快速定量装车站全自动控制系统研究.pdf

第 7期 2 0 1 1年 7月 工矿 自 动 化 I ndus t r y a nd M i n e Aut o mat i o n NO ． 7 J u I ．2 O1 1 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 1 0 7 0 0 6 5 0 3 快速定量装车站全 自动控制系统研究 孙 国顺 ， 张新 ， 齐玫 天地科 技股 份有 限公 司 ， 北 京 1 0 0 0 1 3 摘 要 研 究 了快速 定 量装 车站 给料 系统 、 配料 系统及装 车 系统 的 自动控制技 术 ， 并使 用 Ma t l a b软件 进行 了仿真实验 。仿真结果验证 了各 系统 自动控制方法的有效性和准确性 ， 为进一步优化装车站全 自动控制 系 统 的设 计提供 了借鉴 。 关键词 快 速定 量装 车站 ；给料 系统 ；配料 系统 ；装 车 系统 ；自动 控制 ； Ma t l a b仿真 中图分类 号 T D6 3 4 文 献标识 码 A Re s e a r c h o f Fu l l y Au t o ma t i c Co n t r o l S y s t e m o f Ra p i d Qu a n t i t a t i v e L o a d i n g S t a t i o n S UN GU O s h u n， ZHANG Xi n， QI M e i Ti a n d i S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y Co ． ， Lt d． ，Be i j i n g 1 0 0 0 1 3，Ch i n a Ab s t r a c t Th e p a p e r s t u d i e d a u t o ma t i c c o n t r o l t e c h n o l o g i e s o f f e e d i n g s y s t e m ，b a t c h i n g s y s t e m a n d l o a di n g s ys t e m o f r a pi d qu a n t i t a t i ve l oa d i n g s t a t i o n，a nd u s e d M a t l a b t o do s i mul a t i o n e xp e r i me n t ． The s i m ul a t i o n r e s u l t s s h owe d va l i di t y a nd c or r e c t ne s s o f t he c o nt r o l t e c h no l o gi e s． The pa p e r p r ov i d e s a r e f e r e n c e f o r o p t i mi z i n g d e s i g n o f f u l l y a u t o ma t i c c o n t r o l s y s t e m o f l o a d i n g s t a t i o n ． Ke y wo r d sr a pi d q ua n t i t a t i v e l o a d i ng s t a t i on， f e e di n g s y s t e m ， b a t c hi n g s y s t e m ， l oa di n g s y s t e m ， a u t oma t i c c o nt r o1 ．M a t l a b s i m u l a t i o n 0 引 言 1 快 速定量 装 车站全 自动控 制系统 组成及 原理 快 速定 量装 车站 是将 物料 按规 定 的重量 连续 地 自动称量并装入列车车厢的系统。 目前 ， 国内使用 的快速定量装车站的装 车环节仍停 留在人工半 自动 化装车操作阶段 。由于矿产 资源需求量逐渐增 大， 装车站使用频率提高 ， 人工操作失误造成的撒煤 、 刮 蹭、 车厢掉道现象时有发生， 严重影响了装车安全和 效率 。因此 ， 非 常有 必 要 开 发 快 速定 量 装 车 站 全 自 动控制系统。 本 文采 用 Ma t l a b对 装 车站 作 业 过 程 中的 缓 冲 仓给料环节 、 定量仓配料环节与最后 的装车环节进 行 动态 过程仿 真 ， 研 究 了装 车 站 全 自动 控 制 系 统 各 个环 节 的准确 性 以及 协 调 控 制 技 术 ， 为 装 车 站 全 自 动控制系统的建立和完善提供了借鉴。 收稿 日期 2 0 1 1 0 4 1 9 基金项 目 天地科技创新 基金 资助项 目 Tz O 9 一GY一1 作者简介 孙国顺 1 9 8 1 一 ， 男， 山东 烟台人 ， 工程师 ， 硕士 ， 现主 要从 事快速定量装车站技术工作 。