趙洪輝，張 倩

(陜西陜煤榆北煤業(yè)有限公司榆林信息化運(yùn)維分公司,陜西 榆林 719000)

0 引言

由于我國選煤廠多采用濕法洗選工藝，外銷煤炭水分較高。我國北方煤炭企業(yè)冬季鐵路運(yùn)輸時(shí)，外銷運(yùn)煤容易發(fā)生黏連、掛壁、結(jié)塊、凍車等現(xiàn)象，導(dǎo)致卸車?yán)щy、車廂卸煤不徹底等問題[1]。向火車車廂和其裝運(yùn)的煤炭噴灑防凍液是解決上述問題的較好方法。

當(dāng)前，我國防凍液噴灑方法主要有3種，分別為人工噴灑、手動(dòng)噴灑、自動(dòng)噴灑。人工噴灑為裝車員手持噴灑工具對車廂和煤炭進(jìn)行噴灑，噴灑效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大。手動(dòng)噴灑為裝車員手動(dòng)控制防凍液管道閥門開閉進(jìn)行噴灑，相比人工噴灑效率有所提高，但防凍液噴頭方向固定，無法實(shí)現(xiàn)均勻噴灑。自動(dòng)噴灑當(dāng)前應(yīng)用較多的是太原理工大學(xué)開發(fā)的防凍液自動(dòng)噴灑系統(tǒng)。該系統(tǒng)可通過識別來車速度、高度控制防凍液自動(dòng)噴灑[2-5]。自動(dòng)噴灑系統(tǒng)多為擺臂式，主要由1個(gè)立桿和1個(gè)橫向擺臂組成。擺臂端有噴灑接口，可將溶劑噴灑到車廂內(nèi)。

目前，我國已應(yīng)用防凍液自動(dòng)噴灑技術(shù)的企業(yè)，諸如太原選煤廠、介休選煤廠、屯蘭選煤廠等，在火車運(yùn)銷環(huán)節(jié)取得了良好的經(jīng)濟(jì)和管理收益[6-9]。雖然防凍液自動(dòng)噴灑技術(shù)已經(jīng)有了現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)例，但在列車位置、行駛速度識別和流量精確控制方面仍有不足之處。此外，噴灑防凍液在北方極端天氣下仍有凍車風(fēng)險(xiǎn)，而防凍干粉作為防凍液的補(bǔ)充目前基本無自動(dòng)噴灑方面的研究。

基于此，本文擬通過機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣控制和智能算法等方面的研究，優(yōu)化防凍液自動(dòng)噴灑系統(tǒng)和設(shè)計(jì)防凍干粉噴灑系統(tǒng)，更好地實(shí)現(xiàn)防凍液與防凍干粉自動(dòng)化和智能化噴灑、精確計(jì)量噴灑量，從而做到精細(xì)化管理，提升噴灑效率和整體經(jīng)濟(jì)效益。

1 防凍液噴灑系統(tǒng)現(xiàn)狀

鐵路運(yùn)煤列車均為鐵路統(tǒng)一調(diào)配，因此列車經(jīng)常出現(xiàn)混編現(xiàn)象。混編列車車廂高度參差不齊、各不相同，因此要求噴灑防凍液時(shí)必須根據(jù)不同的車廂高度調(diào)節(jié)噴灑裝置高度，以避免防凍液噴灑系統(tǒng)與列車車頭的干涉，以及由于高度不適造成的噴灑不均勻現(xiàn)象。

防凍液噴灑系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有檢測車頭和車廂空隙的能力，并能根據(jù)檢測結(jié)果控制閥門開閉，防止在非車廂位置噴灑，造成浪費(fèi)；同時(shí)，該系統(tǒng)還應(yīng)具備快速計(jì)算能力，能夠根據(jù)檢測到的車廂各面面積計(jì)算并定量調(diào)整噴灑量，保證噴灑均勻以起到防凍效果。這樣可以保證在不影響鐵路運(yùn)輸?shù)那闆r下完成車廂防凍液的自動(dòng)定量噴灑。

按照以上思路，本文設(shè)計(jì)了升降滾筒式噴灑裝置，改善了傳統(tǒng)擺臂式噴灑裝置易受場地高度限制的缺點(diǎn)；結(jié)合可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)和智能算法，實(shí)現(xiàn)了防凍液噴灑系統(tǒng)的自動(dòng)化和精細(xì)化管理。

