单轨无坑式移车台电控系统的设计与开发_硕士学位论文

重庆大学
硕士学位论文
单轨无坑式移车台电控系统的设计与开发
姓名：黄克海
申请学位级别：硕士
专业：机械电子工程
指导教师：杨继东
2010-05
摘要
移车台是工程车平行转轨作业必备的专用设备。

移车台的发展先后经过了坑式移车台和无坑式移车台。

无坑式移车台具有厂区占地面积少、组织物流运输合理、配套工程费用低等优点，从而降低了工厂投资和生产成本。

据有关资料介绍, 发达国家如日本的麓岛工厂, 德国的IEC 检修工厂等均采用了无坑式的移车台。

本文分析了移车台的运行特点、技术要求和技术参数，确定了变频调速系统。

变频调速系统采用一台变频器驱动两个电机，实现移车台的变速走行，并结合对位传感器使跨度较大的移车台运行同步和对位准确。

移车台电气控制系统主要有PLC、工业触摸屏、变频器和各种传感器等组成。

文中完成了电控系统硬件的选型和组态，详细设计了电气原理图、PLC输入/输出接线图。

移车台PLC控制系统应用了CC-LINK现场总线技术，极大的减少了现场接线工作，提高了系统的抗干扰性。

移车台属于轻轨车场的大型关键设备，一旦出现事故，将会对人身和经济带来巨大的损失，因此要求移车台运行过程中安全可靠。

本文对移车台的抗倾覆性进行了详细分析计算，从电气上和机械上设计了各种安全保障措施，确保移车台安全、可靠运行。

硬件设计完成后，进行了PLC软件和触摸屏软件的编写。

通过PLC和触摸屏的通信，使用户通过触摸屏可以很方便地实现移车台手动运行、自动运行、参数设定和故障报警记录查询等。

关键词：单轨交通，移车台，PLC
ABSTRACT
Travelling platform is the key special equipment, for engineering vehicles parallel alternating. The development of traveling platform has gone through two stages: the stage of pit style, and the stage of no pit style. A no pit traveling platform covers an area of small, organized logistics transport reasonably, and low cost package, which reduces plant investment and production costs. According to relevant data, the developed countries such as Japan's Kashima Plant, IEC overhaul facility in Germany all adopts pit-style Travelling platform.
This paper analyzed operational features of traveling platform, process requirement and technical parameters, to determine a frequency conversion and variable speed control system. The control system of frequency converter uses a frequency converter to drive the two active motor for variable speed operation of traveling platform, combined with sensors in a location Synchronous operation and high position accuracy become a reality.
The electrical control system of traveling platform mainly includes PLC, industrial touch screen, frequency converter, a variety of sensors and etc. this paper com pleted the electrical control system hardware selection and configuration, detailed design of electrical schematics, PLC input / output wiring diagram. PLC control system for travelling platform applied CC-LINK fieldbus technology, greatly reducing spot connections, improves anti-interference performance.
Travelling platform is a large key equipment in light rail yard, the event of an accident, will bring great personal and economic losses, thus it is necessary that travelling platform run safely and reliably. In this paper, anti-tipping stability of travelling platform carried out a detailed analysis and calculation, from the electrical and mechanical design on a variety of security measures to ensure travelling platform safe and reliable operation.
After the completion of the hardware design, programs the software of the PLC and touch screen software. By PLC and touch screen communication, so users can easily bring out manual operation, automatic operation, parameter settings and fault alarm record searching.
Key words: monorail train transportation, Travelling platform, PLC
1 绪论
1.1课题背景
重庆是长江上游最大的中心城市,人口密集,内聚力很强。

形成这种状况的一个重要原因就是没有快捷、安全、大容量的交通通道。

一旦交通条件改变,制约因素消除,城市结构和发展模式将会发生大幅度的改变。

具有强大运输能力的轨道交通就能在城市结构变迁中充分发挥重要诱导作用[1]。

①城市人口。

城市结构改变的一个重要因素就是人口的疏解。

但是重庆市传统的以步行、公交车为主的交通方式,限制了城市人口的有机疏解。

城市轨道交通具有快捷、安全、大容量等特点,不仅能及时疏解大量密集人群,而且由于其对沿线区域可达性的大大提高,对居民产生巨大的吸引力,可以诱导人们远离市中心居住,从而促进城市结构的改变。

