基于PLC的鐵路裝車自動化控制系統設計思路構建

劉子寬

（中國鐵道科學研究院集團有限公司電子計算技術研究所，北京 100081）

在鐵路運輸行業快速發展的背景下，相關行業對鐵路裝車自動化系統的要求越來越高。由于鐵路裝車自動化系統尚處于應用的初級階段，不僅系統本身還有一部分問題尚未解決，而且系統多數環節的完整性也有待優化。目前，雖然鐵路裝車自動化系統還有待優化，但是已有部分單位已在使用該系統，無疑加大了操作人員的工作難度。有些系統甚至尚未通過實驗測試就已投入運行，同樣會制約鐵路裝車自動化系統的發展，與當前的市場主流不符。因此，本文基于可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）鐵路裝車自動化控制系統設計思路的構建，對相關行業的發展具有重要的現實意義。

1 PLC系統概況

隨著當今社會對運輸要求的不斷提升，該行業對自身科技自動化的要求有了明顯提高。如今，鐵路裝車自動化系統在微電子、計算機等高科技產品的加持下，在滿足現代市場需求方面有了明顯改善。現階段鐵路裝車自動化系統最主要的編程方式當屬PLC系統。

PLC系統是一種面向廣大用戶的編程體系，因其能夠直接在存儲器的內部利用可編程的存儲器編寫程序為用戶提供了極大便利[1]。與其他編寫程序相同，該編寫程序也設定有主要執行行為，如邏輯運算、循序控制和算術操作等。PLC系統在各類機械或生產過程控制中主要采用數字模擬式輸入或輸出，而通過PLC控制的系統在應用初期的使用范圍較小，主要集中于電力行業[2]。在PLC系統發展逐步完善的情況下，它的各種功能越來越健全，有效增強了PLC系統的可用性和可操作性。

目前，各類生產控制類行業對PLC系統的運用最普遍。以化工廠為例，它的整個化工行為的控制與油田的自動化儲存等過程均由PLC推動[3]。在鐵路裝車自動化系統中，PLC系統最重要的工作是為裝車指導提供依據。在鐵路運輸行業中使用PLC系統，不僅能夠降低勞動人員的工作量，而且鐵路裝車的數據集成與處理效率均能夠得到全面提升。另外，鐵路裝車自動化系統能提升鐵路裝車整體的自動化程度，對鐵路裝車自動化起到了極大的推動作用，切實保證了鐵路裝車的生產效率。

2 鐵路裝車自動化控制系統的功能性說明

對鐵路運輸行業而言，石化產品當屬最主要的運輸對象。根據運輸石化產品的相關管理條例，在鐵路運輸石化產品時必須遵循質量標準[4]。在使用PLC系統前，由于石化產品裝車采用最傳統的人工裝車方式，不僅極易產生誤差增加運輸過程的風險，而且勞動人員的工作量大，甚至還可能因直接接觸到部分劇毒化學物品而對身體帶來損傷。鐵路裝車系統實現自動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。

在鐵路裝車中運用自動化系統最主要的作用是借助控制系統來強化控制鐵路裝車的質量，從而全面監測所有鐵路設備的運行參數，達到控制裝車過程的目的。此外，該系統能檢測并監控整個倉庫儲罐的相關數據，如時刻檢測儲罐液位、溫度及壓力等。在自動化系統的輔助作用下，火車停靠、裝車位置等細節亦將得到良好控制。鐵路裝車自動化系統本身的操作需要依靠手動形式完成。首先，為確保鶴管能夠準確插入火車槽車的充裝口，可基于押運員提供的各項數據，通過控制室內人機操作界面上位機窗口中的鶴位控制室完成相關操作。其次，在控制鶴位后，由于系統所設置的鶴位值是此前所需裝運的積累量，因此在開展下一次運輸工作前需及時將上次每個鶴位的重裝累積量清除，以免影響下一次運輸。最后，在確認預先設定值與當前鶴位的累積量均達到相關規定值后停止裝車，并將裝車泵關閉。

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積累量的設定值與單據要求是否一致來確定裝運過程是否存在問題，待確認完畢后便可發出閥門控制命令來開啟流量計。設定裝車總管壓力時，需將火車的裝車泵打開，并結合壓力設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定的情況下開始裝車。

