基于PLC的鐵路裝車自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路構(gòu)建

劉子寬

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

在鐵路運(yùn)輸行業(yè)快速發(fā)展的背景下，相關(guān)行業(yè)對(duì)鐵路裝車自動(dòng)化系統(tǒng)的要求越來越高。由于鐵路裝車自動(dòng)化系統(tǒng)尚處于應(yīng)用的初級(jí)階段，不僅系統(tǒng)本身還有一部分問題尚未解決，而且系統(tǒng)多數(shù)環(huán)節(jié)的完整性也有待優(yōu)化。目前，雖然鐵路裝車自動(dòng)化系統(tǒng)還有待優(yōu)化，但是已有部分單位已在使用該系統(tǒng)，無疑加大了操作人員的工作難度。有些系統(tǒng)甚至尚未通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試就已投入運(yùn)行，同樣會(huì)制約鐵路裝車自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展，與當(dāng)前的市場(chǎng)主流不符。因此，本文基于可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）鐵路裝車自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路的構(gòu)建，對(duì)相關(guān)行業(yè)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 PLC系統(tǒng)概況

隨著當(dāng)今社會(huì)對(duì)運(yùn)輸要求的不斷提升，該行業(yè)對(duì)自身科技自動(dòng)化的要求有了明顯提高。如今，鐵路裝車自動(dòng)化系統(tǒng)在微電子、計(jì)算機(jī)等高科技產(chǎn)品的加持下，在滿足現(xiàn)代市場(chǎng)需求方面有了明顯改善?，F(xiàn)階段鐵路裝車自動(dòng)化系統(tǒng)最主要的編程方式當(dāng)屬PLC系統(tǒng)。

PLC系統(tǒng)是一種面向廣大用戶的編程體系，因其能夠直接在存儲(chǔ)器的內(nèi)部利用可編程的存儲(chǔ)器編寫程序?yàn)橛脩籼峁┝藰O大便利[1]。與其他編寫程序相同，該編寫程序也設(shè)定有主要執(zhí)行行為，如邏輯運(yùn)算、循序控制和算術(shù)操作等。PLC系統(tǒng)在各類機(jī)械或生產(chǎn)過程控制中主要采用數(shù)字模擬式輸入或輸出，而通過PLC控制的系統(tǒng)在應(yīng)用初期的使用范圍較小，主要集中于電力行業(yè)[2]。在PLC系統(tǒng)發(fā)展逐步完善的情況下，它的各種功能越來越健全，有效增強(qiáng)了PLC系統(tǒng)的可用性和可操作性。

目前，各類生產(chǎn)控制類行業(yè)對(duì)PLC系統(tǒng)的運(yùn)用最普遍。以化工廠為例，它的整個(gè)化工行為的控制與油田的自動(dòng)化儲(chǔ)存等過程均由PLC推動(dòng)[3]。在鐵路裝車自動(dòng)化系統(tǒng)中，PLC系統(tǒng)最重要的工作是為裝車指導(dǎo)提供依據(jù)。在鐵路運(yùn)輸行業(yè)中使用PLC系統(tǒng)，不僅能夠降低勞動(dòng)人員的工作量，而且鐵路裝車的數(shù)據(jù)集成與處理效率均能夠得到全面提升。另外，鐵路裝車自動(dòng)化系統(tǒng)能提升鐵路裝車整體的自動(dòng)化程度，對(duì)鐵路裝車自動(dòng)化起到了極大的推動(dòng)作用，切實(shí)保證了鐵路裝車的生產(chǎn)效率。

2 鐵路裝車自動(dòng)化控制系統(tǒng)的功能性說明

對(duì)鐵路運(yùn)輸行業(yè)而言，石化產(chǎn)品當(dāng)屬最主要的運(yùn)輸對(duì)象。根據(jù)運(yùn)輸石化產(chǎn)品的相關(guān)管理?xiàng)l例，在鐵路運(yùn)輸石化產(chǎn)品時(shí)必須遵循質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[4]。在使用PLC系統(tǒng)前，由于石化產(chǎn)品裝車采用最傳統(tǒng)的人工裝車方式，不僅極易產(chǎn)生誤差增加運(yùn)輸過程的風(fēng)險(xiǎn)，而且勞動(dòng)人員的工作量大，甚至還可能因直接接觸到部分劇毒化學(xué)物品而對(duì)身體帶來損傷。鐵路裝車系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化不僅能有效避免以上問題，而且能大大增加鐵路裝車的效率。

