智能化控制系統(tǒng)在散糧裝火車(chē)中的應(yīng)用

◎ 王 家

（連云港東糧碼頭有限公司，江蘇 連云港 222000）

1 項(xiàng)目背景

公司的主要業(yè)務(wù)為倉(cāng)儲(chǔ)及貨物裝卸，在未實(shí)現(xiàn)智能化裝火車(chē)系統(tǒng)前，火車(chē)裝車(chē)的作業(yè)模式是人工控制鐵牛牽引火車(chē)到達(dá)裝車(chē)樓下、人工控制料斗秤下料、人工實(shí)現(xiàn)火車(chē)的移動(dòng)以便火車(chē)艙內(nèi)裝滿貨物、人工實(shí)現(xiàn)火車(chē)頂部物料的抹平操作、手工記錄火車(chē)車(chē)廂編號(hào)，錄入裝車(chē)重量等信息，這些人工操作存在效率低下，人力成本較高，信息無(wú)法有效跟蹤和追溯等問(wèn)題。因此需要一款智能化裝火車(chē)控制系統(tǒng)來(lái)替代人工完成裝車(chē)任務(wù)。

2 系統(tǒng)功能概述

本系統(tǒng)采用智能檢測(cè)，結(jié)合信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能研判與控制，最終實(shí)現(xiàn)智能裝車(chē)。系統(tǒng)同時(shí)具有足夠的開(kāi)放性和可拓展性，實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)的拓展和功能擴(kuò)充，滿足生產(chǎn)、管理等用戶對(duì)數(shù)據(jù)的需求；同時(shí)，系統(tǒng)起到保障安全生產(chǎn)、降低生產(chǎn)成本、縮短決策時(shí)間、提高管理水平的作用，充分體現(xiàn)“實(shí)用、可靠、先進(jìn)”的原則，實(shí)現(xiàn)“智能化裝火車(chē)”。

2.1 系統(tǒng)功能框圖

系統(tǒng)功能框圖如圖1所示，系統(tǒng)包括車(chē)廂編號(hào)自動(dòng)識(shí)別、火車(chē)牽引系統(tǒng)、裝車(chē)斗秤控制、伸縮溜筒控制、現(xiàn)場(chǎng)語(yǔ)音及LED顯示系統(tǒng)、中控系統(tǒng)及作業(yè)管理系統(tǒng)等6個(gè)子系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)功能框圖

2.2 系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)框架圖

系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)框架圖如圖2所示，分為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)控制層、網(wǎng)絡(luò)層和辦公網(wǎng)4層。

圖2 系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)框架圖

3 系統(tǒng)組成及應(yīng)用

3.1 車(chē)廂編號(hào)自動(dòng)識(shí)別

車(chē)廂編號(hào)自動(dòng)識(shí)別需要應(yīng)用到圖像識(shí)別及處理、融合裝車(chē)系統(tǒng)等功能。將智能攝像頭安裝在裝車(chē)樓下1.5 m高的位置，進(jìn)行車(chē)廂編號(hào)自動(dòng)識(shí)別，并將識(shí)別的編號(hào)發(fā)送給中控系統(tǒng)。采用就地識(shí)別方式，由理保將該條線上車(chē)廂編號(hào)按順序自動(dòng)上傳到智能化作業(yè)系統(tǒng)中，作業(yè)過(guò)程中將該條裝車(chē)線上車(chē)廂編號(hào)進(jìn)行圖像拍攝后，立即進(jìn)行車(chē)廂編號(hào)識(shí)別并與理保上傳的車(chē)廂編號(hào)數(shù)據(jù)比對(duì)，保證每節(jié)車(chē)箱裝車(chē)的貨物種類、數(shù)量、車(chē)廂號(hào)等信息與發(fā)貨單完全一致。車(chē)廂編號(hào)自動(dòng)識(shí)別應(yīng)用到工業(yè)攝像頭、視頻圖像處理單元及上位機(jī)程序控制等軟硬件。如圖3所示。

3.2 火車(chē)牽引系統(tǒng)

在火車(chē)裝車(chē)過(guò)程中，需要牽引火車(chē)車(chē)廂從而滿足每節(jié)車(chē)的裝料需求。火車(chē)牽引系統(tǒng)應(yīng)用到火車(chē)位置檢測(cè)、火車(chē)牽引裝置控制、火車(chē)蓋板打開(kāi)檢測(cè)及車(chē)廂內(nèi)裝料情況檢測(cè)等技術(shù)?？刂葡到y(tǒng)涉及使用大量的傳感器，邏輯決策，與上位機(jī)的通信等，控制器滿足可靠、易維護(hù)、易擴(kuò)展的要求。

