戴乾軍,袁慶運,牛金鵬

(1.蘭州工業(yè)學院電氣工程學院,甘肅蘭州 730050;2.蘭州理工大學能源與動力工程學院,甘肅蘭州 730050;3.甘肅省建設投資(控股)集團有限公司,甘肅蘭州 730050)

0 引言

隨著鐵路車站各種物料運輸量的不斷增加,卸料用的翻車機是物料運輸?shù)淖詈蟓h(huán)節(jié),直接影響著運輸?shù)陌踩c效率。翻車機作為一種高效、低耗翻卸鐵路散料敞車的專用卸車系統(tǒng),主要優(yōu)點有:可加速下落物料,并伴有振動作用,能減少人工清理工作量;翻車過程中通過噴水除塵裝置能實現(xiàn)清潔卸料[1-2]。但該系統(tǒng)的缺點主要為:翻車過程中無論在正翻和回翻的啟動、制動環(huán)節(jié)均保持同一速度,易造成回翻對位不準的問題[3-4],尤其是在空車回位時常有空車翻出軌道的事故發(fā)生,直接影響著系統(tǒng)的運行效率及設備的使用壽命;翻車過程中需要值班員實時值守,系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)不易獲取且人力成本消耗高。針對以上問題,本文設計基于物聯(lián)網(wǎng)+PLC的翻車控制系統(tǒng),可實現(xiàn)翻車過程的精準調速,且具有無線遠程監(jiān)控的功能,測試結果表明該設計方案翻車效果順滑,數(shù)據(jù)透明度高,可靠性高。

1 翻車控制工藝流程

翻車系統(tǒng)結構如圖1所示。系統(tǒng)由重牛推車器、牽車臺、翻車機和位置傳感器等設備組成。

圖1 翻車系統(tǒng)結構圖

翻車控制工藝流程如圖2所示。

圖2 翻車控制工藝流程圖

首先,按下總啟動按鈕時系統(tǒng)運行指示燈點亮,重牛推車器推動敞車駛入翻車區(qū)。由位置傳感器檢測敞車是否到達翻車區(qū)。若未檢測到敞車則循環(huán)檢測,此時聯(lián)鎖信號不能開放。若檢測到敞車到達翻車區(qū)指定位置,則鐵路聯(lián)鎖系統(tǒng)控制信號燈先亮綠燈并閃爍10次后變?yōu)榧t燈,零位繼電器(LWJ)吸起、綠燈信號(LJ)點亮、翻車機信號(FCJ)落下。接著,兩臺翻車電機啟動并低速正翻,同時除塵噴水裝置打開,翻車至30° 時啟動高速正翻。翻車至160° 時回落至低速正翻且啟動振打器。翻車至175° 時正翻結束,翻車電機制動且除塵噴水裝置與振打器均關閉,系統(tǒng)抱閘鎖死。當正翻結束20 s后,進入空車回翻環(huán)節(jié),抱匣裝置松開。為避免空車回翻中出現(xiàn)對位不準的問題,系統(tǒng)通過PID算法實現(xiàn)勻速高速回翻至25° ,此后自動轉為低速模式直至0°以完成精準制動。聯(lián)鎖系統(tǒng)給出空車指示,信號燈亮綠燈且持續(xù)閃爍表明翻車完成。最后,重牛推車器推動敞車駛離翻車區(qū)。若位置傳感器檢測到敞車與翻車區(qū)距離>200 m則再由聯(lián)鎖系統(tǒng)控制翻車信號燈亮紅燈,系統(tǒng)切斷自動模式。

2 翻車控制系統(tǒng)設計

2.1 翻車控制系統(tǒng)硬件設計

翻車控制系統(tǒng)的主控制電路如圖3所示。

圖3 翻車控制系統(tǒng)的主控制電路

系統(tǒng)主電路由三相交流異步電機、斷路器、接觸器、熔斷器、電阻和熱繼電器等構成。電機M1和M2為翻車電機,M3為牽引電機。熱繼電器 FR1～FR3和熔斷器FU1～FU3分別實現(xiàn)對M1～M3的過載與短路保護。電阻R1～R4通過定子繞組串電阻的方式實現(xiàn)電機低速轉動,為翻車系統(tǒng)安全平穩(wěn)啟動和低速制動提供保證。電源總開關QF1和QF2～ QF4分別控制整個主系統(tǒng)、兩個翻車系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)的通/斷,同時可實現(xiàn)過載、短路、欠電壓和過電流保護。KM2和KM6控制兩個翻車電機的低速正轉,KM1和KM5控制兩個翻車電機的高速正轉。KM3和KM7控制兩個翻車電機的低速回翻,KM4和KM8用來控制兩個翻車電機配合PID調節(jié)進行均速回翻。KM9實現(xiàn)重牛推車器對敞車駛入/駛離翻車區(qū)的牽引。

