周佳亮，高春雷，何國華

(中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

隨著我國對環(huán)境保護力度的不斷強化以及人力成本的提升，養(yǎng)路機械施工隊對很多既有線路，以及對橋梁、隧道、城區(qū)線路進行道床清篩時不能將道床污土拋撒到線路兩側，施工隊必須配備多輛聯(lián)掛編組的物料運輸車，與清篩機配合作業(yè)。物料運輸車可在不間斷地清篩作業(yè)情況下運走廢棄污土，不需要人工二次清理，避免了環(huán)境污染，同時也可以補充新砟，提高清篩作業(yè)的整體效率[1-2]。

目前，物料運輸車已在國內(nèi)外得到了廣泛的運用。奧地利普拉塞公司、瑞士馬蒂薩公司、中國鐵建高新裝備股份有限公司等相繼開發(fā)的不同系列物料運輸車的物料傳輸全部為人工控制。操作人員站在距軌面2.2 m 高處進行監(jiān)測與控制物料傳輸，操作臺空間非常狹小，只靠安全桿遮擋，存在高空墜落的安全隱患。操作人員每天需要面對揚塵等惡劣的施工環(huán)境，雨季、高溫時節(jié)有可能導致操作人員無法作業(yè)，影響到施工生產(chǎn)。另外，人工監(jiān)測物料裝載，標準不一，有可能出現(xiàn)超載、偏載或欠載的情況。因此，有必要開發(fā)一套物料運輸車物料自動化傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)物料運輸車物料狀態(tài)的監(jiān)測與控制，解決操作人員登高作業(yè)的各種弊端，提高物料運輸車利用效率和安全性。

1 總體方案

物料運輸車物料自動化傳輸系統(tǒng)需要滿足3點要求：①系統(tǒng)需要自動監(jiān)測物料運輸車料倉的物料裝載情況，將物料狀態(tài)分為欠載、偏載、滿載、超載；②依據(jù)料倉物料狀態(tài)，控制輸送帶、拋污帶等結構，調整物料狀態(tài)到理想值；③調整異常時人工能介入控制。因此，系統(tǒng)總體方案分物料狀態(tài)監(jiān)測、物料狀態(tài)控制和人機交互3個方面進行設計。

1.1 物料狀態(tài)監(jiān)測

物料運輸車的料倉底部有輸送帶，它將物料從車體的進料端縱向傳輸?shù)匠隽隙?，傳輸物料過程不改變從進料端到出料端垂直于物料傳輸方向的物料橫截面面積。顯然，物料運輸車物料裝載狀態(tài)由進料端物料橫截面面積決定。在固定的料倉寬度下，物料橫截面面積由進料端物料橫斷面高度(以下簡稱物料高度)決定，因此欠載、滿載和超載狀態(tài)可根據(jù)物料運輸車進料端物料高度進行判斷；偏載狀態(tài)可根據(jù)物料高度分布進行判斷。

1.1.1 物料欠載、滿載和超載監(jiān)測

物料運輸車物料滿載狀態(tài)時，物料橫截面的理想輪廓如圖1所示。以物料橫截面的理想輪廓所圍繞的面積為標準，可計算不同物料廓形下欠載量或超載量。

圖1 滿載時物料橫截面理想輪廓

為控制工程成本，在物料運輸車進料端上方布置若干個測距傳感器監(jiān)測物料高度，近似計算物料橫截面面積。假設物料堆積時物料頂部輪廓線水平，當各個測距傳感器下方的物料高度為理想輪廓下的高度時物料滿載，計算的物料橫截面面積為物料理想輪廓所圍繞的面積。由于物料為沙土和碎石的混合物，進料端物料存在物料堆積角，當各個測距傳感器下方的物料高度為理想輪廓下的高度時，每相鄰2個測距傳感器間隙下方的物料橫截面可能存在一個或多個超出理想輪廓線的物料堆積成的三角形，存在超載監(jiān)測誤差。測距傳感器數(shù)量越少，則分布越稀松，相鄰測距傳感器間隙下可能的超載監(jiān)測誤差越大。最大超載監(jiān)測誤差發(fā)生在物料堆積成一個單凸峰三角形時，如圖2所示。圖中:d為測距傳感器間距，γ為物料堆積角，ΔH為物料超高。