在鐵路裝車中運(yùn)用自動(dòng)化系統(tǒng)最主要的作用是借助控制系統(tǒng)來強(qiáng)化控制鐵路裝車的質(zhì)量，從而全面監(jiān)測(cè)所有鐵路設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，達(dá)到控制裝車過程的目的。此外，該系統(tǒng)能檢測(cè)并監(jiān)控整個(gè)倉庫儲(chǔ)罐的相關(guān)數(shù)據(jù)，如時(shí)刻檢測(cè)儲(chǔ)罐液位、溫度及壓力等。在自動(dòng)化系統(tǒng)的輔助作用下，火車?？俊⒀b車位置等細(xì)節(jié)亦將得到良好控制。鐵路裝車自動(dòng)化系統(tǒng)本身的操作需要依靠手動(dòng)形式完成。首先，為確保鶴管能夠準(zhǔn)確插入火車槽車的充裝口，可基于押運(yùn)員提供的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，通過控制室內(nèi)人機(jī)操作界面上位機(jī)窗口中的鶴位控制室完成相關(guān)操作。其次，在控制鶴位后，由于系統(tǒng)所設(shè)置的鶴位值是此前所需裝運(yùn)的積累量，因此在開展下一次運(yùn)輸工作前需及時(shí)將上次每個(gè)鶴位的重裝累積量清除，以免影響下一次運(yùn)輸。最后，在確認(rèn)預(yù)先設(shè)定值與當(dāng)前鶴位的累積量均達(dá)到相關(guān)規(guī)定值后停止裝車，并將裝車泵關(guān)閉。

在操作面板中鑲嵌著控制鶴位的專用命令閥，在控制鶴位后可通過查驗(yàn)積累量的設(shè)定值與單據(jù)要求是否一致來確定裝運(yùn)過程是否存在問題，待確認(rèn)完畢后便可發(fā)出閥門控制命令來開啟流量計(jì)。設(shè)定裝車總管壓力時(shí)，需將火車的裝車泵打開，并結(jié)合壓力設(shè)定閥中回流管線門的開度控制流量，然后在保證裝車壓力穩(wěn)定的情況下開始裝車。

3 鐵路裝車自動(dòng)化控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

裝車控制系統(tǒng)是鐵路裝車自動(dòng)化控制系統(tǒng)的核心部分，其配置主要包括中央處理器（Central Processing Unit，CPU）、通信模塊和基板等。在鐵路裝車自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，它的指標(biāo)主要涉及裝車能力、裝車精確度和裝車速度。因?yàn)樵谏衔粰C(jī)中主要選用的是工業(yè)類控制計(jì)算機(jī)，而人機(jī)界面主要采用的是組態(tài)軟件開發(fā)，所以能夠利用以太網(wǎng)交換機(jī)和系統(tǒng)原有的鐵路車號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)在并行口中連接打印機(jī)。然而，人機(jī)界面在開發(fā)中主要借助于自身通信軟件和PLC通信，而軌道的通道通信軟件主要應(yīng)用Visual Basic宏語言（Visual Basic for Applications，VBA）進(jìn)行程序編寫，因此鐵路的車號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)和局域網(wǎng)能夠采用Windows系統(tǒng)來處理。

在應(yīng)用鐵路裝車自動(dòng)化控制系統(tǒng)的過程中，主要遵循節(jié)約原則，盡量避免對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行較大改造。鐵路裝車自動(dòng)化控制系統(tǒng)的硬件主要由多個(gè)獨(dú)立的功能模塊和控制核心組成。這些功能是所有產(chǎn)品對(duì)倉位進(jìn)行的監(jiān)測(cè)和信號(hào)輸出。裝車控制的核心也能夠借助PLC來控制計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)版組態(tài)軟件。其中：PLC主要涉及模擬量輸出模塊、開出和開入模塊以及通信模塊等幾個(gè)重要部分。在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的過程中，處理和檢測(cè)儀表信號(hào)的采集等方面需要借助PLC來完成，而人機(jī)接口則主要利用工控機(jī)來完成?；赑LC的鐵路裝車自動(dòng)化控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 基于PLC的鐵路裝車自動(dòng)化控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

PLC在控制牽引車和溜槽閘門等多個(gè)設(shè)備啟停時(shí)應(yīng)用了多種檢測(cè)，如車廂位置、車號(hào)、裝煤高度及裝煤量等。通過檢測(cè)以上數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化裝車。在此過程中，相關(guān)設(shè)備的啟動(dòng)與關(guān)閉均需要借助繼電器來控制。通常各個(gè)設(shè)備都配備有按鈕盒、指示燈和重要設(shè)備的報(bào)警器等，下達(dá)相關(guān)指令時(shí)需要嚴(yán)格按照一定要求控制設(shè)備的啟停順序，從而直接將部分?jǐn)?shù)據(jù)信息快速上傳到上位機(jī)，以監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)。

