1、煤矿铁路自动装车系统的设计张冬梅 王成刚（青岛理工大学通信与电子工程学院，山东 青岛 266033）摘要：本文对某煤矿铁路自动装车系统的改造方案、设计原理、系统软件及运行结果，进行了分析。该系统提高了装车的质量和效率，并付诸实践。对铁路煤矿安全高效生产有重要意义。关键词：自动装车 DMC 闭环控制The Design Of The Automatic Loading-train System On The Coalpits RailwayZhang Dong-mei & Wang Cheng-gang(Dept. of Computer,Qingdao University of Techno
2、logy, Qingdao, Shandong 266033,China)Abstract: In the paper the authors analyse the reconstructed schema, the designing principle, the systematic software and the coursing result on some coalpits railways automatic loading train system ,The system improves the loadingtrains quality and efficiency, a
3、nd it has been put to practice. This system in railways coalpit has the important significance to produce safely and highefficiently.Keyword: Automatic Loading-train DMC close-link control1.引言我国煤矿铁路装车的现状是：自动化水平低，容易超载、欠载、装载不均匀车轴易受损，操作频繁，劳动强度大。随着煤矿的大型化和铁路运力的日趋紧张，煤矿铁路自动装车系统的改造、设计，成了刻不容缓的课题。2.某煤矿铁路装车系统改
4、造方案2.1 该煤矿铁路装车系统的现状该矿洗煤厂入洗能力为 3 0 0 万吨年，铁路原装车系统为单点装车系统，跨线仓，有 12 个装煤仓分煤种装车。装煤仓中的煤炭经给煤机至装载皮带、漏斗给车皮装煤，车皮由铁牛牵引行进(见图1)，由静态轨道衡进行计量，此设计能力为每条线 1000TH，系统为手动控制。由于该装车系统已不适应煤矿生产的要求，迫切需要改造。我们结合系统的现状和特点，据用户的要求，提出了下述改造方案。 2.2 系统方案采用 PWM 装置对铁牛行走速度进行调节的闭环控制系统，经方案比较采用：采用研华工控机，它能采集工业现场的开关量与模拟量，不但能实现 P L C 的所有功能，还能完成复杂
5、算法的计算功能，该方案使系统构成简单、灵活。 3.系统构成及工作原理3.1 系统构成图 2、系统框图见系统框图1(486)789410 2635轨道衡铁牛车皮 煤仓皮带机漏斗给煤机图 1、 车皮由静态轨道衡计量1、486 工控机 2、操作台 3、动力配电 4、称重显示 5、PWM 变频电源 6、铁牛 7、位移传感 8、光电开关 9、工业摄像 10、大屏幕监示3.1.1 486 工业控制计算机选用研华 486 工控机，为核心控制单元，串行通信口 2 作为静态轨道衡的模拟量数据采集，为了不影响轨道衡的正常工作，串行口 2 只负责单向数据采集。 485 总线负责与洗煤厂计算机系统的通信，实现两大系统
6、之间的数据传输与交换。本系统利用多媒体卡采集本工业摄像头的图像信息，利用大屏幕彩色监示器显示现场的实际画面。3.1.2 PWM 变频调速器系统中选用富士变频调速器，其特点为调速范围宽、保护功能完善、抗干扰能力强、低频特性好。我们曾对一台 4 5 KVA 的变频器进行多项测试，1 2Hz 供电时，电动机的输出转矩下降不多，但机械特性较 15 H z 供电时的机械特性稍软些，这是由于电动机的电阻压降所造成，即，低频补偿力度还稍不足。从实测结果证明，采用 PWM 变频器对异步电动机变频调速，是可以满足铁牛类负载的要求，尤其是在 1 0 H z 以上稳定运行时更是如此。为避免电动机低速运行时发热以及谐