3.2.1 火車(chē)位置檢測(cè)

為實(shí)現(xiàn)散糧全自動(dòng)模式裝火車(chē)，控制系統(tǒng)需要檢測(cè)火車(chē)在軌道上的實(shí)時(shí)位置。為了提高系統(tǒng)的可靠性，本系統(tǒng)采用精度高、可靠性好的方式測(cè)量火車(chē)位置。為保證精確可靠的檢測(cè)，采用冗余（備份）模式，防止某個(gè)子系統(tǒng)出現(xiàn)故障，或者測(cè)量誤差較大等情況。對(duì)牽引裝置加裝輪速傳感器，通過(guò)檢測(cè)牽引裝置位置來(lái)檢測(cè)車(chē)廂位置，其中在裝車(chē)樓下方火車(chē)軌道安全位置處安裝設(shè)備作為零點(diǎn)（基準(zhǔn)點(diǎn)）位置，輪速傳感器檢測(cè)的位置均以零點(diǎn)位置計(jì)算出的實(shí)時(shí)位置。檢測(cè)裝置如圖4所示。

圖4 輪速傳感器圖

3.2.2 火車(chē)牽引裝置控制

火車(chē)牽引裝置主要采用絕對(duì)值編碼器，通過(guò)邏輯運(yùn)算來(lái)為火車(chē)牽引裝置的自動(dòng)運(yùn)行、掛車(chē)和裝車(chē)對(duì)位提供實(shí)時(shí)控制，且能快速準(zhǔn)確自動(dòng)控制火車(chē)的移動(dòng)，與激光測(cè)距傳感器相呼應(yīng)，確保裝車(chē)的安全性。在控制過(guò)程中與伸縮溜筒控制保持信息交互，保證移車(chē)過(guò)程中溜筒不被火車(chē)車(chē)廂掛住拉壞。通過(guò)安裝不同類型的傳感器來(lái)檢測(cè)溜筒實(shí)時(shí)位置，自動(dòng)伸縮控制及抹平車(chē)廂內(nèi)物料，保證系統(tǒng)安全性。

系統(tǒng)根據(jù)裝料情況，精確控制火車(chē)的移動(dòng)距離。在1道、2道裝車(chē)線上，將現(xiàn)有智能化控制系統(tǒng)對(duì)接原控制系統(tǒng)，下發(fā)控制指令，并考慮火車(chē)慣性等因素，在控制方面提前作出研判，在原系統(tǒng)上加裝控制器，并根據(jù)火車(chē)速度、位置、裝車(chē)等情況實(shí)時(shí)控制火車(chē)的前進(jìn)、后退、停止等功能，從而實(shí)現(xiàn)火車(chē)牽引控制。

3.2.3 火車(chē)車(chē)廂蓋板打開(kāi)檢測(cè)及裝料實(shí)時(shí)檢測(cè)

在火車(chē)裝車(chē)前需要檢測(cè)車(chē)廂頂部蓋板打開(kāi)狀態(tài)，只有確?；疖?chē)蓋板在打開(kāi)的情況下，才能進(jìn)行下料裝車(chē)，否則會(huì)出現(xiàn)物料拋灑情況。由于在裝車(chē)過(guò)程中受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境粉塵影響，本系統(tǒng)采用高頻雷達(dá)傳感器，安裝在伸縮溜筒出料口底部，當(dāng)車(chē)廂蓋板打開(kāi)，傳感器測(cè)量車(chē)廂內(nèi)底部距頂?shù)木嚯x；車(chē)廂蓋板合上，傳感器測(cè)量蓋板距頂距離，由此可判斷車(chē)廂蓋板是否打開(kāi)，確保檢測(cè)準(zhǔn)確。車(chē)廂內(nèi)物料檢測(cè)均采用同樣檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。檢測(cè)設(shè)備如下圖5所示。

