散糧無人化自動(dòng)裝車關(guān)鍵技術(shù)的研究和應(yīng)用

◎ 馬 飛

（連云港東糧碼頭有限公司，江蘇 連云港 222000）

1 項(xiàng)目背景和意義

近年來，在散糧的裝卸以及計(jì)量系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化，但其裝車任務(wù)，特別是無人化自動(dòng)裝車系統(tǒng)還未實(shí)現(xiàn)，仍然需要一定量的人工參與來完成。不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且還存在較多的不穩(wěn)定因素，諸如誤操作帶來的計(jì)量偏差、糧食撒漏、設(shè)備損壞、裝車偏載等，特別還存在人員在車廂上作業(yè)墜落的安全隱患。因此，行業(yè)內(nèi)急需一款無人化自動(dòng)裝車系統(tǒng)來替代人工完成裝車任務(wù)。

2 港口裝車系統(tǒng)種類和技術(shù)指標(biāo)

港口裝車系統(tǒng)主要可分為大容量定量式和非連續(xù)累計(jì)秤兩種方式。連云港東糧碼頭有限公司采用的是3臺(tái)2 t非連續(xù)累計(jì)秤，裝車的車型主要是70 L型糧食專用車，裝車線為2條（每條線22節(jié)車位），每條裝車線額定作業(yè)效率為500 t·h-1，裝車樓年作業(yè)量為300萬(wàn)t，裝車樓年工作時(shí)長(zhǎng)為365 d，裝車斗秤數(shù)量為每條線3臺(tái)，共6臺(tái)，裝車斗秤主要參數(shù)：最大量程（Max）2 000 kg。

3 散糧裝車現(xiàn)工藝流程

（1）送車。每列（44節(jié)）鐵路在編組站分解為2個(gè)半列（各22節(jié)車廂），由機(jī)車分別送至裝車樓前指定位置，脫鉤后機(jī)頭離開裝車線，由人工操作鐵牛牽引車廂。在送車過程中，操作工根據(jù)保管人員提供的表在裝車信息系統(tǒng)里填寫車序、車型、車號(hào)、貨種、名稱等，并將打料信息發(fā)送至中央控制室。

（2）送料。中央控制室人員通過裝車樓發(fā)送的信息及筒倉(cāng)內(nèi)的糧食存量來安排送料，根據(jù)裝車樓的作業(yè)量及料位來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制打料。

（3）裝車。在拉車過程中，裝卸人員首先在車廂頂部將裝車蓋板依次打開，裝車人員操作鐵牛完成車廂對(duì)位，當(dāng)車廂到位后，操作人員在組態(tài)界面輸入裝車重量并啟動(dòng)裝車，斗秤PLC控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分配，裝車線上的3臺(tái)斗秤持續(xù)工作。

（4）取車。裝車完成后，裝車人員將各裝車斗秤的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，并填寫至信息系統(tǒng)中，打印出裝車單，再操作鐵牛將火車送至指定位置，脫鉤后由機(jī)車將該列車帶走。

4 無人化自動(dòng)裝車距離檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 車廂位置測(cè)距

牽引鐵牛運(yùn)行平穩(wěn)，在鐵牛的驅(qū)動(dòng)軸上安裝絕對(duì)值位移編碼器，通過換算實(shí)時(shí)獲取鐵牛的精確位置，具體位置編碼器值如表1所示，在鐵牛運(yùn)行的中間點(diǎn)安裝接近開關(guān)用于編碼器校準(zhǔn)，在東西兩側(cè)分別設(shè)兩個(gè)運(yùn)行終點(diǎn)。位置信息具有掉電保持功能，將11節(jié)火車的裝車位置均保存在PLC內(nèi)。裝車根據(jù)裝車作業(yè)情況，共設(shè)定3個(gè)主要定位點(diǎn)：11個(gè)車廂裝車位、機(jī)車送車位、裝車完成停止位。