鐵路裝車自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要借助西門子S7系列的PLC，采用的是CPU和輸入/輸出（Input/Output，I/O）模塊，且能夠在上位機(jī)中顯示相關(guān)內(nèi)容，主要特點(diǎn)如下。

第一，在CPU中選擇應(yīng)用西門子的S7系列315-2DP，能夠利用其具備的中、大規(guī)模程序存儲(chǔ)容量以及多個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)直接構(gòu)建分布式的I/O結(jié)構(gòu)，從而使系統(tǒng)具備診斷、參數(shù)賦值、報(bào)警、定時(shí)和測(cè)量等功能特點(diǎn)。

第二，在應(yīng)用數(shù)字輸入（Digital Input，DI）模塊時(shí)，主要使用6ES7321-1BLOO-OAAO，采用32點(diǎn)輸入的方式將每組隔離值設(shè)定為16，輸入電壓為額定值24 V。此外，6ES7322-1BLOO-OAAO主要應(yīng)用在數(shù)字輸出（Digital out，DO）模塊，與DI模塊同樣擁有32個(gè)輸出點(diǎn)，分組數(shù)為8，輸出電流為0.5 A，額定負(fù)載電壓為24 V。

第三，PLC能夠?qū)⒏鱾€(gè)模塊共同組合成為高速遠(yuǎn)程的I/O通信網(wǎng)絡(luò)，使PLC實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備交換數(shù)據(jù)的目的。

4 鐵路裝車自動(dòng)化控制系統(tǒng)的工藝流程分析

4.1 裝車系統(tǒng)理論分析

以某石化產(chǎn)品的運(yùn)輸情況為例，該鐵路裝車自動(dòng)化系統(tǒng)中的車皮長(zhǎng)度及載量分別為14 m和60 t。此前的裝車時(shí)速為0.16 m·s-1，車皮的標(biāo)準(zhǔn)裝車速度為685 kg·s-1。以該速度計(jì)算，需花費(fèi)87.5 s裝滿一列容量為60 t的車皮。顯然，上述系統(tǒng)在裝車速度方面用時(shí)較長(zhǎng)。使用鐵路裝車自動(dòng)化系統(tǒng)后，整個(gè)裝車過程能夠更加契合軌道恒稱的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，明顯縮短了裝車時(shí)長(zhǎng)。

4.2 工藝流程

如圖2所示，鐵路裝車自動(dòng)化系統(tǒng)能夠識(shí)別第一節(jié)車廂的具體行駛位置，而在識(shí)別后還將發(fā)出后續(xù)的指令，從而快速給石化機(jī)加料。通?？杉拥氖a(chǎn)品量為總加量的80%～95%。在整個(gè)石化產(chǎn)品裝車過程中，需要判斷當(dāng)前車廂是否處于可加載產(chǎn)品的位置。若車廂質(zhì)量在核定范圍內(nèi)且留有一定空間，則可繼續(xù)裝載；反之，則停止，從而避免物料灑落在車廂外。當(dāng)?shù)谝还?jié)車廂上衡時(shí)，自動(dòng)化控制系統(tǒng)可以快速識(shí)別車廂位置，并啟動(dòng)慢加給石化產(chǎn)品的程序，待裝車量達(dá)到最終設(shè)定值時(shí)便可停止慢加煤，從而使整個(gè)工控機(jī)控制系統(tǒng)可以根據(jù)自動(dòng)對(duì)稱量數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣和相應(yīng)處置。

圖2 基于PLC的鐵路裝車自動(dòng)化控制系統(tǒng)工藝流程

鐵路裝車自動(dòng)化系統(tǒng)中最常用的功能還包含以下：計(jì)算車輛的總數(shù)和車輛的總軸數(shù)來判斷車廂上衡是否完成；校準(zhǔn)車號(hào)信息為后續(xù)的自動(dòng)稱量提供保證；判斷車廂是否處于裝車位置，避免物料灑落到車廂之外，從而達(dá)到減少物料損耗的目的。

5 結(jié)語

應(yīng)用基于PLC的鐵路裝車自動(dòng)化控制系統(tǒng)能夠有效解決裝車量誤差，并能夠自動(dòng)完成繁重的裝車任務(wù)，從而有效減少鐵路裝車過程中所需要的工作人員，降低鐵路裝車的開支。同時(shí)，整個(gè)裝車自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用STEP7編程、WinCC組態(tài)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，能夠保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。