自动分钢系统在重轨加工线的研究与应用.pdf

问题研究第41卷2 0 2 3年第4期（总第2 2 6 期）自动分钢系统在重轨加工线的研究与应用高江明，刘星光，刘芳鸣（武钢有限条材厂大型分厂，湖北武汉430 0 8 0）【摘要】针对重轨加工线分钢台架存在的问题，开展自动分钢系统的研究及应用，选用横移小车作为移钢装置，采用格雷母线技术精确定位，实现分钢台架操作自动化，减少轨底横向划伤，确保钢轨质量，提高生产效率。【关键词】重轨；划伤缺陷；自动分钢；横移小车；格雷母线Research and Application of Automatic Rail Transfering Systemin Heavy Rail Processing LineGao Jiangming,Liu Xingguang,Liu Fangming(Large Branch Plant of Rod Plant in Wuhan Iron and Steel Co.,Ltd.,Wuhan Hubei 430080)Abstract In view of the problems existing in the rail transfering bench of the heavy rail processing line,we carry out theresearch and application of automatic rail dividing system,select the traverse trolley as the rail transfer device,and use Gray busbar technology to accurately position the rail dividing bench operation,reduce the lateral scratch of the rail bottom,ensure thequality of the rail and improve production efficiency.Key Words heavy rail;scratching defect;automatic rail transfering bench;transverse trolley;gray bus bar1概述大型分厂重轨加工线分钢台架采用链式移钢机构实现钢轨在台架上的横向移动运输，分钢台架总长10 3m，包含1条输人辊道线和4条输出辊道线。4条输出辊道线分别是1条返回检测辊道线和3条钢轨锯钻加工辊道线。CP12横移分钢台架5组辊道线共有6 组摆动升降链机和2 组固定式链式移钢机。8 组链条式移钢机，每组链机包含26个链架，由串联同步轴通过各链架主动链轮驱动链条移钢，全台架共有链条2 0 8 根。分钢台架主要用于检测探伤完成后，将钢轨合理分配至3条锯钻加工线进行加工，因此对生产效率影响较大。2存在的问题重轨加工线CP12分钢台架使用摆动升降链式移钢机。链机结构复杂，链条、链轮数量庞大，与钢轨底部接触点多。由于链架滑轨和链条磨损，钢轨底部与链条接触点受力不均，链条松紧不一，钢轨横移过程中链条同步性差，部分托钢链节相对于轨底发生滑动。日常生产中，钢轨在台架上由链条拖动横移时存在较大的轨底横向划伤风险，且风险点多，分布无规律，难以排查。铁标中明确规定钢轨底部不得有横向冷划痕，但重轨加工线台架的全链条式移钢设计很难避免偶尔在钢轨底部造成的横向冷划伤。由于台架区域钢轨位置检测传感系统设计不完善，定位控制精度差，台架运行自动化程度低，日常生产基本依靠手动操作，同时，由于缺乏准确且稳定可靠的物料定位跟踪系统支撑，重轨加工线L2级系统常因钢轨跟踪信息错乱而无法正常使用。