表1 各位置的編碼器值表

4.1.1 機(jī)車送車位

機(jī)車由于是人工操作，在送車的時(shí)候停車無法實(shí)現(xiàn)規(guī)定的地點(diǎn)停車，需要人工連接并確認(rèn)。當(dāng)人工完成連接，點(diǎn)擊啟動(dòng)自動(dòng)裝車。

4.1.2 裝車位

首先根據(jù)絕對(duì)值編碼器標(biāo)定所有車廂的裝車位置，在收到自動(dòng)裝車信號(hào)后，PLC會(huì)將現(xiàn)鐵牛編碼器地址與所第一車廂裝車位的鐵牛編碼器位置進(jìn)行比較，當(dāng)位置大于裝車位后，鐵牛將火車由西向東進(jìn)行牽引，在牽引至中間段時(shí)，鐵牛會(huì)經(jīng)過位置校準(zhǔn)接近開關(guān)，實(shí)現(xiàn)位置校準(zhǔn)，最終將車廂牽引至裝車位。在11節(jié)已達(dá)的車廂中，難免會(huì)存在車廂有問題不裝的情況，因此在裝車前將不裝的車輛在操作界面上進(jìn)行設(shè)定，PLC根據(jù)車廂的編碼器位置控制鐵牛實(shí)現(xiàn)車廂牽引。

4.1.3 裝車完成停止位

當(dāng)最后一節(jié)火車完成裝車后，裝車人員收到信息及確認(rèn)后，鐵牛會(huì)根據(jù)編碼器位置將車廂牽引至機(jī)車?yán)囄弧?/p>

4.2 裝車高度測(cè)距

在自動(dòng)裝車的環(huán)節(jié)中有以下幾個(gè)問題：①位置編碼器是否正常，車廂定位是否準(zhǔn)確。②糧食在車廂內(nèi)裝料情況，是否需要移車。③在裝糧食過程中是否存在故障。

面對(duì)以上3個(gè)問題，采用3組激光測(cè)距傳感器來解決難題。首先，對(duì)散糧專用車的車型進(jìn)行高度標(biāo)定，當(dāng)散糧專用車到達(dá)裝車位后，再利用紅外進(jìn)行高度檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)高度判定正確后，自動(dòng)啟動(dòng)斗秤進(jìn)行裝車。

不同品種的糧食比重不相同，倉(cāng)底的糧食也存在豆皮較多的情況，因此在裝車過程中，無法確保按照既定斗數(shù)裝車都能不偏載、不超載情況。采用激光測(cè)距傳感器，首先標(biāo)定糧食裝車上限高度，然后在裝車過程時(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)車廂內(nèi)已裝糧食的高度，當(dāng)?shù)竭_(dá)上限后發(fā)出信號(hào)控制鐵牛進(jìn)行牽引。糧食在裝車初始階段，因?yàn)槁洳钶^大，因此在裝車過程中出現(xiàn)粉塵，會(huì)影響紅外的判斷，所以在前三斗屏蔽距離的上限報(bào)警信號(hào)。

在裝車過程中，會(huì)出現(xiàn)斗秤作業(yè)正常，但是秤下斗等環(huán)節(jié)出現(xiàn)了堵塞的情況，在無人的情況下很難發(fā)現(xiàn)，通過激光距離傳感器可以根據(jù)斗秤運(yùn)行次數(shù)與車廂內(nèi)高度進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)高度低于標(biāo)定高度時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

4.3 伸縮溜筒測(cè)距

連云港東糧碼頭有限公司采用3組伸縮進(jìn)行裝車，在進(jìn)行自動(dòng)裝車時(shí)有以下幾個(gè)問題：①在移車過程中，伸縮溜筒是否在規(guī)定高度以上，避免移車的碰撞。②裝車過程中伸縮溜筒是否運(yùn)行到指定高度。③伸縮溜筒故障的判定。

