自動裝車系統的設計與應用

高科

【摘 ?要】應用于實際工程中的自動裝車控制系統，以及在自動裝車過程中的應用、控制方案的實現，顯現系統的優良品質。

【關鍵詞】自動裝車;控制系統

近幾年來，國家和地方對超載超限車輛查處力度加大，這就要求裝車計量要盡量準確，以確保雙方的經濟利益。

一、系統設計原則

1.操作簡單，無人值守。現場通過傳感器檢測來控制溜槽的裝車，通過視頻監控來檢測系統的裝車過程。

2.工藝成熟、技術先進。全自動汽車裝車的工藝與原半自動裝車系統相同，根據汽車遠程數據終端（RDT）向PLC內預設噸位，通過液壓閘門和溜槽控制，向行進中的列車車廂快速卸料，實現連續、快速、準確裝車。通過控制室即可完成整個裝車線的連續化生產控制，逐步減少現場操作人員，最終達到“一人一線”的自動化控制水平。

3.全過程連續，全自動和手動兩種裝車模式。整個裝車過程從產品倉到汽車車廂形成閉環控制，系統連續自動完成所有裝車作業。手動運行模式應該被代表性的主要用于測試模式，在系統災難性損壞或者不常用的卡車/拖車情況下，它也可以被操作員用于裝車。

二、需求分析及硬件設計

1.需求分析。通過PLC控制自動裝車系統。指標如下：（1）每輛車裝煤25噸，裝煤精度達到千分之四;（2）裝車系統的設計應滿足現場的需求，現場有前后紅外柵欄，通過傳感器實現對加煤車位置的監測。并通過現場交通控制燈的亮滅情況顯示加煤車位置和裝車進度。（3）控制系統自動化程度要高，通過PC機和工控、PC機和稱重儀表之間的實時通信使整個裝車的運行均在程序控制下進行。系統上電后即可進入全自動控制的運行狀態，煤礦技術人員只需實時觀察PC機上的數據就可明白現場的裝車狀態;（4）在不影響煤礦安全生產的前提下，每輛車的加煤控制時間要盡可能的短;（5）裝車控制系統檢測和排查系統的故障能力要高，能夠對裝車現場各種可能的人為或非人為的因素導致的裝車系統的干擾進行實時、巧妙地監控、排除，減少現場的突發事故給企業帶來的損失。

2.基本硬件結構框圖分析。（1）輸入部分。輸入信號包括通過RS-485數據線傳輸的信號和通過技術人員輸入的數據。通過RS-485數據線傳輸的信號包括：稱重儀表數據、紅外柵欄傳感器信號通過端口0實現信號傳輸。通過技術人員輸入的數據包括：裝車數據和裝車狀態請求信號。（2）輸出信號。輸出信號包括：交通燈控制信號、開關打開控制信號以及關閉開關控制信號。（3）工控機和PC機通信。工控機和PC機之間是通過端口1進行的雙向通訊方式，裝車系統啟動后工控發送每輛車的加煤數據和裝車狀態請求信號給PC機。PC機接收到公控發來的數據后，經過檢測、計算后通過XMT指令將數據傳送給工控機。（4）S7-200供電。提供直流供電和交流供電兩種CPU模塊的連線方式。在安裝和拆除任何電氣設備之前必須確認該設備的電源已斷開。

三、自動控制系統的選型

1.自動控制模型。自動控制模型采用最基本的簡單控制回路。

2.流量計。現有流量計為電磁流量計，具有4～20mA模擬輸出和脈沖輸出。

3.控制閥的選型。控制閥無需調節流量，只需具備開、關2種狀態，因而使用切斷型的閥門即可。由于罐區遠離主生產裝置，沒有儀表氣源，因此選擇電動球閥較為合理。如果有條件使用氣動切斷閥，還要考慮閥門瞬間切斷對管道和泵的沖擊，因此一般使用兩段式球閥，在此不作進一步分析。

