王慶立

(中國(guó)鐵路鄭州局集團(tuán)有限公司 鄭州鐵路裝備制造有限公司，河南 鄭州 450052)

煤炭作為國(guó)家一種重要的基礎(chǔ)能源，在我國(guó)的經(jīng)濟(jì)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)中處于主導(dǎo)地位。由于鐵路運(yùn)輸具有速度快、運(yùn)量大、成本低及受天氣影響小等特點(diǎn)，成為煤炭運(yùn)輸選擇的主要途徑。我國(guó)的煤炭運(yùn)輸多以敞車運(yùn)輸為主，在運(yùn)輸過(guò)程中由于線路不平順及強(qiáng)烈風(fēng)力等原因，煤塵會(huì)隨風(fēng)流失、拋撒揚(yáng)塵，不僅浪費(fèi)大量煤炭[1-2]，還嚴(yán)重污染鐵路線路及沿線環(huán)境?，F(xiàn)有的抑塵設(shè)備仍然存在防寒能力弱、抑塵劑液體無(wú)法回收、鉤檔避讓不準(zhǔn)確不穩(wěn)定或無(wú)鉤檔、預(yù)溶攪拌效果不好、抑塵劑固化強(qiáng)度差、污染道床等問(wèn)題，通過(guò)研制鐵路煤炭運(yùn)輸抑塵鉤檔識(shí)別自動(dòng)噴灑系統(tǒng)，以滿足鐵路煤炭運(yùn)輸抑塵噴灑質(zhì)量要求，適應(yīng)鐵路煤炭運(yùn)輸發(fā)展需要。

1 鐵路煤炭運(yùn)輸抑塵鉤檔識(shí)別自動(dòng)噴灑系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原則

鐵路煤炭運(yùn)輸抑塵鉤檔識(shí)別自動(dòng)噴灑系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)主要通過(guò)可編程控制器(PLC)控制程序的優(yōu)化編程及終端噴灑裝置的性能改進(jìn)，在系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、設(shè)備技術(shù)完善的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的智能化控制，提升作業(yè)效率及質(zhì)量，其設(shè)計(jì)原則主要體現(xiàn)在以下方面。

（1）安全可靠性。鐵路煤炭運(yùn)輸抑塵鉤檔識(shí)別自動(dòng)噴灑系統(tǒng)分由硬件和軟件2 個(gè)組成部分。在硬件方面，電器元件[3]應(yīng)選擇成熟、通用的器件，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定；考慮到系統(tǒng)頻繁啟動(dòng)，應(yīng)選擇壽命長(zhǎng)、老化慢、耐沖擊的電子元件，在電路設(shè)計(jì)上做好預(yù)防靜電、接地、過(guò)流保護(hù)等處理。在軟件方面，應(yīng)使用正版授權(quán)的開(kāi)發(fā)軟件，充分測(cè)試優(yōu)化控制程序，以確保電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定有效、機(jī)車車輛的行車安全、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的人身安全。

（2）適用性。依據(jù)目前噴灑作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，結(jié)合用戶需求及在用設(shè)備的風(fēng)格，鐵路煤炭運(yùn)輸抑塵鉤檔識(shí)別自動(dòng)噴灑系統(tǒng)的各項(xiàng)操作應(yīng)便于現(xiàn)場(chǎng)人員快速的掌握，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能智能化，能夠“一目了然”地展現(xiàn)出現(xiàn)場(chǎng)操作人員需要了解的各項(xiàng)基本信息，簡(jiǎn)單易操作，適用性強(qiáng)。

（3）技術(shù)先進(jìn)性。由于鐵路煤炭運(yùn)輸抑塵鉤檔識(shí)別自動(dòng)噴灑系統(tǒng)功能復(fù)雜且對(duì)自動(dòng)化程度要求高，具有較多的開(kāi)關(guān)量及模擬量，應(yīng)采用可編程控制器(PLC)[4]，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種設(shè)備的智能化控制。結(jié)合車號(hào)系統(tǒng)，對(duì)各種車型進(jìn)行判定識(shí)別，從而控制噴桶進(jìn)行選擇性噴灑作業(yè)；結(jié)合光電開(kāi)關(guān)，進(jìn)行鉤檔位置判定，鉤檔識(shí)別；利用變頻器對(duì)噴灑作業(yè)實(shí)現(xiàn)變速噴灑；采用一鍵操作控制，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)噴灑作業(yè)。