②城市环境。

城市环境与交通有着极为密切的联系。

城市环境恶化的一个重要原因在于汽车的尾气排放和城市道路的噪音。

重庆是一座山城,市民出行主要依靠机动车。

然而,以机动车为主的城市交通对城市发展有着极为不利的影响,它带来大气污染、噪音污染、交通事故增加和其它一系列社会问题。

轨道交通具有低能耗、低污染、安全等特点,它对于改善城市环境、增加城市环境容量有着极为重要的作用,对于建立空间相对分离的新型生态城市结构具有重要的意义。

③土地利用。

城市建设用地狭小、人口高度密集是重庆的一个显著特点。

在如此狭小的空间要布置工业用地、住宅用地、对外交通用地,必然导致人均道路用地和城市绿地的减少。

而轨道交通不仅用地比城市道路要少得多,而且由于其强大的运输能力以及快速、安全等特点,更能促进城市人口密集在轨道两侧,促进城市用地集约化与居住环境改善的统一,促进城市形态和土地使用格局相应的调整。

因此,确立以轨道交通为重点的城市交通运输发展战略,是重庆交通发展的必然选择。

只有大力发展城市轨道交通运输,才能真正解决城市的交通运输问题,同时也将对重庆经济的发展起至关重要的作用。

1.2课题国内外发展现状
1.2.1国内外轨道交通发展状况
轨道交通以其运量大、速度快、安全可靠、准点舒适的技术优势在日、美、欧等国家和地区已经成为主要的城市交通工具。

通过对纽约、巴黎、伦敦、东京和莫斯科等城市市内交通客运量结构的分析与研究表明,在这些发达城市,公共交通所占比例一般为60%～80%,其中有轨交通的比例达30%～45%。

