武徽

(1.煤炭科學(xué)研究總院 儲(chǔ)裝分院，北京 100013；2.中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 天地科技股份有限公司，北京 100013)

0 引言

鐵路快速定量裝車站在散料卸料過程中，主要涉及裝車站的定量倉(cāng)、定量倉(cāng)閘門、伸縮溜槽和列車車廂等部分。自動(dòng)卸料時(shí)，上述設(shè)備需與火車車廂相互配合，火車保持在方向(X軸)的相對(duì)位移，通過控制溜槽的位置和定量倉(cāng)閘門開閉的時(shí)機(jī)均勻地卸料至車廂內(nèi)，并完成物料的平整,如圖1所示。過程中，定量倉(cāng)中料位的變化和火車的速度可通過定量倉(cāng)稱重傳感器和火車?yán)走_(dá)獲得，但跟蹤動(dòng)態(tài)車廂與溜槽的相對(duì)位置一直是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的“卡脖子”問題[1]，因?yàn)樵诨疖囆旭偡较蛏喜灰装惭b位移傳感器,火車車廂體積較大且構(gòu)件多，配套傳感器不易選擇,火車裝車時(shí)屬于低速動(dòng)態(tài)過程，不能觸碰，須選用非接觸式傳感器為自控系統(tǒng)在線實(shí)時(shí)反饋移動(dòng)情況。

1-緩沖倉(cāng)；2-給料閘門；3-定量倉(cāng)；4-稱重傳感器；5-標(biāo)定砝碼；6-裝車溜槽；7-控制室；8-定量倉(cāng)閘門；9-三級(jí)采樣；10-稱重傳感器；11-車廂；12-測(cè)速傳感器；13-垂直伸縮溜槽；14-定量倉(cāng)閘門；15-定量倉(cāng)。圖1 快速定量裝車站及自動(dòng)卸料設(shè)備組成圖

傳統(tǒng)對(duì)射式傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)量有限，并且在復(fù)雜工況下存在易受干擾等問題。而激光雷達(dá)具有精度高，單側(cè)安裝，易于維護(hù)等特點(diǎn)，并且根據(jù)其特點(diǎn)采用的算法避免了可能出現(xiàn)的問題。根據(jù)上述情況，研究了基于激光雷達(dá)組的動(dòng)態(tài)車廂跟蹤監(jiān)測(cè)技術(shù)及基于該測(cè)量數(shù)據(jù)的PLC自控過程的實(shí)現(xiàn)。

1 激光雷達(dá)組車廂動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)

1.1 激光雷達(dá)組的測(cè)量原理

對(duì)于動(dòng)態(tài)車廂，很難在其行進(jìn)方向測(cè)量位移；因此設(shè)計(jì)了安裝在車廂側(cè)面利用激光雷達(dá)傳感器組對(duì)車廂距離檢測(cè)[2]，轉(zhuǎn)化后得到車輛與溜槽相對(duì)位移的方法，如圖2所示。二維激光雷達(dá)是在一個(gè)平面以雷達(dá)為中心發(fā)出一圈激光束。每個(gè)激光束對(duì)應(yīng)一個(gè)角度，并利用激光回波測(cè)量該點(diǎn)到物體的距離,激光雷達(dá)參數(shù)見表1。

傳感器因裝車站鋼結(jié)構(gòu)遮擋的原因和檢測(cè)的精度需要，與車廂的距離保持在2 m左右，分辨率選用0.5°。以傳感器到車廂垂直距離為中心線，使用的測(cè)量角度一般控制在±60°，共120°的范圍。受到每個(gè)測(cè)量點(diǎn)與車廂角度的影響，測(cè)量精度因角度不同在約從17～70 mm，整體滿足卸料設(shè)備需要。但是單個(gè)雷達(dá)傳感器因與車廂距離較近，無(wú)法測(cè)量足夠的長(zhǎng)度，需要傳感器組配合使用。根據(jù)車廂長(zhǎng)度的需要確定所需要的個(gè)數(shù)，一般為2～3個(gè)。這里主要測(cè)量為C80系列敞車車型，車廂長(zhǎng)度一般在11 m左右，以2個(gè)傳感器為一組進(jìn)行測(cè)量。