1.2 功能設(shè)計(jì)

鐵路煤炭運(yùn)輸抑塵鉤檔識(shí)別自動(dòng)噴灑系統(tǒng)設(shè)計(jì)立足滿足《鐵路煤炭運(yùn)輸抑塵技術(shù)條件》(TB/T3210.2—2009)，需要具備抑塵劑溶液預(yù)溶配制、自循環(huán)攪拌、鉤檔識(shí)別、車速車號(hào)視頻監(jiān)控、變速噴灑等功能。

（1）抑塵劑溶液預(yù)溶配制功能。由于在噴灑作業(yè)時(shí)，噴出的液體是1% ～ 2%的抑塵劑溶液，而廠家提供的原材料是抑塵劑原液，需要經(jīng)配制后才能使用，但以往的移動(dòng)噴灑裝置攪拌效果不太理想，還需要另外投資建攪拌系統(tǒng)。系統(tǒng)利用獨(dú)有的預(yù)溶分散技術(shù)[5]，加之抑塵液體實(shí)現(xiàn)自身循環(huán)攪拌，實(shí)現(xiàn)了攪拌系統(tǒng)與移動(dòng)噴灑車的二合一，提高了勞動(dòng)效率，降低了成本，避免了作業(yè)人員登高作業(yè)的危險(xiǎn)。

（2）自循環(huán)攪拌功能。在現(xiàn)有的噴灑管路系統(tǒng)中，通過(guò)電動(dòng)三通閥單設(shè)一路管路，直接接入罐中。通過(guò)電動(dòng)三通閥的切換，可由噴灑狀態(tài)換為自循環(huán)狀態(tài)，對(duì)罐中的抑塵劑溶液進(jìn)行循環(huán)攪拌。

（3）鉤檔識(shí)別功能。鉤檔識(shí)別功能的實(shí)現(xiàn)通過(guò)光電傳感器的得失電來(lái)進(jìn)行判定。通過(guò)可編程控制器(PLC)控制系統(tǒng)的延遲處理后，電機(jī)驅(qū)動(dòng)遮擋機(jī)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，遮擋噴灑窗口，在鉤檔處進(jìn)行斷流，從而實(shí)現(xiàn)鉤檔的識(shí)別停噴。

（4）車速車號(hào)視頻監(jiān)控功能。該系統(tǒng)包括車號(hào)主機(jī)[6]、車號(hào)天線、射頻電纜、磁鋼傳感器、工控機(jī)、硬盤錄像機(jī)、攝像頭、噴灑管理系統(tǒng)等。車號(hào)天線掃描到貨車車底的電子標(biāo)簽，反饋到車號(hào)主機(jī)進(jìn)行處理，處理后發(fā)給PLC 控制系統(tǒng)來(lái)判定機(jī)車、敞車、集裝箱車、平板車、老K 車、罐車等車型，從而控制噴灑系統(tǒng)進(jìn)行選擇性噴灑作業(yè)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)作業(yè)過(guò)程，進(jìn)行截取作業(yè)視頻，并傳至工控機(jī)進(jìn)行保存，以備調(diào)取查看使用。

（5）變速噴灑功能。變速噴灑系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)隨車速的變化實(shí)現(xiàn)噴灑量的改變。利用磁鋼傳感器采集到的車速數(shù)據(jù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)噴灑系統(tǒng)的變速噴灑作業(yè)。通過(guò)車速的變化，PLC 控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)潛污泵變頻器的頻率，從而調(diào)節(jié)泵的流量，滿足鐵標(biāo)要求進(jìn)行噴灑作業(yè)，減少了抑塵劑的浪費(fèi)，降低了抑塵成本。

（6）一鍵操作功能。系統(tǒng)可通過(guò)一鍵操作實(shí)現(xiàn)液壓升降機(jī)構(gòu)、攝像頭的升起、旋轉(zhuǎn)、擺動(dòng)，從而根據(jù)作業(yè)站點(diǎn)的不同、作業(yè)車型的不同來(lái)進(jìn)行作業(yè)前的準(zhǔn)備。此外，還可通過(guò)一鍵操作“系統(tǒng)啟動(dòng)”實(shí)現(xiàn)自動(dòng)完成噴灑作業(yè)。

（7）應(yīng)急收回功能。該系統(tǒng)配備的液壓泵站中手動(dòng)液壓泵可使液壓升降柱在斷電、故障情況下進(jìn)行復(fù)位收回。另外，還配備應(yīng)急泵，取用汽車電瓶的電源，可迅速對(duì)升降柱噴灑機(jī)構(gòu)進(jìn)行復(fù)位。

