，兰州理工大学材料科学与工程学院，2015.
[8] 梁育贵， 半径75m曲线PC轨道梁制作[J]， 中铁二十三局集团重庆轻轨项目部，2004.
[9] 冯光权，潘子华，周明， 基于PLC控制的双层展示车同步升降系统设计[J]，广东信源物流设备有限公司，2014.
[10] 高焕垚，龚瑞昆， 基于PLC的位移传感器控制系统的研究和应用[J]， 河北联合大学，2012.
本文智能控制系统由信息采集反馈单元、传输线路、智能控制单元、人机交互界面组成。研究重点围绕智能控制单元、人机交互界面开展。通过对智能化控制系统研究，实现模板调节过程数字化、智能化，大幅提高模板系统精度，控制精度可以达到±2mm。
本文智能控制系统以PLC控制器、NS-系列PT屏幕、位移传感器及电动推杆作为硬件基础，通过对PLC控制器进行编程开发，实现对整机设备的精确控制。软件需实现自动控制、手动控制、报警、参数设置、电源保护、极限限位保护、热保护、权限等功能。
引言
轨道梁既是列车行驶轨道及系统设备通道，同时又是承受列车荷载的承重结构，轨道梁的设计应满足这两种功能：首先，轨道梁线路的平、纵、竖曲线以及横向超高均应在轨道梁梁体上实现，轨道梁截面尺寸应符合单轨交通列车车型对轨道断面尺寸的要求;其次，轨道梁的线型必须通过调整轨道梁本身尺寸来实现。因此，预制轨道梁的钢模板必须是高精度可调式的，模板应能保证PC轨道梁各部位形状、尺寸及预埋件的准确性，应具有高精度、高效率调整平面曲线、竖曲线及横向超高的装置，并可按设计要求进行自动检查。
我国现有轨道梁模板智能化程度低，大多是采用传统的人工操作，施工效率低。
本文基于智能控制的柔性轨道交通箱梁模板系统关键核心技术研究，是将箱梁模板的立模、脱模、曲线调节等整个操作过程通过智能化软件控制，提升模板的自动化水平，大幅降低劳动强度，节省模板调节时间、提高调节精度、减少误差、保证施工质量，大幅提高交通轨道梁制备施工企业的工作效率，缩短工程周期。
研究范围：
根据初步确定的研究方向，基于智能控制的柔性轨道交通箱梁模板的智能控制系统由信息采集反馈单元、传输线路、智能控制单元、人机交互界面组成。研制内容重点围绕智能控制单元、人机交互界面开展。
研究目标：
通过智能化控制系统研究，实现模板调节过程数字化、智能化、可视化，大幅提高模板系统精度，控制精度可以达到±2mm;
研究思路和总体方案：
通过研究国内外先进的模板设备技术，结合国内研究的具体要求进行初步设计，采用位移传感器及电动推杆、PLC控制器、NS-系列PT屏幕作为硬件基础，通过对PLC控制器进行编程开发，实现对整机设备的精确控制。
软件开发载体采用欧姆龙CX-one Version4.2，编程语言采用梯形图、时序功能图 （SFC）及ST语言 （ST）。软件需实现自动控制、手动控制、报警、参数设置、电源保护、极限限位保护、热保护、权限等功能。
1 智能控制系统组成
1.1 结构组成
智能化控制系统是整个模板系统工效的关键性因素之一。操作者在人机交互界面中输入曲线控制点参数，即可形成所需要的曲线，实现实时反馈，实时控制。
本研究智能控制系统包含信息采集反馈单元、传输线路、智能控制单元、人机交互界面。如图已所示。
本研究信息采集反馈单元采用数字式位移传感器。位移传感器又称为线性传感器，是一种属于金属感应的线性器件，其作用是把各种被测物理量转换为电量。在使用过程中，位移的测量一般分为测量实物尺寸和机械位移两种。按被测变量变换的形式不同，位移传感器可分为模拟式和数字式两种。数字式位移传感器的一个重要优点是便于将信号直接送入计算机系统。这种传感器发展迅速，应用日益广泛。它可以实时传送电动推杆的位置信息到控制系统，供控制系统分析和运行。位置信息对本项目的研究非常重要，是整个智能控制系统的“眼睛”。本研究采用高精度MTM-425-N/A位移传感器。
智能控制单元及人机交互界面是整个系统的“大脑”，上述两个功能部件集成在控制柜上，本项目单套模板包含两个电控柜，左、右侧模板系统分别独立控制，制梁时一侧控制模板形成外侧模，另一侧控制模板形成内侧模，从而形成一个整体。单个电控柜的基本功能包含单侧电动推杆的位置读取、推杆的驱动、控制系统和显示系统。
本研究中电动推杆为系统的执行机构，接受来自控制系统的信号，使推杆伸出量与设置数据相同，从而使模板整体成型的曲线与理论所需曲线达成一致。
本研究中電动推杆又名直线驱动器，主要是由电机推杆和控制装置等机构组成的一种新型直线执行机构，是旋转电机在结构方面的一种延伸。电动推杆按丝杠形式可分为：梯形丝杆式，滚珠丝杆式，行星滚珠丝杆式，行星滚柱丝杠等，由于本项目电动推杆需在混凝土浇筑状态下实现机械自锁功能，因此本项目推杆采用梯形丝电动推杆。