在測(cè)量車廂時(shí)，傳感器的安裝水平面不能在同一高度，避免互相影響。以溜槽前唇部為測(cè)量起始點(diǎn)，圖2中是為測(cè)量起始線，也是A的起始角。傳感器在起始角到終止角范圍內(nèi)，每隔0.5°有一個(gè)測(cè)量點(diǎn)。激光雷達(dá)距離車廂位置為H，也是激光雷達(dá)傳感器與車輛最近點(diǎn)，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)與其夾角θ，該點(diǎn)的測(cè)量長(zhǎng)度d≈H/cosθ。設(shè)h=d·cosθ，如果h與H的差值大于某個(gè)閾值，則認(rèn)為其超出了車廂范圍。如傳感器B右側(cè)超過其終止角的區(qū)域?qū)⒉辉儆?jì)算在內(nèi)。傳感器誤差在12 mm左右，閾值設(shè)定一般在25～30 mm。

這樣每個(gè)傳感器測(cè)量的長(zhǎng)度是兩個(gè)邊界點(diǎn)角度正切值加減后與H值的乘積(終止角-起始角>α?xí)r加，<α?xí)r減)，即LA=H·(tanα±tanβ)。具體參數(shù)根據(jù)傳感器安裝位置和現(xiàn)場(chǎng)具體情況獲得。

該方法的優(yōu)勢(shì)在于車廂長(zhǎng)度的測(cè)量，其最大的干擾是車廂連接部分有構(gòu)件或?yàn)⑽飳?duì)空檔誤判，進(jìn)而導(dǎo)致對(duì)車長(zhǎng)誤判。采用單邊加閾值的原理，可有效避開干擾物，提升可靠性。

根據(jù)裝車時(shí)的實(shí)際情況，以圖2為例，車輛由左向右，當(dāng)傳感器A的起始點(diǎn)檢測(cè)到距離在閾值范圍內(nèi)后，則從傳感器A的起始點(diǎn)開始輪詢測(cè)量。以傳感器為中心進(jìn)行逆時(shí)針(左向右)的連續(xù)判斷。當(dāng)前一個(gè)測(cè)量點(diǎn)所得到的h在閾值范圍內(nèi)，則其之后的點(diǎn)才繼續(xù)與閾值進(jìn)行比較判斷。如果h超過閾值，則停止繼續(xù)計(jì)算，前一個(gè)點(diǎn)測(cè)量的范圍就是車廂長(zhǎng)。如果一個(gè)傳感器范圍不夠，則跨過激光雷達(dá)傳感器分界線，傳感器A完成范圍內(nèi)測(cè)量后向B發(fā)出指令，傳感器B按著上述原理繼續(xù)分析，以此方式延續(xù)，直到到達(dá)超出閾值的點(diǎn)。過程中需考慮傳感器邊界測(cè)量線的設(shè)置，使傳感器測(cè)量光束互不越界。

實(shí)際應(yīng)用中采用霧矯正技術(shù)，系統(tǒng)20 ms掃描，多次測(cè)量計(jì)算后取值，0.5 s為取值周期。通過測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)的變化實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量。圖2通過溜槽的車長(zhǎng)為L(zhǎng)=LA+LB。系統(tǒng)設(shè)備的自動(dòng)控制則根據(jù)L作為自變量最終實(shí)現(xiàn)作業(yè)。

1.2 測(cè)量數(shù)據(jù)的處理

裝車過程屬于半露天環(huán)境，在非接觸式測(cè)量方法下，測(cè)量數(shù)據(jù)易受干擾，如裝車過程中隨機(jī)灑落的物料，環(huán)境因素等情況。為避免數(shù)據(jù)發(fā)生擾動(dòng)造成設(shè)備的誤動(dòng)作，在獲取一組完整數(shù)據(jù)后，進(jìn)行運(yùn)算或自控之前，采用了以下辦法。