由于链条传送速度仅为0.3m/s，导致分钢台架仅能达到2 0 支/h过钢量，远远小于轧线生产节奏，成为制约生产的瓶颈。因此，研究一种能够快速合理地自动输送百米钢轨，避免轨底产生划伤，提高生产效率的自动分钢系统，是非常必要的。3自动分钢系统的研究自动分钢系统应该是一种具有同步动作、准确定位、集中控制的钢轨转运装置，可对10 0 m左右长度的钢轨进行单根平移转运。系统由钢轨运输装置、电气控制系统、物料定位跟踪系统等3部分组成。问题研究第41卷2 0 2 3年第4期（总第2 2 6 期）3.1钢轨运输装置分类及工作原理3.1.1升降横移小车装置的分类钢轨运输是由升降横移小车装置来实现的。根据驱动方式，目前升降横移小车装置分为3类。（1）油缸驱动升降横移小车：油缸驱动升降横移小车结构见图1。垂直顶升机构水平驱动机构行走小车图1油缸驱动升降横移小车在油缸驱动升降横移小车结构中，现有台架水平过跨距离为5.5m和9.5m，油缸的行程决定了油缸外形尺寸过大，导致安装尺寸占地太大，不适合现有台架设备布置。（2）链传动升降横移小车：链传动升降横移小车结构见图2。钟垂直顶升机构水平驱动马达O行走小车传动链条图2 链式升降横移小车链传动升降横移小车适宜现场长距离过跨布置，但链传动分松紧边，启动或换向时紧边承受冲击，影响链条寿命。同时，链条链轮的机械间隙会导致启停及定位同步性差。（3）自传动升降横移小车：自传动升降横移小车结构见图3。寻轨方向单边托轨叉运轨方向自行式单元图3自动升降横移小车自传动升降横移小车采用自行走方式，把行走电机装在小车上，只需在单元控制托缆中增加行走电机动力线，通过可靠的检测系统和控制系统配合，完成小车同步升降及启停，结构简单且可靠性大大提高，该运输方式已在各大城市焊轨基地广泛采用。综上所述，采用自传动升降横移小车形式较为合理，小车顶升机构采用电液或电动推杆驱动，小车横移驱动采用电机驱动，电机安装于小车车体上。3.1.2升降横移小车装置工作原理升降横移小车装置主要由车架、行走驱动、升降部件、走行电机等组成。升降部件上有钢轨顶升平台，液压系统提供升降动力，走行电机提供走行动力，驱动小车行走，其结构如图4所示。承载区导向机构升降机构车架行走机构图4横移小车结构图（1）横移小车平移钢轨工艺流程：顶升一顶升确认一水平向前一水平确认一下降一下降确认一水平返回一寻轨一寻轨确认。（2）横移小车防侧翻装置：横移小车行走在2 条轨道上，主动、被动轮安装在底部机架上。每条轨道前后各有1个主动轮和1个被动轮，为了防止小车倾翻，在每条轨道安装1对安全夹。安全夹固定在底部机架上，随小车一起行走，安全夹与轨道斜面留有3 4mm间隙，保证小车行走时无障碍，同时也保证小车行走不倾翻，如图5所示。平移小车防倾翻截面图底部机架平移小车小车轨道防侧翻安全夹455图5横移小车防侧翻示意图问题研究第41卷2 0 2 3年第4期（总第2 2 6 期）3.2电气控制系统电气控制系统主要由位置检测和控制系统组成，可实时检测小车行走全程范围内的位置信息。顶升高度定位采用的是传感器位置检测3.2.1检测系统横移小车在运行过程中的位置检测利用格雷母线检测原理，实时检测小车举升的高度及小车行走全程范围内的位置信息。格雷母线位置检测相互靠近的格雷母线和天线箱之间的电磁耦合进行通信，并在通信的同时检测到天线箱在格雷母线上的位置。地址编码发射器和天线箱连接，天线箱安装在移动站，通过天线箱发射地址信号，格雷母线接收到地址信号后送到安装在固定站上的地址编码接收器，地址编码接收器对地址信号解析并完成地址检测，得到天线箱的位置。该系统格雷母线仅由1对交叉线和1对平行线组成，通过一个最小的地址检测系统来描述地址检测工作原理，如图6 所示。3.2.2控制系统控制系统由1个中心控制站和2 6 台现场控制站组成，中心控制站控制所有的现场控制站。