1.2 工作原理
本研究中位移传感器一端安装在电动推杆活塞杆上，另一端固定在电动推杆缸筒上，电动推杆安装在固定支架和侧模之间。当需要调节模板的曲线半径时，操作者只需要在人机交互界面中输入曲线控制点的参数，人机交互界面自动将这些参数值传输到智能控制单元中，智能控制单元接到指令后，读取位移传感器的数据，并与曲线控制点的参数值进行比对，根据比对结果来控制电动推杆活塞杆的伸出或缩回，使侧模发生弹性变形，形成所需要的曲线。控制系统程序流程如图2所示。
2 控制系统软件设计
2.1 软件开发平台
硬件环境（机型及CPU）：欧姆龙SYSMAC CJ-系列PLC、NS-系列PT屏幕、CJ35型号CPU
操作系统：Windows7及以上版本
开发软件：欧姆龙CX-one Version4.2
编程语言：梯形图、时序功能图 （SFC），ST语言 （ST）
2.2 软件概述
本研究中软件是为了实现对柔性轨道梁钢模板曲线调整的智能控制而开发的，运行平台为欧姆龙SYSMAC CJ-系列PLC，通过PLC控制器输入输出模块以及FA通信采集柔性轨道梁钢模板各控制输入信息，经过软件程序处理，控制柔性轨道梁钢模板的弯曲、倾斜，自动实现满足柔性轨道梁的曲线预制尺寸参数要求。通过检测各设置点位置的反馈信息，自动诊断轨道梁钢模板的运行状态，对异常状态及时报警，必要时停止相应机构的运行。 本研究中软件以PLC控制器为硬件基础，通过PLC控制器实现对整机设备的控制，PLC控制器作为系统的核心，负责所有数据的运算并处理，并向外围设备发出指令，同时接收从外来设备返回的信号，所有指令及信号都可以实时显示在控制总成的显示屏上，做到实时反馈，实时控制。
根据图3可以看出该系统的界面结构。系统在开机后进入开始界面，进入开始界面后输入用户名及密码进入手动或自动界面，通过触摸屏下方的界面切换按钮进入设置和查询界面。自动界面是单一画面含一个弹窗用于选择所需成型的曲线样式。手动界面是单一画面，用于手动操作。
设置界面包含四个画面，分别为曲线设置、参数设置、上侧零点设置、下侧零点设置。其中零点设置是非常重要的参数，所以需最高等级的权限密码才能进入并进行设置。
查询界面是单一画面，用于查询具体故障信息。
3 结论
本研究包含信息采集反馈单元、传输线路、智能控制单元、人机交互界面，实现了各系统间信息传输的无缝连接。
本研究基于欧姆龙SYSMAC CJ-系列PLC及NS-系列PT屏幕开发了一套以欧姆龙CX-one Version4.2为编程载体的控制系统。采用人性化的人机交互界面，系统界面操作简单，实现了自动控制、手动控制、报警、参数设置、电源保护、极限限位保护、热保护、权限等功能。
本研究采用高精度MTM-425-N/A位移传感器，灵敏度可以到达0.1mm，使得模板调曲后的成型半径尺寸更准确，完全满足系统的精度要求。
本研究实现整套模板系统调节过程数字化、智能化，使得整套模板系统实现“一键控制”，大幅提高模板系统精度，控制精度达到±2mm，大大降低了工人的操作难度及劳动强度，改善了生产作业环境，同时效率、质量及精度也得到了保障，真正实现了模板调曲自动化。
参 考 文 献
[1] 冯亚忠，重庆轻轨高精度PC轨道弯梁现场制作施工技术与工艺研究[D]，西南交通大学硕士学位论文，2005.
[2] 黎林，浅谈PC轨道梁预制施工技术[J]，商品与质量·建筑与发展，2015.
[3] 陆松，跨座式单轨PC梁预制技术在重庆轨道交通中的应用[J]，科技创新与应用，2015（6）：28-49.
[4] 朱英磊，孟慶峰，跨坐式单轨交通预应力混凝土轨道梁制作技术[J]，石家庄铁道学院土木分院研究报告，2006.
[5] 田宝华，跨座式单轨PC梁国产化制造技术[J]，中国铁道建筑总公司养马河桥梁厂，1999.
[6] 王贵明，PC轨道梁制造的线性控制技术[J]，桥梁建设，2003：24-27.
[7] 袁亮文，陈克选，王希靖，常春梅，基于PLC与触摸屏的拱腿成型机控制系统设计[J]，兰州理工大学材料科学与工程学院，2015.
[8] 梁育贵， 半径75m曲线PC轨道梁制作[J]， 中铁二十三局集团重庆轻轨项目部，2004.
[9] 冯光权，潘子华，周明， 基于PLC控制的双层展示车同步升降系统设计[J]，广东信源物流设备有限公司，2014.
[10] 高焕垚，龚瑞昆， 基于PLC的位移传感器控制系统的研究和应用[J]， 河北联合大学，2012.