鐵路煤炭運輸抑塵鉤檔識別自動噴灑系統應用

王慶立

(中國鐵路鄭州局集團有限公司 鄭州鐵路裝備制造有限公司，河南 鄭州 450052)

煤炭作為國家一種重要的基礎能源，在我國的經濟和消費結構中處于主導地位。由于鐵路運輸具有速度快、運量大、成本低及受天氣影響小等特點，成為煤炭運輸選擇的主要途徑。我國的煤炭運輸多以敞車運輸為主，在運輸過程中由于線路不平順及強烈風力等原因，煤塵會隨風流失、拋撒揚塵，不僅浪費大量煤炭[1-2]，還嚴重污染鐵路線路及沿線環境。現有的抑塵設備仍然存在防寒能力弱、抑塵劑液體無法回收、鉤檔避讓不準確不穩定或無鉤檔、預溶攪拌效果不好、抑塵劑固化強度差、污染道床等問題，通過研制鐵路煤炭運輸抑塵鉤檔識別自動噴灑系統，以滿足鐵路煤炭運輸抑塵噴灑質量要求，適應鐵路煤炭運輸發展需要。

1 鐵路煤炭運輸抑塵鉤檔識別自動噴灑系統功能設計

1.1 設計原則

鐵路煤炭運輸抑塵鉤檔識別自動噴灑系統開發設計主要通過可編程控制器(PLC)控制程序的優化編程及終端噴灑裝置的性能改進，在系統穩定可靠、設備技術完善的基礎上，實現對設備的智能化控制，提升作業效率及質量，其設計原則主要體現在以下方面。

（1）安全可靠性。鐵路煤炭運輸抑塵鉤檔識別自動噴灑系統分由硬件和軟件2 個組成部分。在硬件方面，電器元件[3]應選擇成熟、通用的器件，以確保系統穩定；考慮到系統頻繁啟動，應選擇壽命長、老化慢、耐沖擊的電子元件，在電路設計上做好預防靜電、接地、過流保護等處理。在軟件方面，應使用正版授權的開發軟件，充分測試優化控制程序，以確保電氣系統的穩定有效、機車車輛的行車安全、現場作業人員的人身安全。

（2）適用性。依據目前噴灑作業現場的實際情況，結合用戶需求及在用設備的風格，鐵路煤炭運輸抑塵鉤檔識別自動噴灑系統的各項操作應便于現場人員快速的掌握，實現各項功能智能化，能夠“一目了然”地展現出現場操作人員需要了解的各項基本信息，簡單易操作，適用性強。

（3）技術先進性。由于鐵路煤炭運輸抑塵鉤檔識別自動噴灑系統功能復雜且對自動化程度要求高，具有較多的開關量及模擬量，應采用可編程控制器(PLC)[4]，實現對各種設備的智能化控制。結合車號系統，對各種車型進行判定識別，從而控制噴桶進行選擇性噴灑作業；結合光電開關，進行鉤檔位置判定，鉤檔識別；利用變頻器對噴灑作業實現變速噴灑；采用一鍵操作控制，實現了全自動噴灑作業。

1.2 功能設計

鐵路煤炭運輸抑塵鉤檔識別自動噴灑系統設計立足滿足《鐵路煤炭運輸抑塵技術條件》(TB/T3210.2—2009)，需要具備抑塵劑溶液預溶配制、自循環攪拌、鉤檔識別、車速車號視頻監控、變速噴灑等功能。

（1）抑塵劑溶液預溶配制功能。由于在噴灑作業時，噴出的液體是1% ～ 2%的抑塵劑溶液，而廠家提供的原材料是抑塵劑原液，需要經配制后才能使用，但以往的移動噴灑裝置攪拌效果不太理想，還需要另外投資建攪拌系統。系統利用獨有的預溶分散技術[5]，加之抑塵液體實現自身循環攪拌，實現了攪拌系統與移動噴灑車的二合一，提高了勞動效率，降低了成本，避免了作業人員登高作業的危險。

（2）自循環攪拌功能。在現有的噴灑管路系統中，通過電動三通閥單設一路管路，直接接入罐中。通過電動三通閥的切換，可由噴灑狀態換為自循環狀態，對罐中的抑塵劑溶液進行循環攪拌。

（3）鉤檔識別功能。鉤檔識別功能的實現通過光電傳感器的得失電來進行判定。通過可編程控制器(PLC)控制系統的延遲處理后，電機驅動遮擋機構進行轉動，遮擋噴灑窗口，在鉤檔處進行斷流，從而實現鉤檔的識別停噴。

（4）車速車號視頻監控功能。該系統包括車號主機[6]、車號天線、射頻電纜、磁鋼傳感器、工控機、硬盤錄像機、攝像頭、噴灑管理系統等。車號天線掃描到貨車車底的電子標簽，反饋到車號主機進行處理，處理后發給PLC 控制系統來判定機車、敞車、集裝箱車、平板車、老K 車、罐車等車型，從而控制噴灑系統進行選擇性噴灑作業。視頻監控系統對作業過程，進行截取作業視頻，并傳至工控機進行保存，以備調取查看使用。