3 鐵路裝車自動化控制系統硬件設計

裝車控制系統是鐵路裝車自動化控制系統的核心部分，其配置主要包括中央處理器（Central Processing Unit，CPU）、通信模塊和基板等。在鐵路裝車自動化控制系統的設計過程中，它的指標主要涉及裝車能力、裝車精確度和裝車速度。因為在上位機中主要選用的是工業類控制計算機，而人機界面主要采用的是組態軟件開發，所以能夠利用以太網交換機和系統原有的鐵路車號自動識別系統在并行口中連接打印機。然而，人機界面在開發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用Visual Basic宏語言（Visual Basic for Applications，VBA）進行程序編寫，因此鐵路的車號自動識別系統和局域網能夠采用Windows系統來處理。

在應用鐵路裝車自動化控制系統的過程中，主要遵循節約原則，盡量避免對現場進行較大改造。鐵路裝車自動化控制系統的硬件主要由多個獨立的功能模塊和控制核心組成。這些功能是所有產品對倉位進行的監測和信號輸出。裝車控制的核心也能夠借助PLC來控制計算機和網絡版組態軟件。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重要部分。在實現自動化控制的過程中，處理和檢測儀表信號的采集等方面需要借助PLC來完成，而人機接口則主要利用工控機來完成。基于PLC的鐵路裝車自動化控制系統硬件結構組成如圖1所示。

圖1 基于PLC的鐵路裝車自動化控制系統硬件結構

PLC在控制牽引車和溜槽閘門等多個設備啟停時應用了多種檢測，如車廂位置、車號、裝煤高度及裝煤量等。通過檢測以上數據可實現自動化裝車。在此過程中，相關設備的啟動與關閉均需要借助繼電器來控制。通常各個設備都配備有按鈕盒、指示燈和重要設備的報警器等，下達相關指令時需要嚴格按照一定要求控制設備的啟停順序，從而直接將部分數據信息快速上傳到上位機，以監測和控制系統。

鐵路裝車自動化控制系統主要借助西門子S7系列的PLC，采用的是CPU和輸入/輸出（Input/Output，I/O）模塊，且能夠在上位機中顯示相關內容，主要特點如下。

第一，在CPU中選擇應用西門子的S7系列315-2DP，能夠利用其具備的中、大規模程序存儲容量以及多個數據結構直接構建分布式的I/O結構，從而使系統具備診斷、參數賦值、報警、定時和測量等功能特點。

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

第三，PLC能夠將各個模塊共同組合成為高速遠程的I/O通信網絡，使PLC實現與現場的設備交換數據的目的。

4 鐵路裝車自動化控制系統的工藝流程分析

4.1 裝車系統理論分析

以某石化產品的運輸情況為例，該鐵路裝車自動化系統中的車皮長度及載量分別為14 m和60 t。此前的裝車時速為0.16 m·s-1，車皮的標準裝車速度為685 kg·s-1。以該速度計算，需花費87.5 s裝滿一列容量為60 t的車皮。顯然，上述系統在裝車速度方面用時較長。使用鐵路裝車自動化系統后，整個裝車過程能夠更加契合軌道恒稱的質量標準，明顯縮短了裝車時長。

4.2 工藝流程

如圖2所示，鐵路裝車自動化系統能夠識別第一節車廂的具體行駛位置，而在識別后還將發出后續的指令，從而快速給石化機加料。通常可加的石化產品量為總加量的80%～95%。在整個石化產品裝車過程中，需要判斷當前車廂是否處于可加載產品的位置。若車廂質量在核定范圍內且留有一定空間，則可繼續裝載；反之，則停止，從而避免物料灑落在車廂外。當第一節車廂上衡時，自動化控制系統可以快速識別車廂位置，并啟動慢加給石化產品的程序，待裝車量達到最終設定值時便可停止慢加煤，從而使整個工控機控制系統可以根據自動對稱量數據進行采樣和相應處置。

圖2 基于PLC的鐵路裝車自動化控制系統工藝流程

鐵路裝車自動化系統中最常用的功能還包含以下：計算車輛的總數和車輛的總軸數來判斷車廂上衡是否完成；校準車號信息為后續的自動稱量提供保證；判斷車廂是否處于裝車位置，避免物料灑落到車廂之外，從而達到減少物料損耗的目的。

5 結語

應用基于PLC的鐵路裝車自動化控制系統能夠有效解決裝車量誤差，并能夠自動完成繁重的裝車任務，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，整個裝車自動化控制系統采用STEP7編程、WinCC組態及現場調試，能夠保證系統運行的可靠性和穩定性。