煤運火車壓實自動控制系統研究與應用

豆鵬， 嚴實

(陜西西煤云商信息科技有限公司， 陜西， 西安 710076)

0 引言

隨著經濟社會發展，對運輸提出高效運行的同時滿足標準化指標的要求。鐵路運輸對火車車廂的裝載有了更高的要求，在煤炭運輸中對火車車廂實施自動平整壓實降高成為必不可少的操作[1-2]。煤炭運輸量大、路途遠、運費低，主要依靠鐵路運輸，鐵路運輸中壓實操作工作量大，自動化程度低，完全依靠人工遠端目測壓實高度和手動控制壓實設備，人員勞動強度高、工作量大、勞動環境惡劣且壓實效果因人而異[3-5]。壓實效果不僅無法滿足鐵路部門對裝車壓實的要求，也無法滿足選煤廠對工作效率的要求。綜上所述，為了更好地實現裝車壓實的標準化和自動化，提升壓實效果和整體經濟效益，本文對煤運火車壓實自動控制系統進行研究及闡述。

1 傳統壓實存在的問題

傳統壓實控制一般是利用人員站在裝車站中目測車高，然后憑借人工經驗將壓實裝置上升或下降到某個位置[6-8]。然而，這種方式存在3個問題。第一，人工站在裝車站離車站下的車廂和壓實控制裝置比較遠，目測高度非常不精準，容易發生磕車、壓車等事故；第二，人工控制憑借經驗工作，工作結果因人而異，壓實質量很難得到保障；第三，裝車節數較多，每節進行壓實工作，對人來講是一項單調重復性勞動，很容易產生疲勞操作造成事故，對企業造成巨大損失。

2 火車壓實自動控制系統硬件研究及設計

壓實系統在裝車后對車廂裝置在裝載的物料進行壓實，增加車廂內物料的密度，降低物料的高度避免翻邊情況的發生。鐵路裝載存在混編車廂問題，混編車廂的高度不盡相同，因此壓實裝置的高度要隨車廂高度變化而變化，避免磕車事故的發生。

2.1 系統主要機械結構

壓實系統主要由鋼結構部分、壓輥滾筒部分、鋼絲繩及滑輪部分、液壓系統部分、電氣系統部分和定位系統組成。如圖1所示。

圖1 壓實系統機械架構

壓實系統主體以鋼制龍門架結構支撐，龍門架頂端安裝擺臂，擺臂一端固定在龍門架上，另一端與滾筒相連。除主體硬件結構外龍門架上方還安裝有電機和傳動滑輪，電機與壓實滾筒通過鋼絲繩連接，定滑輪與動滑輪在鋼絲繩上起到張緊和改變方向的作用。

當車廂裝完煤后，行駛到壓實裝置處，信標感知到車廂后，裝車站主控程序通過有線網絡將智能計算結果傳輸指令給PRE，PRE將指令轉換成控制電機信號，電機轉動帶動鋼絲，鋼絲牽引擺臂，從而控制擺臂上的壓實滾筒的高度。

2.2 原向反射式激光信標在本系統中的設計及應用

本系統應用原向反射式激光信標，根據裝置反應信號通過自主研發的識別算法捕捉遮擋點去除噪點，精準的判斷車廂在裝置中的絕對位置。當信標為全0時，沒有被遮擋，說明沒有車廂；當信標為1時，有物體遮擋，此時可能是有車廂，但也有可能是反光、污漬、飛蟲等外界干擾，所以需要去除噪點，在持續、穩定、連續出現1的情況下方可判斷為車廂遮擋，如圖2所示。

圖2 車廂遮擋示意

3 火車壓實自動控制系統軟件研究及設計

3.1 應用場景的分析

火車在行進過程中，壓實控制會存在多種不同的狀態。共有8種不同的狀態[9]。狀態1：火車頭通過壓實裝置，此時，壓實降到安全位置但是不進行壓實操作。狀態2：正向行駛，兩車廂高度相同，此時，壓實應根據車型高度、裝煤高度上升或下降到合理位置。狀態3：正向行駛，前車廂低于后車廂，此時，壓實應根據車型高度、裝煤高度和后車廂高度上升到合理位置。狀態4：正向行駛，前車廂高于后車廂，此時，壓實應根據車型高度、裝煤高度和后車廂高度下降到合理位置。狀態5：倒車行駛，前后車廂同高，此時，滾筒高度不變。狀態6：倒車行駛，前車廂低于后車廂，滾筒下降或者不變高度。狀態7：倒車行駛，前車廂高于后車廂，滾筒上升。狀態8：車尾駛出，壓實在壓完后回到初始化位置。狀態如圖3所示。

