一種基于超聲波空間識別的列車抑塵劑噴灑精確控制系統(tǒng)

劉禹

(天地科技股份有限公司 儲裝系統(tǒng)自動化研究院, 北京　100013)

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一種基于超聲波空間識別的列車抑塵劑噴灑精確控制系統(tǒng)

劉禹

(天地科技股份有限公司 儲裝系統(tǒng)自動化研究院, 北京100013)

摘要：針對現(xiàn)用列車抑塵劑噴灑系統(tǒng)存在裝備安全性不高和抑塵作業(yè)質量較差的問題，設計了基于超聲波空間識別的列車抑塵劑噴灑精確控制系統(tǒng)，并給出了系統(tǒng)相應的軟件控制流程。該系統(tǒng)通過超聲波檢測裝置對列車抑塵噴灑臂進行精確控制，能夠有效避讓機車，識別物料或車輛荷載狀況，改善噴灑作業(yè)質量。

關鍵詞：煤炭集運站； 定量裝車； 抑塵劑噴灑； 超聲波空間識別； 精確控制

網(wǎng)絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160803.0959.004.html

0　引言

2015年，全國鐵路煤炭發(fā)運量逾20億t[1]。國內煤炭鐵路運輸以敞車為主，由于煤炭運輸過程中會產(chǎn)生揚塵、遺灑等問題，煤炭集運站需配備抑塵劑噴灑系統(tǒng)以解決煤炭外運所產(chǎn)生的環(huán)境污染問題。

現(xiàn)用抑塵劑噴灑系統(tǒng)多采用紅外傳感技術作為抑塵劑噴灑自動避讓鉤檔的檢測手段,自動化程度低，不具備自動避讓機車、自動識別物料等功能[2]。紅外傳感器在室外使用中，受天氣因素干擾大、不敏感，需經(jīng)常維護，使得現(xiàn)用系統(tǒng)在使用過程中存在控制失調引發(fā)裝備安全事故、控制失誤引發(fā)抑塵作業(yè)質量較差等諸多問題[3]，無法滿足TB/T3210.2—2009《鐵路煤炭運輸抑塵技術條件 第2部分：噴灑裝置及方法》標準的相關要求。

超聲波波長短，穿透性好,指向性強，檢測不受天氣變化影響，在超聲波測距方面的研究成果較為成熟，應用廣泛[4]。為此，本文基于超聲波空間測量技術，設計了列車抑塵劑噴灑精確控制系統(tǒng)，并給出了相應的軟件控制流程。該系統(tǒng)通過超聲波檢測裝置對列車煤炭抑塵噴灑臂進行精確控制，能夠有效地避讓機車，識別物料或車輛荷載狀況，提高了避讓車輛鉤擋的準確性，改善了噴灑作業(yè)質量。

1　系統(tǒng)組成

列車抑塵劑噴灑精確控制系統(tǒng)通過超聲波檢測裝置檢測列車車廂位置，并結合對列車速度的檢測，由PLC自動控制相應的電動機和控制閥，完成抑塵劑的攪拌與噴灑。列車抑塵劑噴灑精確控制系統(tǒng)主要由超聲波檢測系統(tǒng)、智能噴灑系統(tǒng)、車號識別系統(tǒng)、磁鋼測速系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

圖1　列車抑塵劑噴灑精確控制系統(tǒng)組成

超聲波檢測系統(tǒng)由超聲波檢測裝置及相應電路組成，PLC通過超聲波收發(fā)控制電路驅動超聲波檢測裝置進行超聲波的收發(fā)控制，以實現(xiàn)對車廂位置的檢測；測溫電路對超聲波測量距離進行溫度補償。智能噴灑系統(tǒng)由制液系統(tǒng)、變頻器、水泵、溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、噴灑臂等組成。制液系統(tǒng)由PLC控制攪拌罐、儲液罐、沖洗罐完成抑塵劑的攪拌、制液、儲液，以及作業(yè)完成后的管道沖洗。智能噴灑系統(tǒng)通過PLC控制變頻器來調節(jié)水泵的轉速，使抑塵劑到達噴灑臂。以抑塵劑溫度、壓力、流量的檢測作為智能噴灑系統(tǒng)的閉環(huán)反饋，為抑塵劑噴灑提供穩(wěn)定的壓力。車號識別系統(tǒng)由車輛電子標簽、地面式讀出裝置、車站控制與車號處理系統(tǒng)等組成，以完成對列車的車號識別。磁鋼測速系統(tǒng)由3個磁鋼對列車速度進行測量[5]。監(jiān)控系統(tǒng)由上位機和聲光報警系統(tǒng)組成，上位機操作界面可顯示整個抑塵劑噴灑系統(tǒng)運行的狀況，且具有噴灑視頻監(jiān)控畫面，通過操作各功能開關可遠程監(jiān)視、控制整個系統(tǒng)的各種運行動作。聲光報警系統(tǒng)用于作業(yè)中出現(xiàn)安全事故時的報警。

