李林骏
（山西省财政科学研究院， 山西 太原 030006）
0 引言国家统计局发布新中国成立70 周年经济社会发展成就报告显示，70 年来，我国交通基础设施加速成网，综合运输保障能力大幅上升，截至2021 年12 月30 日，中国高铁运营总里程已突破四万公里。铁路轨道的巡检、维护成为保障铁路正常运行的重要内容之一。其中轨道连接采用紧固件连接，其螺母紧固得当能有效防止轨道的松动和移位，同时能减少列车运行时产生的振动和噪声，保证列车安全运行。如何提高轨道紧固件螺母巡检的效率，降低巡检工人的劳动强度是亟待解决的问题之一[1-2]。
本文以轨道坚固件检修问题为研究对象，设计一种可用于螺母巡检的轨道车，解决人工检修螺母效率低、携带工具不便的问题[3]，对保障铁路运行具有较好的意义。
1 系统组成系统由行走装置、拧紧装置、控制系统、动力系统、人机交互以及移动小车等组成，具体见图1。其中移动小车采用框架结构，为系统提供基础支撑，由底盘、框架等组成，行走装置安装于底盘上，通过传动装置带动轨道车可沿导轨行进。行走装置由行走轮、转向轮、行走电机、调速装置以及速度传感器等组成，行走电机驱动行走轮转动，采用直流电机驱动，可由PWM波控制，可实现行走速度的调节。动力装置为系统提供动力，由蓄电池组、充电模块以及转换模块组成，其中转换模块可将蓄电池电压转为控制器、触摸屏所需电压。拧紧装置采用伺服电机驱动作业装置，通过力传感器可实现拧紧力的检测，并对紧固力进行修正。电控系统采用西门子SMART 系列控制器，并扩展模拟量模块以满足系统检测需求。人机交互为系统提供良好的人机交互界面，可实时显示轨道车各参数，同时系统设计启停、前进、后退等操作按钮，方便工作人员操作。
图1 系统组成
2 电气系统设计2.1 控制系统设计采用西门子SMART 系列ST60 PLC 为主控制器，并扩展DP01 通信模块、AE 模拟量输入模块，与触摸屏以及充电单元组成总线网络，通过以太网与触摸屏通信，实时显示轨道车状态，并提供虚拟操作按钮；通过DP01 通信模块采用RS485 与充电模块通信，可显示充电状态、蓄电池电量、续航里程等信息。通过西门子高速脉冲输出PWM，可实现行走电机速度的调节、拧紧电机力的调节。行走启动、停止、拧紧作业启动、停止、行程开关、指示灯以及继电器驱动等开关量通过I/O 点接入控制器。系统扩展模拟量模块用于采集传感器的模拟量信号。具体见图2。
图2 控制系统
2.2 系统工作原理系统开机后，通过行走启动按钮给行走电机上电，通过前进/后退按钮由控制器控制轨道车沿轨道行进，行进过程中行走指示灯交替闪烁，以提示轨道车处于行进中，并可通过触摸屏调节行走的速度，行进至轨道紧固件作业区域后停止轨道车。根据轨道维修手册紧固件所要求的紧固力矩，操作人员通过触摸屏扭矩设定界面设置检修扭矩，即可开展轨道紧固件螺母的巡检。操作人员通过手轮分别驱动拧紧装置沿横向和垂向移动，直至拧紧作业装置扭矩头与螺母接触，启动检修按钮，伺服电机驱动扭矩头旋转对螺母进行紧固，同时通过串联的动态扭矩传感器实时检测紧固力矩，与要求的力矩进行对比，形成力矩的闭环控制。螺母紧固力达到允许误差范围的数值后，伺服电机自动停止作业，同时控制器将扭矩数值反馈给触摸屏，触摸屏显示此螺母紧固力符合要求，同时作业完成指示灯交替闪烁进行提示。操作人员通过手轮提升作业装置，移动至行程开关时提示作业装置已抬升至安全高度，作业完成指示灯熄灭，此时操作人员可启动行走电机，驱动轨道车运行至下一个工位，依次开展轨道螺母检修工作。系统的I/O 分配如表1 所示。
表1 I/O 分配表
2.3 动力系统设计为提高轨道车工作效率，采用蓄电池模块为其提供动力，伺服电机、行走电机均采用直流式电机，蓄电池可直接为行走电机、伺服电机电压匹配，可提高供电系统的效率。充电模块具有短路、过载以及过充等保护，保障蓄电池的充电安全性。设计电池监测模块实时检测蓄电池的电压、容量、剩余电量等信息，并具有通信功能，可与西门子控制器以RS485 串口进行通信，将蓄电池相关参数反馈给控制器。
3 程序系统设计3.1 PLC 程序设计系统以西门子SR60 为主站，充电单元为从站，组建通信网络，同时与触摸屏组建以太网。控制程序设计了主程序和子程序，主程序完成开机自检、系统参数设置并调用子程序，子程序包括行走控制子程序、螺母作业子程序、通信子程序、故障处理子程序。系统具有开机自检功能，启动后对通信状态、蓄电池电量以及电机状态等进行检查，出现故障后及时报警。主程序主要完成存储器设置、通信参数设置、初始值设置等，为轨道车运行做好基础设置。
3.2 人机交互设计系统采用触摸屏实现人机交互，与主控制器以以太网通信，可实时显示轨道车的状态，并设计虚拟按钮，可同步控制行走电机、伺服电机等执行元件。
人机交互界面分为主界面和二级界面，主界面调用各二级界面，二级界面包含行走控制界面、作业控制界面、故障处理界面以及通信设置界面，可有效提高系统的效率。行走控制界面提供行走电机的虚拟启动、停止按钮，设计行走速度调节输入框，可通过输入框输入所需设置的速度，即可通过控制器调整行走电机速度，该界面实时显示轨道车的行走状态、蓄电池电量等信息。作业界面可设置螺母紧固所需扭矩，也设计扭矩输入框，作业时实时显示扭矩值的大小，方便检修人员实时了解螺母拧紧力的状态。二级界面设计了故障存储界面，可将参数超限时的故障信息以表格的形式进行存储，方便后续对巡检数据进行分析。通信设置界面可调节总线网络以太网IP 地址、串口通信波特率等参数，方便系统适应不同产品的通信。
4 结语本文从轨道紧固件检修过程中工作量大、效率低等问题出发，设计基于PLC 控制的轨道作业车，可用于轨道紧固件的检修。本文设计了轨道车的总体框架，阐述了行走装置、控制系统、人机交互、动力装置以及移动小车各部分的组成和作用。系统选用西门子SMART 控制器，并扩展了通信模块和模拟量模块，构建了以控制器为主站，触摸屏、充电单元为从站的总线网络，并对软件系统和人机交互界面进行了详细设计。本文所设计轨道检修车可应用于轨道紧固件的巡检和检修，可提高工作效率，为轨道检修提供一种较好的思路。
