一种新型装载机动态定量装车系统设计(1).pdf

第 4 1 卷 第 9期 2 0 1 5年 9月 工矿 自 动 化 I nd us t r y a nd M i ne Aut o m a t i o n Vo l _ 4 1 NO ． 9 S e p ．2 0 1 5 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 0 9 0 0 1 5 0 4 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 5 ． 0 9 ． 0 0 5 宗伟林 ， 李佳 ， 张亚健 ， 等． 一种新型装载机动态定量装车系统设计口] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 9 1 5 1 8 ． 一 种新型装载机动态定量装车系统设计 宗伟林 ， 李佳 ， 张亚健 ， 尚应 民 ， 王业超 ， 裴毅 ， 陈德 同。 1 ． 中国矿业大学 江苏省煤矿 电气与 自动化工程实验室 ， 江苏 徐州 2 2 1 1 1 6 ； 2 ． 山东能源淄博矿业集团有限责任公司 许厂煤矿 ，山东 济宁 2 7 2 1 7 3 摘 要 针 对现 有 煤炭 装运 方 式存在 装 载效 率低 的 问题 ， 根 据 煤炭 企 业的 实际情 况 ， 设 计 了一 种 新 型装 载 机 动 态定量装 车 系统 ， 介 绍 了该 系统 的硬件 、 软 件设 计 及数 据 处 理 方法 。该 系统 无 需 中途 停 斗计 量 ， 在 装 载 机作业的过程 中即可完成称重作业， 并可实时准确显示货物质量 ； 利用组 态软件还可实现 多机协 同装载， 提 高 了装 载机 的装 载效 率 。 关键 词 装 载机 ；动 态称 重 ；多机协 同装载 中图分类 号 T D5 2 9 ． 3 文献 标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 5 0 8 2 9 1 5 3 8 网络 出版 地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 5 0 8 2 9 ． 1 5 3 8 ． 0 0 5 ． h t m1 De s i g n o f a ne w t y pe o f d y na mi c q ua nt i t a t i v e l o a d i ng s y s t e m o f whe e l l o a d e r Z ONG W e i l i n ， LI J i a ， ZHANG Ya j i a n ， S HANG Yi n g mi n ， W ANG Ye c ha o ，PEI Yi 。 ， CH EN De t o ng 1 ． J i a n g s u P r o v i n c e Co a l Mi n e El e c t r i c a l a n d Au t o ma t i o n En g i n e e r i n g La b o r a t o r y ， Chi n a U ni v e r s i t y o f M i n i ng a n d Te c hn ol o gy，Xu z ho u 2 2 1 1 1 6，Ch i na； 2 ． Xu c h a n g Co a l M i n e ， S h a n d o n g En e r g y Z i b o Mi n i n g Gr o u p Co ． ，L t d． ，J i n i n g 2 7 2 1 7 3 ，Ch i n a Ab s t r a c t Fo r t he 1 O W e f f i c i e nt o f e x i s t i ng c o a l s hi p m e n t me t h od，a ne w t y pe o f d yn a mi c q ua nt i t a t i v e l o a di n g s y s t e m o f whe e l l o a d e r wa s d e s i gn e d a c c or di ng t o a c t u a l s i t u a t i on of c o a l e nt e r pr i s e s ． The ha r d wa r e，s o f t wa r e de s i g ns a n d d a t a p r oc e s s i n g m e t ho d o f t he s y s t e m we r e i nt r o d uc e d．