基于物聯(lián)網(wǎng)+PLC的鐵路翻車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

戴乾軍,袁慶運(yùn),牛金鵬

(1.蘭州工業(yè)學(xué)院電氣工程學(xué)院,甘肅蘭州 730050;2.蘭州理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,甘肅蘭州 730050;3.甘肅省建設(shè)投資(控股)集團(tuán)有限公司,甘肅蘭州 730050)

0 引言

隨著鐵路車(chē)站各種物料運(yùn)輸量的不斷增加,卸料用的翻車(chē)機(jī)是物料運(yùn)輸?shù)淖詈蟓h(huán)節(jié),直接影響著運(yùn)輸?shù)陌踩c效率。翻車(chē)機(jī)作為一種高效、低耗翻卸鐵路散料敞車(chē)的專(zhuān)用卸車(chē)系統(tǒng),主要優(yōu)點(diǎn)有:可加速下落物料,并伴有振動(dòng)作用,能減少人工清理工作量;翻車(chē)過(guò)程中通過(guò)噴水除塵裝置能實(shí)現(xiàn)清潔卸料[1-2]。但該系統(tǒng)的缺點(diǎn)主要為:翻車(chē)過(guò)程中無(wú)論在正翻和回翻的啟動(dòng)、制動(dòng)環(huán)節(jié)均保持同一速度,易造成回翻對(duì)位不準(zhǔn)的問(wèn)題[3-4],尤其是在空車(chē)回位時(shí)常有空車(chē)翻出軌道的事故發(fā)生,直接影響著系統(tǒng)的運(yùn)行效率及設(shè)備的使用壽命;翻車(chē)過(guò)程中需要值班員實(shí)時(shí)值守,系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)不易獲取且人力成本消耗高。針對(duì)以上問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)+PLC的翻車(chē)控制系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)翻車(chē)過(guò)程的精準(zhǔn)調(diào)速,且具有無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能,測(cè)試結(jié)果表明該設(shè)計(jì)方案翻車(chē)效果順滑,數(shù)據(jù)透明度高,可靠性高。

1 翻車(chē)控制工藝流程

翻車(chē)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由重牛推車(chē)器、牽車(chē)臺(tái)、翻車(chē)機(jī)和位置傳感器等設(shè)備組成。

圖1 翻車(chē)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

翻車(chē)控制工藝流程如圖2所示。

圖2 翻車(chē)控制工藝流程圖

首先,按下總啟動(dòng)按鈕時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行指示燈點(diǎn)亮,重牛推車(chē)器推動(dòng)敞車(chē)駛?cè)敕?chē)區(qū)。由位置傳感器檢測(cè)敞車(chē)是否到達(dá)翻車(chē)區(qū)。若未檢測(cè)到敞車(chē)則循環(huán)檢測(cè),此時(shí)聯(lián)鎖信號(hào)不能開(kāi)放。若檢測(cè)到敞車(chē)到達(dá)翻車(chē)區(qū)指定位置,則鐵路聯(lián)鎖系統(tǒng)控制信號(hào)燈先亮綠燈并閃爍10次后變?yōu)榧t燈,零位繼電器(LWJ)吸起、綠燈信號(hào)(LJ)點(diǎn)亮、翻車(chē)機(jī)信號(hào)(FCJ)落下。接著,兩臺(tái)翻車(chē)電機(jī)啟動(dòng)并低速正翻,同時(shí)除塵噴水裝置打開(kāi),翻車(chē)至30° 時(shí)啟動(dòng)高速正翻。翻車(chē)至160° 時(shí)回落至低速正翻且啟動(dòng)振打器。翻車(chē)至175° 時(shí)正翻結(jié)束,翻車(chē)電機(jī)制動(dòng)且除塵噴水裝置與振打器均關(guān)閉,系統(tǒng)抱閘鎖死。當(dāng)正翻結(jié)束20 s后,進(jìn)入空車(chē)回翻環(huán)節(jié),抱匣裝置松開(kāi)。為避免空車(chē)回翻中出現(xiàn)對(duì)位不準(zhǔn)的問(wèn)題,系統(tǒng)通過(guò)PID算法實(shí)現(xiàn)勻速高速回翻至25° ,此后自動(dòng)轉(zhuǎn)為低速模式直至0°以完成精準(zhǔn)制動(dòng)。聯(lián)鎖系統(tǒng)給出空車(chē)指示,信號(hào)燈亮綠燈且持續(xù)閃爍表明翻車(chē)完成。最后,重牛推車(chē)器推動(dòng)敞車(chē)駛離翻車(chē)區(qū)。若位置傳感器檢測(cè)到敞車(chē)與翻車(chē)區(qū)距離>200 m則再由聯(lián)鎖系統(tǒng)控制翻車(chē)信號(hào)燈亮紅燈,系統(tǒng)切斷自動(dòng)模式。