（5）變速噴灑功能。變速噴灑系統實現隨車速的變化實現噴灑量的改變。利用磁鋼傳感器采集到的車速數據，來實現噴灑系統的變速噴灑作業。通過車速的變化，PLC 控制系統調節潛污泵變頻器的頻率，從而調節泵的流量，滿足鐵標要求進行噴灑作業，減少了抑塵劑的浪費，降低了抑塵成本。

（6）一鍵操作功能。系統可通過一鍵操作實現液壓升降機構、攝像頭的升起、旋轉、擺動，從而根據作業站點的不同、作業車型的不同來進行作業前的準備。此外，還可通過一鍵操作“系統啟動”實現自動完成噴灑作業。

（7）應急收回功能。該系統配備的液壓泵站中手動液壓泵可使液壓升降柱在斷電、故障情況下進行復位收回。另外，還配備應急泵，取用汽車電瓶的電源，可迅速對升降柱噴灑機構進行復位。

（8）防凍功能。為了保證噴灑作業在低溫情況下正常運行，在寒冷地方作業的設備須有防凍功能，整套噴灑系統外部集裝箱進行封裝，頂部采用電動天窗，噴灑儲液罐采用雙層不銹鋼，中間充裝聚氨酯泡沫進行保溫處理，整個管路系統用伴熱電纜加外纏保溫橡塑棉進行保溫處理，以防止冬季凍結，影響噴灑作業。

（9）自動噴灑功能。與固定式噴灑裝置一樣，自動噴灑功能是噴灑裝置的核心功能，也是技術關健，如何準確快速避讓車鉤鉤檔，如何根據車速調節噴灑量，都是噴灑裝置的研究重點。系統采用伺服電機直接控制噴桶的開停，可以實現準確避讓鉤檔。為了方便作業，設計遙控功能，實現整個噴灑作業手動、半自動、全自動噴灑作業模式。

2 鐵路煤炭運輸抑塵鉤檔識別自動噴灑系統裝置

2.1 噴灑裝置

原有的移動式噴灑裝置主要包括汽車、貯液罐、液壓升降機構、液壓旋轉機構、噴灑機構組成，噴灑原理與擺臂式噴灑裝置一樣，作業時汽車與列車平行，噴灑管先升降到合適高度，在車輛上方旋轉到與車廂正交的位置，即噴灑位置，此時啟動噴灑泵開始噴灑。噴灑方式為垂直噴灑。但這種噴灑裝置在使用時，因其噴水管安裝架作為懸臂要伸出車載平臺外側，整車的重心容易出現偏移，當汽車在正常速度內行駛時，一旦遇到地坑或其他危險情況，可能出現整車傾覆的危險。而且，由于噴水管的高度比機車低，在實際應用中，常出現因操作人疏忽而使得噴水管與機車發生碰撞的事故，存在一定的安全隱患。此外，該移動噴灑裝置的儲液罐不帶配液功能，還需要再投資建設預溶攪拌站。

原有的移動抑塵設備，由剪叉式升降機構、橫移小車、噴灑架、儲水罐、汽油發電機等構成，該車型在鐵路局集團公司內運行多年，部分設備、汽車老化；噴灑作業功能單一，局限性大；環保不達標、噴灑作業不滿足六達標要求等原因，已不能滿足鐵路煤炭運輸抑塵日益嚴格的噴灑作業要求，急需進行升級換代。

鐵路煤炭運輸抑塵鉤檔識別自動噴灑系統的噴灑裝置設計開發方案是：采用車載模式，在汽車上分別安裝柴油機發電設備、電控柜、車速車號監控柜、儲液罐、液壓升降機構、噴灑機構、攝像頭、配套使用車號系統、磁鋼傳感器、預溶上料機、應急收回泵[7]等。噴嘴進行專業設計，數量布置滿足15 km/h 的噴灑量要求。工作時，汽車停靠在軌邊的作業平臺上，接好車號航插。由一鍵操作控制液壓升降機構將噴桶起升、旋轉到適當位置，此時啟動液體泵開始噴灑，噴灑方式為垂直噴灑。噴灑裝置設計采用側面噴灑方式，噴頭位于車載平臺兩側面內，當噴頭工作時，整個車載平臺的重心偏移量很小，車載平臺運行穩定，避免了整車傾覆的危險。升降旋轉機構實現噴灑作業可向左或向右進行，從而增加了裝置的適應能力，提高了工作效率。噴頭為扇形噴頭，噴灑角度準確，噴灑區域為長條形，既保證了噴灑均勻，又便于避讓鉤檔。噴灑筒采用伺服電機進行驅動控制，位置精確，反應靈敏，無電磁鐵控制的巨大噪音。