中心控制站和现场控制站组成分布式的控制结构，采用现场总线控制技术（FCS）。当操作员通过中心控制站控制横移小车时，命令先由操作台下发到主站PLC中，再由主站PLC向各现场控制站PLC下发操作命令，现场控制站PLC接收命令并通过逻辑判断控制各执行机构（横移小车）完成主站下发的命令。横移小车地址、举升位置、控制机构是否工作正常等信息，将实时通过系统总线反馈到主站PLC中，主站通过上位机面板将信息显示出来。如图7 所示。“0地址“1地址4发射器发射器发送信号发射器天线箱天线箱接收器X接收器XWAA交叉线接收信号交叉线接收信号A平行线接受信号平行线接受信号相位差同相反相1800“0”图6 格雷母线检测原理示意图控制中心PLCR.S485总线1#小车2#小车3#小车9#小车PLCPLCPLCPLC图7 控制结构图（1）中心控制站：中心控制台包括PLC、通信单元、显示单元、操作按钮等构成。显示屏动态显示各设备的运行状态和报警指示，并直观的显示与记录。通过操作控制屏上相应的控制按键，可完成各横移小车的选择和控制。显示单元可动态显示各横移小车当前所在的位置、控制方式和报警等信息。显示单元可输人相关控制信息与控制指令，完成各横移小车的操作与控制。通信单元采用现场总线与每个现场控制站进行通信，确保所有横移小车能同步工作。（2）现场控制站：现场控制站由PLC、变频器、走行格雷母线定位装置、通信单元、举升位置格雷母线定位装置和横移小车等组成。系统结问题研究第41卷2 0 2 3年第4期（总第2 2 6 期）构见图8。通信单元现场控制单元小车移动控制信号输出横向位置信号举升位置信号图：8 系统结构图（3）系统工作步骤：工作周期开始，横移小车从待机位开始向作业位运行，小车自动找寻到起始作业位辊道线上的钢轨位置，移轨小车停止走行。小车顶升机构开始顶升钢轨，顶升至目标位后停止顶升动作，小车开始移轨动作。全部小车移动钢轨抵达目标作业位，横移小车停止走行，小车顶升机构开始下放钢轨，将钢轨安放在目标作业位的辊道线上，小车返回待机位。以上动作均为同组小车同步进行，至此，一个工作循环完成。3.3物料跟踪系统对进人作业区域的钢轨物料从输人到输出整个流程，进行定位和跟踪。通过上位机指定钢轨的存放位置及走向，由横移小车执行移轨操作，作业完成后，将完成信号回传给上位机，上位机记录操作过程，并等待用户下一次指令。3.3.1系统构成系统构成见图9。系统由上位机、控制器和横移小车三部分构成，上位机与用户进行交互，上位机完成命令传输与信息存储，控制器接收上位机的命令，并控制横移小车运动，横移小车是执行机构，实现倒钢、接钢、送钢等动作。上位机控制器移轨小车图9系统构成图3.3.2系统工作流程系统工作流程见图10。以CP12号区域为例，钢轨进入“输人辊道”时给出可以接钢的信号，上位机接收生产系统传递过来的钢轨编号，在2 台小车中选择进行移轨操作的小车，上位机判定小车是否空闲，如果被占用，则需要用户重新进行选择。如果小车空闲，那么用户继续选择钢轨将要存放的地址。上位机将判断用户所选存放地址是否具备存轨条件，如果具备，则由横移小车执行移轨操作。如果不具备移轨条件，则系统自动进行等待，待条件满足后执行移轨操作。当钢轨被移动到“1线输出辊道”、“2 线输出辊道”上时，由检测工位对钢轨进行质量检查，如果检查合格，钢轨将离开CP12号区域，生产系统将判定信号传给上位机，此时该编号的钢轨在此区域的钢轨物料定位、跟踪流程结束。如果检查未通过，用户需要再次选择横移小车进行横移操作，系统重复执行一次上述流程，直至将钢轨移动到“3线输出辊道”上，生产系统将判定信号传给上位机，此时该编号的钢轨在此区域的钢轨物料定位、跟踪流程结束。此流程结束后，上位机自动保存每一根钢轨在此区域的物流信息备查，并输出相关物流信息数据给生产系统使用。