（8）防凍功能。為了保證噴灑作業(yè)在低溫情況下正常運(yùn)行，在寒冷地方作業(yè)的設(shè)備須有防凍功能，整套噴灑系統(tǒng)外部集裝箱進(jìn)行封裝，頂部采用電動(dòng)天窗，噴灑儲(chǔ)液罐采用雙層不銹鋼，中間充裝聚氨酯泡沫進(jìn)行保溫處理，整個(gè)管路系統(tǒng)用伴熱電纜加外纏保溫橡塑棉進(jìn)行保溫處理，以防止冬季凍結(jié)，影響噴灑作業(yè)。

（9）自動(dòng)噴灑功能。與固定式噴灑裝置一樣，自動(dòng)噴灑功能是噴灑裝置的核心功能，也是技術(shù)關(guān)健，如何準(zhǔn)確快速避讓車鉤鉤檔，如何根據(jù)車速調(diào)節(jié)噴灑量，都是噴灑裝置的研究重點(diǎn)。系統(tǒng)采用伺服電機(jī)直接控制噴桶的開(kāi)停，可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確避讓鉤檔。為了方便作業(yè)，設(shè)計(jì)遙控功能，實(shí)現(xiàn)整個(gè)噴灑作業(yè)手動(dòng)、半自動(dòng)、全自動(dòng)噴灑作業(yè)模式。

2 鐵路煤炭運(yùn)輸抑塵鉤檔識(shí)別自動(dòng)噴灑系統(tǒng)裝置

2.1 噴灑裝置

原有的移動(dòng)式噴灑裝置主要包括汽車、貯液罐、液壓升降機(jī)構(gòu)、液壓旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、噴灑機(jī)構(gòu)組成，噴灑原理與擺臂式噴灑裝置一樣，作業(yè)時(shí)汽車與列車平行，噴灑管先升降到合適高度，在車輛上方旋轉(zhuǎn)到與車廂正交的位置，即噴灑位置，此時(shí)啟動(dòng)噴灑泵開(kāi)始噴灑。噴灑方式為垂直噴灑。但這種噴灑裝置在使用時(shí)，因其噴水管安裝架作為懸臂要伸出車載平臺(tái)外側(cè)，整車的重心容易出現(xiàn)偏移，當(dāng)汽車在正常速度內(nèi)行駛時(shí)，一旦遇到地坑或其他危險(xiǎn)情況，可能出現(xiàn)整車傾覆的危險(xiǎn)。而且，由于噴水管的高度比機(jī)車低，在實(shí)際應(yīng)用中，常出現(xiàn)因操作人疏忽而使得噴水管與機(jī)車發(fā)生碰撞的事故，存在一定的安全隱患。此外，該移動(dòng)噴灑裝置的儲(chǔ)液罐不帶配液功能，還需要再投資建設(shè)預(yù)溶攪拌站。

原有的移動(dòng)抑塵設(shè)備，由剪叉式升降機(jī)構(gòu)、橫移小車、噴灑架、儲(chǔ)水罐、汽油發(fā)電機(jī)等構(gòu)成，該車型在鐵路局集團(tuán)公司內(nèi)運(yùn)行多年，部分設(shè)備、汽車?yán)匣?；噴灑作業(yè)功能單一，局限性大；環(huán)保不達(dá)標(biāo)、噴灑作業(yè)不滿足六達(dá)標(biāo)要求等原因，已不能滿足鐵路煤炭運(yùn)輸抑塵日益嚴(yán)格的噴灑作業(yè)要求，急需進(jìn)行升級(jí)換代。