2 防凍液噴灑系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的防凍液噴灑系統(tǒng)可安裝在具有一定高度的固定結(jié)構(gòu)上，具體可視選煤廠裝車站實(shí)際情況而定。以小型龍門架為例，噴灑系統(tǒng)的升降結(jié)構(gòu)安裝在龍門架的鋼體結(jié)構(gòu)上，噴灑系統(tǒng)處的龍門架凈寬不小于2.0 m。防凍液噴灑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 防凍液噴灑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of antifreeze spraying system

由圖1可知，升降滾筒式防噴灑系統(tǒng)主要由噴淋泵、管道、電磁閥、電機(jī)、托臂、激光測距、滾筒、噴頭、光電開關(guān)、測速雷達(dá)、監(jiān)測儀表等組成。流量計(jì)、壓力表、溫度計(jì)安裝在防凍液噴淋泵與噴頭之間的管道上，用于檢測防凍液輸送中的流體和環(huán)境參數(shù)，并指導(dǎo)防凍液配比。噴頭安裝在托臂上[10]。托臂兩邊與鋼絲繩柔性連接。旋轉(zhuǎn)滾筒作為套筒罩在托臂上。驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)鋼絲繩運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)托臂、噴頭、軟管、滾筒一起上升或者下降。旋轉(zhuǎn)滾筒由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，表面開有相應(yīng)的噴灑孔。噴灑孔數(shù)量與噴頭數(shù)量相同、位置與噴頭橫向位置相同，從而保證防凍液順利噴灑。噴頭采用1/4PZ8Ol10B4型噴頭[11]。此噴頭可形成扇形水霧面，噴灑面積較廣。測距儀利用激光測距原理測量儀表與車廂底部深度和車廂中煤炭高度，并將其換算成噴頭與二者間距離。激光雷達(dá)安裝在車廂一側(cè)，雷達(dá)以與車廂30°～40°角發(fā)射電磁波，接收反射信號后測量車廂行進(jìn)速度。光電開關(guān)與激光雷達(dá)布置在激光雷達(dá)同側(cè)，共2組，相隔40～50 cm。其細(xì)節(jié)調(diào)整依據(jù)列車車廂連接空擋寬度而定，用于確定當(dāng)前噴灑位置為車頭、車廂或車廂連接處。

系統(tǒng)工作過程及其工作原理如下。

①準(zhǔn)備階段。

列車正式進(jìn)入裝車站之前，啟動(dòng)防凍液自動(dòng)噴灑系統(tǒng)。防凍液自動(dòng)噴灑系統(tǒng)首先進(jìn)行開機(jī)自檢，當(dāng)檢測系統(tǒng)硬件工作狀態(tài)良好后，依據(jù)環(huán)境參數(shù)(溫度等)確定防凍液自動(dòng)配比參數(shù)，完成防凍液配置。

②列車姿態(tài)檢測階段。

列車即將進(jìn)入裝車站時(shí)，光電開關(guān)、激光測速雷達(dá)、激光測距裝置開始對列車行進(jìn)姿態(tài)進(jìn)行檢測，包括列車行進(jìn)速度、車頭位置、車廂位置。

③噴頭姿態(tài)調(diào)整階段。

當(dāng)檢測到列車進(jìn)入噴灑區(qū)域時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)鋼絲繩運(yùn)轉(zhuǎn)，調(diào)整鋼絲繩高度，進(jìn)而調(diào)整托臂整體位置與車廂深度匹配。然后，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)滾筒旋轉(zhuǎn)，使噴頭與滾筒表面開孔處于上下垂直平面，且中心對齊。噴頭姿態(tài)調(diào)整伴隨整個(gè)列車車廂行進(jìn)過程。當(dāng)列車裝運(yùn)煤炭后，可根據(jù)車廂中煤炭高度繼續(xù)調(diào)整相關(guān)姿態(tài)。

④噴灑階段。

噴頭抵達(dá)確定位置后，噴灑系統(tǒng)控制電磁閥打開，管路暢通后開啟噴淋泵，并根據(jù)管道壓力參數(shù)以及檢測到的車廂長度、車廂深度、煤炭高度、行進(jìn)速度計(jì)算噴灑量，最終通過變頻裝置調(diào)整噴淋泵工作頻率以調(diào)節(jié)實(shí)際噴灑量。

