自動(dòng)裝車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

高科

【摘 ?要】應(yīng)用于實(shí)際工程中的自動(dòng)裝車控制系統(tǒng)，以及在自動(dòng)裝車過程中的應(yīng)用、控制方案的實(shí)現(xiàn)，顯現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)良品質(zhì)。

【關(guān)鍵詞】自動(dòng)裝車;控制系統(tǒng)

近幾年來，國家和地方對超載超限車輛查處力度加大，這就要求裝車計(jì)量要盡量準(zhǔn)確，以確保雙方的經(jīng)濟(jì)利益。

一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

1.操作簡單，無人值守?，F(xiàn)場通過傳感器檢測來控制溜槽的裝車，通過視頻監(jiān)控來檢測系統(tǒng)的裝車過程。

2.工藝成熟、技術(shù)先進(jìn)。全自動(dòng)汽車裝車的工藝與原半自動(dòng)裝車系統(tǒng)相同，根據(jù)汽車遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)終端（RDT）向PLC內(nèi)預(yù)設(shè)噸位，通過液壓閘門和溜槽控制，向行進(jìn)中的列車車廂快速卸料，實(shí)現(xiàn)連續(xù)、快速、準(zhǔn)確裝車。通過控制室即可完成整個(gè)裝車線的連續(xù)化生產(chǎn)控制，逐步減少現(xiàn)場操作人員，最終達(dá)到“一人一線”的自動(dòng)化控制水平。

3.全過程連續(xù)，全自動(dòng)和手動(dòng)兩種裝車模式。整個(gè)裝車過程從產(chǎn)品倉到汽車車廂形成閉環(huán)控制，系統(tǒng)連續(xù)自動(dòng)完成所有裝車作業(yè)。手動(dòng)運(yùn)行模式應(yīng)該被代表性的主要用于測試模式，在系統(tǒng)災(zāi)難性損壞或者不常用的卡車/拖車情況下，它也可以被操作員用于裝車。

二、需求分析及硬件設(shè)計(jì)

1.需求分析。通過PLC控制自動(dòng)裝車系統(tǒng)。指標(biāo)如下：（1）每輛車裝煤25噸，裝煤精度達(dá)到千分之四;（2）裝車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足現(xiàn)場的需求，現(xiàn)場有前后紅外柵欄，通過傳感器實(shí)現(xiàn)對加煤車位置的監(jiān)測。并通過現(xiàn)場交通控制燈的亮滅情況顯示加煤車位置和裝車進(jìn)度。（3）控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度要高，通過PC機(jī)和工控、PC機(jī)和稱重儀表之間的實(shí)時(shí)通信使整個(gè)裝車的運(yùn)行均在程序控制下進(jìn)行。系統(tǒng)上電后即可進(jìn)入全自動(dòng)控制的運(yùn)行狀態(tài)，煤礦技術(shù)人員只需實(shí)時(shí)觀察PC機(jī)上的數(shù)據(jù)就可明白現(xiàn)場的裝車狀態(tài);（4）在不影響煤礦安全生產(chǎn)的前提下，每輛車的加煤控制時(shí)間要盡可能的短;（5）裝車控制系統(tǒng)檢測和排查系統(tǒng)的故障能力要高，能夠?qū)ρb車現(xiàn)場各種可能的人為或非人為的因素導(dǎo)致的裝車系統(tǒng)的干擾進(jìn)行實(shí)時(shí)、巧妙地監(jiān)控、排除，減少現(xiàn)場的突發(fā)事故給企業(yè)帶來的損失。

2.基本硬件結(jié)構(gòu)框圖分析。（1）輸入部分。輸入信號包括通過RS-485數(shù)據(jù)線傳輸?shù)男盘柡屯ㄟ^技術(shù)人員輸入的數(shù)據(jù)。通過RS-485數(shù)據(jù)線傳輸?shù)男盘柊ǎ悍Q重儀表數(shù)據(jù)、紅外柵欄傳感器信號通過端口0實(shí)現(xiàn)信號傳輸。通過技術(shù)人員輸入的數(shù)據(jù)包括：裝車數(shù)據(jù)和裝車狀態(tài)請求信號。（2）輸出信號。輸出信號包括：交通燈控制信號、開關(guān)打開控制信號以及關(guān)閉開關(guān)控制信號。（3）工控機(jī)和PC機(jī)通信。工控機(jī)和PC機(jī)之間是通過端口1進(jìn)行的雙向通訊方式，裝車系統(tǒng)啟動(dòng)后工控發(fā)送每輛車的加煤數(shù)據(jù)和裝車狀態(tài)請求信號給PC機(jī)。PC機(jī)接收到公控發(fā)來的數(shù)據(jù)后，經(jīng)過檢測、計(jì)算后通過XMT指令將數(shù)據(jù)傳送給工控機(jī)。（4）S7-200供電。提供直流供電和交流供電兩種CPU模塊的連線方式。在安裝和拆除任何電氣設(shè)備之前必須確認(rèn)該設(shè)備的電源已斷開。

