螺旋卸車機(jī)智能控制系統(tǒng)

韋展飛

摘要：目前港口螺旋卸車機(jī)的控制還停留在人工檢查和人工操作的層面，無法實(shí)現(xiàn)智能化控制。為了提高螺旋卸車機(jī)的工作效率，針對(duì)港口卸煤機(jī)的具體使用情況，利用車皮識(shí)別、傳感器定位、人員互鎖安全保護(hù)等技術(shù)，對(duì)螺旋卸車機(jī)進(jìn)行智能化改造，實(shí)現(xiàn)對(duì)螺旋卸車機(jī)的遠(yuǎn)程控制。首先建立螺旋卸車機(jī)的保護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)卸煤機(jī)的三維空間定位、電氣保護(hù)和空間防碰撞，其次，設(shè)計(jì)了車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)，檢測列車進(jìn)場信息，最后根據(jù)作業(yè)計(jì)劃信息，列車進(jìn)場信息、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)螺旋卸車機(jī)的遠(yuǎn)程智能控制。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，螺旋卸車機(jī)智能控制系統(tǒng)具有很高的安全性和有效性，可以提高作業(yè)效率與作業(yè)精度。

關(guān)鍵詞：螺旋卸車機(jī);三維空間定位;空間防碰撞;智能控制

0 ? 引言

隨著當(dāng)今智慧港口的思潮，各大港口都朝著通過物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)的技術(shù)手段，進(jìn)行透徹感知、廣泛連接、深度計(jì)算、物流運(yùn)行，使物與物、物與人、人與人以及港口的各個(gè)參與方可以廣泛的互聯(lián)互通，形成技術(shù)集成、綜合應(yīng)用、高端發(fā)展的現(xiàn)代化港口發(fā)展。港口相關(guān)大型設(shè)備的自動(dòng)化改造更應(yīng)首當(dāng)其沖，螺旋卸車機(jī)便是其中之一。

螺旋卸車機(jī)主要應(yīng)用于下水碼頭，針對(duì)一些由于天氣原因，車廂里的礦物等凝固，無法通過翻車機(jī)翻下的情況，只能通過螺旋卸車機(jī)才可實(shí)現(xiàn)卸車，因此對(duì)螺旋卸車機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化改造十分重要，可以提高作業(yè)效率，減少人工、資源的消耗，提高作業(yè)安全性。本設(shè)計(jì)思想有利于港口高質(zhì)量發(fā)展，對(duì)建設(shè)智慧港口有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 ? 本港螺旋卸車機(jī)設(shè)備與工藝介紹

1.1 ? 設(shè)備介紹

螺旋卸車機(jī)（screw unloader），是在側(cè)開門鐵路敞車上，利用螺旋機(jī)構(gòu)插入物料中旋轉(zhuǎn)，將物料由車廂的側(cè)門卸出的專用散料卸車機(jī)械。主要由螺旋旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、螺旋起升機(jī)構(gòu)、整機(jī)行走機(jī)構(gòu)、支承結(jié)構(gòu)和司機(jī)室組成。螺旋葉輪由鋼板卷制，焊在葉輪軸上，軸由電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)、鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和螺旋葉輪都裝在一個(gè)活動(dòng)架上，由提升機(jī)構(gòu)帶動(dòng)。葉輪在軸上分兩段，螺紋方向相反，當(dāng)它轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可將煤推向兩邊。葉輪的工作效率取決于它的直徑、轉(zhuǎn)速和螺距。

螺旋卸車機(jī)構(gòu)造簡單，利用物料向下自流的特性，開啟車門后物料在螺旋推送中自流進(jìn)入卸料槽，無須對(duì)物料提升做功，因此卸車效率較高而能耗較低，且與翻車機(jī)相比，卸車時(shí)對(duì)車皮基本無損壞，適于松散、顆粒小的物料。但其在卸車過程中流量極不均勻，車門開啟后的開始階段，大量物料流出，與最后階段完全靠螺旋推送出廂的流量相差較大，卸車車位下若不設(shè)置緩沖料斗及給料機(jī)則極容易造成地下輸送機(jī)因積料過多而超載停轉(zhuǎn)。另外采用人工開放車門，由于粉塵較難控制，因此作業(yè)條件較為惡劣。

1.2 ? 工藝介紹

由于南方氣候原因，有部分火車車廂的礦種潮濕、黏稠無法通過翻車機(jī)卸料。在這種情況下才選取螺旋卸車機(jī)卸料?？紤]作業(yè)效率問題，我司將翻車機(jī)無法卸料車皮匯總混編，以48節(jié)為單位，統(tǒng)一送往螺旋卸車機(jī)。到達(dá)螺旋卸車機(jī)位置，每次由車頭推12節(jié)車廂進(jìn)入螺旋卸車機(jī)軌道進(jìn)行卸車作業(yè)。卸車機(jī)軌道上有兩臺(tái)卸車機(jī)大部分時(shí)間不同時(shí)使用，但也不排除同時(shí)使用的情況。