⑤噴灑中止階段。

當(dāng)光電開關(guān)檢測到列車車廂位置處于噴灑系統(tǒng)邊緣時(shí)，判定噴灑即將結(jié)束。此時(shí)，開始調(diào)節(jié)噴淋泵降低頻率至0，并關(guān)閉電磁閥；同時(shí)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)滾筒旋轉(zhuǎn)半周，將開孔位置調(diào)整至上方，并承接管路中溢出的防凍液，防止防凍液撒至運(yùn)煤軌道上；此外，驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)整鋼絲繩長度，將托臂整體上移，避免碰撞至下一車廂。

⑥噴灑重復(fù)階段。

隨著列車?yán)^續(xù)行進(jìn)，下節(jié)車廂即將進(jìn)入噴灑位置，系統(tǒng)傳感器持續(xù)檢測。當(dāng)檢測到下一車廂時(shí)，重復(fù)階段②～階段⑤流程，直至最后一節(jié)車廂噴灑完畢。

⑦噴灑完成。

當(dāng)整編列車車廂完成噴灑后，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，等待下一整編列車進(jìn)入噴灑流程。

2.2 電氣控制設(shè)計(jì)

防凍液自動(dòng)噴灑系統(tǒng)的電氣設(shè)計(jì)基于西門子1200型PLC[12]。本系統(tǒng)通過PLC控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)帶動(dòng)鋼絲繩實(shí)現(xiàn)鋼絲繩的收放，實(shí)現(xiàn)對托臂的升降控制。托臂正上方安裝的激光測距可實(shí)時(shí)監(jiān)測托臂運(yùn)行到的高度，保證精準(zhǔn)調(diào)節(jié)托臂位置。

本設(shè)計(jì)安裝了兩組對射型光電開關(guān)。光電開關(guān)工作示意圖如圖2所示。

圖2 光電開關(guān)工作示意圖Fig.2 Working diagram of photoelectric switch

由圖2可知：2個(gè)對射全被擋住時(shí)為車廂中部，如圖2(a)所示；只有1個(gè)被遮擋時(shí)為車廂邊緣部，如圖2(b)所示；2個(gè)對射開關(guān)都沒有被遮擋時(shí)為車廂間隔處，如圖2(c)所示。PLC通過記錄對射的遮擋情況，記錄車的節(jié)數(shù)，并且根據(jù)識別出的車廂空隙控制滾筒的旋轉(zhuǎn)。當(dāng)對射全部被遮擋識別為車廂中部，滾筒正轉(zhuǎn)，露出噴頭孔[13]，噴灑防凍液；當(dāng)對射全部沒被遮擋識別為車廂間隔部，滾筒反轉(zhuǎn)，遮擋噴頭孔，停止噴灑防凍液。

本設(shè)計(jì)中安裝測速雷達(dá)的目的為監(jiān)測車速，把車速的快慢和正向負(fù)向傳輸給PLC。PLC通過返回的車速控制擺臂升降和滾筒正反。當(dāng)車速為正時(shí)，泵和電磁閥會(huì)根據(jù)車速快慢調(diào)節(jié)頻率和開度：車速快、頻率高，則開度大；車速慢、頻率低，則開度小。當(dāng)車速為負(fù)，也就是倒車時(shí)，滾筒會(huì)反轉(zhuǎn)關(guān)閉噴灑，以免反復(fù)噴灑造成的溶液浪費(fèi)。

安裝溫度計(jì)的目的是監(jiān)測室外溫度。溫度計(jì)值返回到PLC中，作為PLC控制配比的參數(shù)。防凍液是用防凍干粉和水配比而成的，根據(jù)不同溫度，防凍干粉和水的比例不同[14]。防凍液配比如表1所示。

表1 防凍液配比

2.3 軟件功能設(shè)計(jì)

本文依照防凍液自動(dòng)噴灑裝置設(shè)計(jì)了對應(yīng)的軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)具備如下功能。