在伸縮溜筒頂部的側(cè)邊安裝拉繩編碼器，將拉繩系到伸縮溜筒的底部，實(shí)時(shí)檢測(cè)伸縮溜筒的高度，具體伸縮溜筒標(biāo)定值如表2所示，共設(shè)定4個(gè)高度位置：溜筒上限、裝車高度、等待高度、火車移車安全高度。在未啟動(dòng)裝車信號(hào)時(shí)，PLC會(huì)根據(jù)位置信息，將伸縮溜筒提升至等待高度，避免任何碰撞。在啟動(dòng)裝車信號(hào)后，溜筒到火車移車安全高度，車廂到位信號(hào)發(fā)出后，控制伸縮溜筒下降至裝車高度，準(zhǔn)備裝車。

表2 伸縮溜筒高度標(biāo)定值表

在裝車的過程中為了實(shí)現(xiàn)平車，增加了溜筒平車功能，就是在溜筒內(nèi)滿料，通過慢牽引放料來實(shí)現(xiàn)平車。此環(huán)節(jié)存在一個(gè)問題：溜筒內(nèi)滿料如何判定是平車還是堵塞故障造成的。

在伸縮溜筒的底部?jī)?nèi)側(cè)，安裝了一個(gè)防爆的紅外傳感器，當(dāng)溜筒內(nèi)滿料后，此紅外傳感器就會(huì)發(fā)出堵塞的開關(guān)量信號(hào)，PLC內(nèi)部接收到信號(hào)后會(huì)與激光測(cè)距的信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，如果糧食到達(dá)溜筒位置，即為滿料平車，反之則為故障。當(dāng)堵塞信號(hào)發(fā)出后，伸縮溜筒嚴(yán)禁提升，避免造成撒漏。

5 無人化自動(dòng)裝車計(jì)量系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

連云港東糧碼頭有限公司斗秤的品牌為唯科，選用F70-1-C稱重控制器，單斗稱重最大值為2 000 kg。裝火車采用統(tǒng)一的70 t L車型車廂，裝車量為69 t。保管人員提前在裝火車上位機(jī)系統(tǒng)內(nèi)，輸入火車的車號(hào)、貨種、品名，火車通過車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)在裝車過程中自動(dòng)比對(duì)，比對(duì)正確后給PLC發(fā)出信號(hào)，觸發(fā)裝車比對(duì)正確的開關(guān)量信號(hào)。在無人自動(dòng)化裝車上，有以下2個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題：①3臺(tái)斗秤的作業(yè)量如何分配最佳。②斗秤故障如何及時(shí)發(fā)現(xiàn)及應(yīng)對(duì)。

連云港東糧碼頭有限公司采用順火車方向由西向東裝車，上位機(jī)自動(dòng)按照1號(hào)溜筒27 000 kg，2號(hào)溜筒22 000 kg，3號(hào)溜筒20 000 kg進(jìn)行分配，3號(hào)溜筒優(yōu)先裝完，最后通過1號(hào)溜筒進(jìn)行平車作業(yè)。

斗秤故障的現(xiàn)象和原因有很多，其中以下3個(gè)難題最關(guān)鍵：①斗秤發(fā)生漏料、堵料，造成計(jì)量偏差。②糧食粉塵或豆皮較多，造成火車裝不下。③斗秤發(fā)生故障時(shí)，如何及時(shí)發(fā)現(xiàn)并合理分配下料配方。

為應(yīng)對(duì)以上問題提高了斗秤的零位點(diǎn)與滿載點(diǎn)的確認(rèn)時(shí)間，從原先的1 s提升至3 s，當(dāng)空秤或滿載時(shí)，需要經(jīng)過3 s的穩(wěn)定判定時(shí)間后，如無數(shù)據(jù)變化，再進(jìn)行后續(xù)步驟，反之，則立即停機(jī)報(bào)警，這樣就避免了斗秤漏料的問題。

當(dāng)斗秤進(jìn)料時(shí)未達(dá)到額定值出現(xiàn)停止的情況，系統(tǒng)再判斷秤上斗的料位，如有低料位信號(hào)，則報(bào)斗秤堵料故障，反之，則發(fā)出缺料信號(hào)。

