煤炭快速定量裝車系統(tǒng)的優(yōu)化改造

田寶雄

(神華神東煤炭集團(tuán)公司洗選中心補連塔選煤廠，陜西 神木 719315)

0 引言

快速裝車系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于大型煤炭企業(yè)的產(chǎn)品煤裝車外運環(huán)節(jié)中，其裝車速度快、稱量準(zhǔn)確，備受各煤炭企業(yè)的青睞。文中研究主體是中國神華集團(tuán)，對其選煤廠中當(dāng)前使用的快速定量裝車系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)備的分析。當(dāng)前的裝車系統(tǒng)設(shè)備自動控制就是以PLC為核心，以物料設(shè)定為主的裝車方式，將基本的列車裝載重量與尺寸進(jìn)行確定，根據(jù)快速裝車的連續(xù)性來完善相關(guān)的技術(shù)管理方式。這種裝車系統(tǒng)優(yōu)勢明顯：①快速定量裝車系統(tǒng)的自動化程度較高，系統(tǒng)的所有設(shè)備全是通過AB公司的PLC自動控制系統(tǒng)進(jìn)行集中控制和操作的，全部設(shè)備的故障、運行等情況都在上位計算機上顯示；設(shè)備運行穩(wěn)定，全系統(tǒng)用人較少；②裝車速度快，裝70 t一節(jié)車正常用時約120 s，裝60節(jié)整列車正常用時約120 min；③裝車精度高，稱重倉(定量倉)靜稱重精度為±0.1%，每節(jié)車皮裝車精度<±0.3%，整列車的裝車精度<±0.3%；④裝車質(zhì)量好，車皮裝完后表面平整無偏載，完全達(dá)到鐵路運輸要求；⑤環(huán)保性能優(yōu)，整個裝車過程實現(xiàn)全封閉式，裝過車皮表面還經(jīng)過碾壓并固化封塵，撒煤少煤塵也少，環(huán)境的污染小。

但是因為客戶需求的差異，系統(tǒng)設(shè)備無法滿足越來越多的個性化要求；即便是有不同的設(shè)備裝載需求，仍然無法滿足人們對裝車的速度與精度要求提高的需求。

1 快速定量裝車系統(tǒng)的現(xiàn)狀

1.1 裝車工藝與設(shè)備

快速定量裝車系統(tǒng)主要組成包括：產(chǎn)品倉、膠帶機、裝車設(shè)備(包括定量倉、緩沖倉、裝車溜槽、稱重系統(tǒng))。這些裝車系統(tǒng)的核心是產(chǎn)品倉，主要是通過膠帶機來將煤炭產(chǎn)品進(jìn)行輸送，直接運送到塔樓中，到了緩沖倉之后會根據(jù)列車信息來進(jìn)行參數(shù)配置。等到商品煤在滯留區(qū)等到裝車等待信息之后，就要做出裝車準(zhǔn)備，并且實現(xiàn)自動上傳與卸載，所有煤炭都按照這個循環(huán)將整列裝載完成。

神東公司快速裝車設(shè)備主要品牌：國產(chǎn)化、南非TCS、美國KSS。經(jīng)過比對試驗之后，KSS品牌的穩(wěn)定性最好，但是因為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)使用較為繁雜，對設(shè)備的檢修與應(yīng)用技術(shù)要求高，而且購買成本也高；TCS系統(tǒng)因為存在液壓系統(tǒng)的滯后性問題，所以整體結(jié)構(gòu)并不足以支撐設(shè)備運行；而國產(chǎn)化設(shè)備經(jīng)過實用化的系統(tǒng)技術(shù)改革之后，滿足實際情況下的半自動裝車運行需求，功能比較明顯。

