全自动装车系统的研究应用
0 引 言
神东煤炭集团洗选中心肩负着年产约2亿t的装车外运量，其装车质量、装车精度严重制约着装车系统的稳定运行。美国Ross 等[1]发明了自动运输与装车系统，系统主要由特别设计的AGV及相关辅助引导系统组成，共同完成对货物的输送以及自动装车作业。肖玲等[2]设计了二甲醚汽车自动定量装车系统，完成定量装车的同时，发挥流量检测、温度补偿等功能，控制精度较高。张越[3]采用大鹤管完成成品油的自动装车技术，大幅提高了装车系统的安全性、运行可靠性和精密度。茹艳军[4]设计了基于PLC和PC机控制方案的煤矿装车设备，实时准确监测和记录装车过程中的运行状况。张帅帅[5]设计了全自动火车煤矿装车系统，重点研究了自动装车的伺服控制系统，并将称重计量、车号识别、给料系统等进行系统集成，通过引入轨道衡计量系统、上位机一下位机一体控制模式以及计算机信息处理技术，分别对各子系统进行研究。郭飞等[6]以S7.300 PLC控制器为核心用于煤矿自动化装车作业。梁腾月[7]设计了新型货台装车机，采用了吊装框架机构，货车装载货物时，装车机可自动实现在车厢内移动式装车，使得装车过程更加方便、高效，同时解决了企业场地布置及空间改造难题，创造了更多装车工位。目前鲜见煤矿自动化装车系统适应火车速度的研究，因此本文基于可编程控制技术原理与传感器的应用，对原有快速装车系统进行升级改造，自行研发了一套新型全自动装车系统，不仅可以释放劳动力，降低工人劳动强度，还可以确保装车质量和装车控制精度，避免一定的机电事故。
1 快速装车系统
1.1 快速装车系统组成
快速装车系统主要是由重型(钢或混凝土)支撑系统、缓冲仓、定量仓、装车溜槽及相应的配料称重系统、液压控制系统、配电以及自动控制系统等组成，其主要配套系统有产品仓下给料系统和胶带运输机系统，其他辅助系统还有三级采样系统、除尘系统、防冻搅拌喷洒系统及封尘固化剂喷洒系统等。快速装车系统[8]示意如图1所示。
1.2 存在的问题
图1 快速装车系统
Fig.1 Fast loading system
快速装车系统已广泛应用于大型煤炭企业的产品煤装车外运环节中，其装车速度快、效率高、称量准确[9-10]，但也存在很多问题，主要有：① 装车过程中，需要装车员手动频繁操作定量仓液压放煤闸板和装车溜槽伸缩油缸开关，操作频率高、工作强度大；② 对装车员业务要求高，操作不规范易造成装车高度不均匀、超偏载，甚至出现溜槽与车箱碰撞问题，严重影响交通运输安全和装车效率；③ 基于火车车速在装车过程中的不均匀现象，装车员需根据车速变化相应改变装车系统定量仓放煤闸板的开关时间和装车溜槽的伸缩长度，否则易造成溜槽撞击火车车厢或洒煤，影响装车速度和效率[11]。
2 全自动装车系统
2.1 设计思路
通过升级系统程序来适应火车速度的变化，实现自动装车。具体措施为增设雷达测速传感器和光电传感器，分别检测火车的实时装车速度和火车车厢运行位置，通过可编程控制技术自动调节装车系统定量仓液压闸板放煤的开启时间点。如出现配煤无法满足装车要求、车速超出程序设定的上下限时，自动退出全自动装车程序。
根据煤种不同自动控制装车溜槽的升降，分别按照不同煤种固化装车溜槽自动控制模式。
2.2 系统设计
2.2.1 全自动装车系统系统设计
在原有快速装车系统的基础上，全自动装车系统由5套光电传感器、1套雷达测速传感器、1套装车溜槽防撞传感器、装车溜槽伺服油缸及PLC等组成。光电传感器、雷达测速传感器分别固定安装在火车轨道两侧建筑物上面，溜槽防撞传感器安装在溜槽上(图2)。
图2 全自动装车系统
Fig.2 Fully automated loading system
1、4、5号光电传感器以及2、3号光电传感器分别安装在一条水平线上，同时，1、2号光电传感器以及3、4号光电传感器分别安装在一条垂直线上。为了防止单电眼故障发生，采用1、2号或3、4号光电传感器串联使用，确保全自动化智能装车系统稳定正常运行。光电传感器具体安装位置要求如图3所示。
图3 光电传感器安装
Fig.3 Installation diagram of photoelectric sensor