三、自動(dòng)控制系統(tǒng)的選型

1.自動(dòng)控制模型。自動(dòng)控制模型采用最基本的簡單控制回路。

2.流量計(jì)?，F(xiàn)有流量計(jì)為電磁流量計(jì)，具有4～20mA模擬輸出和脈沖輸出。

3.控制閥的選型?？刂崎y無需調(diào)節(jié)流量，只需具備開、關(guān)2種狀態(tài)，因而使用切斷型的閥門即可。由于罐區(qū)遠(yuǎn)離主生產(chǎn)裝置，沒有儀表氣源，因此選擇電動(dòng)球閥較為合理。如果有條件使用氣動(dòng)切斷閥，還要考慮閥門瞬間切斷對管道和泵的沖擊，因此一般使用兩段式球閥，在此不作進(jìn)一步分析。

4.控制器的選型。首先討論“余量”的概念。從模型中可以看出，當(dāng)比較器計(jì)算輸出≥0時(shí)，立刻關(guān)閉閥門，但從控制器發(fā)出信號到閥門全部關(guān)閉，需要一定的時(shí)間，氣動(dòng)閥門關(guān)閉的時(shí)間很短，可以忽略不計(jì)，而電動(dòng)球閥卻需要較長的時(shí)間，DN150的閥門約需30 s，把這段時(shí)間內(nèi)流經(jīng)流量計(jì)裝入貨車的累積流量，稱“余量”。例如寧波鎮(zhèn)洋化工發(fā)展有限公司正常裝車流量80 m3/h計(jì)算，每車余量可以達(dá)到0.5 t以上，而且這個(gè)量與泵入口靜壓頭（即液位）、流量等因素有關(guān)，是一個(gè)不確定的、難以準(zhǔn)確估計(jì)的量，顯然，這是一個(gè)必須解決的問題。為解決這個(gè)問題，再引入“自動(dòng)余量補(bǔ)償”的概念。一般來說，在連續(xù)2次裝車期間，儲罐液位變化非常小，泵的輸送能力也不會有明顯變化，也就是說，連續(xù)2次裝車的余量幾乎是相同的，如果后一車的裝車設(shè)定值減去前一車裝車的余量，作為實(shí)際的裝車設(shè)定值，那么這個(gè)余量就得到了補(bǔ)償，裝車將會比較準(zhǔn)確。只是余量是由控制器自動(dòng)計(jì)算更新，對操作人員來說是不可見的，稱之為“自動(dòng)余量補(bǔ)償”。通過上述討論，可以發(fā)現(xiàn)普通的批量控制器（二次儀表）并不適合用于自動(dòng)裝車系統(tǒng)，根本原因在于它不具備自動(dòng)余量補(bǔ)償?shù)墓δ?。而廣泛應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)的單臺小型PLC，因其具有豐富的運(yùn)算指令、定時(shí)器和計(jì)數(shù)器，則完全可以輕而易舉地實(shí)現(xiàn)該功能，更因其低廉的價(jià)格獲得市場的廣泛青睞。

5.人機(jī)界面的選型。人機(jī)界面對操作人員來說是必不可少的，它可以是最簡單的文本編輯器，或者是觸摸屏，甚至是PC機(jī)。當(dāng)然所選設(shè)備越高檔，實(shí)現(xiàn)的功能尤其是統(tǒng)計(jì)功能就可以越復(fù)雜，但不一定有實(shí)際的意義。從另一方面講，自動(dòng)裝車關(guān)鍵在于單次裝車量的準(zhǔn)確程度，與人機(jī)界面無關(guān)，人機(jī)界面主要用于操作員輸入設(shè)定值，操作越簡單越好。因此，從實(shí)用的角度出發(fā)，優(yōu)先選擇文本編輯器，如西門子TD200，其占用空間小，操作便捷，經(jīng)實(shí)踐證明，非常受操作人員歡迎。