圖5 檢測(cè)設(shè)備圖

3.3 裝車(chē)斗秤控制

3.3.1 裝車(chē)秤數(shù)據(jù)讀取，與中控系統(tǒng)交互

該系統(tǒng)與裝車(chē)秤的PLC控制系統(tǒng)對(duì)接，通過(guò)通信接口協(xié)議、程序編寫(xiě)讀取裝車(chē)斗秤的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并發(fā)送給中控系統(tǒng)，以便中控系統(tǒng)實(shí)時(shí)掌握裝車(chē)情況。并通過(guò)網(wǎng)線（TCP/IP）、雙絞線（RS485/CAN）等有線通信的形式與中控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

3.3.2 裝車(chē)秤下料啟停控制

系統(tǒng)與裝車(chē)秤的PLC控制系統(tǒng)對(duì)接后，根據(jù)實(shí)際裝車(chē)需要，系統(tǒng)智能化自動(dòng)分配給每臺(tái)秤的裝車(chē)重量，系統(tǒng)接收到裝車(chē)啟動(dòng)信號(hào)后，直接給裝車(chē)秤的PLC控制系統(tǒng)下達(dá)啟動(dòng)控制命令，裝車(chē)秤開(kāi)始工作，待裝車(chē)重量達(dá)到設(shè)定值后系統(tǒng)下達(dá)停止控制命令。

3.3.3 裝車(chē)秤信息反饋

系統(tǒng)建立數(shù)據(jù)及故障信息反饋顯示界面，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝車(chē)情況，并提前將現(xiàn)場(chǎng)裝車(chē)可能會(huì)出現(xiàn)的故障信息通過(guò)編程等代碼寫(xiě)入程序中，以實(shí)現(xiàn)信息反饋的及時(shí)性及可靠性[1-2]。

3.4 伸縮溜筒控制

3.4.1 伸縮溜筒位置檢測(cè)

系統(tǒng)在裝料及移車(chē)的過(guò)程中，需要檢測(cè)伸縮溜筒的位置。伸縮溜筒在下料過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定粉塵，因此本系統(tǒng)使用一種簡(jiǎn)單可靠的測(cè)量方式，即高精度拉線位移傳感器設(shè)備，應(yīng)用光電編碼技術(shù)，是光電和機(jī)械位移傳感器在結(jié)構(gòu)上的精巧集成，將其安裝在溜筒底部外側(cè)固定位置，通過(guò)拉線位移傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)溜筒位置，滿足現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求，有效杜絕粉塵干擾[3-5]。傳感器設(shè)備如圖6所示。

圖6 拉線位移傳感器設(shè)備圖

3.4.2 伸縮溜筒操作自動(dòng)控制

根據(jù)系統(tǒng)要求，需要控制伸縮溜筒的上升及下降，下降高度等情況。在裝車(chē)完畢或者無(wú)裝車(chē)任務(wù)時(shí)，伸縮溜筒必須上升到指定位置（無(wú)任務(wù)時(shí)的停留位置，即上升的最高位置）。在裝車(chē)過(guò)程中，伸縮溜筒需要壓在車(chē)廂裝料口，在火車(chē)移動(dòng)時(shí)，需要上升伸縮溜筒至安全高度，防止卡住車(chē)廂被拉壞。伸縮溜筒控制使用PLC作為主控，程序編寫(xiě)后通過(guò)通信線與上位機(jī)通信，協(xié)同火車(chē)位置檢測(cè)及火車(chē)牽引控制等工作，完成整個(gè)自動(dòng)控制功能。

3.4.3 伸縮溜筒抹平控制

在糧食裝車(chē)過(guò)程中，由于不同糧食比重不一樣，為了保證火車(chē)裝料不偏載和超載，需要使用伸縮溜筒進(jìn)行實(shí)時(shí)裝車(chē)抹平。系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)火車(chē)廂內(nèi)裝料情況，來(lái)控制伸縮溜筒升降及配合火車(chē)移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)頂部物料抹平。在此過(guò)程中需要保證伸縮溜筒的位置正好壓在車(chē)廂裝料口頂部，防止溜筒傾斜帶來(lái)的物料撒漏及掛住車(chē)廂的情形發(fā)生，整個(gè)過(guò)程需要保證系統(tǒng)檢測(cè)準(zhǔn)確、計(jì)量穩(wěn)定、控制智能化。抹平示意圖如圖7所示。

圖7 抹平示意圖

3.5 現(xiàn)場(chǎng)語(yǔ)音及顯示系統(tǒng)

