张华
摘要 本文结合某港口码头3000t/h连续式装车机的项目应用实例，采用集成架构技术和新颖的软件设计，构建高性能的自动化系统结构，并对连续式装车机全自动电气控制系统设计的介绍。同时对影响装车机的精度和平整度因素进行了分析。
关键词 连续式装车机 信息层 控制层
Abstract：In combination with a 3000t/h continuous car loader, this adopts integrated automation and novel design software to establish high-performance automatic system. Meanwhile to introduce the method of devising electric automatic control system and analysis influence factors of car loader accuracy and plainness.
Keywords：continuous car loader, information layer, control layer
引言
装车机是一种为列车连续装载设备，装车机装量无法长时间恒量控制取料的料流，所以料流实际是随时间变化的随机变量。这就使得整个控制系统变得复杂起来，皮带机如何对车箱进行精确的定点定量的装载，并且要保证车箱内装载的物料平整，这需要在控制系统上采用先进的控制器和驱动设备以及先进的控制算法。 为保证火车的运行安全，铁路部门对列车装载的超载控制指标有严格的规定，见铁道部《铁路货物运输规程》(铁运[1991]40号公布)。
铁路部门的严格规定，对装车机的控制精度提出更高的要求，同时对操作人员的技能也有较高的要求。连续式装车机控制采用全自动或半自动控制方式， 减少对熟练操作人员的依赖。
连续式装车机自动化控制系统架构
根据系统监测和控制要求，本设备自动化控制系统结构如图1所示，由信息层、控制层网络组成。
主控制站位于电气室，采用西门子公司S7400系列PLC，配置以太网模块、通讯模块。
信息层通过主控制站以太网模块与电气室上位监控计算机以及司机室触摸屏相连。
控制层通过PROFIBUS通讯模块与电气室控制柜内分布式I/O、司机室现场远程I/O站和变频器及编码器和皮带秤相连，构成DP控制网络。
装船机
重要控制功能的实现
1.1装车机的定位及车厢识别
装车机在进行一次装车作业前，首先装车机要能判断火车车箱的停车位置（每一次火车车箱停车位置都有可能不同），来决定大车如何正确定位。在大车行走从动轮上加装位置编码器，将信号引入到PLC中参与控制，检测大车行走距离，可对车箱位置精确控制，在装车机三通上配置有红外探测装置，用于检测车厢与车厢之间的间隙，控制跨车厢作业时的停止与翻板。 图2火车车箱位置判断
在我们进行每次装车作业之前，由于列车停止位置的不确定， 手印台
需要将大车位置进行一次校准，通过红外探测装置与位置编码器将大车停止在第一节车厢开始加料的位置，按下位置校准按扭，系统自动记录装车机装料的起始位置，同时通过输入设备（如触摸屏）输入车厢类型、长度和本次装车作业的车箱数。切换到自动控制方式，依次启动流程，开始装车作业。（图2）
假定某节车厢的额定装载量是60t。
1.2.1 60t物料点到达分叉口的位置检测
图3 落料点在车厢位置与流量关系
如图3，假设皮带称安装的位置到皮带机末端的距离为L1，从皮带机末端开始下落到分叉口折算的皮带移动距离为L2；60吨煤流点到达皮带称计量点时的时刻是t0，此时，编码器开始计数。当编码器计数值等于（L2＋L1）*1024/L时（L车箱长度），此时对应的时刻为t1，60吨煤流点正好准确到达分叉翻板口。（皮带速度恒定并稳定）。假定翻板动作不需要时间，则此时刻翻板动作，装车量60吨是非常精确的。
L2的折算如下：假定尾车水平装载，皮带速度为V0 m/min，从皮带机末端到分叉翻板口的垂直距离为L0；则L2=V0*√((2*L0)/g)/60。(g：重力加速度9.8m/s2 )
假定如果分叉翻板动作不需要时间，则翻板运动过程中没有物料的分流，翻板在t1时刻动作，则车箱装煤量就是准确的60吨（如图4中影阴部分面积即是精准的60吨料量）。
图4分叉翻板时间与车箱装煤量关系（理想状态）
1.2.2 分叉翻板动作时间带来的计量误差
如图5所示，分叉翻板动作需要时间，假定分叉翻板动作过程中削煤流量与其翻过角度成正比的话，则从翻板开始动作到动作结束要产生图5中S2的煤料量，这一部分则是装车箱超装量。S2＝（t2－t1）*q/2
其中 t1：翻板动作开始时刻
t2：翻板动作开始时刻
q： 翻板动作过程中的平均流量
图5分叉翻板时间与削煤量关系（考虑翻板时间）