四、裝車控制系統(tǒng)的構(gòu)成和基本配置

裝車系統(tǒng)由：流量計(jì)、數(shù)控閥、防靜電接地開關(guān)、防溢流液位開關(guān)及定量裝車控制儀組成。根據(jù)裝車現(xiàn)場的實(shí)際分布情況，設(shè)計(jì)方案如下：在現(xiàn)場每1個(gè)裝車鶴位旁安裝1臺隔爆型分布式定量裝車控制儀，這些控制儀具備通過通信線路與遠(yuǎn)方上位機(jī)聯(lián)機(jī)的能力，即裝車控制分散和裝車業(yè)務(wù)管理集中的方案。分布式定量裝車控制儀具有就地完成裝車作業(yè)的采集、計(jì)算、處理和控制等功能。其他裝車業(yè)務(wù)管理功能則借助于控制室的上位機(jī)，該上位機(jī)能從現(xiàn)場的定量裝車控制儀獲取數(shù)據(jù)并能向定量裝車控制儀發(fā)送數(shù)據(jù)和命令。這種配置的優(yōu)點(diǎn)是現(xiàn)場工人可以在鶴位旁邊的定量裝車控制儀上觀察到裝車的進(jìn)程和數(shù)據(jù)，現(xiàn)場流量計(jì)和閥門的電纜只需拉到就近的定量裝車控制儀上，而不必拉到遠(yuǎn)方的控制室，而且從定量裝車控制儀到控制室的裝車業(yè)務(wù)，上位機(jī)的通信電纜可以采用總線形式，不必點(diǎn)對點(diǎn)單獨(dú)拉線，從而可以節(jié)省大量的電纜。

五、自動(dòng)裝車系統(tǒng)基本功能的實(shí)現(xiàn)

PLC采用周期掃描的方式，周而復(fù)始地循環(huán)逐條執(zhí)行程序指令集。為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝車的基本功能，程序集至少包括以下幾個(gè)部分。

1.通電初始化，變量和內(nèi)存清零。

2.當(dāng)檢測到裝車設(shè)定編輯通知位時(shí)，執(zhí)行計(jì)算：實(shí)際設(shè)定值=裝車設(shè)定值一余量，余量累積計(jì)數(shù)器和脈沖計(jì)數(shù)器清零，并復(fù)位編輯通知位。

3.流量信號輸入脈沖計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，轉(zhuǎn)換為累積流量。

4.累積流量<實(shí)際設(shè)定值時(shí)，打開閥門;累積流量≥實(shí)際設(shè)定值時(shí)，關(guān)閉閥門，同時(shí)啟動(dòng)余量累積計(jì)數(shù)器，定時(shí)為30 s（視閥門關(guān)閉所需的時(shí)間而定），將其轉(zhuǎn)換為余量。設(shè)計(jì)程序時(shí)，TD200面板首頁文本和數(shù)據(jù)宜顯示當(dāng)前累積值和設(shè)定值，其他頁面可根據(jù)需要設(shè)計(jì)。

六、自動(dòng)裝車系統(tǒng)的可選輔助功能的實(shí)現(xiàn)

1.TD200面板可增加顯示余量，該值可作為通電后首車設(shè)定值的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.TD200面板可增加顯示瞬時(shí)流量，單位為m3/h，但要注意的是在PLC程序計(jì)算瞬時(shí)流量時(shí)，脈沖系數(shù)因子必須與流量計(jì)組態(tài)完全一致，否則會導(dǎo)致兩者顯示值不同。PLC計(jì)算瞬時(shí)流量的方法是取一定時(shí)間（如幾秒鐘）的累積流量，除以時(shí)間后，經(jīng)過單位轉(zhuǎn)換即可精確獲得。

3.增加暫停裝車過程中的3z/自動(dòng)開關(guān)閥門的變量，經(jīng)實(shí)際證明，該功能基本不被操作人員使用，初始化程序時(shí)系統(tǒng)置該位為自動(dòng)。

4.增加介質(zhì)密度變量，且可編輯。該功能最具有實(shí)用性，也最能體現(xiàn)自動(dòng)裝車的優(yōu)勢。人工裝車時(shí)要事先進(jìn)行從體積轉(zhuǎn)換到質(zhì)量的計(jì)算，而自動(dòng)裝車則可以根據(jù)密度自動(dòng)換算，從而使TD200面板顯示的累積量為質(zhì)量，設(shè)定值只需輸入質(zhì)量，就與銷售部門的發(fā)貨指令達(dá)到了完全吻合。另外，介質(zhì)密度的設(shè)計(jì)還體現(xiàn)出其他優(yōu)點(diǎn)，以下會進(jìn)一步描述。