2.2 預溶上料裝置

在配制噴灑溶液的過程中，需要對抑塵劑預溶上料，在上料時，由于抑塵劑具有一定粘度，普通加注泵多不能滿足需求，容易堵塞，而且加注效率不高，特殊加注泵(如膠體泵或轉子泵)價格昂貴，成本高，且不適合加注抑塵劑。因而需要研發抑塵噴灑系統的預溶上料裝置，以有效解決現有抑塵劑上料裝置的上述缺陷。預溶上料裝置包括承載裝置1 及承載裝置上裝配的攪拌裝置31、加注泵2、清洗箱4和抑塵劑箱3。承載裝置為具有平板結構的手推車。攪拌裝置用于對原料進行稀釋攪拌。加注泵2 選擇為齒輪泵，一端通過輸入軟管連通清洗箱和抑塵劑箱，另一端通過所述輸出軟管6 連通抑塵噴灑設備的罐體；輸出軟管端部設置有磁性件，用于與罐體的上料口磁性吸附；輸入軟管包括第一輸入軟管51和第二輸入軟管52，第一輸入軟管51 連通清洗箱，第二輸入軟管52 連通抑塵劑箱。清洗箱用于儲存清洗液。抑塵劑箱用于儲存抑塵劑，抑塵劑箱中安裝有高速攪拌機，對抑塵劑進行攪拌預溶。采用齒輪泵向抑塵噴灑設備加注抑塵劑，不僅能夠滿足特定粘度抑塵劑的上料需要，而且便于在上料后對齒輪泵和管道進行清洗，方便后續上料，保證上料操作的持續性。預溶上料裝置示意圖如圖1 所示。

3 鐵路煤炭運輸抑塵鉤檔識別自動噴灑系統工作流程

3.1 系統構成

鐵路煤炭運輸抑塵鉤檔識別自動噴灑系統主要由PLC 控制系統、車速車號監控系統、一鍵升降系統、噴灑作業管理系統構成。

（1）PLC 控制系統由電氣控制柜、光電開關、伺服控制系統等組成，主要作用是根據車號、車速進行選擇性噴灑作業、鉤檔識別、變速噴灑。光電開關對車輛鉤檔進行檢測，把高低電平信號傳遞給PLC 對噴灑作業時間進行控制。伺服控制系統由伺服電機及伺服驅動器組成，作為終端驅動設備對噴灑裝置進行驅動，控制噴桶的開合，以實現鉤檔的識別。

（2）車速車號監控系統由顯示器、攝像頭、硬盤錄像機、磁鋼及車號識別系統等組成，主要作用是識別各種車型，傳遞信號給PLC 控制系統進行作業。磁鋼傳感器測得車速進行變速噴灑，監控系統觀察噴灑現場，做好接車準備；確認列車通過情況、識別機車車號信息等機車工作狀況，并對全程實時監控、錄像。

（3）一鍵升降系統由PLC、液壓升降臂、攝像頭等組成，主要作用是一鍵升降，使其能自動達到噴灑狀態，提高工作的安全性和便捷性。液壓升降臂上安裝有噴灑裝置，由PLC 程序來控制噴灑裝置的升降、旋轉、擺動及攝像頭倒伏平臺的升降，從而實現了一鍵升降，一鍵操作。

（4）噴灑作業管理系統由工控機、顯示器等組成，主要作用是對噴灑作業過程的車速、車型、車號、單車噴灑量等數據信息進行記錄，并生成電子報表，以備下載保存。通過顯示器顯示的抑塵噴灑系統，可方便直觀地看出系統運行情況，并通過鼠標點擊相應圖標，對噴灑設備進行直接控制。

圖1 預溶上料裝置示意圖Fig.1 Pre-dissolving feeding device

3.2 工作流程

鐵路煤炭運輸抑塵鉤檔識別噴灑系統的工作核心是可編程控制器(PLC)，其工作流程由主機控制。主機設計開發由工控機、顯示器、通信設備、PLC、車號主機和機柜組成。工控機采用高性能處理器和顯卡，運行車速車號監測軟件[8-9]對采集的數據進行計算、統計、存儲，配有大容量存儲硬盤，可對噴灑作業視頻進行截取保存，滿足文件保存時限要求。鐵路煤炭運輸抑塵鉤檔識別自動噴灑系統工作流程如圖2 所示。

圖2 鐵路煤炭運輸抑塵鉤檔識別自動噴灑系統工作流程圖Fig.2 Workflow of the automatic identification spraying system for coal dust depression in railway transportation

4 結束語

鐵路煤炭運輸抑塵鉤檔識別自動噴灑系統已在中國鐵路鄭州局集團有限公司管內進行了長期有效的運用。該系統立足解決鐵路煤炭運輸抑塵及噴灑抑塵作業產生的二次污染的問題，根治了原有抑塵設備的缺陷，減少了道床的污染情況，提高了抑塵作業的自動化程度，保證了抑塵噴灑作業質量，收到了較好的社會效益和經濟效益。鐵路煤炭運輸抑塵鉤檔識別自動噴灑系統可作為移動式或簡易固定式抑塵噴灑設備進行使用，系統全套設備使用投資較小，作業方式靈活，無需建房，是對現有固定式噴灑裝置的有效補充，是實現鐵路煤炭運輸抑塵全覆蓋不可或缺的噴灑裝置，有助于提升煤炭抑塵噴灑質量，提高煤炭抑塵工作效率。