1.2 存在問題

由于神東公司當(dāng)前的裝車設(shè)備使用方式，一直都是以半自動模式為主，雖然并沒有形成全自動系統(tǒng)，但是裝車效率能夠滿足一般的快速裝車要求。當(dāng)前神東公司裝車系統(tǒng)存在的問題主要有：①對火車車廂具體參數(shù)獲取能力不高，不能自動獲取火車每節(jié)車廂的信息；②二次儀表數(shù)據(jù)傳輸誤差大；③在裝車的過程中要是遇上雜皮的混編列車時，裝車員必須手動依據(jù)各種車的型號頻繁設(shè)置計量稱重儀表的參數(shù)，勞動量比較大，裝車的效率較低；④裝車自動化程度低，人為參與情況仍然無法改善，勞動強度無法降低；⑤實際裝車重量數(shù)據(jù)不能及時上傳、存儲、生成報表和實現(xiàn)報表查詢、打印；⑥經(jīng)過回空車皮，不能及時提醒，裝車操作員有時會在回空車皮經(jīng)過時不小心按下定量倉放煤按鈕，造成嚴(yán)重撒煤、卸煤事故；⑦現(xiàn)每列裝車時間2 h，有待降低；⑧裝車質(zhì)量有待提高，裝車質(zhì)量不穩(wěn)定，平煤工作量大，有超載偏載現(xiàn)象，有時候出現(xiàn)不符合鐵路安全運行的要求。

2 系統(tǒng)優(yōu)化改造設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

結(jié)構(gòu)方案：煤炭快速定量裝車系統(tǒng)優(yōu)化改造的硬件設(shè)計整體方案如圖1所示。

圖1 硬件設(shè)計整體方案

主機選型：選擇AB公司PLC控制器，型號Logix5563。對于快速裝煤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性改造來說，既要保持原本的功能，又要提高其設(shè)備運行效率。系統(tǒng)增加車號識別部分，通過射頻讀卡器RFID的使用，可將列車車廂不同的信息內(nèi)容，直接掃描傳輸?shù)絇LC系統(tǒng)中，經(jīng)過上位機的信息輸出和指派，列車可以停靠在指定位置，并且向PLC進(jìn)行信息反饋，等控制指令輸送到各個控制設(shè)備后，膠帶機、傳輸機、緩沖倉等都能夠按各車廂不同要求高效率地完成裝車。為了實現(xiàn)系統(tǒng)改造之后對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)整體性的有效提高，需要完成的最重要的目標(biāo)，就是將列車各個車廂信息進(jìn)行有效識別，保證主控中心PLC能夠得到新的信息，通過對車輛位置的確定，來提高基本的定量倉稱重數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度。

讀卡器選型：經(jīng)過對幾個頻段測試結(jié)果的分析，使用的有源射頻讀卡器頻段在2.45 GHz，芯片型號為CC2500，主控單片機型號是MSP430F169。優(yōu)勢在于這2個芯片類型的功耗很低，可以在長時間范圍內(nèi)滿足射頻讀卡器的需求。經(jīng)過對傳輸速度的計算，發(fā)現(xiàn)其最高值大約在500 kb/s；而且這種收發(fā)器能夠進(jìn)一步完成基本的電磁喚醒、脈沖傳送、信息包協(xié)調(diào)等等功能。MSP430一系列的單片機以16位為主，能夠完成的功能模塊包括：DAC、ADC、DMA等等。其功能多元特點非常明顯，不僅投入低而且對電流、電壓的低功耗處理效果很好。供電電壓只需要3.3 V，即便是系統(tǒng)運行狀態(tài)下需要的電流也只有300 μA。根據(jù)射頻讀卡器的傳輸距離，這種在50 m位間距的讀卡器放置位置，應(yīng)該在落煤倉200 m或者是300 m處，將這些信息直接傳遞給PLC，避免因為射頻錯誤導(dǎo)致的裝車疏漏。

火車車廂識別卡：這種識別卡的安裝位置基本都是放在車廂底部，這種ID就是車廂的識別信息。

地面自動識別設(shè)備：這種設(shè)備會根據(jù)不同的裝置組成，將基本的車廂信息、結(jié)構(gòu)進(jìn)行信息的掃描與輸送，對于這種信息獲取應(yīng)該按照裝車集控方式來完成基本的數(shù)據(jù)查詢與管理，在網(wǎng)絡(luò)信息疏導(dǎo)過程中，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效集成與調(diào)取。