圖3 火車行進過程中壓實的不同狀態

3.2 控制邏輯設計

當啟動裝車任務后，程序開始控制壓實裝置，根據車廂定位計算中所寫，壓實光幕檢測到火車頭進入光幕就開始下降壓實到車頭安全位置。火車頭安全位置為用雷達監測火車頭的多個位置，取多個位置中最高的高度再加一個安全高度。

當壓實光幕定位到第一節車廂到達指定位置后滾筒下降到第一節車廂的壓實高度，具體指定位置和壓實高度計算方法根據壓實高度計算中所寫計算。以此類推，在下節車廂到達指定位置后，滾筒在現有高度基礎上上升或者下降到下節車廂壓實高度，此種調節方法適用于混編車型和非混編車型。

當停車時，如果滾筒停在原位置不動。

當倒車時，需要檢測連續多次的車速，判斷確實在倒車的情況下，觸發一級報警，急停抬滾筒到車頭安全位置。

3.3 智能算法設計

1) 定位算法設計

壓實控制下面安裝有3.2 m的信標，用作定位作用。車廂最短為10 m，此壓實信標不能完全定位整節車廂，并且在車廂全部擋住光幕點后不能檢測到車廂前進或者后退的動作。

需要測量裝車主光幕末端到壓實光幕始端的距離，如圖4中的L所示，用主光幕正在裝車的車廂號定位壓實車廂號。裝車光幕中正在裝的車廂號取loading_Index，此車廂的頭坐標loading_Head，用主光幕總長400個點位減去loading_Head的點數dot_N，每個點之間40 mm，得差值長度S=dot_N*40，如圖4壓實控制參數中的S所示。

圖4 壓實控制參數

(1) 設N為已裝完車廂節數，取loading_Index減1的值，當此值小于0時默認為0。

(2) 設compaction_Index為需要壓實的車廂號。

(3) 設compaction_Head為需要壓實的車廂廂頭在壓實光幕中的位置。

(4) 設carriage_Long_0為火車頭長度(此類長度中已加車鉤子的長度)。設carriage_Long_1為第一節車廂的長度，以此類推，第i節車車廂長為carriage_Long_i(此類長度中已加車鉤子的長度)。

(5) 設carriage_Long_sum為已裝車車廂總長度，為車頭加上每節已裝完車廂的長度，如代碼(1)僅供參考。

(6) 設compaction_long為需壓實的長度，為已裝車車廂總長度減去S減去L。

理論設計計算過程，如代碼(2)僅供參考。

for(i=0;i++;i

{

carriage_Long_sum=

carriage_Long_sum + carriage_Long_i;

}

---------------------------------------------------------------- (1)

compaction_long=carriage_Long_sum-S-L

----------- (2)

用compaction_long這個長度減去從車頭開始的車廂長度，當差小于0說明還沒有到達壓實位置，當差大于0說明到達壓實位置。compaction_long減去火車頭，如果小于0，說明火車頭在壓實范圍內，如果大于0繼續減去第一節車廂長度，依次類推，減到第i節出現差小于0，那么就是壓實到第i節，compaction_Index=i。具體壓實到第幾節，理論設計計算過程，如代碼(3)僅供參考。

for(i=0;i++;i

{

compaction_long=

compaction_long-carriage_Long_i；

If(compaction_long < 0)

{

compaction_Index=i;

}

}

---------------------------------------------------------------- (3)

2) 壓實高度算法設計

根據壓實結構具體如圖5計算公式參數所示，編碼器記錄電機拉動鋼絲繩的長度，由于擺臂運動軌跡為圓形，所以鋼絲繩長度和滾筒垂直下降距離存在一定的換算關系。如圖5，R1是擺臂軸點到編碼器的距離，此值為定值；R2是擺臂長度，此值為定值；R5為擺臂軸點到滾筒圓心距離，此值為定值；R3為鋼絲繩長度，即編碼器測量值，此值視為已知值；R4、h2個值為變量，為我們需要求的值。根據R1、R2、R3、R5，得公式如下，