4.控制器的選型。首先討論“余量”的概念。從模型中可以看出，當比較器計算輸出≥0時，立刻關閉閥門，但從控制器發出信號到閥門全部關閉，需要一定的時間，氣動閥門關閉的時間很短，可以忽略不計，而電動球閥卻需要較長的時間，DN150的閥門約需30 s，把這段時間內流經流量計裝入貨車的累積流量，稱“余量”。例如寧波鎮洋化工發展有限公司正常裝車流量80 m3/h計算，每車余量可以達到0.5 t以上，而且這個量與泵入口靜壓頭（即液位）、流量等因素有關，是一個不確定的、難以準確估計的量，顯然，這是一個必須解決的問題。為解決這個問題，再引入“自動余量補償”的概念。一般來說，在連續2次裝車期間，儲罐液位變化非常小，泵的輸送能力也不會有明顯變化，也就是說，連續2次裝車的余量幾乎是相同的，如果后一車的裝車設定值減去前一車裝車的余量，作為實際的裝車設定值，那么這個余量就得到了補償，裝車將會比較準確。只是余量是由控制器自動計算更新，對操作人員來說是不可見的，稱之為“自動余量補償”。通過上述討論，可以發現普通的批量控制器（二次儀表）并不適合用于自動裝車系統，根本原因在于它不具備自動余量補償的功能。而廣泛應用于工業化生產的單臺小型PLC，因其具有豐富的運算指令、定時器和計數器，則完全可以輕而易舉地實現該功能，更因其低廉的價格獲得市場的廣泛青睞。

5.人機界面的選型。人機界面對操作人員來說是必不可少的，它可以是最簡單的文本編輯器，或者是觸摸屏，甚至是PC機。當然所選設備越高檔，實現的功能尤其是統計功能就可以越復雜，但不一定有實際的意義。從另一方面講，自動裝車關鍵在于單次裝車量的準確程度，與人機界面無關，人機界面主要用于操作員輸入設定值，操作越簡單越好。因此，從實用的角度出發，優先選擇文本編輯器，如西門子TD200，其占用空間小，操作便捷，經實踐證明，非常受操作人員歡迎。

四、裝車控制系統的構成和基本配置

裝車系統由：流量計、數控閥、防靜電接地開關、防溢流液位開關及定量裝車控制儀組成。根據裝車現場的實際分布情況，設計方案如下：在現場每1個裝車鶴位旁安裝1臺隔爆型分布式定量裝車控制儀，這些控制儀具備通過通信線路與遠方上位機聯機的能力，即裝車控制分散和裝車業務管理集中的方案。分布式定量裝車控制儀具有就地完成裝車作業的采集、計算、處理和控制等功能。其他裝車業務管理功能則借助于控制室的上位機，該上位機能從現場的定量裝車控制儀獲取數據并能向定量裝車控制儀發送數據和命令。這種配置的優點是現場工人可以在鶴位旁邊的定量裝車控制儀上觀察到裝車的進程和數據，現場流量計和閥門的電纜只需拉到就近的定量裝車控制儀上，而不必拉到遠方的控制室，而且從定量裝車控制儀到控制室的裝車業務，上位機的通信電纜可以采用總線形式，不必點對點單獨拉線，從而可以節省大量的電纜。

五、自動裝車系統基本功能的實現

PLC采用周期掃描的方式，周而復始地循環逐條執行程序指令集。為實現自動裝車的基本功能，程序集至少包括以下幾個部分。

1.通電初始化，變量和內存清零。

2.當檢測到裝車設定編輯通知位時，執行計算：實際設定值=裝車設定值一余量，余量累積計數器和脈沖計數器清零，并復位編輯通知位。

3.流量信號輸入脈沖計數器計數，轉換為累積流量。

4.累積流量<實際設定值時，打開閥門;累積流量≥實際設定值時，關閉閥門，同時啟動余量累積計數器，定時為30 s（視閥門關閉所需的時間而定），將其轉換為余量。設計程序時，TD200面板首頁文本和數據宜顯示當前累積值和設定值，其他頁面可根據需要設計。

