動態軌道衡在煤炭港口計量中的應用

魏寶慶

神華黃驊港務有限責任公司

動態軌道衡在煤炭港口計量中的應用

魏寶慶

神華黃驊港務有限責任公司

神華黃驊港是我國西煤東運的重要煤炭中轉輸出港，年接卸中轉原煤近1億噸，隨著港口煤炭吞吐量的不斷增加，對進港煤炭計量的要求也越來越高，保證軌道衡系統的高精度高可靠性運行越顯突出。本文通過對黃驊港翻車機自動卸車作業模式下的幾種軌道衡計量方案進行分析比對，結合實際情況，對動態軌道衡在煤炭港口計量中的應用進行了詳細闡述。

翻車機；軌道衡；計量；聯網

序言

神華黃驊港是我國西煤東運的重要煤炭中轉輸出港，年接卸中轉原煤近1億噸，其到港運煤火車的卸煤是利用翻車機自動卸車，這就涉及一個卸煤量的統計計量，一般對到達車輛的計量有三種方法可以實現。

1、進入港口鐵路主線上設置動態軌道衡

當列車通過后，動態稱出毛重，再利用貨車固有皮重，計算凈重。這里面，由于使用的是貨車車皮的固有皮重，這樣，當車皮進行修理或運行一段時間，皮重會發生變化；另外，冬季會出現凍煤現象，即煤被凍在車皮內側，造成不能完全卸凈，這時我們要統計凈進煤量，就會帶來更大的誤差。優點：此種方法優點是一次性投入成本低，便于使用，設備可以共享。缺點：各種因素造成計量不準確，雖然一次性投入低，但由于每日卸煤量較大，對于日積月累的誤差，其損失要遠遠大于一次性投入的成本。

2、在翻車機房內的翻車平臺安裝軌道衡

此種軌道衡是安裝在翻車機平臺上，采用靜態計量的方法。首先，煤車進入翻車機，對位后，計量毛重，待卸車回位后，計量皮重，自動計算出凈重。優點：靜態計量精度高，自動去皮，凈重統計準確。缺點：由于是安裝在翻車機平臺上，維護不方便，當軌道衡出現問題，必須要停止卸車作業；另外，由于靜態計量，要等車輛停穩，勢必要耽擱時間，如果按一個循環耽擱10秒計算，那么一列車33循環就耽擱5分多鐘，這就間接影響了卸車作業。

3、在翻車機房的入口和出口處安裝動態軌道衡

此種方式是在翻車機房的入口位置和出口位置各安裝一臺軌道衡，入口處計量毛重，當卸車完畢，在出口處計量皮重，二者合一計算凈重。優點：由于采用動態計量，提高作業效率，自動回皮，卸煤量統計準確；獨立于翻車機設備，互不影響。缺點：一次投入較高，精度與方案2比稍低，但由于車輛速度慢，相當于準靜態，因此，精度還是有保障的。

鑒于以上分析比對，黃驊港軌道衡計量采用了第三種方案，現就此方案進行詳細說明。

一、系統組成

本系統是兩套軌道衡分別安裝在翻車機房的入口和出口處，入口軌道衡用于計量重車，出口軌道衡用于計量空車。如下示意圖1。軌道衡系統主要由機械秤臺、傳感器、儀表、軟件、計算機等組成。

圖1

1、機械秤臺：機械秤臺就軌道形式分為斷軌和不斷軌，斷軌是機械秤臺與軌道獨立，連接處以過渡器連接，這種形式臺面軌與引軌存在8mm左右的軌縫，當車輪上稱通過該軌縫時，存在一定的沖擊，該沖擊對稱量精度以及稱臺的機械狀態都有一定的影響，根據翻車機實際作業方式，無論是定位車牽引重車，還是推車機推動空車，都存在啟動、加速、減速、剎車的作業過程，這種車輪在稱臺臺面上頻繁啟動、剎車，會造成稱臺主梁的竄動，使得傳感器傾斜、軌縫頂死，影響稱量精度。因此，我們選用的是不斷軌形式，即秤臺與整體道床采用一根整軌，采用剪力傳感器來進行劃分計量區間，此種結構維護簡單，對秤臺沖擊小。

不斷軌機械稱臺的安裝方式同斷軌機械稱臺的安裝方式相同，傳感器底座及稱臺具有可調節性，一旦基礎下沉，機械稱臺部分可通過調節裝置進行調整設備高度。

剪力傳感器的安裝位置對于斷軌軌道衡來說就是軌縫所處位置，稱量區就是兩只剪力傳感器中間區域，數據采樣段長度同斷軌軌道衡一樣。增加了四只剪力傳感器解決掉了斷軌道縫這個容易發生故障的難題，例如由于軌縫存在造成的過輪時的沖擊、鋼軌錯牙、軌縫頂死、修磨過渡器、沖擊造成的傳感器損壞等，并且斷軌軌道衡如果長期維護不當，限位松動，容易造成傳感器傾倒、承重梁下沉，過車會造成列車顛覆的可能。