圖2 超載時測距傳感器間隙

d越小對超載量的控制精度越高，同時測距傳感器數(shù)量越多投入成本越大。本文規(guī)定超載監(jiān)測精度為5%，若ΔH不超過物料理想輪廓線高度H的5%，則一定滿足規(guī)定的超載監(jiān)測精度。

ΔH與d的幾何關系為

d=2ΔH/tanγ

(1)

由ΔH= 5%H，H=1 847 mm，γ=32°，得到d為300 mm。由于實際落料邊界不會位于拋污帶極限邊緣上，邊緣兩側可不布置測距傳感器，拋污帶寬度w1=1 990 mm，測距傳感器數(shù)量n≥w1/300-2，則用5個測距傳感器將能滿足要求。

同理，當測距傳感器間隙下方物料堆積形狀呈單凹峰時，欠載量最大。規(guī)定欠載監(jiān)測精度為5%，則測距傳感器間距d需滿足

(2)

其中：w為料倉寬度,w=2 800 mm。

將d=300 mm代入式(2)，滿足不等式要求。

1.1.2 物料偏載監(jiān)測

物料橫截面形狀左右對稱分布是物料不出現(xiàn)偏載的前提條件(參見圖1)。顯然，測距傳感器應對稱分布。測距傳感器左右對稱分布離散采集物料高度，當各個測距傳感器下方物料高度為理想輪廓下的高度時，相鄰測距傳感器間隙下方物料堆積形狀可能為凸峰或凹峰2種狀態(tài)。極端情況下一側全部為凸峰，另一側全部為凹峰，出現(xiàn)偏載監(jiān)測誤差。

極端情況下偏載監(jiān)測精度滿足規(guī)定的5%要求，測距傳感器間距d需滿足公式(2)。

將d=300 mm代入式(2)，滿足不等式要求。

1.2 物料狀態(tài)控制

1.2.1 物料欠載、滿載和超載控制

物料欠載、滿載和超載狀態(tài)控制方案如圖3所示。布置5個測距傳感器(編號Ⅰ-Ⅴ，間距300 mm)離散監(jiān)測進料端物料高度，可實現(xiàn)物料欠載、滿載和超載監(jiān)測。測距傳感器Ⅵ在出料端監(jiān)測物料是否到達出料端。Ⅰ-Ⅴ號測距傳感器監(jiān)測到物料欠載時，料倉底部輸送帶停止運動，等待進料端補充物料到滿載。Ⅰ-Ⅴ號測距傳感器監(jiān)測到物料滿載時，控制料倉底部輸送帶向前傳輸物料一段距離，以便騰出進料端空間，防止物料超載。Ⅵ號測距傳感器監(jiān)測到物料到達出料端時，停止料倉底部輸送帶傳輸物料，當前物料運輸車的物料狀態(tài)控制結束，由無線通信設備通知前一節(jié)物料運輸車開始裝載物料并控制物料狀態(tài)。

圖3 物料欠載、滿載和超載狀態(tài)控制方案

1.2.2 物料偏載控制

以300 mm的間距布置5個測距傳感器離散監(jiān)測進料端物料高度，可實現(xiàn)物料偏載監(jiān)測。

物料出現(xiàn)偏載時可采用以下控制方案：①操作員根據(jù)物料運輸車的偏載狀態(tài)，旋轉清篩機拋污帶到欠載側，補充物料;②在清篩機與物料運輸車編組不變的情況下，在清篩機上安裝控制系統(tǒng)，自動調節(jié)拋污帶位置，實現(xiàn)物料偏載控制。

