智能無偏載裝車控制系統研究

管 鑫， 王寶超， 燕春光， 南光熙， 楊 煥， 楊 帥

（1.中機生產力促進中心， 北京 100044； 2.中車唐山機車車輛有限公司， 河北 唐山 063035）

0 引言

高速貨運動車組是我國正在研制的新一代高端運載工具，其采用標準集裝器，實現貨物的標準、快捷、安全運輸，其安全性能要求極高。按照我國鐵路運行的相關標準規定，車輛軸重偏差不應超過平均軸重的±2%，輪重偏差不應超過軸的平均輪重的±4%[1，2]。因此，需要對標準集裝器內的貨物重量分布嚴格控制， 保證輪對的輪壓偏差滿足標準要求，因此，需要采用先進的控制系統，實現對裝滿貨物的標準集裝器進行智能稱重和智能配載， 實現高速貨運動車組偏載率的嚴格控制，以保證其安全運行。

1 稱重原理[3]

本系統基于“四角稱重”原理，對集裝器的重心進行測量。當集裝器放入到稱重設備上時，稱重設備將自動測量除去皮重的集裝器的重量以及集裝器在稱重設備的相對重心位置。 在稱重設備稱重的同時，測距儀將對集裝器的在稱重設備中的相對位置進行測量，進行修偏，最后得出集裝器的重心。 其測量原理如圖1 所示[4]。

圖1 稱重及重心測量原理圖

其具體步驟為：

（1）稱重，得出四個傳感器測量值（去皮重）：g1，g2，g3，g4。

（2）計算稱重重心：Xs，Ys。

（3）測量集裝器相對位置：X1，X2，Y1。

（4） 計算集裝器在稱重設備中的偏移量Xc，Yc 以及轉角θ。

（5）進行修偏計算。

（6）最終得出集裝器重心X，Y。

2 控制系統組成

控制系統主要由電氣系統和軟件系統組成。 其控制原理如圖2 所示。

圖2 智能無偏載裝車系統控制原理圖

2.1 電氣系統

電氣系統主要由電控柜、稱重傳感器、測距傳感器、信號觸發傳感器、主控計算機、手持式終端組成。 PLC 采用的是西門子S7-1200 系列， 稱重傳感器采用高精度傳感器模組，主控計算機采用聯想Thinkpad E42，手持式智能終端為便攜式平板電腦微軟（Microsoft）Surface 3。

（1）電控柜。本系統中采用的低壓電器均為進口品牌產品，PLC 采用的是西門子S7-1200 系列，端子采用了國內知名品牌產品，見圖3。

電控柜主要參數：尺寸：（2200×800×1000）mm；進線總功率：5kW（380V、TNS）3kW（220V）；設計標準：GB 50055。

（2）稱重傳感器。 稱重傳感器采用了進口的C3 級高精度傳感器模組，單個最大承重5t，見圖4。

（3）測距傳感器。 測距傳感器采用日本optex CD33-30 激光測距傳感器，精度等級±0.1% F.S.，見圖5。

（4）信號觸發傳感器。 信號觸發傳感器采用日本optex奧泰斯z3 對射型傳感器，開關量信號，10～30VDC，見圖6。

（5）主控計算機。主控計算機采用聯想thinkpad E42，主要配置第六代酷睿i5 2GB 獨顯，8GB 內存，4*USB 其中2*USB 3.0，Windows 系統，見圖7。

（6）手持式智能終端。 手持式智能終端為微軟（Microsoft）Surface 3 便攜式平板電腦，其主要參數：10.8 英寸（1920×1280），Windows 系統，見圖8。

圖3 電控柜外觀圖

圖4 稱重傳感器外形圖

圖5 測距傳感器外形圖

圖6 信號觸發傳感器外形圖

圖7 主控計算機外形圖

圖8 手持式終端外形圖

2.2 軟件系統

軟件系統由主機端軟件以及手持式客戶端軟件兩大部分，見圖9。 主機端軟件的主要功能是根據各集裝器的載荷及分布等基礎數據，對集裝器進行自動篩選，優化組合，并完成智能化模擬裝載。 在完成模擬裝載后，將裝載流程導出到移動設備客戶端APP， 指導裝車人員進行實際裝車。客戶端軟件的主要功能時下載裝箱流程，并以圖文方式顯示在界面上，指導裝箱人員按照流程進行操作，同時還模擬顯示各個輪壓的變化情況。 軟件系統的系統環境為Windows 系統， 應用軟件則基于微軟的Visual Studio 以及SQL 數據庫開發。

圖9 主機端軟件主界面和手持式客戶端軟件主界面

在重心測量方面，采用坐標變換以及修偏算法。 當集裝器以四角稱重方法測得重量、位置信息后，測量軟件需要進行坐標變換， 將坐標值從稱重單元坐標轉化為集裝器的專有坐標， 并通過修偏計算才能得出正確的重心坐標值。 裝箱方面，對集裝器的重量、重心的特性進行研究，通過簡化搜索算法的相似法則及對稱法則， 使得在一系列帶有重量、重心參數的集裝器ID 中搜索出合適的集裝器系列更為快捷，計算復雜度大為降低。

主機端軟件主要功能有：集裝器ID 管理、稱重及重心計算、集裝器搜索及裝箱流程及數據庫管理等內容。主機端軟件功能模塊表如表1 所示。

表1 主機端軟件功能模塊表

3 試驗驗證

為了驗證本項目研發的設備性能， 進行了一系列測試驗證。 測試內容有兩部分： 第一部分是稱重及測量重心，另一部分是裝箱流程的生成。

3.1 重心測試

采用 （1200×1000）mm 的金屬架模擬試件 （總重約200kg）測試，如圖10 所示。

圖10 測試件外形以及尺寸

測試結果，稱重的最大誤差為：1kg。

重心計算的平均誤差為：x-方向：≤1mm；y-方向：≤1mm。

而最大的重心誤差為：x-方向：-3.31；+4.45。y-方向：-4.9；+3.76。

軟件計算界面截圖，見圖11。

圖11 軟件截圖

3.2 模擬裝箱流程測試

用一組集裝器樣本生成流程， 用所生成的流程裝箱后，判別輪壓及軸重是否能滿足偏差規定，對其收斂性及最終的輪壓偏差等方面進行測試驗證。

裝箱流程生成并裝箱后，輪壓偏差為：≤4%，軸重偏差為：0.51%。 圖12 是軟件計算界面截圖。

測試表明，兩項測試內容均滿足設計要求。

圖12 軟件截圖

4 結束語

本文介紹了一套智能無偏載裝車系統的控制系統，介紹了其稱重原理、系統組成。 并進行了試驗驗證，經過試驗測試，性能均滿足設計要求。 驗證結果表明，設備性能優良，結果行之有效。