1)平均值濾波。把激光雷達(dá)傳感器測(cè)量得到的連續(xù)取得的n次回波測(cè)量的h采樣值組成集合，去掉1個(gè)最大值，去掉1個(gè)最小值，計(jì)算剩余測(cè)量數(shù)的平均值，平均值作為這個(gè)測(cè)量周期的最終返回值。

2)與速度傳感器配合使用。對(duì)裝車過程配備的火車?yán)走_(dá)所測(cè)得的速度進(jìn)行積分，則可以計(jì)算出積分時(shí)間內(nèi)的變化位移。因精度問題，火車?yán)走_(dá)測(cè)速轉(zhuǎn)化的長(zhǎng)度無(wú)法直接作為自動(dòng)控制用參數(shù)，但是可以利用該位移與激光雷達(dá)傳感器所測(cè)的位移變化進(jìn)行比對(duì)，確保激光雷達(dá)組位移在合理范圍給出測(cè)量值。

3)與敞車數(shù)據(jù)庫(kù)配合使用。鐵路各類敞車車廂的輪廓尺寸具有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)建立數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。對(duì)當(dāng)前卸料中的車輛測(cè)量值與調(diào)取數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)確認(rèn)，確保車輛的測(cè)量值不超過邊界值。

1.3 實(shí)際測(cè)量情況

圖3中的數(shù)據(jù)是在內(nèi)蒙古鄂爾多斯李家塔煤礦鐵路快速定量裝車站對(duì)裝車中的C80車型的實(shí)際測(cè)量記錄情況。在車輛進(jìn)入溜槽初期，以傳感器A測(cè)量值為主，到達(dá)測(cè)量分界線之后，A的測(cè)量不再變化，測(cè)量以B為主，兩者之和仍然隨著B測(cè)量值的變化而變化。

2 基于測(cè)量數(shù)據(jù)的自動(dòng)機(jī)模型的設(shè)計(jì)

裝車卸料過程作為混雜系統(tǒng)，其控制屬于有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)[3-4]，初始狀態(tài)唯一。有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)是具有離散輸入和輸出系統(tǒng)的一種五元組的數(shù)學(xué)模型(1)。Q為狀態(tài)的非空有窮集合；?q∈Q，q稱為M的一個(gè)狀態(tài)；Σ為輸入字母表；δ:Q×Σ→Q,δ(q,a)=p；M在狀態(tài)q讀入字符a,將狀態(tài)變成p，并將讀頭指向輸入字符串的下一個(gè)字符；q0為初始狀態(tài)；F為終止?fàn)顟B(tài)集合。

圖3 裝車車輛長(zhǎng)度動(dòng)態(tài)實(shí)際跟蹤數(shù)據(jù)

M=(Q,Σ,δ,q0,F)

(1)

整個(gè)控制過程根據(jù)第1部分得到的車輛與溜槽相對(duì)位移以及定量倉(cāng)中的值作為依據(jù)，以速度作為邊界條件，實(shí)現(xiàn)4個(gè)部分的狀態(tài)轉(zhuǎn)移。分別是裝車過程的判斷，車速的狀態(tài)，定量倉(cāng)的狀態(tài)和伸縮溜槽的狀態(tài)。4個(gè)狀態(tài)并行，意味著4個(gè)自動(dòng)機(jī)模型可同時(shí)進(jìn)行，但其中的參數(shù)又互相影響。卸料過程首先各自動(dòng)機(jī)處于啟動(dòng)狀態(tài)q0，當(dāng)傳感器信號(hào)超過閾值或者其他自動(dòng)機(jī)狀態(tài)改變時(shí)，將形成對(duì)系統(tǒng)的輸入字符，并形成字母表Σ，進(jìn)一步觸發(fā)轉(zhuǎn)移函數(shù)δ，轉(zhuǎn)移至下一狀態(tài)p。當(dāng)整個(gè)卸料過程完成后，所以自動(dòng)機(jī)回歸終止?fàn)顟B(tài)F。