无论私人交通如
何发展,公共交通作为主体的地位一直没变,轨道交通往往又占有较大优势,居主导地位[2]。

中国的国情决定了解决城市交通问题的出路在于优先发展公共交通。

城市公共交通是大众交通，为大众服务，是以人为本的交通系统；公共交通也是绿色交通，它以最低的能源消耗、最小的环境污染为大众服务，是可持续发展的交通系统。

发展城市公共交通的重点应放在发展快速轨道交通系统。

要从根本上解决城市交通问题，依靠轨道交通是一种选择。

它主要包括地铁、轻轨和有轨电车，它是大城市的重要基础设施，在城市功能上具有重要地位，因此，应放在优先发展的位置。

许多国家，在人口超过50万的大、中城市中，纷纷发展轨道交通系统，这是城市国际化、现代化、防污染、节省能源的重要措施。

然而，由于轨道交通投资大，建设周期长，技术要求高，使许多城市在进行城市规划时望而却步。

其实，轨道交通可以采用多种形式，不仅要发展地铁，还要发展地面轻轨和高架铁路。

根据测算，建造轻轨不仅造价低，一般只及地铁的1/3，而且建造的速度也比地铁快得多。

日本东京的地面高架环线，长40km.，每天载客量高达350~400万人次。

大城市，在特别繁忙的地段也可以建造几条轻轨，用比较少的投资，以疏导城市交通[3]。

①节约土地资源，工程造价较低占地是公路的1/8，一条复线轨道交通线路与一条16车道的公路具有大体相同的运输能力。

②速度高，运载能力大最高车速为80km/h比无轨电车要快一倍左右，载客容量则比无轨电车大十倍，比老式有轨电车也大得多。

③低能耗，污染轻人公里耗电量，其成本比无轨电车和公共汽车都低，经济效益很明显。

④噪音较低，易于治理城际快速轨道交通除了示警等特殊情况，一般不用鸣笛，不产生强噪声。

⑤安全性能较好因为轻轨交通是在专用铁轨上行驶，所以行车的安全性比无轨电车或公共汽车要安全得多，几乎可以消除行车伤亡事故的发生。

1.2.2移车台的发展现状
移车台是工程车平行转轨作业必备的专用设备，移车台的发展先后经过了坑式移车台和无坑式移车台。

坑式移车台地坑深度在300mm至600 mm 之间, 地坑长度短的10 多米, 长的100 多米。

由于地坑的存在, 阻断了车间之间无轨车辆的通行, 给生产带来了不便。

为此, 在总平面布置设计时, 要留出道路用地, 使无轨运输车辆绕过地坑, 有关厂区管线、地沟也因此被加深或绕道铺设。

所有这些措施均以加大厂区占地面积、增加其他工程投资为代价, 同时,因地坑的存在增加了配套工程的投资。

鉴于此, 开发研制出无坑式移车台, 以减少厂区占地面积、合理组织
物流运输、减少配套工程费用、从而降低工厂投资和生产成本。

据有关资料介绍, 发达国家如日本的麓岛工厂, 德国的IEC 检修工厂等均采用了无坑式的移车台, 使厂区总平面布置紧凑合理, 厂区占地得到了合理的利用。

1.3 课题意义及主要内容
1.3.1课题意义
单轨无坑式移车台是重庆轨道公司维修基地工程车库的关键设备，其作用是用于跨座式单轨工程车在各轨道梁间进行平行切换。

无坑式移车台的研制成功, 是对我国单轨跨座式轨道交通工程车平行转轨专用设备的发展具有重要意义。

该无坑式移车台的各项技术指标已达到国外同类产品水平,但其价格比国外同类产品低得多。

采用无坑式移车台可优化厂区总平面布置, 有效地提高厂区的环境优美程度, 使厂区平整、清洁、美观。

本无坑式移车台已经在生产中得到了实际应用, 并得到了用户的好评。

无坑式移车台有效地解决了有坑式移车台地坑两侧交通受阻问题和消防通道问题。

1.3.2课题主要内容
工程车库为工程车停放、维修保养处所。

车辆进入为单根轨道，车辆进出工程车库为折返式。

工程车在库外进入各自停放位的平行切换，由移车台完成。

本课题主要针对单轨无坑式移车台的电气控制系统的开发和设计。

论文研究主要内容如下：
①单轨无坑式移车台硬件系统的开发与设计；
②单轨无坑式移车台电气元件的选型；
③单轨无坑式移车台软件系统的开发与设计；
④单轨无坑式移车台对位系统的开发与设计；
⑤单轨无坑式移车台可靠性及安全保护系统设计。

2 单轨无坑式移车台总体要求及机械结构简介
2.1移车台的主要技术要求
①应采用变频调速使移车台启、停平稳[4]。

②移车台对位准确，以保证工程车能够正常进出移车台。

③应有各种安全保护装置、信号装置，以保证工程车与移车台作业安全。

④传动装置采用安全可靠、性能成熟的先进产品。

⑤电动机防护等级，绝缘等级，满足使用条件要求。

⑥电气组件、接线箱、机旁操作箱均应采用安全可靠、性能成熟的先进产品。

⑦电控系统关键元器件应采用安全可靠、性能成熟的先进产品。

⑧移车作业控制方式应为手动和自动两种方式。

2.2移车台主要技术参数
①最大负荷：20t 。

②移车台承载梁长：10000mm。

③轴距：2500mm。

④移车台走行轨中心距：7500mm。

⑤走行速度：4～15m/min。

⑥走行距离：25000mm
⑦轨道型号：38kg/m。

⑧供电形式：采用拖移式电缆供电，三相五线。

拖移式电缆线要求达到护等级为IP55。

电源：三相五线380V AC 50Hz。

电源接地线接地电阻：<1Ω
电源容量：约30kVA
2.3移车台工作方式及动作流程
为了实现调试和维修的方便性，移车台需要有手动调整工作方式。

在正常工作中要求操作简单，工作效率高，移车台具有自动工作方式。

图2.1为入库动作流程；图2.2为出库动作流程。

图2.1 入库流程图
Fig.2.1 Storage flow chart
图2.2 出库流程图
Fig.2.2 Out of garage flow chart
2.4移车台机械结构简介
因为重庆轻轨采用的是单轨跨座式轨道运行形式，在设计移车台的时候，我们考虑了把工程车运行的轨道和移车台的车架及驱动做成一个整体，从而构成工程车的移车台装置。

移车台在运行工作中，就如同一个可以沿着既定钢轨轨道运行的轻轨轨道，在车库内停放工作车的轨道和平时运行轨道之间不断的切换。

对接定位后，工程车可以自由的驶入和驶出移车台，从而实现工程车的入库和出库
的目的。

移车台分为以下几部分：车架（支撑和连接）、驱动走行装置、工作车限位机构、插销对位装置、液压系统、电气系统。

移车台结构图如图2.3所示。

图2.3 移车台总体结构图
Fig 2.3 the tranverse mobile flatform structure graph
重庆大学硕士学位论文 3
移车台变频驱动技术及同步驱动控制策略
3 移车台变频驱动技术及同步驱动控制策略
3.1移车台驱动技术的选择
机电设备的驱动方式有多种多样，不同的设备根据其工作条件和工作状况，所采用的驱动方式也各有差异。