2.2 翻車控制系統(tǒng)程序設計

本文以回翻轉速PID控制為例闡述程序設計過程,結構框圖如圖4所示。其中Vset(t)為速度給定值,e(t)為速度偏差,Vrel(t)為速度實際值。

圖4 回翻轉速PID控制結構框圖

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

(1)

(2)

式(1)～(2)中:V(t)為回翻轉速實際值Vrel(t);V0為回翻轉速電機的初始值;T為采樣時間;Ti為積分時間;Td為微分時間;Kp為比例系數(shù)。PID的初始參數(shù)使用MOV_W指令進行賦值。通過工程經(jīng)驗中常用的試湊獲得本設計最佳參數(shù)分別為:Vset(t)=1 200 r/min,Kp=1、T=30 s、Ti=0.3 s、Td=900 s。

回翻轉速PID控制的核心程序如圖5所示。

圖5 回翻轉速PID控制程序

當滿足自動控制模式時,由SBU_I指令將設定值Vset(k)與速度傳感器檢測變送反饋值AIW16作差,標記偏差e(k)為VW520。再結合式(2)由MUL_I指令實現(xiàn)VW520與Kp(VW504)求積運算,并將此值送入VW524中暫存。再通過DIV_I指令實現(xiàn)比例系數(shù)Kp(VW502)與積分時間Ti(VW512)的整數(shù)除法運算,將值暫存于VW528中。由VW528與偏差VW520作整數(shù)乘法,將積分項的和暫存于VW532。然后由MUL_I指令實現(xiàn)比例系數(shù)此時比例項(VW540)與微分項(VW516)求積的結果暫存于VW536,并將DIV_I指令實現(xiàn)VW536與T(VW508)作商。最后,將VW540與偏差VW520求積作為微分項的總和(VW580)。通過ADD_I指令將比例項總和(VW524)、積分項總和(VW532)、微分項總和(VW580)與速度V0作和賦值給VW552全局數(shù)據(jù)存儲單元。最后通過MOV_W指令將VW552送入AQW32作為PID整定完成的回翻電機轉速實際輸出值。

3 監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)配置與上位機軟件開發(fā)

翻車控制系統(tǒng)由硬件模塊和云平臺組成,主控制器為SIMENS S7-200 SMART PLC。通過速控云(上海)智能科技有限公司的速控云盒子Suk-Box-4G無線網(wǎng)關模塊組建無線控制系統(tǒng),實現(xiàn)了網(wǎng)關數(shù)據(jù)采集、協(xié)議驅動和邊緣計算。上位機為其自帶的云平臺(手機App/電腦網(wǎng)頁)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,設備參數(shù)設置如表1所示。上位機與速控云盒子通過4G網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)交換、速控云盒子與SIMATIC Controller(S7-200 SMART SR40)以Ethernet cable方式進行數(shù)據(jù)傳輸,模擬量擴展模塊與PLC間的通信選擇PROFIBUS[6-7]方式。其中,上位機軟件開發(fā)流程如圖6所示。

表1 翻車監(jiān)控系統(tǒng)設備參數(shù)

圖6 上位機軟件開發(fā)流程

4 翻車控制系統(tǒng)測試

翻車控制系統(tǒng)的主界面如圖7所示。該界面可實現(xiàn)手/自動系統(tǒng)的啟動與狀態(tài)顯示。通過監(jiān)控界面可實現(xiàn)對系統(tǒng)運行的控制,并借助曲線界面分析當前翻車運行的實時數(shù)據(jù),通過云平臺可在線查閱設備運行的當前與歷史數(shù)據(jù),提高了翻車控制系統(tǒng)的自動化程度。

圖7 翻車控制系統(tǒng)的手機監(jiān)控主界面

翻車控制系統(tǒng)的翻車電機的速度曲線如圖8所示。

圖8 翻車機速度曲線

系統(tǒng)在6 s內可實現(xiàn)低速正翻至30°。6～30 s內為高速正翻,由于電機給定功率恒定,隨著正翻角度加大物料實時減輕,速度在900 r/min左右存在波動。30～35 s內卸料基本完成,正翻結束,轉速迅速回落,快速降低為0。35～55 s內屬于過渡區(qū),翻車電機停止運行,系統(tǒng)抱閘鎖死。從55 s開始,系統(tǒng)進行空車回翻,由于PID算法的調控,經(jīng)過2 s的超調后回翻轉速恒定在1 200 r/min。65 s回翻至25°,系統(tǒng)降速回落,至75 s整個回翻過程完成。

5 結論

本文設計的物聯(lián)網(wǎng)+PLC的翻車控制系統(tǒng)提高了原系統(tǒng)回翻對位不準的問題,改善了翻轉精度且融合了物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)了對翻車控制系統(tǒng)的遠程監(jiān)控、工情數(shù)據(jù)管理的能力。測試結果表明,本設計控制性能好、操作維護方便。