安装在火车车厢两侧的光电传感器都是成对使用，其中一个为发射端，另一个为接收端。光电传感器安装位置既不能高于车厢顶部，也不能低于车厢轮毂中心线，否则光电传感器无法发挥作用，一直处于常闭或常开状态，开关量信号I/O之间不会自动切换，未触发PLC程序对定量仓液压闸板开启或关闭，最终导致无法启动自动化装车系统[12-13]。
测速传感器检测火车的实时速度，通过时间计算得出相对距离(火车皮前端离溜槽前沿的相对距离)，来判断闸板开关时间(即放煤时间)，速度越快，放煤早(开闸板早)，速度慢，放煤迟(开闸板晚)，前提是要满足自动开闸板的条件。火车速度是由测速传感器将速度值转换为4～20 mA电流信号接入PLC模拟量点计算得到[14]。
2.2.2 全自动装车系统工作流程
全自动装车系统工作流程[15]如图4所示。光电传感器形成的开关量信号与雷达测速仪形成的模拟量信号接入PLC可编程逻辑控制器，PLC控制程序分别触发定量仓液压闸板自动打开、关闭和装车溜槽的升降，实现装车系统的自动化。
图4 全自动装车系统工作流程[15]
Fig.4 Workflow of fully automated loading system[15]
1、2号光电传感器检测装车溜槽完全进入车箱位置。3、4号光电传感器检测2/3装车溜槽进入车箱位置。5号光电传感器检测需强制关闭定量仓液压闸板放煤的安全位置，因为火车车厢之间有换长，从其中一节车厢向下一节车厢装煤过渡过程中，定量仓液压闸板必须关闭，否则会造成洒煤严重，即每节车厢行驶离开5号光电传感器时，光电传感器触发PLC程序定量仓液压闸板关闭。7、8号传感器分别为Ⅰ级、Ⅱ级装车溜槽防撞传感器，起溜槽保护作用。装车过程中，如遇溜槽低于车帮来不及提升到标准位置，防撞传感器第一时间触及车厢，PLC程序控制装车溜槽立即提升，起到防止溜槽被撞或刮伤的情况。
当火车车厢挡住1～4号传感器时，定量仓液压闸板触发PLC程序开始动作放煤，当火车车厢驶出5号光电传感器时，5号光电传感器触发PLC程序关闭定量仓液压闸板，完成一节车厢的装煤，实现装车系统的自动化。
2.3 控制原理
通过增设雷达测速传感器和光电传感器检测火车的实时速度和车箱运行位置(与装车溜槽相对位置)模拟人工智能自动调节装车系统定量仓液压闸板的开启时间节点。如果火车实时速度较快，则提前开闸板，反之则推后开闸板；配煤无法满足装车，车速低于下限或高于上限时，自动退出装车程序。
根据煤种不同自动控制装车溜槽升降，装精煤时，开启装车系统液压闸板后立即下降装车溜槽，延时后装车溜槽恢复上升到正常高度；装混煤时，开启液压闸板后，装车溜槽处于正常位置；如果出现产品煤比重较大时，开启液压闸板后立即下降装车溜槽。装车接近车厢尾部时，6号防撞传感器触发命令提升溜槽至安全高度。全自动装车系统控制原理如图5所示。
3 全自动装车系统的应用
全自动装车系统是基于快速装车系统的升级改造，通过增设一系列传感器与PLC程序的控制相结合而成。为了防止光电传感器因杂物或其他因素轻微误动，先对每个电子传感器进行了短时间的除杂(滤波)处理。
3.1 装车溜槽放煤状态
装车过程中，车厢两侧全部挡住1～4号光电传感器时，光电传感器触发PLC程序控制定量仓液压闸板开启放煤(图6)。1～4号光电传感器全部被车厢两侧挡住，说明溜槽的位置在车厢之间，具备放煤(必须满足需求位移的设定)条件。
图5 全自动装车系统控制原理
Fig.5 Working principle diagram of fully automated loading system
图6 装车溜槽开始放煤状态
Fig.6 State diagram of loading chute began caving
3.2 装车溜槽未放煤状态Ⅰ
装车过程中，车厢两侧挡住3、4号光电传感器而未挡住1、2号光电传感器时，接入PLC程序的光电传感器不触发定量仓液压闸板开启放煤。此时，装车溜槽垂直方向投影未完全在车厢内，如果此时3、4号传感器触发定量仓液压闸板开启放煤，将会导致装车溜槽洒煤，影响装车效率，带来运输安全隐患。装车溜槽未放煤状态Ⅰ如图7所示。
图7 装车溜槽未放煤状态Ⅰ
Fig.7 State diagram 1 of loading chute without coal
1、2号光电传感器不被挡，3、4号光电传感器被挡的情况下无法开液压闸板放煤，因为1、2号光电传感器是火车车皮前沿的安全电眼，即车前沿必须挡住1、2号后才能开闸板，这是为了防止相对位移值计算失误设置的一个硬性保护，解除自动闸板。