1.3 人機交互設計

采用液晶顯示屏作為人機交互設施。顯示屏可實時顯示每個測距傳感器的數(shù)值及物料狀態(tài)。

2 硬件設計

2.1 硬件結構

系統(tǒng)的主要硬件包含測距傳感器、控制系統(tǒng)、無線通信和顯示屏，見圖4。

圖4 硬件結構

2.2 主要硬件選型和設計

2.2.1 測距傳感器

市場上常用的測量物料高度的測距傳感器按測量方式分為接觸式和非接觸式。常用的接觸式傳感器又分為電容式和重錘式，常用的非接觸式傳感器又分為激光傳感器、放射傳感器、雷達傳感器和超聲波傳感器。

由于測量原理不同，各類傳感器的性能和應用領域存在很大差異。電容式傳感器根據(jù)物料高度與電容的對應關系測量物料高度，要求被測物的介電常數(shù)變化不大。重錘式傳感器是重錘觸碰被測物后，計算重錘往返行程，推算物料高度。要求被測物具有一定的硬度。激光傳感器利用被測物反射激光，計算激光波束往返時間，推算物料高度。雷達傳感器和超聲波傳感器的原理與激光傳感器類似。放射傳感器利用放射信號通過被測物后影響信號強度，根據(jù)信號強度推算物料高度[3-5]。

通過現(xiàn)場調研，物料運輸車露天施工環(huán)境導致溫濕度變化大，影響被測物的介電常數(shù)，使電容式傳感器存在誤差；物料硬度變化大，重錘式傳感器易沖入料層，發(fā)生埋錘斷線的情況；拋撒物料時，塵土很大，激光信號不易穿透塵土，使傳感器失效；雷達傳感器價格高昂，放射傳感器對人體有害。因此，工程運用中超聲波傳感器是最優(yōu)選擇。

2.2.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)為嵌入式系統(tǒng)，由微處理器、數(shù)據(jù)采集電路、輸入輸出電路等組成。

選擇系統(tǒng)的微處理器時首先考慮微處理器的穩(wěn)定性和可靠性；其次考慮微處理器的功能模塊和運算能力；最后考慮微處理器編譯軟件的簡單實用。最終選擇了 Microchip公司生產(chǎn)的dsPIC30F6012芯片[6-7]。

數(shù)據(jù)采集電路設計分為前置通道設計和A/D轉換電路設計。前置通道是指系統(tǒng)中從模擬信號輸入到進行模數(shù)轉換之前的部分，主要完成對輸入信號的耦合、衰減、放大、電平調整等功能，使模擬信號處在有效范圍，以便對不同的外界輸入信號進行準確有效轉換。模數(shù)轉換器是A/D轉換電路的核心器件，它的性能也將很大程度影響采集系統(tǒng)的性能。根據(jù)設計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要技術指標，采用了 MAXIM 公司的 MAX197 芯片。該芯片不僅能很好地滿足數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的技術指標要求，而且具有過壓保護功能。同時,還可以減少芯片使用數(shù)量，減少電路設計的復雜程度[8]。

輸入輸出電路主要用于連接料倉底部輸送帶和拋污帶的開關、電機驅動電路。為使系統(tǒng)不干擾原車各項控制，輸入輸出電路采用了光耦與微處理器隔離，輸出的控制信號接線端與原車信號接線端并聯(lián)后進入原車系統(tǒng)。系統(tǒng)斷電后，即可恢復原車線路。

2.2.3 無線通信

與市場上的藍牙、GPRS,GSM,WiFi相比，ZigBee通信的硬件功耗和成本都低[9-11]。因此選擇ZigBee通信組建無線網(wǎng)絡。

目前，隨著ZigBee標準的日益完善，世界各大知名芯片提供商紛紛推出ZigBee芯片和各自的ZigBee協(xié)議棧。該傳輸系統(tǒng)的無線通信設備采用TI公司的CC2430芯片開發(fā)的集成模塊。該模塊的OSI模型包含了4層結構：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層和應用層。該模塊給用戶提供了應用傳輸接口，方便系統(tǒng)開發(fā)。