The s y s t e m d on t ne e d s t op wh e e l l o a d e r t o me t e r i n mi d wa y，a n d c oa l we i gh t c o ul d b e we i ghe d a n d s h o wn o n t he s c r e e n du r i ng t he l o a d i ng o pe r a t i on． M ul t i ma c hi ne c o op e r a t i ve l o a di n g c o ul d be i mpl e m e n t e d by us i ng c onf i gu r a t i o n s o f t wa r e ，a n d t he l oa di n g e f f i c i e nc y o f l o a d i ng m a c hi ne wa s i mpr o v e d． Ke y wo r d s wh e e l l o a d e r ；d y na mi c we i g hi n g；mul t i ma c h i ne c o op e r a t i ve l o a d i ng 0 引 言 煤炭企 业在 煤炭 销 售 中， 用 汽 车装 运煤 炭 是 一 种 非常普遍的方式。 目前 ， 针对落地煤都是 由装 载机 进 行装 载 ， 在现 有 的作业 过 程 中 ， 装 载机 司机 仅 凭 经验 对所 铲 煤量 进 行 估 计 ， 容 易 造 成 车 辆 超 载 或 欠载， 装载不准 的车辆需要反复卸载或补装 ， 致使储 煤场车辆拥堵 ， 装载效率降低口 ] 。另外 ， 现有装载模 式经常发生错装煤种的行为 ， 这使煤炭企业 蒙受 了 很 大 的经济 损失 。为 了解 决 上 述 问题 ， 笔 者根 据 煤 炭 企业 的实 际情 况 ， 设 计 了 一种 新 型 装 载 机 动态 定 量装车系统 。该系统可准确显示货物质量 ， 无需 中 途停斗计量 ， 即在装载机作业的过程 中完成称重作 业 ， 提高了装载机的装载效率和一次装车的成功率 。 收稿 日期 2 0 1 5 - 0 5 0 8 ； 修 回 日期 2 0 1 5 0 6 1 5 ； 责任编辑 张强 。 基金项 目 江苏省普通高校研究生科研创新计划项 目 S J L X 一 0 6 3 2 ； 2 0 1 4年山东省第 三批技术创新项 目 2 O 1 4 3 0 8 O 3 O 2 5 。 作者简介 宗伟林 1 9 6 3 一 ， 江苏常州人 ， 副教授 ， 主要研究方 向为 电力 电子与 电气传动 、 矿 山自动化、 数字化矿山， E ma i l c u mt z wl 1 2 6 ． t o m。 通信作者 李佳 1 9 8 9 一 ， 江苏徐州人 ， 硕士研究生 ， 主要研究方 向为 电力 电子与 电气传动 、 数字化矿山 ， E ma i l 9 8 4 3 0 6 7 9 9 q q ． c o rn。 1 6 工矿 自动化 2 0 1 5 年 第 4 1 卷 1装载 机动 力学模 型 分析 目前 ， 在动态测量领域 ， 各种 随机干扰、 惯性 冲 击等 因素 都会 对测 量 精 度 带 来 不 同程 度 的影 响 ， 尤 其是 装载 机作 业环 境 复杂 、 影 响 因素较 多 ， 这都 会导 致称重精度的下降 _ 3 ] 。另外 ， 对于现有的装载机动 态定量装车系统， 一 台装载机只能对一辆 车进行装 载 ， 无法实现多台装载机对一辆车同时进行装载， 即 无法 实现 装 车质量 数 据 的共 享 ， 这 降 低 了装 载 作 业 的效率。新型动态定量装车系统通过采集装载机液 压缸进出油 口的压力信号 ， 利用装载机动力学模型 ， 间接计算出装载机铲斗所举升重物的质量 ， 在 实现 单车称重数据显示 的基 础上 ， 利用 工业 WL AN装 置把实时称重数据和司机作业视频传输到后台服务 器中存储 ， 所有司机均可通过车载工业计算机 上安 装 的力控 组态 软件 ， 实 时从 后 台服 务 器 调取 同一 车 辆的相关装载信息， 实现了多台装载机对同一 车辆 装载信息的共享 ， 提高了装载作业 的效率 。 装载机在举升重物 时， 其动臂举 升高度的不同 会 导致动 臂液 压缸 内压 力 的不 同 ， 装 载 机 动 力 学模 型 如 图 1 所示 ] 。 图 1装 载 机 动 力 学 模 型 P ， P n 分 别 为装 载 机动 臂 在举 升过 程 中， 液 压 缸 向上 推举 动臂 时 ， 液 压 缸 上部 出油 口和 液 压 缸 下 部 进油 口的压强 ； S 为液 压缸 上部 出油 口压强 所 承 受 的面积 ； S 为 液压 缸下 部进 油 口压 强 所 承受 的 面 积 ； W 为 装 载 机 铲 斗 所 载 的货 物 质 量 ； W。