E ma i l s g s t d g x s o h u ． c o rn 快 速定 量装 车站全 自动控制 系统 由缓 冲仓 给料 系统、 定量仓配料系统 、 自动连续装车系统以及计量 称 重 系统 、 液 压控 制 系统 、 电气控 制 系统 、 软件 系统 、 自动润 滑 系统等 子系统 组成 l l ] 。 该 系 统基 于 大 型料 斗 秤 的 工作 原 理 ， 预先 通 过 给料 系统向装车站缓 冲仓 中充填物料 至指定吨位； 然后通过配料系统为定量仓配料 至车皮标 重的吨 位 ， 同时计量称重系统对所配物料进行精确称量 ； 最 后通过 自动连续装车系统来装 车。整个过程 中， 给 料 系统 始终工 作 ， 给料 速率 根据仓 位变 化不 断调节 ， 配料与装车系统周期性工作 ， 其它电气 、 软件、 液压、 润 滑等 系统 与之相 关联 ， 各 子系 统协 同工作 ， 通过 控 制闸门和溜槽等关键设备 的精确动作 ， 实现连续动 态行进中的快速准确配料与装车 。 2 给料 系统 自动 控制 技术 2 ． 1 控 制原 理 给料 系统是保证快速装 车的前提条件 ， 它直接 6 6 工 矿 自动 化 2 O 1 1年 7月 决 定 了装车 的速度 和 连续性 ， 因此 ， 该 过程 的 自动 控 制尤 为重要 。该 系 统 的控 制 对 象 主要 包 括 给 料 机 、 变频器 、 输送胶带及缓 冲仓料位等 。其中给料机数 量最多， 从几台到几十台不等 ] 。 传统的给料系统控制方式是利用脉冲给料原 理 ， 在装 车过程 中交 替 增 减 给 料机 启 动数 量 来 调 节 给料 速度 ， 进而 调 节缓 冲仓 料 位 。该 方 式 的料 位 波 动值 往往 很大 ， 给料 机启停 频繁 ， 并且 需要 操作 人员 实时观察屏幕上所显示的缓 冲仓料位， 决定给料机 启 停 ， 容易 错过 启动 时机 ， 造成 列车停 留。 为 了实现 给料 系统 的平稳 有序控 制 ， 主要泵 、 电 动机 均采 用 了变频 调 速 方式 ， 并通 过 闭 环反 馈 控 制 与模糊控制、 P I D控制相结合的控制方式 ， 保证参数 调 节 的实 时性 与稳定 性 。缓 冲仓给料 系统 控制 原理 如 图 1所 示 。 图 1 缓 冲 仓 给 料 系 统 控 制 原 理 给料系统以缓 冲仓料位作为被控量 ， 料位测量 传 感器 测量 结 果 以 k g为 单 位 。 考 虑 到 物 料 粒 度 、 物料湿度、 缓 冲仓高处落料的重力冲击 、 液压闸门震 动 的影 响 ， 以及列 车额定 载重 的变 化 ， 在 控制结 构 中 引入模 糊理 论对 被控 变 量 进 行修 正 ， 给缓 冲仓 一个 相 应 的区 间设 定值 ， 允 许 其 在 一 个 小 范 围 内波 动 。 给料开始前 ， 根据列车总节数和额定载重计算出装 车总需求吨数， 并默认 缓冲仓料位从零往设定值逼 近增 长 。在 给料初 期 ， 输送胶 带 先行启 动 ， 起 始流 量 为零 ， C S T控 制 胶 带 逐 渐 达 到 满 速 ， 此 时启 动 给料 机 ， 胶 带流 量 趋 向设定 值 ， 调 节各 P I D 参数 ， 开 始 匀 速 向缓 冲仓 给 料 。 当缓 冲仓 料 位 进 入 区 间设 定 值 时 ， 缓 冲仓 闸板 打开 ， 开始装 车配 料 。 2 ． 2 Ma t l a b仿真 分析 采用 Ma t l a b软件对缓 冲仓给料系统控制过程 进行仿真研究 ， 设置缓冲仓总料位为 3 0 0 t ， 观察 2 2 5 S 装 车时 间内料位 变化 情况 ， 如 图 2所示 。可 以 看 出 ， 在 该 段 时 间 内 ， 料 位 在 1 0 ～ 9 0 间 变 动 。 当料位低于 1 o 时 ， 指示灯显示煤量不足 ， 给料机 自动增大给煤量 ； 当料位高 于 9 0 时， 指示 灯显示 仓满 ， 给料机 自动减少给煤量， 直至停止 前方给煤输 煤系 统相关 设备 的运 行 。 图 2缓冲仓料化变化 线 3 配料 系统 自动控 制技 术 3 ． 1控 制 原 理 定 量 仓 配 料 系统 描 述 的是 在 尽 _L I 『 能 短 的时 『 日 J 内， 缓冲仓按车厢额定重 往定量仓 中准确配料 的 过程 。它直 接决定 r装 的精 度 。配料 系统 主要包 括缓冲仓 闸门、 定量仓高精度传感器和液压电动机。 为 既 能保 证配 料 系 统 的快 速性 ， 义能 保证 静 态 精度 ， 在硬 件 } 对 液压 系统 的 伸缩 油 缸 和 电磁 换 向 阀进 行优 化设计 ， 引 入位移 检测 ， r 关 ， 使 『 甲 J 门行程 连续可 调 ， 控 制 更 加 有效 。同 时往 定 量仓 支座 j 安装高精度称重传感器 ， 确保测量精度和高速传输。 定 量仓 配料 系统控 制原 理如 图 3 所 示 。 