CPS定位：這是裝車集控室對車輛、車廂信息接收的地點，只要能夠?qū)⒖刂浦噶詈侠淼匕l(fā)出，就能夠保證基本信息經(jīng)過有效處理之后，反饋到服務(wù)器當(dāng)中進(jìn)行保存。

稱重數(shù)據(jù)模塊：要保證裝車稱重信息的有效記錄，可以運用基本的數(shù)據(jù)采集與識別控制方式，將新的數(shù)據(jù)庫內(nèi)容進(jìn)行合理的更新，在保持PLC可以按照采集稱重數(shù)據(jù)處理效果的時候，可以將基本的PLC芯片，將DH+通訊設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)模塊上的協(xié)調(diào)，并且將采集程序進(jìn)行對接配置的處理。

數(shù)據(jù)傳輸：延續(xù)了傳統(tǒng)模擬信號的輸送方式，按照對4～20 mA信號的傳輸，可以將基本的開關(guān)量信號實現(xiàn)新的速率傳輸，將地面上的信息傳輸精準(zhǔn)度進(jìn)一步提高。為了改善當(dāng)前的信號傳輸情況，根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境，進(jìn)行基本的抗干擾結(jié)構(gòu)制定；傳輸速度的提高，可以完成對總線通信模式的優(yōu)化。按照AB公司進(jìn)行RS485總線的安裝后，通過通信配置方式實現(xiàn)合理的數(shù)據(jù)調(diào)用與傳輸。驅(qū)動芯片屬于RS485，按照信號傳輸終端的阻抗數(shù)據(jù)為120 Ω時，能夠?qū)N75176型號的芯片進(jìn)行再次優(yōu)化，保證信號傳輸能夠在長距離中實現(xiàn)更好的效果，保證主動芯片不會受到系統(tǒng)運行不穩(wěn)定的干擾。

2.2 軟件設(shè)計

PLC屬于中央執(zhí)行機構(gòu)的系統(tǒng)，能夠以更好的運行速度將技術(shù)提升到新的空間，按照程序關(guān)系來完善基本的裝煤操作行為，確定每個環(huán)節(jié)都能夠得到新的處理方式的驗證。為了完善各個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，需要根據(jù)PLC程序的設(shè)計方式，將現(xiàn)行的工程程序進(jìn)行新的整改。PLC程序總框圖是設(shè)計車輛信息識別系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程，便于根據(jù)流程編寫PLC程序。

對于這種組態(tài)軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計方式來說，文中選擇的是RSView 32，這是標(biāo)準(zhǔn)軟件菜單，能夠?qū)⒒镜慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)功能性完成的組合方式，并且為用戶提供新的工程菜單內(nèi)容。而且還能夠?qū)Υ翱谠O(shè)定方式進(jìn)行模式化的處理，既能夠完成與PLC的通信，又可以直接將存儲單元中的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)取，而且操作簡單，用戶群體中即便是有對技術(shù)內(nèi)容不了解的人群，也能夠在短期學(xué)習(xí)之后，將基本的組態(tài)數(shù)據(jù)采集方式掌握。RSView 32屬于高度集成的組態(tài)軟件，能夠完成人機交互的自動化監(jiān)控方式，并且能夠在多個領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)新的軟件升級，保證上位機操作方式穩(wěn)定、簡便、功能明顯。改造后的裝車系統(tǒng)圖如圖2所示。

圖2 改造后的裝車流程系統(tǒng)圖

2.3 改造后的系統(tǒng)特點

自動獲取車廂信息：裝車火車進(jìn)站時，自動獲取整列火車裝車節(jié)數(shù)，代替人工操作；自動獲取火車每節(jié)車廂的信息，自動在生產(chǎn)調(diào)度畫面上生成記錄，不用工人每節(jié)去核實。保證數(shù)據(jù)真實性、及時性、準(zhǔn)確性和連貫性。

顯示數(shù)據(jù)一致性：裝車稱重數(shù)據(jù)數(shù)字化改造，通過DH+通信將二次儀表與PLC控制器進(jìn)行通信，通過修改程序及修改上位畫面，將稱重數(shù)量直接顯示在上位畫面上，由于稱重數(shù)值從二次儀表到PLC沒有進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了二次儀表與上位機畫面數(shù)據(jù)一致，提高了精準(zhǔn)度。