为 装 载 机动臂和铲斗 的 自身质量 ； F为动臂液压缸进 出口 的压力 差 ； L ， L ， L 为机 架结 构 的几何 尺寸 ； 为动 臂 与液 压缸 压力 方 向的 夹 角 ； A 为 动臂 在 升 举 过 程 中某 时刻 与水平 面 的夹角 ] 。 根据相 应计 算公 式 推导 可得 [ 4 W 一 --- W - u F 一 fu w 1 r t r u 式中 w 为铲斗空载质量 ； F 为铲斗装载已知质量 为 w 时对应动臂 液压缸液压 变送器 的压力 采样 值 ； F 为铲斗空载时对应动臂液压缸压力变送器的 压力采样值 ； F 为铲斗装载未知质量为 w 时对应 动臂 液压 缸压 力变 送器 的压 力采样 值 。 2 动态定 量 装车 系统硬 件 结构 新型 装 载 机 动 态 定 量 装 车 系 统 的硬 件 组 成 如 图 2 所 示 。 工业触摸计算机H 无线数据传输模块卜 _ ． ． ． { 后台服务器 匡 垂 ST M 32 F 10 7V C T 6 H l _ 一l l { Lm J l l 处理器 l 臣 ． 。 H l i一 图 2新型装载机动态定量装车系统硬件组成 2 ． 1 信 号采 集模 块 信号采集模块 由压力变送器 、 霍尔传感器 等组 成 。其中包括 2 个压力变送器 ， 分别安装在装 载机 动臂液压缸的进油 口和出油 口， 用于将装载机 动臂 液压缸的油压信号转换为标准电压信号输出。霍尔 传感器则决定 了动臂在举升过程 中系统对压力值采 样 的 区段 ， 当装载 机 动 臂通 过 下 位 霍 尔 传感 器 时 系 统采 样开 始 ， 当装 载 机 动臂 上 升 至 上 位 霍 尔传 感 器 时 系统采 样 结束 。 针 对装 载机 作业 环 境 的复杂 性 ， 压 力 变 送 器选 择 P P M一 2 4 1 A 电 压 型 溅 射 薄 膜 压 力 变 送 器 ， 这 种 变 送器具 有 精度 高 、 抗 电 磁 干扰 能 力 强 和 温 度 补偿 等 优点 。 2 ． 2数 据 处 理 模 块 数据处理模块采用 s TM3 2 F 1 O 7 VC T6高性 能 3 2 位 微处 理 器 ， 该 处 理 器 采 用 低 功 耗 工 艺 ， 控 制 单 元 内部具 有 6 4 k B S R AM 和 2 5 6 k B F l a s h ， 支 持 看 门狗定 时器 ， 具 有 多 通 道 D MA、 存 储 控 制 器 、 普 通 I ／ O 口、 2 个 C AN 接 口、 J T AG调 试接 口等 ] 。 实 际工 作 时 ， 装 载机铲 斗 的压力 、 作 业现 场路 面 不平以及车身振动等因素都会使压力变送器的采样 值夹杂着噪声数据 随机误差 ， 造 成称重精度和系 统 的稳定性下降【 6 。为确保采样数据 的真实性和 准确性 ， 需对采样数据进行相应滤波处理。这里采 用 限幅滤波 、 算术平均滤波和加权滤波的数字滤波 方法处理压力采样值 ， 以减小外界干扰所带来 的系 统误差 ， 提高称重精度[ 6 ] 。 2 ． 3功 能扩展 模 块 功能扩展模块主要包括称重数据显示与人机交 第 4 1卷 第 9 期 2 0 1 5年 9月 工矿 自 动化 I nd us t r y a n d M i n e Aut oma t i on V0 1 ． 4 1 No ． 9 S e p ．2 01 5 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 0 9 0 0 1 8 0 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 5 ． 0 9 ． 0 0 6 高仙儒 ， 周新志． 微波干燥煤环境下的模拟信号光纤传输系统设计口] ． 工矿 自动化， 2 0 1 5 ， 4 1 9 1 8 ～ 2 1 ． 微波干燥煤环境下的模拟信号光纤传输系统设计 高仙 儒 ， 周 新 志 四川大学 电子信息学院 ，四川 成都6 1 0 0 6 5 摘要 在大功率微波环境下， 电信号的传输极易受电磁干扰 的影响而损失传输精度。针对该 问题 ， 设计 了一 种微 波 干燥煤 环境 下 的模 拟 信号 光 纤传输 系统 。该 系统 基 于 V／ F转 换 ， 以光 纤 为传 输 通道 ， FP GA 为 频率测量计 ， ARM 为数据处理控制器， 可 以有效抑制 电磁 干扰和提 高传输精度。实验结果表 明， 该 系统抗 干扰 能 力强 ， 传 输 距 离远 ， 稳 定性 高， 且 电路 结构 简单 ， 模 拟 小信 号传 输误 差 小 于 0 ． 