卸車流程：鐵路敞車停到卸車點(diǎn)→螺旋卸車機(jī)移動(dòng)到車廂端部→打開敞車側(cè)門→逐步放下卸料螺旋→啟動(dòng)行走機(jī)構(gòu)→螺旋緩慢從一端移至另一端并隨時(shí)調(diào)整好高度→散料逐層從車廂兩側(cè)（或一側(cè)）卸下。作業(yè)結(jié)束之后需由工作人員進(jìn)入車皮內(nèi)將沒有清理干凈的車皮底部殘料清理干凈。

2 ? 螺旋卸車機(jī)無人化改造

針對(duì)本港的螺旋卸車機(jī)無人化改造，首先要保證有明確的車廂及車廂貨物信息，通過傳感器、視覺等手段獲取上述信息傳送給螺旋卸車機(jī)遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)，通過遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)配合傳感設(shè)備對(duì)螺旋卸車機(jī)進(jìn)行定姿定位，防碰撞保護(hù)，從而進(jìn)行自動(dòng)化控制。此外，為了保護(hù)進(jìn)入車廂內(nèi)部清車廂底部余料人員的安全，還需結(jié)合人員保護(hù)系統(tǒng)，通過對(duì)人員所進(jìn)車廂進(jìn)行保護(hù)，防止在車廂底部有人的情況下卸車機(jī)從上方經(jīng)過帶來的安全隱患。

2.1 ? 車皮識(shí)別系統(tǒng)

首先考慮螺旋卸車機(jī)里面車廂混編，對(duì)于每個(gè)車廂的料種、車廂型號(hào)、車廂大小都不清楚。不利于實(shí)現(xiàn)螺旋卸車機(jī)無人化改造。此問題當(dāng)時(shí)有兩種解決方法。

一是采用視頻識(shí)別的方法對(duì)車廂進(jìn)行識(shí)別，在火車運(yùn)行時(shí)通過視覺識(shí)別技術(shù)，識(shí)別車廂上的文字信息，根據(jù)該信息對(duì)應(yīng)車廂信息。此法優(yōu)點(diǎn)為只需要兩臺(tái)固定的視頻設(shè)備就可識(shí)別全列車廂的信息，缺點(diǎn)就是火車車廂情況復(fù)雜，無法保證所有的信息是否清晰，被污漬遮擋，而且識(shí)別信息對(duì)應(yīng)需要時(shí)間，反應(yīng)不迅速。

另一種是采用RFID識(shí)別系統(tǒng)，給通過的車廂裝上寫有車皮信息的載碼體，通過RFID識(shí)別所需信息。此法優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)快，缺點(diǎn)是需要準(zhǔn)備并安裝射頻識(shí)別設(shè)備，準(zhǔn)備工作復(fù)雜，投入大。

經(jīng)過討論結(jié)合現(xiàn)場的實(shí)際情況，我司暫定使用RFID識(shí)別法。

2.2 ? 螺旋卸車機(jī)遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)

螺旋卸車機(jī)遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)：主要是通過向設(shè)備安裝傳感器，配合自動(dòng)化程序以達(dá)到遠(yuǎn)程操控的效果。

螺旋卸車機(jī)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1。

在螺旋卸車機(jī)的上方兩側(cè)特定位置安裝2個(gè)二維激光掃描儀，用于預(yù)防卸煤螺旋與車廂兩端碰撞。

通過在二維激光掃描儀內(nèi)部設(shè)置兩個(gè)安全區(qū)域，當(dāng)有任何一個(gè)安全區(qū)域被遮擋時(shí)，激光器輸出一個(gè)開關(guān)量給現(xiàn)場的PLC控制器，提示預(yù)警。螺旋卸車機(jī)與車廂左右兩側(cè)的防碰撞檢測示意圖見圖2。

當(dāng)螺旋卸車機(jī)的兩個(gè)螺旋裝置相互靠近時(shí)，螺旋裝置1會(huì)進(jìn)入掃描儀2左側(cè)的預(yù)警區(qū)域，產(chǎn)生遮擋，觸發(fā)二維掃描儀2的信號(hào)報(bào)警，提示左側(cè)報(bào)警，同樣，螺旋裝置2會(huì)進(jìn)入掃描儀1右側(cè)的預(yù)警區(qū)域，產(chǎn)生遮擋，觸發(fā)二維掃描儀1的信號(hào)報(bào)警，提示右側(cè)報(bào)警。螺旋卸車機(jī)兩個(gè)螺旋裝置的防碰撞檢測示意圖見圖3。