3.3 装车溜槽未放煤状态Ⅱ
当1～4号光电传感器处于火车车厢换长位置时，光电传感器触发的定量仓液压闸板不开启。如果此时开启，装车溜槽中的煤全部洒在外面。因此，1～4号光电传感器之间的水平距离必须小于各种车型之间的最小换长。装车溜槽未放煤状态Ⅱ如图8所示。定量仓液压闸板开启与车厢所挡光电传感器的关系见表1。
图8 装车溜槽未放煤状态Ⅱ
Fig.8 State diagram Ⅱ of lading chute without coal
表1 定量仓液压闸板是否开启与车厢遮挡光 电传感器之间的对应关系
Table 1 Relationship between whether the hydraulic plate ofquantitative warehouse opening and the photoelectric sensor blocked by the train
序号车厢挡住光电传感器编号定量仓液压闸板是否开启11、2、5号不开启23～5号不开启31～5号开启
火车车厢离开5号光电传感器时，PLC控制程序触发定量仓液压闸板关闭，从而完成一节车厢的装煤过程，如图9所示。5号光电传感器未挡时，说明车尾快离开溜槽，必须执行关闸板命令。
图9 装车溜槽停止放煤状态
Fig.9 State diagram of loading chute stopping coal
4 全自动装车系统使用要求
1)检查1～5号光电传感器显示状态，在火车通过光电传感器对射区域时，每个光电传感器应呈现“绿-灰”颜色交替变化，证明光电传感器运行正常。
2)火车行驶过程中，检测车速是否显示正常，确保测速传感器返回值有变化。
3)溜槽防撞传感器动作时，检测信号返回是否正常；检测旋转溜槽、伸缩溜槽油缸位置是否显示正常。
4)定期清理测速传感器，以防测速传感器黏煤粉，导致速度值不变，影响装车的自动使用。
5)设定定量仓液压闸板自动控制相关参数1和参数2。
为实现全自动化智能装车系统的精准装车，根据煤种、车型不同，在光电传感器触发定量仓液压闸板开启时，还需对液压闸板开启时间做微调延时，其中参数1与煤种有关，参数2与煤块大小有关。参数1与参数2的设定取决于手动装车时的经验、煤质、车型等。以大柳塔选煤厂712全自动装车系统为例，参数1和参数2见表2。
表2 大柳塔选煤厂712全自动装车系统参数1与参数2的设定值
Table 2 The setting value of parameter 1 and parameter 2 of 712 automatic loading system in Daliuta Coal Preparation Plant ms
项目C64精煤C64混煤C64块煤C80精煤C80混煤C80块煤C70精煤C70混煤C70块煤参数19890677055801009880参数23.54.52.03.54.02.93.03.82.5
5 全自动装车系统效果分析
全自动装车系统杜绝了因人工操作不稳定造成的装车质量低，出现偏载、超载等现象，避免了溜槽与车厢相碰撞造成的机电安全事故，确保了装车外运的稳定运行。全自动装车系统适应了火车车速的变化，自动调整装车放煤闸板的开关时机和装车溜槽的伸缩长度。释放了装车人员80%的劳动力，提高了装车工作效率。节约因装车溜槽与车辆碰撞产生的维修费、劳务用工费用、劳务装车质量差、超偏载等问题造成的经济损失共计约1 500万元/a。
6 结 语
通过增设雷达测速传感器和光电传感器，利用可编程控制技术自动调节装车系统定量仓液压闸板放煤的开启时间点等技术，将快速装车系统升级为自动装车系统。自动装车系统的优点是杜绝了因人工操作而造成的装车质量差的问题，避免了装车溜槽与车厢发生碰撞等问题，降低了装车员的劳动强度和装车成本，但也存在一定的缺陷，如智能化程度不够高、系统维护成本高。未来将通过一定技术，实现装车系统无人操作，装车量、精度等全部在调度室实现，可全面智能化发展。
[1] ROSS W D,CHILSON G E.Automatic transport loading system and method：US8192137 B2[P].2007-11-22.