目前比较常用的驱动技术有普通电机驱动、伺服电机驱动和变频电机驱动等[6]。

①伺服电机驱动技术
伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用着执行原件。

它将输入的电压信号转换为转轴的角位移或角速度的变化。

输入的电压信号又称为控制信号或控制电压。

改变控制电压可以改变伺服电动机的转速和转向。

分为直流和交流伺服电动机两大类。

对于交流伺服电机其优点：良好的速度控制特性，在整个速度区内可实现平滑控制，几乎无振荡；高效率，90%以上，不发热；高速控制；高精确位置控制。

伺服电机最主要的缺点就是其价格昂贵，使设备的制造成本大幅提高，在系统容量较大的设备中，其高成本更是难以承受。

②普通电机驱动技术
普通电机是给上合适的电源就运行的电机，是通用型的电机。

普通异步电动机都是按恒频恒压设计的，在设计时主要考虑的性能参数是过载能力、启动性能、效率和功率因数。

普通电机在调速上的应用具有较大的局限性。

③变频电机驱动技术
大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，使得交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能，在调速性能方面可以与直流电力拖动媲美。

在交流调速技术中，变频调速具有绝对优势，并且它的调速性能与可靠性不断完善，价格不断降低，特别是变频调速节电效果明显，而且易于实现过程自动化，深受工业行业的青睐。

交流变频调速的优异特性有：1）调速时平滑性好，效率高。

低速时，特性静关率较高，相对稳定性好。

2）调速范围较大，精度高。

3）起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显。

4）变频器体积小，便于安装、调试、维修简便。

5）易于实现过程自动化。

6）必须有专用的变频电源，目前造价较高。

7）在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。

交流变频调速的方法是异步电机最有发展前途的调速方法。

随着电力电子技术的不断发展，性能可靠、匹配完善、价格便宜的变频器不断出现，这一技术会得到更为广泛、普遍的应用。

目前，国外先进国家的变频技术正向小型化、高可靠性、抗公害、多功能、高性能等方向发展，我国也在加快发展步伐。

综合以上分析和比较，普通电机调速性不好，而移车台运行和定位过程中需要改变速度，所以不适合使用普通电机作为移车台的驱动装置。

伺服电机调速性好，定位精度高，但是驱动力矩受到限制，伺服电机驱动系统本身价格昂贵，在容量较大的时候，其高成本更是难以承受，从这点上分析我们也没有选择这种驱动方式。

变频驱动技术调速性能好，驱动能力强，相对伺服驱动来说设备制造成本低，考虑到这些因数我们在移车台的驱动控制上选择了变频调速驱动系统。

3.2移车台同步驱动控制策略
移车台属于大型非标机电设备，其自重达到11T，工作载荷达到20T，并且设备跨度较大，达到7.5m，因此其两端驱动的同步性显的较为重要。

3.2.1机械式同步驱动控制
对于这种大跨度同步驱动技术，在传统的设计上，基本都是采用机械式的控制方式。

所谓机械控制方式就是整台设备只有一个动力源，动力源将动力输出给一根机械总轴，然后设备各个走行系统，包括减速器等，通过机械联结从这根总轴上得到同步驱动力和驱动速度。

最终实现设备运行的同步性。

但这种方案有其许多不足：
①用一台动力源拖动负载。

多个负载由一台动力源拖动，相对就提高了动力源的功率。

②因为电机功率输出在一根机械总轴上，轴具有固有弹性，承受的力矩越大受弹性的影响越大。

则为减少轴的弹性的影响，其轴的截面越大，反比于总轴长度。

移车台的总长达到了7.5m，如果采用这种控制方式，就要加大总轴的截面积，这就增加了系统的成本并且使设备更加的庞大。

③为了保证移车台的准确定位，移车台在启动和停止的时候需要调节运行速度。

而机械控制方式在调速的时候只能更换齿轮，并且各驱动单元都要配给一个相应的齿轮箱，齿轮箱的加工及其维修费用较高，齿轮箱的机械机构固定不变，不可编程控制。

3.2.2电气式同步驱动控制
排除传统的机械式同步控制策略，我们选择电气控制策略。

在变频调速的基础上，通过国内外的学者研究，提出了各种各样的控制多电机同步运行方案，来满足日益严格的控制要求。

①并联运行方式
这是一种简单的同步控制方法。

其控制系统结构图如图3.1所示。

图3.1并行同步控制系统结构图
Fig3.1 Parallel Synchronization control system
并联运行的同步控制系统优点在于启动，停止阶段系统的同步性能很好，不同的单元不受距离的限制，可满足一定条件下的同步要求。