鐵路煤炭運(yùn)輸抑塵鉤檔識(shí)別自動(dòng)噴灑系統(tǒng)的噴灑裝置設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)方案是：采用車載模式，在汽車上分別安裝柴油機(jī)發(fā)電設(shè)備、電控柜、車速車號(hào)監(jiān)控柜、儲(chǔ)液罐、液壓升降機(jī)構(gòu)、噴灑機(jī)構(gòu)、攝像頭、配套使用車號(hào)系統(tǒng)、磁鋼傳感器、預(yù)溶上料機(jī)、應(yīng)急收回泵[7]等。噴嘴進(jìn)行專業(yè)設(shè)計(jì)，數(shù)量布置滿足15 km/h 的噴灑量要求。工作時(shí)，汽車?？吭谲夁叺淖鳂I(yè)平臺(tái)上，接好車號(hào)航插。由一鍵操作控制液壓升降機(jī)構(gòu)將噴桶起升、旋轉(zhuǎn)到適當(dāng)位置，此時(shí)啟動(dòng)液體泵開(kāi)始噴灑，噴灑方式為垂直噴灑。噴灑裝置設(shè)計(jì)采用側(cè)面噴灑方式，噴頭位于車載平臺(tái)兩側(cè)面內(nèi)，當(dāng)噴頭工作時(shí)，整個(gè)車載平臺(tái)的重心偏移量很小，車載平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定，避免了整車傾覆的危險(xiǎn)。升降旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)噴灑作業(yè)可向左或向右進(jìn)行，從而增加了裝置的適應(yīng)能力，提高了工作效率。噴頭為扇形噴頭，噴灑角度準(zhǔn)確，噴灑區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)條形，既保證了噴灑均勻，又便于避讓鉤檔。噴灑筒采用伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，位置精確，反應(yīng)靈敏，無(wú)電磁鐵控制的巨大噪音。

2.2 預(yù)溶上料裝置

在配制噴灑溶液的過(guò)程中，需要對(duì)抑塵劑預(yù)溶上料，在上料時(shí)，由于抑塵劑具有一定粘度，普通加注泵多不能滿足需求，容易堵塞，而且加注效率不高，特殊加注泵(如膠體泵或轉(zhuǎn)子泵)價(jià)格昂貴，成本高，且不適合加注抑塵劑。因而需要研發(fā)抑塵噴灑系統(tǒng)的預(yù)溶上料裝置，以有效解決現(xiàn)有抑塵劑上料裝置的上述缺陷。預(yù)溶上料裝置包括承載裝置1 及承載裝置上裝配的攪拌裝置31、加注泵2、清洗箱4和抑塵劑箱3。承載裝置為具有平板結(jié)構(gòu)的手推車。攪拌裝置用于對(duì)原料進(jìn)行稀釋攪拌。加注泵2 選擇為齒輪泵，一端通過(guò)輸入軟管連通清洗箱和抑塵劑箱，另一端通過(guò)所述輸出軟管6 連通抑塵噴灑設(shè)備的罐體；輸出軟管端部設(shè)置有磁性件，用于與罐體的上料口磁性吸附；輸入軟管包括第一輸入軟管51和第二輸入軟管52，第一輸入軟管51 連通清洗箱，第二輸入軟管52 連通抑塵劑箱。清洗箱用于儲(chǔ)存清洗液。抑塵劑箱用于儲(chǔ)存抑塵劑，抑塵劑箱中安裝有高速攪拌機(jī)，對(duì)抑塵劑進(jìn)行攪拌預(yù)溶。采用齒輪泵向抑塵噴灑設(shè)備加注抑塵劑，不僅能夠滿足特定粘度抑塵劑的上料需要，而且便于在上料后對(duì)齒輪泵和管道進(jìn)行清洗，方便后續(xù)上料，保證上料操作的持續(xù)性。預(yù)溶上料裝置示意圖如圖1 所示。

3 鐵路煤炭運(yùn)輸抑塵鉤檔識(shí)別自動(dòng)噴灑系統(tǒng)工作流程

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

鐵路煤炭運(yùn)輸抑塵鉤檔識(shí)別自動(dòng)噴灑系統(tǒng)主要由PLC 控制系統(tǒng)、車速車號(hào)監(jiān)控系統(tǒng)、一鍵升降系統(tǒng)、噴灑作業(yè)管理系統(tǒng)構(gòu)成。

（1）PLC 控制系統(tǒng)由電氣控制柜、光電開(kāi)關(guān)、伺服控制系統(tǒng)等組成，主要作用是根據(jù)車號(hào)、車速進(jìn)行選擇性噴灑作業(yè)、鉤檔識(shí)別、變速噴灑。光電開(kāi)關(guān)對(duì)車輛鉤檔進(jìn)行檢測(cè)，把高低電平信號(hào)傳遞給PLC 對(duì)噴灑作業(yè)時(shí)間進(jìn)行控制。伺服控制系統(tǒng)由伺服電機(jī)及伺服驅(qū)動(dòng)器組成，作為終端驅(qū)動(dòng)設(shè)備對(duì)噴灑裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，控制噴桶的開(kāi)合，以實(shí)現(xiàn)鉤檔的識(shí)別。