糧食裝車時(shí)，首先按照既定的下料配方，在裝車過程中，斗秤會(huì)根據(jù)激光測(cè)距傳感器發(fā)來的信號(hào)進(jìn)行啟停，鐵牛會(huì)根據(jù)車廂的測(cè)距信號(hào)來進(jìn)行牽引，當(dāng)車廂牽引至最東側(cè)時(shí)，溜筒堵料信號(hào)仍然存在，鐵牛會(huì)反向牽引火車，再進(jìn)行平車，當(dāng)牽引至最西側(cè)后，仍然有堵塞信號(hào)，斗秤首先停止作業(yè)，并發(fā)出超滿的故障報(bào)警信號(hào)，通過人工解決。

在裝車作業(yè)前，斗秤已有故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)分配糧食至其余的斗秤進(jìn)行作業(yè)。在裝車作業(yè)中，斗秤如發(fā)生故障，系統(tǒng)會(huì)將剩余的糧食分配至其余斗秤。

6 無人化自動(dòng)裝車控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

控制系統(tǒng)是無人化自動(dòng)裝車的核心所在，下位機(jī)控制器采用西門子S7-1500、上位機(jī)采用csharp組態(tài)，如圖1所示。

通過S7-1500控制器接收6個(gè)系統(tǒng)的輸入信號(hào)進(jìn)行邏輯控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)5個(gè)執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行操作控制，通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)控制器與組態(tài)及中控室的通信，并通過5G系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與手機(jī)的信息傳輸控制，同時(shí)可以將裝車數(shù)字信息傳輸給客戶。實(shí)現(xiàn)了無人自動(dòng)化的閉環(huán)操作系統(tǒng)。

7 成果目標(biāo)

（1）減少了大量的人員成本。原操作系統(tǒng)需要2人進(jìn)行操作，1人進(jìn)行突發(fā)情況處理，采用三班作業(yè)制，共需要6人，3個(gè)裝車樓就是18人，通過該系統(tǒng)的使用，僅需要4人就可以實(shí)現(xiàn)18人的操作，大大降低了人力成本，每年節(jié)約人力開支100萬(wàn)元。

圖1 無人化自動(dòng)裝車控制及通信系統(tǒng)圖

（2）提高了作業(yè)效率。人工裝車時(shí)一節(jié)車廂裝車時(shí)間約為11 min，以11節(jié)車廂計(jì)算，人工需要進(jìn)行裝車單的接收、車號(hào)編號(hào)抄寫、火車定位、移動(dòng)火車、數(shù)據(jù)比對(duì)及信息錄入等，裝車時(shí)間約為150 min以上，如遇到數(shù)據(jù)填寫錯(cuò)誤、裝車故障、溝通不暢等問題，裝車時(shí)間更會(huì)達(dá)到200 min以上。而使用自動(dòng)裝車系統(tǒng)后，每節(jié)車廂裝車的時(shí)間約為9 min，11節(jié)火車一般需要100 min。

（3）提高了計(jì)量精度。人工操作時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一些未按標(biāo)準(zhǔn)操作法操作的情況，會(huì)出現(xiàn)一些補(bǔ)料、漏裝、多裝、撒漏的情況，同時(shí)儀表與原組態(tài)之間的通信也有問題，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)計(jì)量數(shù)據(jù)不相同，造成計(jì)量精度偏差的情況。通過改造后，系統(tǒng)都是標(biāo)準(zhǔn)化操作流程，通信系統(tǒng)完備，再無出現(xiàn)計(jì)量偏差，極大提高了計(jì)量的精度。

8 結(jié)語(yǔ)

無人化自動(dòng)裝車系統(tǒng)的的研發(fā)和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了散糧裝卸全系統(tǒng)自動(dòng)化，通過技術(shù)研發(fā)解決了人力資源緊張的難題，為后續(xù)散糧汽車無人化自動(dòng)裝車奠定了技術(shù)上的基礎(chǔ)。