在并联运行同步控制系统中，每个单元的电动机的输入信号由系统直接给定，因此各单元获得的输入信号完全一致。

各驱动单元的输入信号除了受参考信号作用以外，不受任何其它因素的影响，所以任一单元的扰动不会影响任何其它单元的工作状态。

如果仅仅是参考信号的波动，此时各单元的同步主要靠各单元对参考信号的跟随性能，但系统的同步得不到保证。

主要是因为系统的各个单元之间完全没有耦合，不存在任何反馈信号，任一单元的扰动不会影响其它单元的运动状态。

由以上分析可知，当各个单元的性能相似时，在仅有给定参考信号出现变化，而任何驱动电动机都不会受到扰动时，该方案能够较好地实现同步功能。

但在某一单元电动机出现扰动时，就会出现不同步的现象，从而影响系统的正常工作。

由于系统内的各单元之间不存在任何交叉反馈信号，因此在分区单元经常受到扰动，而生产工艺要求同步性能较严格的场合不适宜使用这种控制系统。

②主从同步控制系统
以双电机为例，主从同步控制系统的基本结构图如图3.2所示。

在这种情况下，主电机的输出转速值作为从电机的输入转速值。

由此可以得出，从电机能够反映并且跟随任何加在主电机上的速度命令或者是从电机的负载扰动。

在存在多台电动机的情况下，主从控制系统有两种不同的控制方式：
1) 第一台电动机为主电动机，其余的所有电动机为从属电动机。

主电动机接收给定的输入信号，而所有的从属电动机共享主电动机的输出信号作为输入信号。

在这种控制方式中，当主电动机的负载受到扰动时，所有从电动机都会受到它的影响；但是当任何一台从电动机的负载发生变化时，其它所有电动机不会受到任何影响。

图3.2主从同步控制系统控制结构图
Fig3.2 Synchronous master-slave control system for control chart
2) 第一台电动机为主电动机，最后一台电动机为从电动机。

而其余的电动机充当双重角色，既是主电动机，又是从电动机，相对于本电动机的前一个电动机而言，它是从电动机；相对于该电动机的后一台电动机而言，它是主电动机。

因而除了最后一台电动机之外，任何一台电动机的负载发生扰动时都会影响到随后所有电动机的运行，但不会影响前面的电动机。

在这两种控制策略的基础上，研究学者主要研究对象是每个轴的单独控制器，通过控制每个单独的电动机来协调多个电动机的速度或位置，以至于减少每个轴之间的速度或位置的误差。

虽然传统的PID调节方法具有控制简单，使用方便，适应性强，鲁棒性好等特点，但是常规的PID调节器增益参数是固定的，因而这种控制器有其根本性的、难以克服的基本矛盾，若要超调小，则难以保证快速性；而若要动态过程快，则超调量将必然增大。

因此它更加无法满足多电机控制的需要。

虽然以上各种控制方案在某种程度上提高了多电机同步控制的精度，但是由于任何从电机受到的扰动不会影响主电机，也不会影响其它的从电机。

因此这种同步控制策略用在对同步精度要求不是很高的工业生产中，因为当负载发生变化时，电机之间的同步精度不能得到很好的保证。

因此，这种控制方式有一定的局限性，很难获得良好的协调性能。

③电子虚拟总轴控制策略
电子虚拟总轴控制策略最早由Meyer和Lorenz在1999年提出，由Logcnz和Valenzuela进一步将其发展，以两台电动机为例，其控制原理图如图3.3所示。

虚拟总轴方案模拟了机械总轴的物理特性，因而具有与机械总轴相似的固有同步特性。

虚拟主轴系统的输入信号经过主轴的作用后，得到单元驱动器的参考信号，即参考输入角速度，也即单元驱动器同步的是参考输入信号而非系统的输入信号。

由于该信号是经过主轴作用后得到的，经过过滤后的信号，因此该信号更易于为单元驱动器所跟踪，从而提高同步性能。

但是虚拟总轴控制系统在启动，负载发生扰动，停机的过程中，轴之间会产生不同步的现象，并且在主参考值和每个轴之间会保持一个恒定的偏差。

图3.3双电机虚拟主轴系统结构图
Fig3.3 Structure of two-motor system structure of the virtual axis
3.2.3主从同步控制在移车台上应用的简述
本节简单介绍了主从同步控制系统在移车台上的应用，目的是想说明移车台同步控制方案的多样性，我们可以从这些方案中进行综合比较，选择一种最合适的控制方式。

①主从同步控制系统的硬件构成
移车台属于大跨度同步驱动设备，根据3.1节的讲述，我们在选择驱动技术上，采用变频调速驱动。

主轴由一个矢量变频器控制，在电机上安装旋转编码器，将电机输出转速接回变频器，构成闭环控制，提高系统控制精度，相对U/f变频器构成的开环系统，其控制精度能够提高10%左右。

从轴在控制上和主轴基本一致，只是在给定速度上变成了主轴的输出速度，使从轴在运行过程中速度始终跟随主轴，保持移车台两边驱动的同步性。