2 翻車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 翻車(chē)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

翻車(chē)控制系統(tǒng)的主控制電路如圖3所示。

圖3 翻車(chē)控制系統(tǒng)的主控制電路

系統(tǒng)主電路由三相交流異步電機(jī)、斷路器、接觸器、熔斷器、電阻和熱繼電器等構(gòu)成。電機(jī)M1和M2為翻車(chē)電機(jī),M3為牽引電機(jī)。熱繼電器 FR1～FR3和熔斷器FU1～FU3分別實(shí)現(xiàn)對(duì)M1～M3的過(guò)載與短路保護(hù)。電阻R1～R4通過(guò)定子繞組串電阻的方式實(shí)現(xiàn)電機(jī)低速轉(zhuǎn)動(dòng),為翻車(chē)系統(tǒng)安全平穩(wěn)啟動(dòng)和低速制動(dòng)提供保證。電源總開(kāi)關(guān)QF1和QF2～ QF4分別控制整個(gè)主系統(tǒng)、兩個(gè)翻車(chē)系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)的通/斷,同時(shí)可實(shí)現(xiàn)過(guò)載、短路、欠電壓和過(guò)電流保護(hù)。KM2和KM6控制兩個(gè)翻車(chē)電機(jī)的低速正轉(zhuǎn),KM1和KM5控制兩個(gè)翻車(chē)電機(jī)的高速正轉(zhuǎn)。KM3和KM7控制兩個(gè)翻車(chē)電機(jī)的低速回翻,KM4和KM8用來(lái)控制兩個(gè)翻車(chē)電機(jī)配合PID調(diào)節(jié)進(jìn)行均速回翻。KM9實(shí)現(xiàn)重牛推車(chē)器對(duì)敞車(chē)駛?cè)?駛離翻車(chē)區(qū)的牽引。

2.2 翻車(chē)控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

本文以回翻轉(zhuǎn)速PID控制為例闡述程序設(shè)計(jì)過(guò)程,結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。其中Vset(t)為速度給定值,e(t)為速度偏差,Vrel(t)為速度實(shí)際值。

圖4 回翻轉(zhuǎn)速PID控制結(jié)構(gòu)框圖

回翻轉(zhuǎn)速作為模擬信號(hào)不能直接送入PLC主控制器,系統(tǒng)增加了模擬量采集模塊,需先經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),PLC處理完成之后再由D/A模塊轉(zhuǎn)為模擬信號(hào)實(shí)現(xiàn)速度控制。故此,在如式(1)所示的經(jīng)典PID算法[5]的基礎(chǔ)上選擇得出如式(2)所示的數(shù)字式PID控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)回翻轉(zhuǎn)速的精準(zhǔn)控制。

(1)

(2)

式(1)～(2)中:V(t)為回翻轉(zhuǎn)速實(shí)際值Vrel(t);V0為回翻轉(zhuǎn)速電機(jī)的初始值;T為采樣時(shí)間;Ti為積分時(shí)間;Td為微分時(shí)間;Kp為比例系數(shù)。PID的初始參數(shù)使用MOV_W指令進(jìn)行賦值。通過(guò)工程經(jīng)驗(yàn)中常用的試湊獲得本設(shè)計(jì)最佳參數(shù)分別為:Vset(t)=1 200 r/min,Kp=1、T=30 s、Ti=0.3 s、Td=900 s。

