周旭東 梁瀟

摘 ?要：冬天火車運(yùn)輸?shù)V砂、煤炭等散裝物料時，存在凍結(jié)的現(xiàn)象。判斷礦砂解凍程度就成了卸貨的關(guān)鍵，目前采用人工探桿穿插探查，這種探測方法存在工作效率低、準(zhǔn)確率不高、勞動強(qiáng)度大等缺點(diǎn)。為此，文章開發(fā)了一套自動檢測分析系統(tǒng)，用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制機(jī)械探桿按照設(shè)定好的程序刺探礦砂采集礦砂凍結(jié)數(shù)據(jù)，再用計(jì)算機(jī)分析系統(tǒng)將采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最后用數(shù)據(jù)視圖將車輛中礦砂的凍結(jié)情況展示出來，從而判斷車輛是否達(dá)到卸貨標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：礦砂解凍;探桿;絲杠傳動;PLC;數(shù)據(jù)視圖

中圖分類號：TP311 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2021）13-0151-04

Design and Implementation of Automatic Ore Thawing Detection and Analysis System

ZHOU Xudong， LIANG Xiao

（Xinjiang Railway Vocational and Technical College， Urumqi ?830011， China）

Abstract： There is a phenomenon of freezing when transporting bulk materials such as ore and coal by train in winter. Judging the thawing degree of ore has become the key to unloading. At present， manual probe rods are used for interpenetrating exploration. This detection method has some disadvantages， such as low efficiency， low accuracy， high labor intensity and so on. Therefore， this paper has developed a set of automatic detection and analysis system， which uses the computer control system to control the mechanical probe rod to probe the ore according to the set program， collect the ore freezing data， then use the computer analysis system to analyze the collected data， and finally display the ore freezing situation in the vehicle with the data view， so as to judge whether the vehicle meets the unloading standard.

Keywords： ore thawing; probe rod; lead screw drive; PLC; data view

0 ?引 ?言

在一些鋼鐵冶金、煤電企業(yè)都存在煤炭、礦砂等散裝物料運(yùn)輸?shù)膯栴}，為了防止粉塵污染，一般在裝車的時候首要在散裝物料上噴撒一些水，在北方的冬天就存在散裝物料用火車運(yùn)輸?shù)倪^程中存在凍結(jié)的現(xiàn)象，當(dāng)貨物運(yùn)送到目的地卸車時就存在卸不下或卸不凈的問題，解決的辦法就是要把火車車輛拉運(yùn)到解凍庫里解凍，根據(jù)貨物的解凍情況再決定是否將車輛拉出去卸貨。本項(xiàng)目研究的就是一款自動探測車輛中散裝物料解凍情況測量分析系統(tǒng)。通過本系統(tǒng)可以增加測量精度，提高效率，降低成本。

1 ?開發(fā)背景

在北方，冬天火車車輛裝運(yùn)礦砂、煤炭等工業(yè)砂料時，工業(yè)砂料就會出現(xiàn)凍結(jié)的情況。到達(dá)目的地后，需將砂料解凍后進(jìn)行卸料。常規(guī)方法是將車輛拉到解凍庫，停滯幾小時甚至幾十小時后才能將車輛拉出去卸貨，在解凍過程中必須測定車輛內(nèi)砂料的解凍程度后，才能確定車輛拉出去卸料的時間，而這一過程往往通過人工用探桿穿插來完成的，這種探測方法存在工作效率低、準(zhǔn)確率不高、勞動強(qiáng)度大等缺點(diǎn)，因此經(jīng)常會出現(xiàn)因解凍不徹底造成的卸貨不干凈，或者因探測不準(zhǔn)確而導(dǎo)致的解凍時間過長，延長了車間停放車輛的時間，降低了卸車效率，降低運(yùn)輸效率，增加生產(chǎn)成本。自動砂料解凍檢測分析系統(tǒng)可以精確測量砂料的解凍情況和結(jié)凍情況提高生產(chǎn)效率，降低勞動強(qiáng)度，提高經(jīng)濟(jì)效益。

2 ?系統(tǒng)介紹

2.1 ?系統(tǒng)組成

自動砂料解凍檢測系統(tǒng)是由檢測控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，檢測控制系統(tǒng)又分為軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)是由控制檢測分析模塊的計(jì)算機(jī)軟件組成。硬件系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、PLC、變頻器、傳感器組成，硬件系統(tǒng)在執(zhí)行機(jī)構(gòu)上安裝了多個限位傳感器、超聲波位置傳感器，作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)各部件位置信號的檢測元件。

