集裝箱自動裝煤控制系統研究

豆 鵬

(陜西西煤云商信息科技有限公司,陜西 西安 710000)

0 引言

煤礦是我國經濟發展的重要資源。由于煤礦資源的產地和消費地不同,需要對煤礦資源進行西煤東運、北煤南調等操作。這在一定程度上促進了煤礦運輸產業的興起與發展[1]。因此,煤礦資源運輸安全和煤礦資源裝卸效率逐漸成為關注重點。

研究發現,鐵路快速定量裝車站能夠提高煤炭運輸過程的效率以及安全性[2]。鐵路煤炭快速定量裝車系統采用數字化儀表技術、高精度稱量技術、現場總線技術等,提高了裝車自動化水平[3]?？萍及l展促使鐵路煤炭快速定量裝車系統趨向智能化[4]。研究表明,使用自動化技術可以更好地提高工作效率[5]?；诃h保要求,裝運方式由原有的敞車型逐步向集裝箱轉型。因此,提高火車裝車效率,提升裝車精度,實現無人化、智能化的需求尤為迫切[6]。目前,自動化技術在列車貨物裝車使用中的研究較多[7]。從煤炭運輸效率和運輸安全的角度來看,智能化集裝箱自動裝煤控制系統的建立非常有必要。

合理地設計和建造集裝箱自動裝煤控制系統,以提高整體裝車精度,已成為裝車智能化領域研究者共同面臨的迫切任務之一?；诖?本文設計了集裝箱自動裝煤控制系統,并模擬了集裝箱裝煤。試驗結果表明:在自動裝煤前半段系統工作貼近理想工作曲線,而后半段則出現偏離;模型各參數計算結果都符合要求。集裝箱自動裝煤控制系統可保障裝煤效率和生命財產安全,對煤礦裝卸工程具有重要意義。此系統在煤礦行業具有發展前景。

1 集裝箱自動裝煤控制系統設計

集裝箱箱號識別系統設計基本檢測流程如圖1所示。

圖1 集裝箱箱號識別系統設計基本檢測流程圖

集裝箱自動裝煤控制系統由車廂定位系統、集裝箱定位監測裝置、集裝箱箱號識別、自動配重系統、溜槽自動控制系統這5個主要控制單元配合協調工作。

①車廂定位系統。

車廂定位系統在車輛行進區間設置信標模塊,實時對車廂進行檢測;在裝車站正下方鐵路2層安裝1套長度為16 m的測量型激光信號標尺裝置,以實時采集數據并測量車廂位置。根據車輛行進軌跡皮帶進行距離以及區域劃分,從而在不同目的地設置信標系統對車廂位置進行實時監測,使系統實時了解車廂具體位置。

②集裝箱定位監測裝置。

雖然集裝箱規格固定,但集裝箱在車廂內部的位置并非固定,且1個車廂放置有2個集裝箱。因此需要對集裝箱在車內位置進行檢測。檢測方式參考車廂位置監測技術,即對對射光幕進行檢測。系統在高于車廂低于集裝箱上沿的中間高度安裝3組光幕(光幕高度為4.8 m),用于監測集裝箱位置,以避免集裝箱位置偏差導致裝車溜槽與集裝箱發生碰撞[8]。

③集裝箱箱號識別。

集裝箱箱號識別過程中,不同集裝箱的箱號不同。這代表著集裝箱之間的型號各不相同。在識別過程中,需要根據箱號識別不同型號的集裝箱,從而根據集裝箱型號判斷集裝箱的自重以及載重等參數,使集裝箱自動裝煤控制系統能夠根據集裝箱型號調整自動裝煤系統給料數值,實現裝煤系統的無人化與自動化[9]。

集裝箱箱號識別系統工作流程如下。當列車集裝箱進入集裝箱箱號識別系統工作區域,列車集裝箱表面的箱號標簽接收到微波信號。一部分微波被轉換為工作電流,從而支撐集裝箱內部電路工作。同時,另一部分包含集裝箱箱號等信息的微波信號被發回信號讀取裝置,由讀取裝置解碼后,通過以太網將箱號信息傳輸給上位機,并保存至數據庫。這就完成了一次對列車集裝箱箱號的自動識別。

④自動配重系統。

自動配重系統能夠根據不同的煤種自動調整溜槽閘板的開度大小及落料速度,進一步保證定量料全部落入車廂對應溜槽。當自動配重系統通過定量倉稱重數據變化判斷定量倉有粘料時,程序開啟防粘料設施并自動運行。放料閘板關閉后,系統在保證配料誤差為0的基礎上對下一車廂進行自動配料。同時,當系統監測到集裝箱需要配重2個集裝箱的煤料時,系統將對2個連續集裝箱進行配料。自動配重系統能夠進行自檢自測,并對檢測到的故障進行及時定位、上報[10]。鋼絲牽引采用減速器傳動型式。其為漸開線圓錐-圓柱斜齒輪傳動型式。鋼絲牽引參數如表1所示。

表1 鋼絲牽引參數

⑤溜槽自動控制系統。

現有集裝箱控制裝置具有伸縮、擺動這2個維度的變化溜槽。新增的溜槽伸縮位置監測傳感器[11],可實時監測溜槽伸縮位置,使溜槽能準確地下降到車廂合適的位置以實現精準裝車。同時,集裝箱控制傳感器可在線實時反饋油缸行程位置,為裝車反饋提供參考數值和依據。系統通過鋼絲繩牽引溜槽實現擺動,同時利用鋼絲繩行程監測裝置實現對溜槽擺動方向的位置監測。通過對伸縮、擺動2個方向的監測,可實現對整個溜槽位置的精確定位。