[2] 肖玲，刘连景.二甲醚自动定量装车系统设计实施[J].自动化应用，2012(1)：47-48.
XIAO Ling,LIU lianjing.Design and implement of dimethyl ether automatic regular loading truck system[J].Automation Application,2012(1)：47-48.
[3] 张越.火车自动装车系统设计[J].自动化与仪表，2004，19(5)：66-69.
[4] 茹艳军.PLC控制的自动装车系统设计[J].电子世界，2014(17)：163-164.
[5] 张帅帅.一种新型火车自动装车系统的设计与研究[D].青岛:山东大学,2012.
[6] 郭飞,汪光阳,宁芳青,等.基于PLC的装煤车自动控制系统设计[J].工业控制计算机，2010，23(10)：20-22.
GUO Fei,WANG Guangyang,NING Fangqing,et al.Design of charging car's automatic control system based on PLC[J].Industrial Control Computer，2010，23(10)：20-22.
[7] 梁腾月.新型货台水泥装车机[J].中国水泥，2009(12)：67-67.
LIANG Tengyue.New type of cement truck loader[J].China Cement，2009(12)：67-67.
[8] 张泽江、白云峰.全自动装车在神东矿区的实现[J].煤质技术，2009(3)：35-36.
ZHANG Zejiang，BAI Yunfeng.Discussion on automatic car loading in Shendong coal mine area[J].Goal Quality Technology,2009(3)：35-36.
[9] 孙光明.欧阳名三，程甘霖.基于PLC的煤矿自动装车系统研究[J].煤矿机械，2012，33(5)：224-226.
SUN Guangming，OUYANG Mingsan，CHENG Ganlin.Research oncoal mine auto-loading system based on PLC[J].Coal Mine Machinery，2012，33(5)：224-226.
[10] 司玉海.基于PLC的煤矿配煤装车系统[J].科技情报开发与经济，2005，15(6)：233-235.
SI Yuhai.PLC-basedcoal blending and loading system in coal mine[J].Sci-Tech Information Development & Economy，2005，15(6)：233-235.
[11] 刘慧敏.煤矿自动装车系统中PLC的应用研究[J].机械管理开发，2017，32(5)：131-136.
LIU Huimin.Application of PLC in automatic loading system of coal mine[J].Mechanical Management and Development，2017，32(5)：131-136.
[12] 袁进南，高顶，王仿，等.PLC在煤矿自动装车系统中的应用研究[J].机械制造与自动化，2009，38(1)：137-140.
YUAN Jinnan，GAO Ding，WANG Fang，et al.Application of PLC in coal mine for automatic loading system[J].Machine Building & Automation，2009，38(1)：137-140.
[13] 张冬梅，王成刚.煤矿铁路自动装车系统的设计[J].煤炭科学技术，2005,33(9)：48-50.
ZHANG Dongmei,WANG Chenggang.Design of automatic train-loading system for mine railway[J].Coal Science and Technology，2005,33(9)：48-50.
[14] 郭凤仪，张焕强.模糊PID控制在煤矿采区自动装车系统中的应用[J].计算机测量与控制，2013,21(7):1803-1806.
GUO Fengyi，ZHANG Huanqiang.Application of fuzzy PID control in the automatic loading system of coal mining areas[J].Computer Measurement & Control，2005,33(9)：48-50.
[15] 刘海锋.提升装车系统自动化程度实现精美定量装车[J].神华科技，2018，16(1)：32-35.
LIU Haifeng.Improving the Automation Degree of Loading System and Realizing the Precise Loading[J].Northwest Coal，2005,33(9):32-35.
Research and application of fully automated loading system
移动阅读
SUN Jianrong,XIAO Wenyuan.Research and application of fully automated loading system[J].Clean Coal Technology，2019，25(4):156-161.