經(jīng)過前期測試驗(yàn)證確定，機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由一個四柱龍門架、X軸方向絲杠傳動部分、Y軸方向絲桿傳動部分、Z軸方向絲杠傳動探桿部分、三個三相異步電動機(jī)組成。三個三相異步電動機(jī)固定在龍門支架上，其操縱軌跡分為X軸、Y軸和Z軸，X軸電機(jī)和Y軸電機(jī)分別裝有一個超聲波傳感器和兩個限位傳感器，負(fù)責(zé)控制探桿裝置的水平位移，Z軸電機(jī)同樣裝有一個超聲波傳感器和兩個限位傳感器，負(fù)責(zé)控制探桿裝置的下降距離。Z軸探桿裝置示意圖如圖1所示。

2.2 ?系統(tǒng)動作過程

計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)運(yùn)行控制和測試分析軟件系統(tǒng)，它通過電纜與PLC連接，PLC作為下位機(jī)除接收計(jì)算機(jī)下發(fā)控制指令，同時還向計(jì)算機(jī)發(fā)送采集到的傳感器信號和探桿電機(jī)電流數(shù)據(jù)，PLC分別控制三臺變頻器，每個變頻器連接一臺三相異步電動機(jī)，每一臺電動機(jī)又分別驅(qū)動X、Y、Z軸方向的絲杠系統(tǒng)運(yùn)動，從而控制探桿探測車輛中的礦砂。探桿傳感器測量探桿滑塊的位移，并把位移數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過該數(shù)據(jù)判斷礦砂的解凍情況。

2.3 ?軟件的基本組成

軟件系統(tǒng)為Windows系統(tǒng)應(yīng)用安裝程序，與可編程序控制器PLC進(jìn)行串口通信，操作界面上設(shè)置初始化按鈕、急停按鈕、開始檢測按鈕、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)顯示、設(shè)備故障報警、探測物料選擇、探測密度設(shè)置、車輛各縱斷面凍結(jié)曲線顯示、車輛各水平面凍結(jié)范圍顯示、車輛俯視凍結(jié)情況顯示（不同用顏色顯示凍結(jié)情況）、解凍率顯示等界面。

3 ?系統(tǒng)工作過程

當(dāng)車輛在解凍車間里解凍一段時間后，解凍檢測分析系統(tǒng)開始工作，在操作人員發(fā)出開始檢測指令后，軟件系統(tǒng)會進(jìn)行初始化，控制X軸，Y軸電機(jī)，將探桿裝置移動到坐標(biāo)原點(diǎn)處。此時，操作人員在軟件界面上選擇檢測物料，系統(tǒng)將根據(jù)不同的物料設(shè)定探桿電機(jī)的電流值，該電流值與凍結(jié)的物料層的硬度成正比，具體電流值根據(jù)不同物料凍結(jié)的程度來測定，操作人員隨后設(shè)定檢測密度，系統(tǒng)將根據(jù)車輛水平面積的大小計(jì)算出需要探測的點(diǎn)數(shù)和每個點(diǎn)的坐標(biāo)，然后，操作人員點(diǎn)擊開始檢測按鈕，X、Y軸絲杠傳動系統(tǒng)將探桿移動到系統(tǒng)計(jì)算好的位置，Z軸電機(jī)正轉(zhuǎn)，Z軸絲杠系統(tǒng)帶動探桿向下移動，探桿插入礦砂后，如果Z軸電機(jī)電流達(dá)到設(shè)定值時，電機(jī)停止，探桿位置傳感器將測量數(shù)據(jù)經(jīng)PLC發(fā)送到計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)記錄后，計(jì)算機(jī)向PLC發(fā)出指令控制Z軸電機(jī)反轉(zhuǎn)，探桿上升，探桿上升到Z軸上限位傳感器時電機(jī)停止，X、Y軸絲杠傳動系統(tǒng)控制探桿移動到下一個探測點(diǎn)，探桿再次下探。當(dāng)所有的探測點(diǎn)都探測完畢后，系統(tǒng)軟件將所有的探桿位移數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分別繪制出車輛所有被測縱斷面凍結(jié)曲線圖、水平斷面凍結(jié)范圍圖、車輛俯視凍結(jié)分布圖、計(jì)算出整個車輛的解凍率。圖和數(shù)據(jù)都在計(jì)算機(jī)界面上顯示出來。

4 ?軟件設(shè)計(jì)

4.1 ?開發(fā)環(huán)境

本軟件采用4種編程語言跨線程交互設(shè)計(jì)，主程序采用C/C++語言，圖形界面采用JavaScript語言，數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)采用SQL server語言。