系統(tǒng)采用星形網(wǎng)作為ZigBee網(wǎng)絡拓撲結構。星形網(wǎng)是由一個協(xié)調器和多個網(wǎng)絡終端設備組成的網(wǎng)絡。協(xié)調器負責管理整個網(wǎng)絡，其他的網(wǎng)絡設備都只能與協(xié)調器通信。物料運輸車檢修后可能重新聯(lián)掛編組，為保證物料運輸車上設備的一致性和互換性，規(guī)定協(xié)調器位于清篩機上，網(wǎng)絡終端位于物料運輸車上。

3 軟件設計

3.1 軟件結構

圖5 系統(tǒng)軟件結構

系統(tǒng)軟件結構如圖5所示，按功能劃分為3個模塊。顯示界面是人機交互界面，它告知司機末節(jié)物料運輸車的物料橫截面輪廓、超聲波測距傳感器的狀態(tài)和物料運輸狀態(tài)。參數(shù)設置模塊可設置物料運輸車物料傳輸順序，還可對欠載、超載和偏載進行區(qū)間劃分。物料傳輸模塊通過獲取測距傳感器數(shù)據(jù)，與預設物料狀態(tài)進行比較，自動判斷物料狀態(tài)，欠載則等待進料，超載則快速向前傳輸物料，偏載則橫向調整進料位置，實現(xiàn)物料自動化傳輸。

3.2 程序控制方法

欠載和超載程序控制方法如圖6所示，當Ⅰ-Ⅴ號超聲波測距傳感器測量值大于設定值時，物料處于欠載狀態(tài)，系統(tǒng)等待進料；當Ⅰ-Ⅴ號超聲波測距傳感器測量值小于設定值，且Ⅵ號超聲波測距傳感器測量值大于設定值時，物料處于超載狀態(tài)，系統(tǒng)控制輸送帶向前輸送物料。

圖6 欠載和超載程序控制方法

偏載程序控制方法如圖7所示。系統(tǒng)通過Ⅰ-Ⅴ號超聲波測距傳感器的數(shù)據(jù)若判斷出物料處于偏載狀態(tài)，則通過橫向調整拋污帶進料位置，實現(xiàn)均載傳輸。

圖7 偏載程序控制方法

4 試驗

為驗證系統(tǒng)可行性，分別進行了監(jiān)測精度試驗和功能試驗。

4.1 監(jiān)測精度試驗

不同線路道床清篩出的沙土和碎石混合比例不一樣，會影響物料堆積角，對欠載、超載和偏載監(jiān)測精度亦會產(chǎn)生影響。為測試系統(tǒng)對物料狀態(tài)的監(jiān)測精度，在3種沙土與碎石混合比例下進行試驗。試驗結果見表1。可見:沙土和碎石不同混合比例下物料狀態(tài)監(jiān)測精度滿足要求。

表1 物料狀態(tài)監(jiān)測精度試驗結果

4.2 功能試驗

設置6個超聲波測距傳感器(編號Ⅰ-Ⅵ，設定值為30 cm)，緩慢增加物料高度。當Ⅰ-Ⅴ號超聲波測距傳感器測量值小于30 cm，且Ⅵ號超聲波測距傳感器測量值大于30 cm時，系統(tǒng)控制物料向前自動傳輸，否則等待物料堆滿；當Ⅰ-Ⅴ號超聲波測距傳感器測量值不對稱時，系統(tǒng)能顯示物料橫截面輪廓，司機調整清篩機拋污帶進料位置。功能試驗結果見圖8，物料已堆高到接近料倉兩側擋板，物料頂面平坦。

圖8 物料功能試驗結果

5 結語

系統(tǒng)選用了適應現(xiàn)場環(huán)境的傳感器，利用物料堆積特性設計了傳感器組探測物料狀態(tài)，采用無線通信技術實現(xiàn)了數(shù)據(jù)交換，采用嵌入式技術設計了控制系統(tǒng)，最終實現(xiàn)物料運輸車物料狀態(tài)的監(jiān)測與控制，解決了操作人員登高作業(yè)的各種弊端，防止出現(xiàn)欠載、超載和偏載的情況，提高了物料運輸車利用效率和安全性。