5.統(tǒng)計(jì)功能。TD200面板可增加顯示近幾天、每月、每季度、每年的累積流量，前提是PLC內(nèi)部時(shí)鐘設(shè)置準(zhǔn)確、存儲歷史累積量的內(nèi)存區(qū)域設(shè)置為掉電保護(hù)。

6.泵控功能。根據(jù)工藝和設(shè)備實(shí)際情況，決定是否需要控制裝車泵的自動(dòng)運(yùn)行。如鎮(zhèn)洋化工的管理要求是不允許遠(yuǎn)程遙控泵的啟動(dòng)，主要是出于安全因素的考慮。在泵的停止控制方面，從節(jié)能角度考慮，停止裝車時(shí)應(yīng)同時(shí)停止泵的運(yùn)行，但頻繁的人工啟動(dòng)會增加泵的機(jī)械損傷和泄漏的可能性;如果泵處于不問斷運(yùn)行狀態(tài)，且出口回流閥門始終開到一定開度，可使罐體內(nèi)的介質(zhì)混合更加均勻。泵控功能可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)。

7.報(bào)警功能。報(bào)警涉及幾個(gè)方面：閥門全關(guān)后流量不為零;流量超高量程;單車裝車量超過設(shè)定值一定的量;報(bào)警是否需要人工復(fù)位等。

8.閥門開關(guān)狀態(tài)指示。一般來說，在控制柜上單獨(dú)安裝閥門和泵（如果有泵控功能）的狀態(tài)指示燈是必要的，當(dāng)然也可在TD200里同步顯示。

七、自動(dòng)裝車系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

1.程序的移植性好、通用性強(qiáng)。流量計(jì)輸出到PLC的信號為體積流量脈沖信號，脈沖系數(shù)單位為m3/P（每個(gè)脈沖的體積流量），只要流量計(jì)脈沖系數(shù)設(shè)為與PLC一致，程序就可以不作任何修改而用于任何液體介質(zhì)的裝車，再配合TD200面板上的密度設(shè)置，均可實(shí)現(xiàn)以質(zhì)量計(jì)鼉的自動(dòng)裝車。

2.自動(dòng)裝車的誤差主要由2部分構(gòu)成。①因流量計(jì)的不準(zhǔn)確引起的系統(tǒng)誤差，計(jì)算方法為：（實(shí)際裝車量一過磅量）/實(shí)際裝車量。它是一個(gè)基本恒定的值，在流量計(jì)不能得到準(zhǔn)確校驗(yàn)的情況下，可以通過修正介質(zhì)密度值來消除系統(tǒng)誤差。②因余量的不確定性引起的隨機(jī)誤差，計(jì)算方法為：實(shí)際裝車量一設(shè)定值。這個(gè)誤差是不能消除的，但如果遵循上述“自動(dòng)裝車系統(tǒng)的注意事項(xiàng)”中的第2點(diǎn)，則可以盡量減小隨機(jī)誤差，經(jīng)長期觀察，該誤差出現(xiàn)在±30kg范同以內(nèi)的概率在95%以上。由此可見，自動(dòng)裝車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有效克服了人工裝車量誤差不確定性的缺點(diǎn)。

3.1臺TD200最多可以實(shí)現(xiàn)8輛貨車同時(shí)自動(dòng)裝車，如果超過這個(gè)數(shù)量，可以再并接多臺TD200，但建議最好改用觸摸屏作為人機(jī)界面，這樣不僅美觀，還節(jié)約成本。

4.按鍵非常簡單方便（例如，如果相鄰2車裝車設(shè)定量相同，連續(xù)按“Enter”鍵2次即可），一般操作人員都能很快掌握操作要領(lǐng);設(shè)計(jì)靈活，可根據(jù)不同的需要自由組合可選的輔助功能或設(shè)計(jì)其他特殊功能;控制柜占用空間小，可以采取壁掛式安裝;運(yùn)行穩(wěn)定可靠，故障率極低，基本免維護(hù);大大減小操作人員的勞動(dòng)量，裝車不冉受自然條件的限制。

結(jié)束語

裝車系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)，在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用性及使用效果等方面均有明顯優(yōu)勢。它在鐵路裝車工業(yè)化生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用，必將有利于生產(chǎn)安全和生產(chǎn)效率的提高，促進(jìn)礦山工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)水平的全面提高。

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（作者單位：國能集團(tuán)準(zhǔn)能公司黑岱溝選煤廠）