2　超聲波檢測裝置

2.1超聲波檢測裝置組成及工作原理

超聲波檢測裝置集成了4個收發(fā)一體的空氣耦合超聲波換能器及相應的收發(fā)控制電路、溫度補償電路、通信電路等，如圖2所示。系統(tǒng)通過PLC控制超聲波收發(fā)控制電路驅動超聲波換能器發(fā)射超聲波，發(fā)射出的超聲波遇到障礙物后產(chǎn)生反射現(xiàn)象，反射回的超聲波被換能器接收，此時超聲波收發(fā)控制電路相應的管腳被觸發(fā)，超聲波在空氣中的傳播速度為340 m/s，采用脈沖回波法進行計算，通過測量超聲波發(fā)射與返回的時間可計算出檢測距離。

圖2　超聲波檢測裝置組成

2.2超聲波換能器

超聲波換能器是在超聲頻率范圍內將交變的電信號轉換成聲信號或者將外界聲場中的聲信號轉換成電信號的能量轉換器件，由壓電晶片、匹配層、密封層等組成[6]。超聲波在空氣中傳播時，聲波衰減與聲波頻率成正比[7]。由于作業(yè)環(huán)境含塵高、濕度大、氣流脈動強，為使聲波穿透率最大，系統(tǒng)使用的超聲波換能器工作頻率在50 kHz左右[8]。

超聲波檢測裝置底部配置2個換能器，以提高對垂直方向車廂內物料測量的精度及預測鉤檔到來時間的準確度。水平方向配置2個換能器，前后方向各1個，前方的換能器用于防止與機車碰撞，后方的換能器用于防止在作業(yè)過程中突遇棚車造成安全事故。

2.3超聲波收發(fā)控制電路

超聲波收發(fā)控制電路由超聲波接收芯片TL851和TL852及相關電路組成，如圖3所示。超聲波收發(fā)控制電路包括窄脈沖發(fā)射電路、微弱信號放大電路、信號濾波電路、限幅電路等。超聲波收發(fā)控制電路可驅動換能器發(fā)射、接收超聲波。INIT信號觸發(fā)后，電路激發(fā)換能器發(fā)射超聲波。ECHO接收信號對超聲波反射進行觸發(fā)捕捉。

圖3　超聲波收發(fā)控制電路

2.4超聲波測量及溫度補償

系統(tǒng)由AB1769型PLC控制超聲波收發(fā)電路驅動換能器工作，PLC根據(jù)超聲波收發(fā)控制電路返回的信號計算測量。PLC中的CPU 1769-L32E初始化后，將內部定時器置0，超聲波觸發(fā)信號INIT置0。超聲波檢測開始后，INIT置1，超聲波換能器被激發(fā)，同時啟動PLC的高速計數(shù)器開始計時，由于驅動電路在發(fā)射完固定數(shù)量的脈沖后還有一段余振，須在計時開始后2.38 ms再接收反射超聲波。當超聲波信號遇到被測物體時產(chǎn)生反射現(xiàn)象，CPU隨時捕捉ECHO信號，信號返回后，CPU計時停止，PLC中的CPU對所測數(shù)據(jù)進行存儲與處理。

由于超聲波對溫度有一定的相關性，計算時要考慮溫度補償。溫度補償選用PT100及相關測量電路。溫度補償電路實現(xiàn)對超聲波測距的修正。

3　系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)將2個超聲波檢測裝置分別安裝在抑塵劑噴灑系統(tǒng)的噴灑臂兩側，每個裝置可單獨對垂直方向和水平方向進行超聲波檢測。當噴灑設備開始作業(yè)后，系統(tǒng)控制噴灑臂轉動至鐵路上方，超聲波檢測裝置同時啟動，實時對水平方向進行檢測。系統(tǒng)可以檢測到混裝車皮中的棚車、裝載貨物超過車幫的敞車、或緊隨作業(yè)的機車，如圖4(a)所示。通過超聲波測量后車與噴灑臂的距離，在后車到達臨界的安全距離后，系統(tǒng)自動控制電動機轉動噴灑臂至初始位置。此種方式可不影響前車全部完成抑塵劑噴灑作業(yè)，且可以保證噴灑臂自動避讓后車，從而避免噴灑臂與機車相撞，防止事故發(fā)生。當機車正在通過噴灑臂時，或噴灑臂自動避讓機車后，超聲波水平方向實時檢測與轉動控制形成閉鎖關系，如圖4(b)所示。待機車或棚車完全通過抑塵劑噴灑系統(tǒng)噴灑臂的旋轉半徑后，閉鎖打開，繼續(xù)作業(yè)。