（2）車速車號(hào)監(jiān)控系統(tǒng)由顯示器、攝像頭、硬盤錄像機(jī)、磁鋼及車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)等組成，主要作用是識(shí)別各種車型，傳遞信號(hào)給PLC 控制系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)。磁鋼傳感器測(cè)得車速進(jìn)行變速噴灑，監(jiān)控系統(tǒng)觀察噴灑現(xiàn)場(chǎng)，做好接車準(zhǔn)備；確認(rèn)列車通過(guò)情況、識(shí)別機(jī)車車號(hào)信息等機(jī)車工作狀況，并對(duì)全程實(shí)時(shí)監(jiān)控、錄像。

（3）一鍵升降系統(tǒng)由PLC、液壓升降臂、攝像頭等組成，主要作用是一鍵升降，使其能自動(dòng)達(dá)到噴灑狀態(tài)，提高工作的安全性和便捷性。液壓升降臂上安裝有噴灑裝置，由PLC 程序來(lái)控制噴灑裝置的升降、旋轉(zhuǎn)、擺動(dòng)及攝像頭倒伏平臺(tái)的升降，從而實(shí)現(xiàn)了一鍵升降，一鍵操作。

（4）噴灑作業(yè)管理系統(tǒng)由工控機(jī)、顯示器等組成，主要作用是對(duì)噴灑作業(yè)過(guò)程的車速、車型、車號(hào)、單車噴灑量等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行記錄，并生成電子報(bào)表，以備下載保存。通過(guò)顯示器顯示的抑塵噴灑系統(tǒng)，可方便直觀地看出系統(tǒng)運(yùn)行情況，并通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊相應(yīng)圖標(biāo)，對(duì)噴灑設(shè)備進(jìn)行直接控制。

圖1 預(yù)溶上料裝置示意圖Fig.1 Pre-dissolving feeding device

3.2 工作流程

鐵路煤炭運(yùn)輸抑塵鉤檔識(shí)別噴灑系統(tǒng)的工作核心是可編程控制器(PLC)，其工作流程由主機(jī)控制。主機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)由工控機(jī)、顯示器、通信設(shè)備、PLC、車號(hào)主機(jī)和機(jī)柜組成。工控機(jī)采用高性能處理器和顯卡，運(yùn)行車速車號(hào)監(jiān)測(cè)軟件[8-9]對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、統(tǒng)計(jì)、存儲(chǔ)，配有大容量存儲(chǔ)硬盤，可對(duì)噴灑作業(yè)視頻進(jìn)行截取保存，滿足文件保存時(shí)限要求。鐵路煤炭運(yùn)輸抑塵鉤檔識(shí)別自動(dòng)噴灑系統(tǒng)工作流程如圖2 所示。

圖2 鐵路煤炭運(yùn)輸抑塵鉤檔識(shí)別自動(dòng)噴灑系統(tǒng)工作流程圖Fig.2 Workflow of the automatic identification spraying system for coal dust depression in railway transportation

4 結(jié)束語(yǔ)

鐵路煤炭運(yùn)輸抑塵鉤檔識(shí)別自動(dòng)噴灑系統(tǒng)已在中國(guó)鐵路鄭州局集團(tuán)有限公司管內(nèi)進(jìn)行了長(zhǎng)期有效的運(yùn)用。該系統(tǒng)立足解決鐵路煤炭運(yùn)輸抑塵及噴灑抑塵作業(yè)產(chǎn)生的二次污染的問(wèn)題，根治了原有抑塵設(shè)備的缺陷，減少了道床的污染情況，提高了抑塵作業(yè)的自動(dòng)化程度，保證了抑塵噴灑作業(yè)質(zhì)量，收到了較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。鐵路煤炭運(yùn)輸抑塵鉤檔識(shí)別自動(dòng)噴灑系統(tǒng)可作為移動(dòng)式或簡(jiǎn)易固定式抑塵噴灑設(shè)備進(jìn)行使用，系統(tǒng)全套設(shè)備使用投資較小，作業(yè)方式靈活，無(wú)需建房，是對(duì)現(xiàn)有固定式噴灑裝置的有效補(bǔ)充，是實(shí)現(xiàn)鐵路煤炭運(yùn)輸抑塵全覆蓋不可或缺的噴灑裝置，有助于提升煤炭抑塵噴灑質(zhì)量，提高煤炭抑塵工作效率。