不斷軌形式具有如下特點：

（1）不斷軌式動態軌道衡臺面上面采用25米整根鋼軌直接從臺面上鋪過去，由于沒有了軌道接縫，列車過衡時無沖擊，稱臺上的傳感器不受列車車輪上下稱臺而產生的沖擊荷載影響；

（2）計量時列車過衡速度可達到0～30km/h，計量速度范圍優于斷軌形式；

（3）稱臺臺面尺寸與斷軌式動態軌道衡的臺面尺寸基本一樣，但由于25米整根道軌鋪設在軌道衡的臺面上，其臺面上設有8只傳感器，由于稱臺不是相對獨立式的，對稱量軟件要求高；

（4）不斷軌式動態軌道衡采用的是整根鋼軌，由于稱臺臺面軌與鐵路軌間沒有軌道接縫，所以在實際使用過程中不需要調整軌道接頭處的軌面高差、軌距線錯牙和鋼軌接頭軌縫尺寸，維護量較小。

2、傳感器：傳感器是檢測和自動控制應用中的首要環節。本系統使用了四只壓力傳感器和四只剪力傳感器，它們是電阻應變式傳感器。傳感器中的電阻應變片具有金屬的應變效應，即在外力作用下產生機械形變，從而使電阻值隨之發生相應的變化。

該類傳感器具有精度高、測量范圍廣、壽命長、結構簡單、頻響特性好、能在惡劣條件下工作、易于實現小型化、整體化和品種多樣化等優點。

其中，壓力傳感器用于稱重，安裝在秤臺的承重梁下，位于四個角部。剪力傳感器通過鋼軌軌腰的孔進行安裝。一方面負責重量采集，與壓力采集的重量合成，另一方面進行火車輪軸的識別。

3、儀表：儀表把傳感器的模擬信號經調理放大后，進行A/D轉換，轉換后的數字信號至計算機，計算機的計量軟件進行邏輯判斷、計算，得到相應重量。

二、原理

在以往的計量中，工控計算機做數據采集和處理工作時，系統資源是由WINDOWS系統統一調度的，應用程序不能直接控制系統資源，如果采用高級的數據處理算法，一方面對系統資源占用較多，增加系統負擔，使系統運行速度變慢，另一方面，在有限的時間內操作系統未必能提供足夠的系統資源及時完成相應的工作。如我公司前期的幾臺軌道衡，采用的就是計算機中安裝數據采集卡，計算機負責采集數據同時又負責邏輯計算。由于數據采集實時性要求較高，能否將數據采集和邏輯計算分開，從而提高計量的可靠性呢？答案是肯定的，我們新安裝的不斷軌軌道衡就是采用嵌入式通道系統，其主要特點就是把信號實時采集、處理部分與數據庫管理及人機界面部分分開，提高采樣、處理部分程序的可靠性，而不增加上位機的負擔。該系統把有實時性要求的工作由嵌入式系統部分獨立完成，所有的硬件資源（CPU時間、內存）全部用于數據采集和處理，保證可靠、連續的采樣；上位機的所有資源都可用于數據庫管理和人機界面，即使在稱重的同時進行數據庫查詢等大量使用CPU時間的工作時也不會對稱重有任何影響。

采用嵌入式系統結構的軌道衡，底層核心的數據采集、處理部分由嵌入式系統儀表專門完成，這一部分的軟、硬件比工控機更安全，不會感染病毒，系統不會崩潰，系統軟件部分通常是不需要維護的。而上位機部分僅提供界面與數據管理，與底層硬件無關，與普通計算機的功能沒有區別，只要有一定計算機基礎的人員都可以做維護。

1、儀表組成 ：此時儀表包含嵌入式主機板、信號調理系統、A/D轉換，電源等4大部分。如圖2。

圖2

從圖2中看出，傳感器信號首先進入信號調理系統，經此系統放大、濾波后，送至A/D轉換器，經過主機板的控制，A/D負責模擬到數字的轉換后，再送至嵌入式主機板，然后，由主機板把數字信號傳送給計算機，計算機進行邏輯運算。以上簡單示意了一路傳感器信號的過程，我們采用的儀表可以同時接入8路信號，這樣，在計量時，即直觀看到各個秤臺傳感器狀態，又實現了高效的數據采集。

多只傳感器采集到的多個模擬信號分別連接到信號調理模塊的多個輸入端，分別輸入信號調理模塊單獨進行放大、濾波，使用低通濾波器濾除信號中的高頻干擾信號。信號調理模塊的濾波和放大電路選用的是進口的低溫漂、低噪聲、高可靠性、高集成度的AD芯片，具有共模抑制比高、精度高的優點。濾波器采用有源低通濾波電路加端口元件低通濾波等三級濾波，用于消除多只傳感器輸出信號中包含的高頻干擾成分，因此，抗干擾能力極強，解決了單組信號傳輸易受影響的問題，同時加裝有零點調整和增益調整的電位器，以確保每組信號性能的一致性。輸入信號調理模塊的多路輸出端分別與嵌入式數據采集模塊的多路輸入端連接。嵌入式數據采集模塊將輸入的模擬信號轉化為數字信號，并進行存儲。嵌入式數據采集模塊通過總線模塊與計算機連接。