(a) 超聲波檢測后方機車

(b) 自動閉鎖避讓機車

當準備噴灑抑塵劑時，系統(tǒng)自動控制噴灑臂，使其旋轉至車輛上方。噴灑臂就位后，超聲波檢測裝置對車廂進行垂直方向檢測，如圖5所示。

圖5超聲波檢測物料示意

列車抑塵劑噴灑系統(tǒng)主要針對煤炭或者鐵礦石這2種散裝物料進行作業(yè)。煤炭晶體結構與鐵礦石晶體結構不同，使得不同物料的裝車容積不一樣。通過對車廂內物料高度的判斷，可有效分辨車載物料類型或者空車情況。由于煤炭定量裝車系統(tǒng)具備自動平車功能，煤炭在車輛內的形狀成明顯梯形，在抑塵劑噴灑作業(yè)時，車廂勻速向前行駛，系統(tǒng)通過對噴灑臂兩側的超聲波測距進行趨勢分析及比較，可準確判斷車輛噴灑位置及鉤檔到來時間。當左側裝置檢測到車幫，右側裝置檢測到空檔，準備開始噴灑作業(yè)；當左側裝置檢測距離突然變大，且檢測距離逐漸減小，右側裝置檢測到車幫，噴灑作業(yè)開始；當左右兩側超聲波檢測裝置檢測距離不變且相同，噴灑作業(yè)在車廂中部進行；當左右兩側超聲波檢測裝置檢測距離差逐漸增大，噴灑作業(yè)在車廂尾部進行，逐漸減小噴灑量至停止；當左側裝置檢測到車幫時，噴灑停止。通過對理論數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)進行分析，可實現(xiàn)車輛鉤檔到來時間的預判斷，提前控制噴液量，準確避讓鉤檔，實現(xiàn)自動間隔噴灑。

4　系統(tǒng)軟件控制

列車抑塵劑噴灑精確控制系統(tǒng)軟件控制流程如圖6所示。

(a) 主程序

(b)中斷0程序(c)中斷1程序

圖6列車抑塵劑噴灑精確控制系統(tǒng)軟件控制流程

噴灑作業(yè)開始后，設備初始化，所有中斷開啟。中斷0為超聲波檢測裝置前方的超聲波測量信號中斷，測量是否有機車通過。中斷1為裝置后方的超聲波測量信號中斷，判斷是否檢測到混裝車皮中的棚車、裝載貨物超過車幫的敞車、或緊隨作業(yè)的機車。系統(tǒng)初始化后，可自動操作，也可手動操作，使噴灑臂旋轉至待噴灑車廂正上方；執(zhí)行磁鋼測速子程序及車號識別子程序，測量列車速度及識別列車車號；開啟超聲波垂直方向檢測以檢測車廂位置，系統(tǒng)通過對物料類型、列車的速度和車廂位置的判斷，結合專家系統(tǒng)比對分析、趨勢分析，執(zhí)行相對應的噴

灑控制程序；噴完一節(jié)車廂后，判斷是否還有下一節(jié)待噴灑車廂，如不是最后一節(jié)，則繼續(xù)噴灑作業(yè)，直至噴灑完最后一節(jié)車廂后，噴灑臂自動返回初始位置；PLC關閉儲備罐加料閥及噴灑控制閥，打開加水閥清洗管內余液，清洗液回流到儲備罐。至此，整個噴灑過程結束。通信信號將數(shù)據(jù)實時傳至上位機，實現(xiàn)可視化操作。

5　結語

針對現(xiàn)用抑塵劑噴灑系統(tǒng)存在的不足，綜合運用超聲波檢測、計算機、變頻調速和自動化控制技術，設計了基于超聲波空間識別的列車抑塵劑噴灑精確控制系統(tǒng)，并給出了相應的軟件控制流程。列車抑塵劑噴灑精確控制系統(tǒng)易于對現(xiàn)用設備進行系統(tǒng)升級，針對沒有車號識別系統(tǒng)的抑塵站，可通過新增超聲波檢測裝置有效識別物料或空車；系統(tǒng)可以解決現(xiàn)用設備作業(yè)過程中無法防止噴灑臂與機車碰撞的問題，有效減少作業(yè)中的安全隱患，提高混裝車皮中煤炭抑塵劑噴灑的作業(yè)質量，降低了煤炭集運站的維護成本。

參考文獻：

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文章編號：1671-251X(2016)08-0013-04

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.08.004

收稿日期：2016-05-07；修回日期：2016-06-16；責任編輯：張強。

基金項目：天地科技股份有限公司技術創(chuàng)新基金項目(KJ-2014-TDCZ-03)。

作者簡介：劉禹(1983-)，男，北京人，工程師，研究方向為煤礦自動化，E-mail：89413259@qq.com。

中圖分類號：TD56

文獻標志碼：A網(wǎng)絡出版時間：2016-08-03 09:59

A precision control system for train dust suppressant spraying based on ultrasonic space identification

LIU Yu

(Storage and Loading System Automation Research Institute, Tiandi Science and Technology Co., Ltd., Beijing 100013, China)

Abstract：In view of problems that current dust suppressant spraying system of train has low equipment safety and poor quality of dust suppression operation, a precision control system for train dust suppressant spraying based on ultrasonic space identification was designed, and corresponding software control flow of the system was given. The system uses ultrasonic detection device to precisely control coal dust suppression spraying arm of train, which can effectively avoid other locomotive, identify materials or vehicle load conditions, and improve quality of spraying.

Key words:coal freight station; quantitative loading; dust suppressant spraying; ultrasonic space identification; precise control

劉禹.一種基于超聲波空間識別的列車抑塵劑噴灑精確控制系統(tǒng)[J].工礦自動化，2016,42(8)：13-16.