2 集裝箱自動裝煤系統試驗

2.1 材料與試件

試驗需用到煤炭(C64精煤、C64混煤、C70精煤、C70塊煤)、列車集裝箱(C50型集裝箱、C65型集裝箱、N15型集裝箱)、混凝土(C15型混凝土)。試驗使用集裝箱參數如表2所示。

表2 試驗使用集裝箱參數

2.2 儀器與設備

試驗采用電腦實時檢測自動裝車檢測(matrix-load detector,MLD)算法, 對實時動態數據進行分析。MLD算法除能實現車廂邊緣和料位高度等常規檢測外,還可實現對溜槽位置、車廂擋板、落料位置的人工智能(artificial intelligence,AI)檢測、智能分析和控制放料設備,從而實現全自動裝車[12]。

2.3 模擬試驗方法

試驗建立集裝箱自動裝煤控制系統仿真模型。

L=LA-2LB

(1)

式中:L為集裝箱稱重距離,m;LA為拉應力,N;LB為導軌主框架承載拉力,N。

在預裝車階段,列車集裝箱通過溜槽的自動牽引進入自動裝煤區域。首先,列車到達集裝箱箱號自動識別系統的識別范圍內,對集裝箱箱號進行自動識別,同時傳送給計算機系統。計算機系統根據集裝箱不同型號的要求設置不同的裝煤重量。當激光信標系統識別到集裝箱到達指定給料位置時,系統觸動位置開關,同時停止溜槽牽引列車。

(2)

式中:s1為集裝箱行進距離,m;t1為集裝箱行進消耗時間,s。

(3)

裝載車廂的位置與瞬時車廂重量成正比例關系。其比例系數K11為:

(4)

式中:q1為轉載車廂振動給料器的瞬時給料流量,m3/s;v1為裝載車廂的牽引速度,km/h。

裝載車廂的位置與重量成正比例關系。其比例系數K12為:

(5)

式中:M1為振動給料器的給料總量,kg;s′1為裝載車廂的牽引距離,m。

比例系數K21為:

(6)

式中:q2為集裝箱振動給料器的瞬時給料流量,m3/s;v2為集裝箱的牽引速度,km/h。

系統實際動作時間T為:

T=t+Δt

(7)

式中:t為給料機構的固有動作時間,h;Δt為給料機構的固有動作時間誤差,h。

系統實際流量Q為:

Q=q+Δq

(8)

式中:q為給料機構的固有加料流量,m3/s;Δq為給料機構的固有加料流量誤差,m3/s。

定量控制誤差為:

ΔQ=t×Δq+Δt×q

(9)

集裝箱自動裝煤系統的誤差為:

(10)

3 結果與分析

3.1 裝載重量與裝載車廂位置關系分析

本小節以集裝箱自動裝煤控制系統模擬模型為研究對象,分析裝載重量與裝載車廂位置關系。裝載重量與裝載車廂位置關系曲線如圖2所示。

圖2 裝載重量與裝載車廂位置關系曲線

圖2中:直實線是理想裝車曲線,用于構成直線的點是標準車重;試驗組曲線是設計的集裝箱自動裝煤控制系統的實際裝車曲線。每個位置上的重量接近直線,就能實現平衡裝車。試驗組的曲線前半段較貼近理想情況,后半段則差別較大。因此,應在裝車后半段進行裝車控制,使得裝車過程更加平衡。

3.2 裝載位置與裝載時間關系分析

本小節對集裝箱自動裝煤控制系統在裝載過程中裝載位置與裝載時間的關系進行分析。裝載位置與裝載時間分析結果如圖3所示。

圖3 裝載位置與裝載時間分析結果圖

由圖3可知,隨著裝載時間的推移,裝載集裝箱最終停止位置距離起始位置大約為16 m。裝載集裝箱毛重最終約為79.8 t。根據集裝箱最終停止位置與集裝箱毛重計算集裝箱裝載誤差,誤差大小約為0.13%。由此可見,集裝箱自動裝煤控制系統裝載誤差較小,試驗結果較好。

3.3 自動裝煤系統參數結果分析

本小節對集裝箱自動裝煤系統的各參數設置進行模擬參數分析。參數結果如下:平均牽引速度為0.98 m/s;稱量時間為6.23 s;比例系數1為1.31;比例系數2為4.68;誤差為5。

集裝箱自動裝煤系統的模擬參數計算結果符合理想比例系數要求;誤差小于試驗標準要求誤差。根據各項參數的計算結果可知,本文設計的集裝箱自動裝煤控制系統各項模型參數均符合要求。

4 結論

本文設計集裝箱自動裝煤控制系統,通過5個主要控制單元相互配合工作,建立集裝箱裝煤模型并進行模擬試驗,以判斷模型實際工作效果。試驗結果表明:在自動裝煤階段,前半段系統工作貼近理想工作曲線,后半段裝車出現偏離情況;系統裝車誤差小于標準誤差;模型各項參數計算結果均符合要求。本文研究的不足之處在于試驗變量較為單一,具體實際情況中不同影響因素對集裝箱自動裝煤控制系統的影響效果也會不同。后續研究將補充其他影響因素后再進行試驗。