7、波转矩对电动机输出转矩的影响，在该系统中，采取了必要的措施，即避免了 PWM变频器在 1 0Hz 以下运行。为了抑制系统干扰，采用光电隔离的输入、输出接口，实现计算机与变频器的通讯。此外，为使铁牛能迅速准确地停止，在轨道衡上，我们考虑了变频器的能量释放装置，以吸收迅速制动而产生的能量。3.2 系统完成的主要功能*计算机自动检测运动中的车皮位置和车皮的长度，控制给煤机、皮带、电动翻板的启停，实现自动换节。*计算机动态跟踪检测轨道衡的称量，结合车皮型号调整铁牛速度，并根据车皮位置计算出供料速度（控制给煤机的放煤的台数） ，使其均匀装载。*计算机控制装载系统进行精确供料。在轨道衡最小静态计量时间下，
8、实现高精度装载。*在列车装载结束后，实现装载皮带跑空，避免煤种污染。 *自动打印及报表生成系统。*大屏幕监视器实现多画面显示。*自动控制系统和手动控制系统之间转换方便。 *与上位机通讯，实现与上位机的数据传输与交换，实现诸如煤仓煤位，设备运行状态等信息的交换与传输。3.3 系统的工作原理当列车到位，并将系统置于自动状态时，操作人员抄录列车的车皮和型号，计算机将启动铁牛推动列车，车皮进入轨道衡之间通过光电开关，这时计算机开始记录位移传感器信号，跟踪当前车皮的位置。当车皮后部通过光电开关时，计算机就可确定车皮的长度(我国有许多不标准车皮) 。当车皮前转向架进入轨道衡时，计算机将溜槽翻板置于前方位置
9、，启动皮带和给煤机（台数根据位置可控） 。计算机通过称量传感器测定称量值，并根据已经测定的车位、车长和车速，计算出车皮内煤的堆放曲线，并与该型车皮的理论装载曲线进行比较，根据其差值和控制过程的变化值，调整变频电源的输出频率，从而控制铁牛的行走速度，实现平滑的装载。当车皮两个换向架都进入轨道衡并且装载量已达到预定值的 95时，进行精确装载（单台给煤机工作） 。在装载量达到定量的 99时，列车停止。在达到预定值时将溜槽翻板置于后方。并将轨道衡静态测量值输入计算机。然后开动铁牛对下节车皮进行装载，在上节车皮的装载过程中已对该车皮进行了定位和车长的测定(本系统的计算机软件为多任务系统)。在该节车皮的装
10、载过程中，有一部分时间上节车皮的后换向架仍在轨道衡上，计算机要根据其位置除去这部分重量，计算出车皮的实际量。在最后一节车皮的装载量达到预定量的 99时，计算机控制给煤机间断运行，并调节间断期时间，做到该车皮装载完毕后，皮带不留煤。最后计算机控制变频器使铁牛快速回绳。 4. 装车自动化系统软件简介4.1 系统及其控制算法本系统为一闭环控制系统，它以理论计算的累积装煤(单车皮)为系统的给定输入，以实际累积装煤量作为系统的输出量。通过反馈，与给定输入量进行比较，两者的差值 e 即为调节器的输入，进行调节控制。当 e0 时，减少变频器的频率给定；e0 时，增大变频器的频率给定；e=0 时，维持变频器的
11、当前给定值不变，从而控制单位长度的装煤量达到均匀准确装车的目的，下图即为系统方柜图：R(S)GC(S) GS(S) Y(S)图中，Gc(S)为控制环节传递函数(典型控制为 PID)， GS(S)为对象的传递函数（给煤机、皮带机、调车机、变频器等坏节） 。对于煤矿铁路装车系统，系统参数为时变的，对系统性能的影响是不能忽略的，针对这样一个算法十分复杂，而系统参数难以确定，传统的控制算法是很难作到系统稳定。在 中，是时变参数，采用 PID 算法，从图 4.1 中TSKeGstS)(可以得到系统的闭环传递函数如下： stSCtSCeGGSRYW)(1)(1)(系统的特征方程为： =0，方程中含有纯滞后