2、軟件：我們采用的是WINDOWS XP平臺下的應用軟件，WINDOWS環境易于管理及聯網。軟件首先接收由儀表傳送的數據，然后，軟件經過濾波算法，濾除一般性干擾，然后根據特定算法，計算重量。

（1）數據處理模塊

該模塊首先接收來自嵌入式儀表發送來的數據，然后進行數字濾波，我們采用的是數據平滑濾波技術，這樣既能保證數據的實時性，又能濾除異常的數據變動。

（2）邏輯判別模塊

本模塊包含輪軸判別和轉向架判別。輪軸判別使用剪力傳感器的特性進行判別。

圖3

由上圖3，綠色線為剪力傳感器車輪軸上秤臺方向的特性曲線；紅色為下稱臺方向的曲線；由于此固有的特性，我們設置它的中心點為參考點，以此點為中心，當上下浮動到某一特定域值，我們很容易判別輪軸的上下，且連續兩個周期，即為一個轉向架。

（3）重量計算模塊

整車的重量計算就是前后兩個轉向架的累加，由于我們上面已經求得每個轉向架的重量，那么，接下來就是相加，并進行格式化的輸出以及保存。

（4）數據追溯

在實際使用中，設備出現故障是在所難免的，但如何能夠快速查到原因，有效解決問題，是在系統設計中需要充分考慮的，這里，我們設計了原始采樣數據存儲模塊，該模塊能夠全程記錄整列車計量的全部原始數據，出現問題時，我們能夠很容易地找到相應的數據文件，然后，以波形的形式繪制，使計量再現，通過分析波形，我們就可以找出問題的所在。上圖3就是通過數據采樣繪制的數據波形的一部分。

三、優化組合

從上面分析看出，每條翻車機線路有兩臺軌道衡，每臺軌道衡需要秤臺、儀表、計算機；顯然，這里面有些設備是能共享的，機械秤臺入口和出口需要分別安裝，然后，用一臺多通道儀表，分別采集兩臺設備的信號，然后，利用一臺計算機控制兩臺設備，稱量毛重和皮重，計量好的完整數據，上傳到公司服務器，這樣，既便于管理又節省了投入。實際應用中，兩個秤臺同時用一個軟件計量，計量后，自動合成，計算凈重。

四、聯網

由于黃驊港內信息化管理的要求，軌道衡數據聯網上傳是必需的。

1、本地原始數據庫

本地原始數據庫存放在計量計算機中，只負責存儲每次過衡的原始數據記錄，即皮重、毛重、時間、車號信息。由于數據量小，因此選用了ACCESS數據庫形式。

2、本地整合數據庫

需要把計量數據的原始信息和到港信息進行整合，因此，選擇了SQL SERVER數據庫形式，該數據庫便于聯網，用戶訪問。便于和大型數據庫的數據交換。

3、服務器數據庫

該數據庫為大型數據庫，因此使用ORACLE數據庫。該數據庫是一個面向Internet計算環境的數據庫，其可移植性好、使用方便、功能強，適用于各類大、中、小、微機環境。它是一種高效率、可靠性好的適應高吞吐量的數據庫解決方案。

圖4

4、由圖4看出，本地計算機計量好數據后，存放在ACCESS的數據庫中，客戶端軟件把此數據讀入到SQL SERVER數據庫中，然后，再連接遠端的數據庫服務器，寫入ORACLE數據庫中，為了數據安全，ORACLE數據庫只提供了臨時表的寫權限。這里，之所以采用SQL SERVER數據庫進行中轉，是由于一旦網絡中斷出現故障，本地客戶端具有續傳功能，當網絡恢復時，還能把沒上傳的數據再次上傳。

五、標定

軌道衡設備調試完成后，需要確定所計量的結果是否滿足使用，那么，就需要進行標定。這里，我們依據《動態軌道衡檢定規程》進行，即使用國家軌道衡計量站的5個不同重量的標準砝碼車，其重量分別為82t，76t，65t，47t，22t；按照一定的編組順序，進行往返動態稱重，所稱的結果與標準值應符合檢定規程的要求。

由于我港軌道衡速度低，在初次安裝使用時，還進行了靜態測試，即用不同重量的標準砝碼車停放在秤臺上，分別計量前后轉向架，累計后，計算整節車重量。靜態誤差應優于動態誤差。

標定好的軌道衡，即可投入使用了。

六、結束語

上述軌道衡技術方案通過采取機械、電器、軟件等方面的先進技術和措施，減小了臺面沖擊及零漂對計量精度的影響，在實際應用中，軌道衡計量系統在計量精度、安全性和可靠性等方面都有了明顯提高。

[1]軌道衡原理.北京東方瑞威科技發展有限公司

[2]軌道衡技術手冊.北京東方瑞威科技發展有限公司

[3]模擬數字電路.電子工業出版社

[4]WINDOW程S 序設計.電子工業出版社

[5]數據庫的應用與開發.人民郵電出版社

[6]傳感器原理及應用.機械工業出版社

[7]動態軌道衡鑒定規程.國家軌道衡計量站

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.12.028