CC BY
20
УДК 656.33:65.011.56
Я. Л. Либерман, Л. Н. Горбунова
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ВНУТРИЗАВОДСКОГО РЕЛЬСОВОГО ТРАНСПОРТА
В статье рассматривается проблема обеспечения точности позиционирования транспортирующих машин (железнодорожных кранов, мотовозов, электровозов и др.), перемещающихся по рельсовому пути на внутризаводском промышленном транспорте.
Для улучшения точности системы автоматизированного позиционирования, ориентированной на применение на внутризаводском рельсовом железнодорожном транспорте, предложено техническое решение, защищенное патентом РФ.
Известно, что наряду со специальными системами управления, решающими некоторую узкую задачу, но используемыми в транспортирующих машинах самых разных типов, существуют и системы управления узкоспециализированными транспортирующими машинами, предназначенные для почти однотипных машин. К таким системам могут быть отнесены, например, системы управления позиционированием внутризаводского рельсового железнодорожного транспорта. Подобный транспорт, имеющий, как правило, унифицированную ходовую часть, представлен весьма ограниченным типом: железнодорожными кранами сравнительно малой грузоподъемности, мотовозами, маневровыми электровозами. Эксплуатируются эти машины чаще всего совместно с общезаводскими и цеховыми складами, куда они доставляют штучные или размещенные в таре грузы и забирают их оттуда.
Для осуществления требуемого манипулирования грузами указанные выше транспортирующие машины необходимо останавливать в тех или иных точках (позициях) рельсового пути с достаточно высокой точностью, что и обеспечивается с помощью специальных систем управления позиционированием.
Обычно внутризаводским транспортом управляют машинисты, которые ведут наблюдение за тем, нет ли на пути движения машины объектов, создающих опасную ситуацию, определяют момент достижения машиной нужной позиции остановки, подают приводу машины команду на торможение и остановку. Для обеспечения точности определения момента достижения машиной нужной позиции используют специальные устройства, которые выдают машинисту информацию о текущем положении или перемещении машины. Системы управления позиционированием образуются этими устройствами в сочетании с самим машинистом и элементами исполнения подаваемой им команды «стоп». Поскольку в такой системе оказывается задействованным человек, она получается не автоматической, а автоматизированной, однако именно это обеспечивает ее безопасность и надежность. Тем не менее существующие системы позиционирования рельсового транспорта, подобные описанной, не лишены недостатков, и главный из них - невысокая точность отсчета перемещений транспортирующей машины.
В настоящее время устройства, выдающие машинисту информацию о положении или перемещении машины, выполняются по разным принципам. Первый из них (рисунок 1, а) заключается в установке на рельсе релейного индуктивного датчика.
С помощью кронштейна 1 сбоку рельса закрепляется коробка 2 с блоком питания и передачи сигнала от индуктивного датчика 3. Последний располагается так, чтобы некоторое колесо 4 транспортирующей машины при ее движении по рельсу 5 своей ребордой могло входить в магнитное поле датчика. Кронштейн 1 может быть размещен в различных местах рельса. Для этого он снабжен крепежными элементами: прижимом 6, парой «винт - гайка» 7 и направляющей пружиной 8. Ослабив крепежные элементы, кронштейн 1 вместе с коробкой
№ 1(17) ОЛИ Л ИЗВЕСТИЯ Транссиба 89
2014 1
2 и датчиком 3 устанавливают в требуемой позиции остановки машины. После этого крепежные элементы затягивают. Когда при перемещении машины реборда ее колеса оказывается над датчиком, он выдает сигнал на индикаторное табло (на рисунке 1, а не показано), и машинист, видя это, подает на привод машины и ее тормоза команду «стоп».
Совершенно ясно, что точность позиционирования машины с описанным устройством весьма мала, поскольку зона взаимодействия колеса и датчика имеет существенные нестабильные размеры. Кроме того, применение данного устройства чрезвычайно неудобно из-за того, что при изменении требуемой позиции остановки машины кронштейн с датчиком необходимо переустанавливать.
Более удобны в эксплуатации и имеют более высокую точность устройства, показанные на рисунке 1, б, в. Их действие основывается на использовании свойств щебня 9, заполняющего промежутки между шпалами рельсового пути, применения импульсного энкодера 10, соединенного с роликом, опирающегося на рельс 11, или вертикально направленного между рельсами лазерного дальномера 12.
а б в
Рисунок 1 - Существующие устройства определения положения и отсчета перемещений машины: а - с индуктивным датчиком; б - с импульсным энкодером; в - с лазерным дальномером
Ролик закрепляется на днище машины через пружину, поднимающую его к рельсу, а дальномер - там же, но жестко. При движении машины энкодер выдает прямоугольные импульсы, а дальномер - импульсы произвольной формы, но разные по среднему уровню в зависимости от того, со шпалой или щебнем взаимодействует луч дальномера [1 ]. Если выход энкодера напрямую, а выход дальномера через формирователь импульсов соединить со счетчиком импульсов с цифровым табло, то машинист сможет определять текущее положение машины и при достижении ею требуемой позиции или с некоторым упреждением подавать на ее привод команду «стоп».