4.2 ?軟件界面

4.2.1 ?登錄界面

登錄界面的設(shè)計(jì)是出于設(shè)備安全性考慮，只有工作人員擁有賬號和密碼，才可以登錄到軟件主界面操作設(shè)備，否則，非工作人員無法啟動軟件，進(jìn)而操作設(shè)備。登錄界面如圖2所示。

4.2.2 ?主界面

當(dāng)工作人員登錄賬號進(jìn)入軟件主界面，便可以通過設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)操作設(shè)備。主界面主要分為以下幾個部分：

（1）信息管理界面。信息管理界面由賬號管理、數(shù)據(jù)管理和幫助信息3個部分組成，信息管理界面如圖3所示。

賬號管理是對舊賬號的用戶名和密碼進(jìn)行修改以及對新賬號的添加等信息進(jìn)行設(shè)置。

數(shù)據(jù)管理是用來對自動砂料解凍檢測系統(tǒng)采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行備份和導(dǎo)出，例如：車輛編號、檢測物料、檢測密度、解凍率等數(shù)據(jù)。

（2）操作界面。操作界面是由初始化設(shè)置界面、電機(jī)控制界面和主控制界面組成。操作界面如圖4所示。

初始化設(shè)置界面包括車輛編號、是否就位、檢測物料、檢測密度等參數(shù)設(shè)置。

“車輛編號”為工作人員手動輸入項(xiàng)，當(dāng)本節(jié)車輛進(jìn)入待測區(qū)域就位，工作人員觀測完畢，輸入車輛編號，注意此項(xiàng)為必輸入項(xiàng)，若此項(xiàng)為空，則主啟動按鈕無效。

“是否就位”為系統(tǒng)自動檢測項(xiàng)，檢測區(qū)域上方有兩個紅外傳感器，分別檢測車輛首尾是否進(jìn)入待檢區(qū)域，如果車輛首尾均進(jìn)入待檢區(qū)域，“是否就位”指示燈則顯示為綠色;如果車輛首尾均未進(jìn)入待檢區(qū)域，“是否就位”指示燈則顯示為紅色;如果車輛首尾有一側(cè)未進(jìn)入待檢區(qū)域，“是否就位”指示燈則顯示為黃色。"是否就位"為必檢測項(xiàng)，僅為綠色顯示時主啟動按鈕有效，其他顯示情況無效。

“檢測物料”為選擇項(xiàng)，在軟件中為下拉菜單形式，工作人員根據(jù)實(shí)際情況選擇渣料種類，如粉煤、塊煤、焦煤、鐵礦砂等，“檢測物料”為必選擇項(xiàng)，若工作人員未做選擇，則主啟動按鈕無效。

“檢測密度”為工作人員手動輸入項(xiàng)，在輸入框內(nèi)輸入車輛俯平面采樣點(diǎn)數(shù)，根據(jù)車輛的長度和寬度，軟件內(nèi)部將按照輸入的采樣點(diǎn)計(jì)算出每個采樣點(diǎn)的XY平面坐標(biāo)，電機(jī)1和電機(jī)2根據(jù)平面坐標(biāo)的數(shù)值進(jìn)行轉(zhuǎn)動，將探桿移動至各個采樣點(diǎn)處。“檢測密度”為必輸入項(xiàng)，若此項(xiàng)為空，則主啟動按鈕無效。

電機(jī)控制界面用于顯示電機(jī)1、電機(jī)2、電機(jī)3的單機(jī)的實(shí)時坐標(biāo)、運(yùn)行狀態(tài)和故障報警。

“實(shí)時坐標(biāo)”通過設(shè)置在X軸、Y軸和Z軸的3個超聲波傳感器的反饋數(shù)據(jù)，進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換顯示在操作界面上，單位精確到cm，該項(xiàng)數(shù)值反映出當(dāng)前電機(jī)1、電機(jī)2的實(shí)時位置，以及電機(jī)3所傳動的探桿下降深度。

“運(yùn)行狀態(tài)”用來顯示電機(jī)1、電機(jī)2和電機(jī)3的啟停狀態(tài)，若該電機(jī)處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，則對應(yīng)指示燈常亮，若該電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)，則對應(yīng)指示燈常滅。

“故障報警”用來顯示電機(jī)1、電機(jī)2和電機(jī)3的故障狀態(tài)，若該電機(jī)處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，則對應(yīng)指示燈顯示綠色，若該電機(jī)因過載等原因出現(xiàn)故障，則對應(yīng)指示燈顯示紅色。

主控制界面包括主啟動和主停止兩個按鈕。主控制界面擁有系統(tǒng)的最高權(quán)限，若初始化設(shè)置界面中的必輸入項(xiàng)中有任意一項(xiàng)為空，則主啟動按鈕處于無效狀態(tài);主停止按鈕一旦按下，設(shè)備無條件停止工作。