在Matlab中Stateflow編輯器繪制狀態(tài)機(jī)所需的流程圖的圖形對(duì)象，并通過測(cè)量長(zhǎng)度變化形成轉(zhuǎn)移和結(jié)點(diǎn)，構(gòu)建狀態(tài)機(jī)[5-6]，利用真值表創(chuàng)建函數(shù)，并實(shí)現(xiàn)自變量數(shù)據(jù)的調(diào)取，相關(guān)函數(shù)的變化將實(shí)現(xiàn)仿真和控制過程。圖4中分別顯示了系統(tǒng)的當(dāng)前車輛卸料狀態(tài)的啟動(dòng)和停止，定量倉(cāng)閘門的開閉狀態(tài)，伸縮溜槽的伸長(zhǎng)、縮短和停止?fàn)顟B(tài)，以及火車車速在正常、超速、低速3個(gè)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。

圖4 卸料自動(dòng)控制有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)模型

1)卸料狀態(tài)。通過系統(tǒng)狀態(tài)判斷當(dāng)前車廂卸料過程的開始和停止。當(dāng)系統(tǒng)處于自動(dòng)化狀態(tài)時(shí)，判斷該車廂開始卸料流程，開始跟蹤位移，定量倉(cāng)料位等參數(shù)，并控制定量倉(cāng)閘門和垂直伸縮溜槽；當(dāng)系統(tǒng)停止時(shí)，判斷該車廂開始卸料流程結(jié)束，準(zhǔn)備開始下一節(jié)車廂的卸料。

2)車輛速度狀態(tài)。設(shè)計(jì)車速0.22～0.28 m/s為合理區(qū)間。初始狀態(tài)q0為0 m/s，屬于低速狀態(tài)。當(dāng)速度在合理區(qū)間時(shí)，狀態(tài)轉(zhuǎn)為正常狀態(tài)。當(dāng)速度離開合理區(qū)間時(shí)，狀態(tài)在超速或低速狀態(tài)中轉(zhuǎn)換。最終的狀態(tài)F為低速狀態(tài)0 m/s。

3)定量倉(cāng)卸料閘門。在列車運(yùn)行到合適位置時(shí)，在完成物料稱量和系統(tǒng)允許條件下開啟，待定量倉(cāng)中物料卸光時(shí)，定量倉(cāng)閘門關(guān)閉。

4)垂直伸縮溜槽。根據(jù)卸料工藝，車廂進(jìn)入溜槽卸料范圍內(nèi)后開始時(shí)從停止?fàn)顟B(tài)進(jìn)行伸長(zhǎng)下探入車廂后達(dá)到預(yù)定長(zhǎng)度后停止至物料上方，溜槽往車廂堆料同時(shí)進(jìn)行物料平整。在車廂通過溜槽區(qū)域接近完成前為防止碰撞車廂，由停止?fàn)顟B(tài)變?yōu)榭s回狀態(tài)，待縮回動(dòng)作到位后恢復(fù)停止?fàn)顟B(tài)。

完成狀態(tài)機(jī)構(gòu)建后，利用Simulink子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)仿真和控制過程[7]。圖5即為在Simulink中實(shí)現(xiàn)了Stateflow開發(fā)的控制模塊與其他子系統(tǒng)融合下的仿真環(huán)境。其中Control_Logic部分即為圖4的封裝。根據(jù)自動(dòng)機(jī)的需求，將所需信號(hào)以引腳的模式接入。