Преимущества систем позиционирования с энкодером и систем с дальномером очевидны. Однако первые зачастую работают с большими накопленными погрешностями, вызванными проскальзыванием и износом ролика, а вторые не всегда обеспечивают требуемую точность позиционирования из-за низкой дискретности, равной расстоянию между осями шпал. Накопленные погрешности в первых системах принципиально неустранимы. Что касается дискретности систем с дальномером, то ее вполне возможно повысить. Реализуя эту возможность, для повышения дискретности устройства отсчета перемещений, построенного на базе дальномера, и увеличения точности системы автоматизированного позиционирования, ориентированной на применение на внутризаводском рельсовом железнодорожном транспорте, авторы статьи предложили техническое решение, описываемое ниже и защищенное патентом РФ № 128316 [2].
Предложенное решение базируется на применении дублирующего дальномера, устанавливаемого относительно основного дальномера на расстоянии, равном промежутку между шпалами в направлении движения транспортирующей машины. Указанный промежуток при
90 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 1(17) 2014
прокладке внутризаводских рельсовых путей выполняется, как правило, вдвое шире шпалы. Это обусловлено тем, что в отличие от магистральных путей с шириной колеи 1520 мм, где обычно используются рельсы типа Р50 или Р65, шпалы шириной М = 250 мм и количество шпал N на рельсовое звено принимается равным 40, 46 или 50, при строительстве путей на промышленных предприятиях используют рельсы уменьшенного размера типа Р43, шпалы шириной М = 230 м, а количество шпал N на звено длиной Ь = 25 м принимают равным 36 [3]. Согласно утверждению в работе [4] ширина промежутка между шпалами
А = [(Ь - В)/^ - 1)] - М, (1)
где В - расстояние между стыковыми шпалами.
Поскольку В обычно равно 0,4 м, для промышленных предприятий ширина промежутка между шпалами
А = [(25 - 0,4)/35] - 0,23 ~ 0,47 м.
Величина А оказывается практически равной 2М, что и позволяет без особых технических затруднений осуществить предложение.
Схема устройства отсчета перемещений по патенту РФ № 128316 «Путевая машина» показана на рисунке 2. Входные элементы устройства предназначены для бесконтактного измерения дистанции по вертикали между транспортирующей машиной и путем, монтируются на днище машины 1 между рельсами 2 и представляют собой первый 4 и второй 5 лазерные дальномеры со считывающими головками 6 и 7.
а б
Рисунок 2 - Устройство отсчета перемещений по патенту РФ № 128316: а - схема расположения лазерных дальномеров; б - логическая схема устройства
Устройство снабжено первым 8 и вторым 9 формирователями импульсов, первым 10, вторым 11 и третьим 12 логическими элементами «НЕ», первой 13, второй 14, третьей 15 и четвертой 16 дифференцирующими цепями, первым 17 и вторым 18 логическими элементами «ИЛИ», первым 19 и вторым 20 логическими элементами «И», реверсивным счетчиком импульсов 21, цифровым индикатором 22 и указателем направления движения машины 23.
При движении машины вдоль рельсового пути будет происходить следующее (рисунок 3). Считывающее устройство 6 или 7, взаимодействуя со шпалами 3, будет выдавать сигналы низкого уровня, а взаимодействуя с разделяющими шпалы участками со щебнем, - сигналы относительно высокого уровня (рисунок 3).
№ 1(17) оли л ИЗВЕСТИЯ Транссиба 91
2014 1
дальномер 4 (счит. устр. 6) дальномер 5 (счит. устр 7)
дых од форм. 8 быход форм. 9 быход "не" М дыход "не" <° быход "или"
Рисунок 3 - Временная диаграмма работы устройства по патенту РФ № 128316
Проходя через формирователи импульсов 8 и 9, эти сигналы приобретут прямоугольную форму. Далее они поступят на дифференцирующие цепи 13 и 14 и на элементы «НЕ» 10 и 11. Последними они будут инвертированы, но прямоугольную форму сохранят. С выходов элементов «НЕ» инвертированные импульсы поступят на дифференцирующие цепи 15 и 16. Дифференцирующие цепи 13 - 16 «вырезают» из поступивших на них импульсов передние фронты и пропускают их дальше.
Если машина 1 движется по рельсам 2 «вперед» («вправо»), то передними фронтами импульсов, поступающих на дифференцирующие цепи, являются левые фронты. Если машина движется «назад» («влево»), то передними окажутся правые фронты. Пропуская «вырезанные» импульсы с выходов дифференцирующих цепей 13 - 15 на входы элемента «ИЛИ» 17, получим на выходе этого элемента непрерывную последовательность импульсов, соответствующую движению машины «вперед». Аналогично, пропуская «вырезанные» импульсы с выходов дифференцирующих цепей 14 - 16 на входы элемента «ИЛИ» 18, получим на выходе этого элемента непрерывную последовательность импульсов, соответствующую движению машины «назад», Интервал импульсов в том и другом случае будет примерно соответствовать ширине шпалы.