钢轨进入输入辊道用户录入钢轨编号用户选择平移小车平移小车是否空闲是用户选择存放地址缓存台架输出辊道地址是香具备地址是否具备接钢能力接钢能力是是小车执行平移动作小车执行平移动作钢轨暂存检查是否合格香用户选择平移小车是平移至3线输出辊道结束图10 系统工作流程图8下转第12 页】问题研究第41卷2 0 2 3年第4期（总第2 2 6 期）4自动分钢系统在重轨加工线的应用自动分钢系统于2 0 2 1年12 月在重轨加工线投用，经过1年多运行，效果理想4.1分钢系统操作系统功能强大系统投用前，保极妆式保动操作，操作复杂，岗位劳动强度大。系统投用后，操作模式可分为全自动、半自动、手动操作3种，均在操作界面进行操作，操作画面功能强大；当生产较为顺畅时，可切换至全自动模式，无须人工干预。主要功能分为7 个小模块：（1）存轨状态显示：手动启动钢的调度后存放轨道位置会与实际匹配，轨道号显示即为在该存轨位上存有轨道；在进轨线和出轨线上显示有钢轨信号，运行停止信号。在有钢轨信号变黄时，该存轨位不能进行存轨操作，在运行停用信号变黄时，辊道启用，此时不能从进轨线和生产线取钢；“补钢”“输出”能够将当前钢的编号从画面中加人或者移除。（2）小车状态显示：每台小车（到位0、顶升高度、距离）采用背景框颜色显示小车当前状态，红色为未到位或者在执行过程中，绿色为已经到位；小车勾选时，小车液压高度与位置均变绿，表示该小车被选中，未选中则为黄色；小车“A01”底色为白色时表示小车在线，底色为黄色时表示小车掉线；AB组均有全选选项。（3）取放位置选择：用来选择每组小车取轨位置以及放轨位置，位置对应距离参数在“小车管理-下发参数”页面设置。（4）手动与自动操作：用来切换手动与自动模式，手动状态下小车可以执行顶升下降、前进后退；可以在手动模式下修改小车速度，急停可以立即停止小车动作，复位可以复位急停状态，变频器复位能够复位变频器参数。（5）总信号：显示急停状态、故障总状态、自动状态总信号；当“防撞启用”亮起后，表示1线轨道和2 6 线轨道AB两组小车距离很近了，且小车会停止运行。（6）存轨位位置值设定显示：小车9个存轨位位置信息、生产线位置；0 线用来判定进轨线是否能够送钢、总信号显示整体的故障信号情况。（7）报警信号显示：1号、2 号、3号用来显示每组3个存轨台上是否有存钢；1号生产线显示电机停止、无钢轨、运行停用信号，采用黄色和绿色显示当前进轨线状态4.2完善的连锁安全系统4.2.1小车互锁系统现场存轨位会存下许多钢，为了防止小车与存钢及辊道上的钢相撞，加入了小车互锁系统，以下为互锁生效条件：（1）自动避钢行走：当小车在辊道线外运行时，小车升起高度大于115mm，辊道上存在“有钢轨”信号或运转时，小车离需要跨越或到达的辊道12 0 0 mm时自动停止，当辊道上无钢或辊道停止运行后，小车继续自动行走到达设定的目标位置。（2）0 线取钢：在A组车去0 线取钢时，必须接收到“钢轨到位”信号，小车才会启动运行，当小车取完0 线辊道上钢轨且托起到位以后，辊道钢轨到位信号必须消失，小车才进行下一步动作。4.2.2小车防撞系统现场轨道1和轨道2 6 上均有A组和B组小车，为了防止端头同轨道两台小车相撞，需要对两台小车的距离进行限制，小车设定在相距3.2 m的时候启动防撞系统，此时小车会停止运动。仅需手动操作A组或B组中任意一组小车使两组小车间距大于3.2 m，另一组小车会继续自动运行。4.2.3小车偏差系统小车自动运行且在放轨道过程中时，若同组小车行走位置偏差值大于50 0 mm时，该组小车将会自动停止运行，此时必须手动操作小车到目标位置（任意存钢位或辊道线），且需调整偏差值缩小到40 0 mm内后。才可进行下一个流程操作。