回翻轉(zhuǎn)速PID控制的核心程序如圖5所示。

圖5 回翻轉(zhuǎn)速PID控制程序

當(dāng)滿(mǎn)足自動(dòng)控制模式時(shí),由SBU_I指令將設(shè)定值Vset(k)與速度傳感器檢測(cè)變送反饋值A(chǔ)IW16作差,標(biāo)記偏差e(k)為VW520。再結(jié)合式(2)由MUL_I指令實(shí)現(xiàn)VW520與Kp(VW504)求積運(yùn)算,并將此值送入VW524中暫存。再通過(guò)DIV_I指令實(shí)現(xiàn)比例系數(shù)Kp(VW502)與積分時(shí)間Ti(VW512)的整數(shù)除法運(yùn)算,將值暫存于VW528中。由VW528與偏差VW520作整數(shù)乘法,將積分項(xiàng)的和暫存于VW532。然后由MUL_I指令實(shí)現(xiàn)比例系數(shù)此時(shí)比例項(xiàng)(VW540)與微分項(xiàng)(VW516)求積的結(jié)果暫存于VW536,并將DIV_I指令實(shí)現(xiàn)VW536與T(VW508)作商。最后,將VW540與偏差VW520求積作為微分項(xiàng)的總和(VW580)。通過(guò)ADD_I指令將比例項(xiàng)總和(VW524)、積分項(xiàng)總和(VW532)、微分項(xiàng)總和(VW580)與速度V0作和賦值給VW552全局?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)單元。最后通過(guò)MOV_W指令將VW552送入AQW32作為PID整定完成的回翻電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)際輸出值。

3 監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)配置與上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)

翻車(chē)控制系統(tǒng)由硬件模塊和云平臺(tái)組成,主控制器為SIMENS S7-200 SMART PLC。通過(guò)速控云(上海)智能科技有限公司的速控云盒子Suk-Box-4G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)模塊組建無(wú)線(xiàn)控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)采集、協(xié)議驅(qū)動(dòng)和邊緣計(jì)算。上位機(jī)為其自帶的云平臺(tái)(手機(jī)App/電腦網(wǎng)頁(yè))完成了數(shù)據(jù)上云,提升了數(shù)據(jù)的透明度與管控效率,設(shè)備參數(shù)設(shè)置如表1所示。上位機(jī)與速控云盒子通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、速控云盒子與SIMATIC Controller(S7-200 SMART SR40)以Ethernet cable方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,模擬量擴(kuò)展模塊與PLC間的通信選擇PROFIBUS[6-7]方式。其中,上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)流程如圖6所示。

表1 翻車(chē)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)

圖6 上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)流程

4 翻車(chē)控制系統(tǒng)測(cè)試

翻車(chē)控制系統(tǒng)的主界面如圖7所示。該界面可實(shí)現(xiàn)手/自動(dòng)系統(tǒng)的啟動(dòng)與狀態(tài)顯示。通過(guò)監(jiān)控界面可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的控制,并借助曲線(xiàn)界面分析當(dāng)前翻車(chē)運(yùn)行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),通過(guò)云平臺(tái)可在線(xiàn)查閱設(shè)備運(yùn)行的當(dāng)前與歷史數(shù)據(jù),提高了翻車(chē)控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。

圖7 翻車(chē)控制系統(tǒng)的手機(jī)監(jiān)控主界面

翻車(chē)控制系統(tǒng)的翻車(chē)電機(jī)的速度曲線(xiàn)如圖8所示。

圖8 翻車(chē)機(jī)速度曲線(xiàn)

系統(tǒng)在6 s內(nèi)可實(shí)現(xiàn)低速正翻至30°。6～30 s內(nèi)為高速正翻,由于電機(jī)給定功率恒定,隨著正翻角度加大物料實(shí)時(shí)減輕,速度在900 r/min左右存在波動(dòng)。30～35 s內(nèi)卸料基本完成,正翻結(jié)束,轉(zhuǎn)速迅速回落,快速降低為0。35～55 s內(nèi)屬于過(guò)渡區(qū),翻車(chē)電機(jī)停止運(yùn)行,系統(tǒng)抱閘鎖死。從55 s開(kāi)始,系統(tǒng)進(jìn)行空車(chē)回翻,由于PID算法的調(diào)控,經(jīng)過(guò)2 s的超調(diào)后回翻轉(zhuǎn)速恒定在1 200 r/min。65 s回翻至25°,系統(tǒng)降速回落,至75 s整個(gè)回翻過(guò)程完成。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)+PLC的翻車(chē)控制系統(tǒng)提高了原系統(tǒng)回翻對(duì)位不準(zhǔn)的問(wèn)題,改善了翻轉(zhuǎn)精度且融合了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)翻車(chē)控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、工情數(shù)據(jù)管理的能力。測(cè)試結(jié)果表明,本設(shè)計(jì)控制性能好、操作維護(hù)方便。