В зависимости от того, «вперед» или «назад» движется машина, указатель 23 направления движения машины (он связан с приводом машины общеизвестным образом) выдает сигнал «0» или «1» («0» - «вперед», «1» - «назад»). Поэтому при движении машины «вперед» на второй вход элемента «И» 19 поступит «1» (это «0», инвертированный элементом «НЕ» 12). На первый вход элемента «И» 19 при движении машины «вперед» будут поступать импульсы с выхода элемента «ИЛИ» 17. В результате эти импульсы будут проходить через элемент «И» 19 и поступать на суммирующий вход реверсивного счетчика 21. При движении машины «назад» сигнал «1» от указателя 23 направления движения машины будет подан на второй вход элемента «И» 20. На первый вход элемента будут поступать импульсы с выхода элемента «ИЛИ» 18. Эти импульсы будут проходить через элемент «И» 20 и поступать на вычитающий вход реверсивного счетчика 21. Получается, что при движении машины «вперед» на выходах счетчика 21 будут появляться двоичные числа с дискретностью примерно в одну шпалу, характеризующие расстояние, пройденное машиной «вперед». Если же машина теперь начнет двигаться «назад», то числа на выходе счетчика 21 начнут, соответственно, уменьшаться. Числа с выхода счетчика поступают далее на выходы устройства цифровой индикации 22. В результате индикатор будет показывать машинисту и путь, пройденный
92 ИЗВЕСТИЯ Транссиба ^Т*
машиной, и ее текущее положение с момента начала движения. Учитывая то, что период следования импульсов, поступающих на счетчик, примерно равен ширине одной шпалы, можно полагать, что именно ширина одной шпалы определяет погрешность отсчета перемещений и расстояний, пройденных предлагаемой машиной. Принято считать, что при известном периоде следования импульсов в измерительной последовательности импульсов, погрешность измерения равна половине периода следования импульсов. Таким образом погрешность определения расстояний, пройденных транспортирующей машиной при ее движении, будет равна примерно половине ширины шпалы (втрое меньше, чем у устройства, описываемого в источнике [1]). Причем эта величина не зависит от пройденного машиной расстояния.
На базе рассмотренного устройства разработана автоматизированная система позиционирования широко используемого в промышленности мотовоза МПТ-4. Манипулятор мотовоза, установленный на крыше кабины и дистанционно управляемый из нее, при этом был заменен манипулятором 80-251-51 с аналогичными техническими характеристиками [5], но устанавливаемым на платформе сзади кабины. Там же был размещен и пульт управления манипулятором. Это повысило удобство работы машиниста мотовоза при выполнении им погрузочно-разгрузочных операций с помощью манипулятора и освободило место в кабине для аппаратуры устройства отсчета перемещений, в частности, блока цифровой индикации. Устройства управления приводом и тормозами мотовоза изменениям не подвергались. Для установки же дальномеров под кабиной были расположены кронштейны. На них болтами были закреплены два лазерных дальномера ЬБМ41, имеющие диапазон измерения 0,1 - 30 м и точность ±2 мм. Их потребляемая мощность - 1,5 Вт, напряжение питания -10 - 30 В. Входной сигнал токовый - от 4 до 20 мА.
Разработанная система позиционирования и модернизированный с ее применением мотовоз могут существенно повысить производительность транспортно-складских систем промышленных предприятий (становится ненужным реверсивное движение мотовоза при позиционировании, к которому в настоящее время часто приходится прибегать для обеспечения точной остановки). Поскольку точность позиционирования улучшается, появляется возможность уменьшить коэффициенты запаса по габаритным размерам складов, совместно с которыми работает мотовоз. Экономически применение описанной системы, по-видимому, также целесообразно, так как она может быть построена на типовых микросхемах и себестоимость ее невелика.
Список литературы
1. Пат. 2228988 Российская Федерация, МПК Е 01 В 35/06, G 01 С 3/00. Машина и способ для определения положения шпал рельсового пути [Текст] / Й. Тойрер, Б. Лихтбергер (Австрия). - № 2002121059; Заявлено 08.08.2002; Опубл. 20.05. 2004. Бюл. № 5.
2. Пат. 128316 Российская Федерация, МПК О 01 С 3/00. Устройство для определения расстояний, пройденных машиной по железнодорожному пути [Текст] / Я. Л. Либерман, Л. Н. Горбунова (Россия). - № 2012153511; Заявлено 11.12.2012; Опубл. 20.05. 2013. Бюл. № 14.
3. СНиП 2.05.07-91*. Промышленный транспорт. Железнодорожный транспорт шириной колеи 1520 мм [Текст]. М., 1996. - Гл. 3. - 120 с.
4. Виноградов, В. В. Расчеты и проектирование железнодорожного пути: Учебное пособие [Текст] / В. В. Виноградов, А. М. Никонов, Т. Г. Яковлева. - М.: Маршрут, 2003. - 486 с.
5. Гурин, М. А. Проектирование ручных манипуляторов: Учебное пособие [Текст] / М. А. Гурин / Уральский политехн. ин-т. - Свердловск, 1986. - 112 с.
№ 1(17) ОЛИ Л ИЗВЕСТИЯ Транссиба 93
2014 1