4.3生产效率提升系统投用前，由于链式输送速度较低，最快移钢速度为0.3m/s，小时过钢量仅为2 0 支；投用后，每组13台小车能够精确定位，同时横移小车车载由传统有线传输改为无线5G技术，采用了西门子无线模块，传输率高距离远，小车自动移钢速度可分为两档，低速挡0.6 m/s，高速挡0.7 5m/s，效率得到很大提升，过钢量大于2 4支/h。4.4防划伤效果分钢系统投用前，轨底划伤约为1%，造成百米轨改切；分钢系统投用后，轨底划伤降低为0.0 35%，因链条造成的划伤得到有效控制4.5实现重轨加工线物料跟踪通过记录钢轨进人台架后每一步动作，实现12上接第8 页问题研究第41卷2 0 2 3年第4期（总第2 2 6 期）创新发展，两者相辅相成，相互演进融合，形成增强闭环。技术中台是为了更好地支撑业务中台和数据中台快速建设，技术中台更偏“稳定”。业务是数据的来源，数据反哺业务，两者形成闭环，彼此驱动增强。（1）技术中台：将云或其他基础设施的各种技术中间件的能力整合并封装成微服务，提供规范一致的接口，负责完成消息传递、服务管理、数据分析、数据服务等方面的工作，为前台、业务中台、数据中台的建设提供支撑。（2）数据中台：数据业务化将业务数据化沉淀的数据，通过大数据、机器学习等方式，进行价值提炼，形成企业数据资产，提供决策支持，赋能前端业务。（3）业务中台：业务数据化将企业经营管理涉及的业务场景流程标准化、数据化，为数据中台提供完整的数据源，保证数据的可复用性。9数据化中台需要具备的核心能力传统工厂通过数字化中台实现工业现场管理黑盒化、可视化，由连接（生产要素）一可视（看到问题）一分析（找到深层原因）一预测（问题是否会再出现）一自适应（自主调节避免问题再次出现）到智能化（变现数据价值）。数据中台需要具备以下三个核心能力，才有可能进行规模化全线业务智能的建设。了精准实时画面显示物流信息5结语针对前期重轨加工线存在的一系列问题，开展了自动分钢系统的研究及应用，有效解决了轨底横向划伤缺陷，实现分钢操作手动、半自动、全自动多元化操作模式，自动化程度大幅提升，有效提升了生产效率。参考文献：1】梁正伟，李智丽，张凤明，等轨底划伤缺陷对高（1）大数据AI技术要具备工程化和平民化的能力：要让技术人员具备大数据的开发能力，即便无法达到数据智能和数据挖掘的高度，也要让相关人员掌握海量数据处理计算能力，从而使他们能够互相协作，进行企业大数据基础建设。（2）让数据高效发挥价值的能力：数据不会自身直接发挥价值，所以要进行海量数据的整合、治理，形成数据资产。部分项目在开展的时候，相关人员可以直接找到数据，在完成相关的采集和数据治理工作的同时，找到可用的数据，进行后续的数据处理工作。（3）项目复用协同落地的能力：在项目开展的过程中，需要数据能够高效协同复用，并规模化落地。在项目开展的过程中，最好的案例就是一个项目的实施，可以复用另外一个项目过程中的数据结果，数据模型在不同的项目之间协作运行或叠加，这一举措将大大提升项目推进的效率。10结语数据中台应具备强大的工业现场数据采集和处理能力、灵活自助的工业模型构建能力、内置丰富的工业数据可视化分析能力。随着时间推移和技术迭代，数据中台将加速企业数字化转型，赋能工厂“自我进化”。（2 0 2 2-12-30 收稿）速钢轨疲劳寿命的影响研究J包钢科技，2 0 2 2(48):1-5.2中华人民共和国铁道部.43 7 5kg/m钢轨订货技术条件：TB/T2344-2012S.北京：中国铁道出版社,2 0 12.3戴珂钢轨无滑伤台架研究 攀枝花学院学报，2 0 0 9（2 6）：46-54.4引张培才.新型百米钢轨集排收集横移小车介绍J冶金设备，2 0 0 9（17 7）：6 4-6 9.5熊诗.格雷母线在钢厂物料跟踪系统中的应用J.工业控制计算机，2 0 17（0 30）：93-95.（2 0 2 3-0 6-10 收稿）