12、环stS)(节 ，正是 使系统的稳定性下降，因此，PID 算法对纯滞后环steste图 4 1 系统方框图节的系统很难获得满意的闭环控制效果。对于纯滞后环节，可以利用达林(Dah1in)算法和 Smith 补偿器来进行控制，来抵消纯滞后环节对系统性能影响。采用 Smith 补偿法，滞后环节不再影响系统的动态性能。然而，由于 Smith 补偿器仍是建立在系统对象模型参数基础上的，系统建模的误差及滞后时间参数 t 变化，引起了系统控制品质的下降，从而达不到控制效果。传统的控制算法达不到预期的效果我们采用近几年来发展起来的先进控制策略，这种策略离不开计算机。先进的控制策略不苛求系统的结构形式，所需要
13、的模型只强调其功能，从而为系统建模带来了方便。我们只需测定对象的阶跃响应或冲激响应便可直接得到其控制模型(传递函数) ，而不必去导出对象的传递函数和状态方程。先进的控制策略吸取了传统的优化控制思想，但它利用滚动的有限时段优化取代了一成不变的全局优化。这虽然不一定能引导全局最优，但由于实际上不可避免地存在模型误差和诸多干扰，这种建立在实际反馈信息基础上的反复优化，能不断地照顾不确定性的影响并及时加以校正，反而要比只依赖于模型一次优化更能适应实际过程。但是，这种一般的先进策略算法，对于象这类要求动态响应速度相对较快的系统，由于其预测模型的卷积性质，很难采用传统的 P I D 算法,那么小的采样周期
14、，对控制中变化快的干扰进行有效的抑制。若要满足香农采样定理，就要对计算机的运行速度提出更高的要求。这势必要增加装置的成本。为了满足实时控制对运算的要求，我们提出了一种修正的 DMC 算法，大大减少了在线计算工作量，在实际运行中取得了预期的效果。 这种修正的 DMC 算法，利用系统的阶跃响应来获取对象的预期模型，确定当前时刻的控制量。并使被控对象在其作用下未来若干个时刻的输出预测值尽可能接近给定的若干个期望值。为使控制增量变化不过于激烈，在优化性能指标中加入软约束来加以限制，并求出在这一时刻的最优解。下一时刻又提出同一问题得到控制增量。为了保证未来时刻的实际输出值能够跟踪期望值，这种算法又提出反
15、馈校正概念，构成闭环控制。这样，就可以保证系统始终处于最优控制下。4.2 系统软件功能 该系统的核心之一是控制软件。控制软件要满足控制的要求，同时又能满足多任务调度的需要。软件所要完成的主要任务是：根据轨道衡传感器传送的重量信息以及正在装车的车皮的当前位置，依照一定的算法，给出实时的铁牛行进速度及给煤机的台数，并决定下一时刻的控制量。5.自动装车系统的运行结果分析由于该煤矿是一年产 300 万吨的特大型矿井，每天铁路装车的任务相当繁重，利用本系统对原有装车系统进行改造。通过现场的紧张调试，测取了大量的现场数据，掌握了各个环节的特性。证明了控制算法及系统配置的合理性，最终实现了自动装车达到了预期
16、的目的。在现场实际观察时，几乎看不到明显起伏，装载表面几乎是一条直线。如图 5.1 所示是人工手动半自动装载曲线，操作人员担心后部煤装不下，总习惯前多后少，使前轴受力过大，严重时前部比后部多 10 吨以上。且中间装载不均，起伏较大。如图 5.2 所示是采用修正的 DMC 算法控制时的实际装载曲线。由图可见装载过程平滑，在现场观察几乎是一条直线。 综上，我们针对该类铁路煤炭装车系统，已研制出了具有独特构思，性价比较高的自动控制装置，现场效益非常明显。 参考文献：1 丁镇生 传感器及传感技术应用M. 北京：电子工业出版社，1998: 92-942 何立民 单片机应用系统设计M. 北京：北京航空航天大学出版社，2003:47-52作者简介：张冬梅（1963） 女，山东潍坊人，青岛理工大学 副教授 硕士 主要从事自动化、信息检测技术的教学、科研工作。联系电话：13583202726、宅电：0532-85849038E-MAIL:zdm_7050 6030 4020理论装载量实际装载量装煤量脉冲量（位移）图5.1 半自动化装载曲线7050 6030 4020理论装载量装煤量脉冲量（位移）实际装载量图5.2 修正的DMC算法控制时的实际装载曲线