裝車參數(shù)自動設(shè)定：改造前裝車時必須手動調(diào)整二次儀表參數(shù)，裝混編列車(雜皮車)時裝每節(jié)車廂都得手動調(diào)整二次參數(shù)，工作量較大，改造后實現(xiàn)了裝車參數(shù)自動設(shè)置，并且延長了二次儀表的使用壽命。配煤參數(shù)調(diào)整方便，空倉設(shè)定方便，各類車型配煤參數(shù)設(shè)置增加了添加功能。

自動計算掐煤、補煤量：操作員在裝車過程中由于裝車等原因需要緊急掐煤、補煤操作時，系統(tǒng)自動對實際裝煤量進(jìn)行校正，對掐煤、補煤量進(jìn)行了自動計算，保證計量準(zhǔn)確。

自動生成記錄：實現(xiàn)了列車車號掃描系統(tǒng)數(shù)據(jù)和裝車數(shù)據(jù)自動生成各類記錄，自動生成各類數(shù)據(jù)的報表并可以導(dǎo)出報表，實現(xiàn)可以查詢各類裝車記錄，各類報表隨著實現(xiàn)打印功能，減少了人工記錄。

自動記錄回空車皮：經(jīng)過回空車皮，定量倉、緩沖倉放煤閘板處于鎖定狀態(tài)，禁止打開。避免了有回空車皮時，裝車操作員有時會在回空車皮經(jīng)過時不小心按下定量倉放煤按鈕，造成嚴(yán)重撒煤、卸煤事故。

系統(tǒng)運行穩(wěn)定：由于減少了人為因素，極大地提高了裝車效率，該系統(tǒng)投入使用后，裝車時間由之前的平均每列120 min減少到現(xiàn)在的90 min左右。

裝車質(zhì)量、精度提高：減少了對環(huán)境的污染。裝車質(zhì)量好，車皮表面平整，減少了平煤工作量，無偏載，完全符合鐵路運行要求，裝車質(zhì)量提高后確保鐵路運輸部門行車安全，帶來巨大的安全效益。不僅可以保證裝車精度提高，還能夠?qū)⒎Q重倉的精度提高到±0.05%區(qū)間內(nèi)，整列車裝車精度<±0.2%。

環(huán)保性能優(yōu)，整個系統(tǒng)的裝車過程為全封閉式，裝車過程中撒煤少、煤塵少，對環(huán)境污染小。

提高了自動化程度：改造后快速裝車系統(tǒng)自動化程度更高，保護(hù)齊全，設(shè)備運行可靠，設(shè)備運行時間縮短，工作量大大減少，系統(tǒng)內(nèi)人員減少，“無人則安”理念得到有效體現(xiàn)，安全工作得到保障。實現(xiàn)了節(jié)能增效，減員增效，最終生產(chǎn)完全成本較低，企業(yè)效益提升。

分析告警功能：對于系統(tǒng)的運行來說，應(yīng)該通過對不同等級管理人員的查詢權(quán)限劃分，將每個車廂裝煤量進(jìn)行詳細(xì)信息的處理，按照火車裝車結(jié)束之后的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，來分析這種火車裝煤量的可行性，如果有超重車廂一定要有告警提示。

3 結(jié)語

現(xiàn)有裝卸系統(tǒng)增加列車信息的識別與生成，是為了給裝車系統(tǒng)進(jìn)行自動配煤操作處理提供信息，新的裝車方式按照完整的列車需求信息來進(jìn)行生產(chǎn)組織。經(jīng)過上位機軟件的信息處理之后，可以給現(xiàn)階段網(wǎng)絡(luò)信息帶來有效的更新，保證實時信息可以得到及時共享，將商務(wù)結(jié)算、安全運輸結(jié)合起來，提升了鐵路運輸信息自動化水平，為裝車系統(tǒng)發(fā)展與升級帶來更好的技術(shù)支撐。