行走定位：采用線性編碼器（格雷母線），行走定位精度高。格雷母線是用于有軌移動(dòng)設(shè)備的定位與集中控制。它是采用電磁感應(yīng)的原理進(jìn)行精準(zhǔn)定位。使用格雷母線具有非接觸工作方式，無滑脫和磨損等故障、通過電磁耦合來進(jìn)行通信，不受環(huán)境條件限制，接收靈敏度高、適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境，耐酸、堿腐蝕，防護(hù)等級(jí)IP67，使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

升降定位：檢測螺旋上下升降高度 ，采用絕對(duì)值編碼器加RFID校正相結(jié)合的定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)精準(zhǔn)定位。高度定位精度小于1cm，防止卸煤螺旋與車皮底部碰撞。編碼器采用多圈絕對(duì)值型編碼器，并配合與行走定位同款的RFID校正裝置。

車皮端頭定位裝置：利用二維激光掃描儀準(zhǔn)確定位出待卸車皮的端頭位置，以便實(shí)現(xiàn)自動(dòng)卸煤定位，防止卸煤螺旋與車皮兩端碰撞。

2.3 ? 工作人員保護(hù)

考慮到保護(hù)進(jìn)入車廂內(nèi)部人員的安全，有必要在人員進(jìn)入車廂里面時(shí)加入互鎖保護(hù)，防止螺旋卸車機(jī)從工作人員頭頂上方經(jīng)過。同時(shí)配合視頻監(jiān)控系統(tǒng)，確保工作人員的人身安全。

2.4 ? 視頻監(jiān)控網(wǎng)

工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)主要由前端攝像設(shè)備、主控室視頻設(shè)備和螺旋卸車機(jī)司機(jī)室視頻設(shè)備、視頻傳輸線路組成。根據(jù)料場的實(shí)際需求在主要進(jìn)出口設(shè)置網(wǎng)絡(luò)高清攝像機(jī)和傳輸線纜對(duì)整個(gè)螺旋卸車機(jī)作業(yè)范圍內(nèi)進(jìn)行視頻監(jiān)控覆蓋。主控室管理人員可以對(duì)前端攝像機(jī)進(jìn)行分組顯示，實(shí)時(shí)了解前端網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)狀態(tài)，便于維護(hù)管理。

3 ? 創(chuàng)新點(diǎn)

1、可切換遠(yuǎn)程手動(dòng)卸料、遠(yuǎn)程自動(dòng)卸料兩種工作方式。

（1） 實(shí)現(xiàn)行走定位、車皮端頭定位、螺旋升降定位。

（2） 卸煤機(jī)行走、螺旋等設(shè)備的過載、過流、缺相等保護(hù)齊全。

（3） 防碰撞技術(shù)：有效防止卸煤螺旋與車皮底部碰撞，卸煤螺旋與車皮兩端碰撞，兩臺(tái)螺旋卸車機(jī)大車碰撞。

（4） 整個(gè)作業(yè)過程實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)（自動(dòng)卸車過程考慮單獨(dú)使用左螺旋、右螺旋或左右螺旋同時(shí)使用的情況）。

2、通過車皮識(shí)別系統(tǒng)，檢測列車進(jìn)場信息，并將煤種、車廂型號(hào)等信息傳遞給堆取料機(jī)等終點(diǎn)設(shè)備。

3、螺旋卸車機(jī)與原料輸送系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)：根據(jù)作業(yè)計(jì)劃信息，自動(dòng)推薦優(yōu)先卸的煤種，減少能耗提高作業(yè)效率。

4、主控室可以實(shí)時(shí)了解卸煤機(jī)走行和卸煤作業(yè)過程狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)卸煤作業(yè)全過程、全方位監(jiān)控。工業(yè)電視主機(jī)需預(yù)留與外部系統(tǒng)通信的開放性標(biāo)準(zhǔn)通信接口，以便與公司管控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

5、螺旋卸車機(jī)與煤坑下部皮帶聯(lián)鎖，皮帶停則螺旋卸車機(jī)自動(dòng)停機(jī)。

4 ? 結(jié)語

本文討論了螺旋卸車機(jī)的智能控制系統(tǒng)，運(yùn)用系統(tǒng)的思想對(duì)螺旋卸車機(jī)的配置問題進(jìn)行研究，給出了考慮穩(wěn)定性和安全性的智能螺旋卸車系統(tǒng)，更加符合實(shí)際。本文分析了現(xiàn)有螺旋卸車機(jī)控制的基本思路，構(gòu)造了螺旋卸車機(jī)控制的整體模型，并提出了針對(duì)卸煤機(jī)三維定位、車皮識(shí)別和設(shè)備聯(lián)動(dòng)的控制方法，提高了作業(yè)效率，保護(hù)了人和設(shè)備的安全，通過實(shí)際應(yīng)用證明，本系統(tǒng)實(shí)用有效，可以推廣應(yīng)用。