六、自動裝車系統的可選輔助功能的實現

1.TD200面板可增加顯示余量，該值可作為通電后首車設定值的經驗數據。

2.TD200面板可增加顯示瞬時流量，單位為m3/h，但要注意的是在PLC程序計算瞬時流量時，脈沖系數因子必須與流量計組態完全一致，否則會導致兩者顯示值不同。PLC計算瞬時流量的方法是取一定時間（如幾秒鐘）的累積流量，除以時間后，經過單位轉換即可精確獲得。

3.增加暫停裝車過程中的3z/自動開關閥門的變量，經實際證明，該功能基本不被操作人員使用，初始化程序時系統置該位為自動。

4.增加介質密度變量，且可編輯。該功能最具有實用性，也最能體現自動裝車的優勢。人工裝車時要事先進行從體積轉換到質量的計算，而自動裝車則可以根據密度自動換算，從而使TD200面板顯示的累積量為質量，設定值只需輸入質量，就與銷售部門的發貨指令達到了完全吻合。另外，介質密度的設計還體現出其他優點，以下會進一步描述。

5.統計功能。TD200面板可增加顯示近幾天、每月、每季度、每年的累積流量，前提是PLC內部時鐘設置準確、存儲歷史累積量的內存區域設置為掉電保護。

6.泵控功能。根據工藝和設備實際情況，決定是否需要控制裝車泵的自動運行。如鎮洋化工的管理要求是不允許遠程遙控泵的啟動，主要是出于安全因素的考慮。在泵的停止控制方面，從節能角度考慮，停止裝車時應同時停止泵的運行，但頻繁的人工啟動會增加泵的機械損傷和泄漏的可能性;如果泵處于不問斷運行狀態，且出口回流閥門始終開到一定開度，可使罐體內的介質混合更加均勻。泵控功能可根據實際需要設計。

7.報警功能。報警涉及幾個方面：閥門全關后流量不為零;流量超高量程;單車裝車量超過設定值一定的量;報警是否需要人工復位等。

8.閥門開關狀態指示。一般來說，在控制柜上單獨安裝閥門和泵（如果有泵控功能）的狀態指示燈是必要的，當然也可在TD200里同步顯示。

七、自動裝車系統的優點

1.程序的移植性好、通用性強。流量計輸出到PLC的信號為體積流量脈沖信號，脈沖系數單位為m3/P（每個脈沖的體積流量），只要流量計脈沖系數設為與PLC一致，程序就可以不作任何修改而用于任何液體介質的裝車，再配合TD200面板上的密度設置，均可實現以質量計鼉的自動裝車。

2.自動裝車的誤差主要由2部分構成。①因流量計的不準確引起的系統誤差，計算方法為：（實際裝車量一過磅量）/實際裝車量。它是一個基本恒定的值，在流量計不能得到準確校驗的情況下，可以通過修正介質密度值來消除系統誤差。②因余量的不確定性引起的隨機誤差，計算方法為：實際裝車量一設定值。這個誤差是不能消除的，但如果遵循上述“自動裝車系統的注意事項”中的第2點，則可以盡量減小隨機誤差，經長期觀察，該誤差出現在±30kg范同以內的概率在95%以上。由此可見，自動裝車系統的設計有效克服了人工裝車量誤差不確定性的缺點。

3.1臺TD200最多可以實現8輛貨車同時自動裝車，如果超過這個數量，可以再并接多臺TD200，但建議最好改用觸摸屏作為人機界面，這樣不僅美觀，還節約成本。

4.按鍵非常簡單方便（例如，如果相鄰2車裝車設定量相同，連續按“Enter”鍵2次即可），一般操作人員都能很快掌握操作要領;設計靈活，可根據不同的需要自由組合可選的輔助功能或設計其他特殊功能;控制柜占用空間小，可以采取壁掛式安裝;運行穩定可靠，故障率極低，基本免維護;大大減小操作人員的勞動量，裝車不冉受自然條件的限制。

結束語

裝車系統中實現全自動，在技術、經濟、實用性及使用效果等方面均有明顯優勢。它在鐵路裝車工業化生產中的實際應用，必將有利于生產安全和生產效率的提高，促進礦山工業自動化技術水平的全面提高。

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（作者單位：國能集團準能公司黑岱溝選煤廠）