（3）顯示界面。顯示界面是砂料凍結(jié)狀態(tài)的數(shù)據(jù)圖形化表現(xiàn)形式，由縱斷面曲線、凍結(jié)范圍圖和凍結(jié)分布圖三個部分組成。

根據(jù)初始化設(shè)置界面中"檢測密度"的數(shù)值，縱斷面曲線以每個車輛長度的采樣點(diǎn)為一組，將每一縱斷面采樣點(diǎn)的深度，以數(shù)值的形式導(dǎo)入笛卡爾坐標(biāo)系，用曲線顯示每一縱斷面的凍結(jié)狀態(tài)，X軸為采樣點(diǎn)的位置，Y軸為采樣點(diǎn)的深度?？v斷面曲線有可選擇項(xiàng)，每一項(xiàng)代表某一個縱斷面，項(xiàng)數(shù)等于縱斷面?zhèn)€數(shù)，工作人員可根據(jù)下拉菜單的選項(xiàng)，查看每一個縱斷面的凍結(jié)狀態(tài)。

凍結(jié)范圍圖是通過探桿上的超聲波傳感器采集的數(shù)值，以采樣點(diǎn)為個體，反映砂料的凍結(jié)情況。根據(jù)軟件算法，系統(tǒng)會自動處理“檢測密度”的數(shù)值，將采樣點(diǎn)以矩陣的形式分配到車輛水平面上，將同一個水平面上多個探測點(diǎn)連接起來，形成該水平面上的凍結(jié)范圍，通過調(diào)取不同水平層面的凍結(jié)范圍圖，就可以了解不同深度的凍結(jié)范圍情況。

凍結(jié)分布圖是通過算法將凍結(jié)范圍圖進(jìn)行微分處理，以顏色漸變的形式展現(xiàn)出來。凍結(jié)分布圖可以更直觀地展現(xiàn)當(dāng)前車輛砂料的凍結(jié)狀態(tài)，同時根據(jù)凍結(jié)分布圖的數(shù)值，計(jì)算出解凍率，顯示在分布圖區(qū)域。如果解凍率大于90%，系統(tǒng)彈出提示框“x號車輛已解凍，可卸料！”;如果解凍率小于90%，系統(tǒng)彈出提示框“x號車輛未解凍！”。凍結(jié)分布圖顯示界面如5圖所示。

（4）數(shù)據(jù)庫搭建。本系統(tǒng)有兩個數(shù)據(jù)庫，一個是登錄數(shù)據(jù)庫，一個是信號采集數(shù)據(jù)庫。

登錄數(shù)據(jù)庫內(nèi)容包括姓名、工號、密碼、工種、部門、手機(jī)號等工作人員信息。工作人員可根據(jù)主界面的菜單欄中“數(shù)據(jù)管理”，進(jìn)行更改信息。注意，最高權(quán)限admin賬號和密碼，無法通過主界面進(jìn)行修改，同時該數(shù)據(jù)庫無法通過主界面導(dǎo)出。

信號采集數(shù)據(jù)庫內(nèi)容包括車輛編號、檢測密度、檢測物料、電機(jī)1實(shí)時坐標(biāo)、電機(jī)2實(shí)時坐標(biāo)、電機(jī)3實(shí)時坐標(biāo)、運(yùn)行時間、故障時間、解凍率等現(xiàn)場信號采集數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)庫可以通過主界面的菜單欄中“數(shù)據(jù)管理”進(jìn)行導(dǎo)出。

5 ?結(jié) ?論

本項(xiàng)目來源于企業(yè)實(shí)際需求，并經(jīng)過企業(yè)的專家論證、機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)測試、軟件系統(tǒng)的研發(fā)等前期的準(zhǔn)備工作，在研究過程中獲得了企業(yè)的大力支持，本項(xiàng)目解決了機(jī)械探桿的機(jī)械傳動與檢測、計(jì)算機(jī)對機(jī)械系統(tǒng)的控制與檢測、計(jì)算機(jī)對數(shù)據(jù)分析與展示、車輛探測位置與解凍情況計(jì)算等問題。該項(xiàng)目的投入使用，將有效解決企業(yè)冬天卸貨時存在的礦砂解凍檢測分析的問題，將大大提高砂料解凍檢測的準(zhǔn)確率，提高貨物卸車效率，降低勞動強(qiáng)度，提高經(jīng)濟(jì)效益。

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作者簡介：周旭東（1968.01—），男，漢族，重慶人，實(shí)驗(yàn)師，本科，研究方向：電氣自動控制;梁瀟（1987.07—），男，漢族，新疆烏魯木齊人，講師，本科，研究方向：電氣自動化控制。