圖5 計算公式參數

(1)

在由R5、R4、h組成的直角三角形中，h為一條直接邊，h即為滾筒的垂直運動高度。注意滾筒運動高度不是滾筒高度，滾筒高度需要用擺臂水平位置時的高度減去h得到。R4的具體計算公式如下，

(2)

針對混編車型，每節車廂高度不同，壓實高度需隨車廂變化而變化，并且在一定誤差范圍內盡量減少擺臂的運動頻率，以減少電機損耗，保證機械設備的使用壽命。參數列表及計算邏輯如下。

compaction_High設為壓實高度。除火車頭外壓實高度為煤高乘以百分比系數，此系數可設置。如式(3)。(參數名：壓實系數，單位為%，默認值98%)

carriage_High_0設為火車頭最高點高度(此類高度為地面到箱體上沿高度)。carriage_High_1設為第一節車廂的長度，以此類推，第i節車車廂長為carriage_High_i(此類高度為地面到箱體上沿高度)。

coal_High_i設為第i節雷達監測煤拉平后的高度，取n個高度點的平均值。如式(4)。

safety_High設為安全高度，擺臂中心到滾筒下沿再加50 mm。滾筒1 700 mm，目測擺臂中心到滾筒下沿1 500 mm，初始值1 500+50=1 550 mm。(50 mm為可設置系統參數，參數名為安全高度參數，單位為mm，默認值為50 mm，取大于0的正整數，最大值為R1)

coal_High_i=

(4)

compaction_High=coal_High_i*k(i>0)

(5)

當檢測到車頭進入光幕，將滾筒下降到火車頭上方的安全高度，即將滾筒下降到carriage_High_0+safety_High這個高度，并記錄R4在壓實光幕中的位置。當第一節車廂進入壓實光幕后R4減去compaction_head的差在一定距離時滾筒下降到第一節車廂需要壓實的高度，此差設置為系統參數。(參數名：壓實動作時機參數，單位為mm，默認值850 mm，取大于0的正整數，最大值為R1)

壓實的安全位置為車廂箱體高度(包括轱轆，即為地面到車廂上沿高度)加上安全高度；如果煤高度低于車廂高度壓實停在安全位置；如果煤高度高于車廂位置，比較此節車的壓實高度和安全高度哪個高取哪個。理論設計計算過程，如代碼(4)僅供參考。

for(i=1;i

{

H=carriage_High_i+safety_High;

compaction_High=coal_High_i*k//K為壓實系數，在系統參數里設置

If(H>coal_High_i)

{

compaction_High=H;

}

else if(H

{

If(compaction_Hig

{

compaction_High=H;

}

else

{

compaction_High=

compaction_High;

}

}

}

---------------------------------------------------------------- (4)

為降低擺臂動作頻率，以減少電機損耗，保證機械設備的使用壽命。在不磕車的前提下，允許在一定誤差不動滾筒高度。例如允許誤差為30 mm，車廂2的壓實高度比車廂1的壓實高度高10 mm，用車廂1的壓實高度不會使車廂2磕車，那么車廂2的壓實高度用車廂1的壓實高度。理論設計計算過程，如代碼(5)僅供參考。(參數名為平穩壓實高參數，單位為mm，默認值為30 mm，取大于等于0的正整數)

q=30 mm //q為平穩壓實高參數，在系統參數里設置。

j=i+1;

H=carriage_High_j+safety_High;

If(compaction_High>H and |compaction_High_i-compaction_High_j|<=q)

{

compaction_High_j=

compaction_High_i；

}

---------------------------------------------------------------- (5)

4 總結

經過對壓實控制原理的理論分析和實際設計，切實的從根本上解決了壓實控制存在的3個問題。第一，解決人工目測不精準容易發生磕車、壓車等事故的問題；第二，應用程序得到更標準化的輸出結果，保證了壓實質量；第三，從軟件程序和硬件控制角度都減少了人員參與，避免了意外傷亡帶來的損失。