3 植 仓 料 系统 制 在 配料 过程 中 ， 引入 液压 驱动 系统 的压 力 、 闸 f j 动作 时问作 为前 反馈控 制 。 没计 时把 每 节 ， 厢 的额 定载重转化为定量仓初始设定 值， 以称重传感器的 检测信号作为反馈信号 ， 计算机给定 的设定值相 比较 ， 通 过 P I D算 法 得 到 控 制 策 略 ， 控 制 缓 冲 仓液 压 闸门 的开度 ， 达 到调 节物 料流 量的 日的 。 3 ． 2 Ma t l a b惦 禽 设 置 定量仓 满仓料 位为 1 0 0 t ， 为满足精 确 配料 的要求 ， 通 过配 料 系 统 将 料 位 控 制 住 8 0 t以 内 ； 当 料位达到 8 0 t 时停止配料 ， 等待下 一 节车厢达到指 定位 置时再 开始 放 料 装 车 。 没 4 5 S为一 个 配料 周 期 ， 定 量仓 配料 过程 中 的料 位变 化 如 4所 示 。从 图 4可看出， 前 1 0 S 缓冲仓 F放物料， 将定量仓快 速填充至指定吨位后停止下放 ， 然后等待 1 0 S 。 待车 厢驶 入 后 开始 向 车 厢 放 料 ， 扯 2 5 S内完 成 放 料 装 车 ， 直 至定 量仓 物料放 空 。 2 0 1 1 年 第 7期 孙 国顺 等 快速 定量装 车站 全 自动控 制 系统研 究 6 7 图 4 定量仓配料过 程中的料 位变化曲线 4 装 车 系统 自动控 制技 术 4 ． 1 控 制 原 理 连续装车控制原理如 图 5所示 。装 车之初 ， 安 装在 铁 轨上 的车 号识 别传 感器 自动 对经 过 的列车 车 厢依次进行扫描 ， 把车号、 车型等信息存人计算机数 据库 ， 给每节车厢一个“ 待装” 标识。装车开始时 ， 计 算机预设顺序控制参数 ， 并与 P L C实时对话 ， 发送 第一节 车皮额定载重 ； P I C收到指令后 ， 控制缓 冲 仓闸门开启 ， 并根据预设参数向定量仓快速配料 ； 配 料完 成 后 ， P L C 向计 算 机 发 送 指 令 ； 计 算 机 收 到指 令后读数 ， 并把相关信息写入数据库 ， 同时把该车皮 标识 为“ 已装 ” ， 然 后 从数 据 库 中取 出下 一 节 标识 为 “ 待装” 的车皮信息。如此连续循环， 当数据库中记 录均无“ 待装” 标识时 ， 可确定本次列车装车完毕 ， 计 算机 向 P L C发送停车指令 ， 装车系统 自动关 闭。计 算机和 P L C都具有高速运算、 通信功能 ， 每次对话 时 间不超 过 1 S 。 图 5连续 装 车 控 制 原 理 4 ． 2 Ma t l a b仿 真分 析 用 Ma t l a b软件仿真连续装车过程， 所得总吨位 变化曲线如图 6所示 。其 中对点实测吨位曲线是根 据相应时间实际装车吨位报表显示值手工描绘的曲 线 ， 吨位与时间比曲线是 Ma t l a b仿真所得 。通过比 较可以看出， 仿真结果与实际情况接近 ， 满足实际装 车 平稳 性控 制 的要求 。 图 7为 自动连续装车偏差变化曲线 。从 图 7可 看 出， 在 1 0 0节车厢的装车过程中， 在保持输送胶带 和给料 机连 续运 行 、 给 料 控 制 平稳 、 缓 冲料 位 充 足 、 列 车持 续行 进 的前 提下 ， 装 车量 偏 差 变 化 基本 维 持 在 0 ． 4 ‰之 间 ， 实 现 了连 续 、 准确 装 车 作业 的 自动 控 制 。 营 蹈 * 臻 ＼ 堡 趟 魁 趟 智 图 6 连续装车总吨位变化 曲线 图 7 自动连续 装车偏差变化 曲线 5 结语 研究 了装车站作业过程 中给料、 配料及装车的 自动控制技术并进行了 Ma t l a b 仿真 ， 为设计装车站 自动控制系统提供 了一种方法和思路 ， 为进一步优 化设计提供了参考依据 。 参考文献 [ 1 ] 张广军 ， 席 启明 ， 张新 ， 等． 煤矿铁路运输快速定 量装车 系统关键技 术 [ c ] ／ ／ 煤科 总 院 5 O周 年 院庆科 技论 文 集． 北 京 煤炭工业 出版社 ， 2 0 0 7 5 0 - 5 5 ． [ 2 ] 张新． 快速定量装车站 钢结 构优 化设计 研究 [ J ] ． 煤炭 工 程 ， 2 0 0 8 4 2 3 2 5 ． [ 3 ] 姜树杰 ， 李冬 辉． 基于 S I MUL I N K 的 自动控 制系统 的 仿真实 验 研 究 [ J ] ． 天 津 工 程 师 范 学 院 学 报 ， 2 0 0 5 ， 1 5 1 3 4 3 6 ． [ 4 7 张新． 双定 量仓 快速定 量装 车站设 计研究 [ J ] ． 煤 炭科 学技术 ， 2 0 0 8 3 7 7 8 1 ． [ 5 ] 黄永安 ， 马路 ， 刘 慧敏． Ma t l a b 7 ． O ／ S i mu l i n k 6 ． 0建模 仿真开发 与高 级工 程应 用 [ M] ． 北 京 清 华 大学 出版 社 ， 2 0 0 5 ．