在裝車(chē)過(guò)程中，裝車(chē)控制室無(wú)人值守，保證現(xiàn)場(chǎng)裝車(chē)安全、穩(wěn)定、便捷、可靠，在裝車(chē)現(xiàn)場(chǎng)安裝語(yǔ)音及LED顯示系統(tǒng)，進(jìn)行必要的語(yǔ)音提醒或者提示（任務(wù)，狀態(tài)等提醒）。利用現(xiàn)場(chǎng)語(yǔ)音設(shè)備，中控室人員可以用麥克風(fēng)直接進(jìn)行遠(yuǎn)程廣播呼叫。

現(xiàn)場(chǎng)LED顯示系統(tǒng)，進(jìn)行任務(wù)顯示，每節(jié)車(chē)裝車(chē)實(shí)時(shí)狀態(tài)，預(yù)計(jì)剩余時(shí)間等信息顯示。并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求，采用單色貼片LED顯示板，從而保證LED系統(tǒng)質(zhì)量。

3.6 中控系統(tǒng)

3.6.1 中控系統(tǒng)功能

①中控系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)任務(wù)下發(fā)、控制命令下發(fā)、現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)返回等功能。設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠的通信協(xié)議、防止數(shù)據(jù)丟失、進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)等問(wèn)題，采用有線通信、冗余編碼、加密編碼等措施。②對(duì)接筒倉(cāng)出料控制系統(tǒng)，讀取出料數(shù)據(jù)，下發(fā)出料任務(wù)等。③對(duì)裝車(chē)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的啟停等動(dòng)作進(jìn)行控制，任務(wù)下發(fā)，狀態(tài)返回等。④現(xiàn)場(chǎng)故障顯示，作業(yè)查詢及統(tǒng)計(jì)、報(bào)表生成及打印，實(shí)時(shí)裝車(chē)數(shù)據(jù)展示。⑤日志記錄，包括操作日志和故障日志。記錄所有操作者的操作記錄，防止數(shù)據(jù)誤刪，錯(cuò)誤操作追溯等。⑥配套手機(jī)App，實(shí)現(xiàn)裝車(chē)狀態(tài)的手機(jī)客戶端顯示等功能。中控系統(tǒng)設(shè)備配置見(jiàn)圖8。

圖8 中控系統(tǒng)設(shè)備配置圖

3.6.2 現(xiàn)場(chǎng)工作站

每條裝車(chē)線配置一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)工作站，采用組態(tài)系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各種設(shè)備進(jìn)行管理和控制，檢測(cè)各種參數(shù)，進(jìn)行邏輯判斷，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝車(chē)、自動(dòng)牽引火車(chē)、溜筒控制及自動(dòng)抹平等功能，并與中控管控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。圖9為現(xiàn)場(chǎng)工作站組態(tài)功能示意圖，在該組態(tài)軟件界面上設(shè)置各種設(shè)備的工作狀態(tài)。這些工作狀態(tài)也可以由中控室進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)置。在現(xiàn)場(chǎng)工作站和中控室中，可以實(shí)時(shí)看到裝車(chē)實(shí)況，如已裝量、抹平動(dòng)作、剩余時(shí)間、剩余噸數(shù)、報(bào)警信息或故障信息 顯示等。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)工作站組態(tài)功能示意圖

3.6.3 系統(tǒng)工作流程圖

系統(tǒng)工作流程圖如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)工作流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

散糧智能化自動(dòng)裝車(chē)系統(tǒng)投用后，裝車(chē)人員收到理保提交的裝車(chē)信息后，啟動(dòng)自動(dòng)裝車(chē)系統(tǒng)開(kāi)始裝車(chē)，系統(tǒng)通過(guò)設(shè)定的流程開(kāi)始自動(dòng)作業(yè)，而裝車(chē)人員只需繼續(xù)坐在顯示器前，監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行。

散糧智能化自動(dòng)裝車(chē)系統(tǒng)的成功應(yīng)用，讓報(bào)表錄入信息化、現(xiàn)場(chǎng)操作標(biāo)準(zhǔn)化、計(jì)量數(shù)據(jù)數(shù)字化、流程控制智能化。配套公司的門(mén)機(jī)半自動(dòng)化聯(lián)動(dòng)操作技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了散糧碼頭從船舶貨物的卸船流程開(kāi)始，至裝車(chē)發(fā)運(yùn)完成，全部實(shí)現(xiàn)了智能化自動(dòng)操作，為打造現(xiàn)代化散糧作業(yè)全流程智能化、建設(shè)智慧港口全要素信息化提供有力技術(shù)支撐和發(fā)展路徑。