由上式可见，如果翻板动作时间越长，超载量越多；翻板动作过程中的平均流量越大，超载量也越多。为此，我们必须把翻板开始动作时间提前。
见图6；假定翻板动作时间恒定为T，并且翻板削煤流量与翻板角度成正比，并且煤流量恒定为q。则翻板开始动作时间提前到t2＝t1－T/2，翻板动作结束时间t3＝t1＋T/2。当然，在翻板动作过程中的煤流量不可能是恒定的，我们采取在t时间内的煤流量平均值q0和在t1时刻后T/2时间内的煤流量平均值q1的比值来加权调整时间值，翻板开始动作时间提前到t2＝t1－（q1/q0）×T/2；翻板动作结束时间t3＝t1＋（2－q1/q0）×T/2来减少因流量波动产生的影响。
图6分叉翻板时间与削煤量关系（提前考虑翻板时间）
前面我们有两个假设条件：一是翻板动作是平稳恒速的；另一是翻板过程中削煤量与翻板角度成正比。实际上翻板动作的平稳恒速要由机械结构和驱动来实现，翻板削煤量与翻板角度以及翻板过程中的流量是有关系的，如图7。我们要通过建立翻板削煤量与翻板角度和煤流量的数学模型，来实现翻板动作时刻的更精确控制。
双臂电桥 图7 翻板削煤量与翻板角度以及翻板过程中的流量之间关系
在此我们有几个关键点要控制：
翻板动作时间的监控，如果翻板动作时间超过规定时间则要产生故障报警，通知操作人员称量不准确，因此要在翻板上安装两个限位。
通过翻板上的限位开关位置检测，准确记录翻板每次的动作时间，作为翻板动作削煤量模型的输入参数。
60吨煤流点前后t时间内的流量曲线。
翻板动作时间尽可能短。
1.3 大车速度跟随皮带上的料流量
为了使物料在车厢内堆积尽可能的平均而又不至于大车启动/停止过于频繁，首先我们设定车箱长度为L 米, 设计额定煤流量为q0 t/h，此时，根据期望的料堆形状，计算出大车行走的基准速度为V0 米/分；在皮带的煤流量大于设定的最小流量时，大车实时速度V与皮带上煤的实时流量q成正比关系：
V=K*q；
V0= K0*q0*L/3600；
K=V0/q0*L/3600；
q：t/h ；//实时流量,数据来自皮带秤
L：m ；//车箱长度
V：m/min; //装车行走速度
q0：t/h;//设计额定煤流量
图8 车厢示意图
当煤流量低于设定的最小流量时，大车停止行走，在某位置区堆到设定吨位（由料堆形状模型计算）时，大车以额定速度行走设定长度（由料堆形状模型计算）再停止，当煤流量又大于设定的最小流量时，大车仍就停止行走，直到在该位置堆到设定吨位（由料堆形状模型计算）后，大车开始以行走速度V＝q*(L-S)/(60-Q)运行(S是大车已走过的距离，Q是已经装箱的重量)。当大车行走至分叉斗位于两车箱的中间时，大车停止行走，待分叉翻板翻到后部后，大车再按V=K*q的速度行走，这样实现车厢内堆积均匀平整。（图8）
全自动控制程序设计
FUNCTION_BLOCK FB105 //位置计算
VAR
value_dint:DINT;
last_value:DINT;
step:DINT;
space:DINT;
jump_down:BOOL;
jump_up:BOOL;
END_VAR
VAR_INPUT
鸟笼灯 dp_value:int;
reset:bool;
END_VAR
VAR_OUTPUT
pos:DINT;
END_VAR
回铃音
BEGIN
value_dint:=int_to_dint(DP_value);
space:=value_dint-last_value;
//(*estimate skip*)
if space<-45000 then
jump_down:=true;
else
jump_down:=false;
end_if;
if space>45000 then
jump_up:=true;
else
jump_up:=false;
end_if;
if jump_down=true then
step:=step+1;
净烟器 jump_down:=false;
end_if;
//速度控制部分//
BEGIN
gap_current:=current_1-current_2; //电流差
gap_pos:=REAL_TO_INT(pos_sub-memory_1); //位置偏差
speed_corr:=REAL_TO_INT(SQRT(ABS(pos_sub-memory_1))*k); //速度补偿
IF speed_corr<speed_corr_min THEN speed_corr:=speed_corr_min; END_IF; //速度补偿限幅
IF speed_corr>speed_corr_max THEN speed_corr:=speed_corr_max; END_IF;
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