①防凍液控制。

在防凍液控制中，有智能、自動(dòng)、手動(dòng)這3種控制模式。智能模式完全依靠程序檢測計(jì)算和控制，不需要人工參與。自動(dòng)模式由人工輸入目標(biāo)流量值，程序會(huì)根據(jù)此目標(biāo)流量，自動(dòng)控制泵和閥的頻率和開度。手動(dòng)模式由人工給出泵頻參數(shù)和噴閥開度，再由系統(tǒng)自動(dòng)按照這2個(gè)參數(shù)值去執(zhí)行噴灑工作[15]。

②狀態(tài)展示。

狀態(tài)展示是將需要噴灑的列車信息、進(jìn)度、噴灑量、泵、閥、播撒機(jī)等設(shè)備的狀態(tài)展現(xiàn)給用戶，使用戶實(shí)時(shí)獲取系統(tǒng)整體運(yùn)行狀態(tài)。

③趨勢曲線。

曲線中有理論值、實(shí)際值這2條曲線。理論值為程序計(jì)算的合理最佳量。實(shí)際值是通過儀器儀表檢測到的實(shí)際用量。由于工業(yè)品存在一定和誤差，并且在常年使用過程中元器件靈敏度降低等問題，理論值和實(shí)際值可能存在趨勢性偏差，所以需要看到這2個(gè)值的趨勢對比，并在發(fā)現(xiàn)趨勢存在偏差時(shí)人工對參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到補(bǔ)償?shù)淖饔肹8]。如果調(diào)參仍不能校準(zhǔn)，需要對元器件進(jìn)行更換。

④報(bào)表統(tǒng)計(jì)。

系統(tǒng)在自動(dòng)噴灑后會(huì)將具體數(shù)據(jù)以列為單位自動(dòng)記錄下來，方便之后對用量的統(tǒng)計(jì)分析。

3 自動(dòng)噴灑系統(tǒng)的應(yīng)用

本系統(tǒng)于陜煤化集團(tuán)下屬某選煤廠應(yīng)用后，在-15～+10℃的環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行。本文連續(xù)采集11 282節(jié)列車車廂涉及5類車型的噴灑防凍干粉消耗量數(shù)據(jù)，并與本系統(tǒng)應(yīng)用前同種列車防凍范干粉歷史消耗量進(jìn)行比較。各車型自動(dòng)噴灑量對比如表2所示。

表2 各車型自動(dòng)噴灑量對比

由表2可知，原有噴灑方式的防凍液平均用量為136 kg/每節(jié)、采用防凍液自動(dòng)噴灑系統(tǒng)的防凍液平均用量為108 kg/每節(jié)、總節(jié)省量為302 632 kg。因此，分析表2可知，應(yīng)用該防凍液自動(dòng)噴灑系統(tǒng)后，相比原有噴灑方式，平均藥耗節(jié)約率可達(dá)19.74%；隨著噴灑車型體積的減小，藥耗節(jié)約率呈現(xiàn)增加趨勢。該結(jié)果證明，本系統(tǒng)可有效降低防凍液消耗，大致可節(jié)約20%的防凍液消耗。

該系統(tǒng)目前可完全自動(dòng)化完成噴灑任務(wù)。出于安全起見，尚需有人監(jiān)督。當(dāng)出現(xiàn)事故報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)觸發(fā)停止，并采用聲光電形式提醒監(jiān)督者系統(tǒng)出現(xiàn)異常，報(bào)警復(fù)位后恢復(fù)自動(dòng)噴灑。本系統(tǒng)將原有多人完成的大量工作化簡為只有1人監(jiān)督即可完成的工作，在大量解放人力的同時(shí)有效降低藥耗，有利于企業(yè)生產(chǎn)效益最大化。同時(shí)，在裝車環(huán)節(jié)提升了企業(yè)智能化建設(shè)和管理水平。

4 結(jié)論

本文以鐵路煤運(yùn)車廂防凍液自動(dòng)噴灑系統(tǒng)的研究及應(yīng)用為目的，從硬件、電氣控制、軟件功能等諸多方面進(jìn)行了分析論述。系統(tǒng)結(jié)合實(shí)際物理硬件應(yīng)用研究成果，實(shí)現(xiàn)了防凍液、防凍干粉全程自動(dòng)化智能化的控制，簡化了作業(yè)流程提高了工作效率，節(jié)約了溶劑藥耗，降低了人員成本。該系統(tǒng)可進(jìn)一步通過智能化手段結(jié)合智能裝車系統(tǒng)協(xié)同作業(yè)，提高整體工作效率，實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化智能化。