1 ％ ， 为 复 杂环 境 中的模 拟信 号传 输提供 了一 个优 良的 解决方 案 。 关键 词 微 波加 热 ；模 拟信 号 ；传输 系统 ；光 纤 ；V／ F转换 ；F P GA 中图 分类号 TD 6 7 文献 标 志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 5 0 8 2 9 1 5 4 O 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 5 0 8 2 9 ． 1 5 4 0 ． 0 0 6 ． h t ml 收稿 日期 2 0 1 5 - 0 5 2 6 ； 修 回 日期 2 0 1 5 - 0 7 1 7 ； 责任编辑 张强 。 基金项 目 国家重点基础研究发展计划 9 7 3计划 资助项 目 2 o 1 3 C B 3 2 8 9 o 3 。 作者简介 高仙儒 1 9 9 2 一 ， 男 ， 贵州毕节人 ， 硕士研究生 ， 研究方 向为嵌入式应用 ， E ma i l 1 0 4 0 7 0 5 6 1 4 q q ． c o m。通信作者 周新 志 1 9 6 6 一 ， 男 ， 四川 I 德 阳人 ， 教授 ， 博士 ， 硕士研究生导师 ， 现主要从事模式识别和智能控制方面的研究 工作 ， E ma i l X Z ． z h o u S C U ． e d u ． c n 。 表 1 系统称重数据准确性试验结果 真实值／ t 测量值／ t 绝对误差 ／ t 相对误差 ／ 4 ． 2U 4 ． 2 3 9 0 ． o 2 8 o． 6 6 5 3 ．1 1 5 3 ． 1 3 1 0 ． 0 1 6 0 ． 5 1 4 2 ． 4 5 2 2 ． 4 7 3 0 ． 0 2 1 0 ． 8 5 6 1 ． 9 0 5 1 ． 8 7 9 0 ． 0 2 6 1 ． 3 6 5 1 ． 1 5 2 1 ． 1 6 3 0 ． 0 1 1 0． 9 55 0 ． 85 1 0 ． 8 3 7 0 ． 0 1 4 一 1 ． 6 4 5 0 ． 5 3 9 0 ． 5 5 1 0 ． 0 1 2 2 ． 2 2 6 5 结语 新 型 装载机 动 态定量 装 车系统 在 满足 动态 称重 功能 的基 础上 ， 通 过采用 动 臂举 升速 度 、 采 样滤 波等 措施 获得 了较好 的称 重 精 度 ， 并 通 过 现 场安 装 测 试 验证 了系 统 的精确 性 和 可行 性 。同 时通 过 Wi F i 无 线数据传输的设计 ， 该 系统实现 了对同一车辆装载 信息的共享 ， 并可将装载机 的称重数据和作业状态 实时传送到后台监控中心进行观测、 统计和存储 ， 以 实现 对整 个装 载作 业 的实 时 监 督 和调 度 ， 具 有较 为 广 阔的应 用前 景 。 参考文献 [1 ] 孙小凌 ， 孙 仁军 ．基于 ARM 的装载机智能称重装 置 [ 2] [ 3] [ 4] [ 5] [ 6] [7 ] [ 8] [9 ] [ 1 O ] 的设 计 [ J ] ．重 庆 工 学 院学 报 自然 科 学 版 ，2 0 0 9 ， 2 3 5 1 1 5 一 l 2 O ． 朱 婧 ， 王益 健．装 载机 动态 称重 仪表 的设 计 与实 现 [ J ] ．国外 电子测量技术 ，2 0 1 4 ， 3 3 6 9 5 9 8 ． 王伟 ， 王 田苗 ， 赵 洪明 ， 等．装载机 载质量动态测量偏 载问题[ J ] ． 机械工程学报 ，2 0 0 7 ， 4 3 5 1 0 6 1 1 0 ． 王凯．装载机智能动态称重系统设计 [ D ] ． 郑 州 中原 工学院 ， 2 0 1 1 4 7 ． 刘 传榕 ， 李学忠．装载机载重测量系统数学模 型[ J ] ． 工 程 机 械 ， i 9 9 7 1 l 1 1 2 ． 肖珊 ， 鲁五一 ， 吉艳平．一种新 型装 载机动态 称重 系 统的研制[ J ] ． 可编程控制器与工 厂 自动化 ， 2 0 0 7 7 1 05 1O 8． 杨波波．装载机 车载 自动称重 仪系统研 究[ D] ． 西安 长安大学 ， 2 0 1 0 3 5 ． 马月辉 ，刘 宁宁 ， 廖 兰荣 ， 等．装 载机 称重 系 统设 计 E J ] ．工业计量 ， 2 0 0 8 ， 1 8 5 2 7 2 9 ． 程小艳．嵌入式 S T M3 2 F 1 O 7 VC T 6微 处理器 接 口模 块开发及应 用研 究 [ D- I ． 合 肥 合 肥工 业 大学 ， 2 0 1 2 5 1 0 ． 王伟 ， 王 田苗 ， 魏 洪兴 ， 等． 装 载机 载重 动态测 量动 力 学分析与实现方法[ J ] ． 中 国机械 工程 ， 2 0 0 6 ， 1 7 2 2 2 33 3 2 33 8．