圖6仿真結(jié)果呈現(xiàn)了一輛C80型車(車廂長(zhǎng)約11 m，標(biāo)載80 t)在45 s卸料過程中的速度變化、位移變化、溜槽的伸縮情況和定量倉(cāng)閘門的開閉情況。設(shè)定列車處于合適速度區(qū)間行駛，一節(jié)車廂卸料的完整流程為其車長(zhǎng)所經(jīng)歷的卸料過程，其中定量倉(cāng)閘門開啟后，定量倉(cāng)中80 t的物料在15 s內(nèi)卸至溜槽和車廂中，伸縮溜槽分別在卸料初期和接近完成時(shí)，進(jìn)行了伸長(zhǎng)和縮短，在達(dá)到預(yù)定長(zhǎng)度后停止動(dòng)作，定量倉(cāng)閘門在定量倉(cāng)中物料清空后關(guān)閉。存留在溜槽中的物料繼續(xù)逐步置于車廂中并完成平整。仿真結(jié)果符合預(yù)期要求。

圖5 Matlab環(huán)境下基于Stateflow的仿真設(shè)計(jì)

圖6 Matlab環(huán)境下基于Stateflow的仿真結(jié)果

3 控制程序的實(shí)現(xiàn)

Stateflow編輯器的 PLC Coder功能可為PLC設(shè)備生成 IEC 61131結(jié)構(gòu)化語(yǔ)句[8]，支持主流PLC系統(tǒng)，包括AB、西門子、通用等。以AB PLC所使用的Logix 5000為例。在確認(rèn)模型后，可以生成Logix 5000可讀取的編碼類型文件.L5X[9]。導(dǎo)入到工程所需Logix 5000文件后，即可形成模型塊，無(wú)需編寫代碼。圖7中的功能塊Control_Logic即為Stateflow中的邏輯塊，PLC程序直接生成。其在這里作為已經(jīng)驗(yàn)證過的功能塊，以引腳的形式將系統(tǒng)中各傳感器的信號(hào)接入，即可投入使用。

圖7 PLC自動(dòng)代碼生成

在具體實(shí)施過程中，激光雷達(dá)組的信號(hào)在處理完畢后是通過OPC通信的模式與Matlab和PLC系統(tǒng)進(jìn)行交互的。為了使激光雷達(dá)組測(cè)量的信號(hào)能夠接入到PLC系統(tǒng)，開發(fā)了“激光雷達(dá)鐵路裝車動(dòng)態(tài)跟蹤系統(tǒng)”，如圖8所示。一方面該系統(tǒng)通過設(shè)置參數(shù)連接各個(gè)雷達(dá)的地址，查詢連接狀態(tài)，回調(diào)信息，處理數(shù)據(jù)，在線實(shí)時(shí)對(duì)裝車過程中進(jìn)入裝車區(qū)域車輛的長(zhǎng)度和速度進(jìn)行測(cè)量，將車廂與溜槽相對(duì)位移的情況以動(dòng)畫的形式直觀的展現(xiàn)出來；另一方面將激光雷達(dá)組的信號(hào)處理后，按照自動(dòng)卸料控制的需要與裝車系統(tǒng)通過OPC的方式進(jìn)行對(duì)接，形成PLC中與車輛測(cè)量數(shù)據(jù)的同步，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化控制過程。同時(shí)，裝車站內(nèi)卸料設(shè)備的工作狀態(tài)也通過OPC連接直觀地顯示在軟件的界面上。

圖8 激光雷達(dá)鐵路裝車動(dòng)態(tài)跟蹤系統(tǒng)

4 結(jié)論

研究采用激光雷達(dá)組測(cè)量的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)裝車過程動(dòng)態(tài)車輛與溜槽相對(duì)位移的測(cè)量?；谠摲椒ㄋ鶞y(cè)量的連續(xù)數(shù)據(jù)，通過Matlab/Stateflow建立了裝車卸料的控制模型進(jìn)行仿真，利用基于IEC 6113標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了代碼轉(zhuǎn)換工具實(shí)現(xiàn)控制模塊的生成，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)卸料過程。該方法在內(nèi)蒙古自治區(qū)李家塔煤礦通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，準(zhǔn)確有效。