劉子寬

（中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司電子計算技術(shù)研究所，北京 100081）

在鐵路運輸行業(yè)快速發(fā)展的背景下，相關(guān)行業(yè)對鐵路裝車自動化系統(tǒng)的要求越來越高。由于鐵路裝車自動化系統(tǒng)尚處于應(yīng)用的初級階段，不僅系統(tǒng)本身還有一部分問題尚未解決，而且系統(tǒng)多數(shù)環(huán)節(jié)的完整性也有待優(yōu)化。目前，雖然鐵路裝車自動化系統(tǒng)還有待優(yōu)化，但是已有部分單位已在使用該系統(tǒng)，無疑加大了操作人員的工作難度。有些系統(tǒng)甚至尚未通過實驗測試就已投入運行，同樣會制約鐵路裝車自動化系統(tǒng)的發(fā)展，與當前的市場主流不符。因此，本文基于可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）鐵路裝車自動化控制系統(tǒng)設(shè)計思路的構(gòu)建，對相關(guān)行業(yè)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

1 PLC系統(tǒng)概況

隨著當今社會對運輸要求的不斷提升，該行業(yè)對自身科技自動化的要求有了明顯提高。如今，鐵路裝車自動化系統(tǒng)在微電子、計算機等高科技產(chǎn)品的加持下，在滿足現(xiàn)代市場需求方面有了明顯改善?，F(xiàn)階段鐵路裝車自動化系統(tǒng)最主要的編程方式當屬PLC系統(tǒng)。

PLC系統(tǒng)是一種面向廣大用戶的編程體系，因其能夠直接在存儲器的內(nèi)部利用可編程的存儲器編寫程序為用戶提供了極大便利[1]。與其他編寫程序相同，該編寫程序也設(shè)定有主要執(zhí)行行為，如邏輯運算、循序控制和算術(shù)操作等。PLC系統(tǒng)在各類機械或生產(chǎn)過程控制中主要采用數(shù)字模擬式輸入或輸出，而通過PLC控制的系統(tǒng)在應(yīng)用初期的使用范圍較小，主要集中于電力行業(yè)[2]。在PLC系統(tǒng)發(fā)展逐步完善的情況下，它的各種功能越來越健全，有效增強了PLC系統(tǒng)的可用性和可操作性。

目前，各類生產(chǎn)控制類行業(yè)對PLC系統(tǒng)的運用最普遍。以化工廠為例，它的整個化工行為的控制與油田的自動化儲存等過程均由PLC推動[3]。在鐵路裝車自動化系統(tǒng)中，PLC系統(tǒng)最重要的工作是為裝車指導(dǎo)提供依據(jù)。在鐵路運輸行業(yè)中使用PLC系統(tǒng)，不僅能夠降低勞動人員的工作量，而且鐵路裝車的數(shù)據(jù)集成與處理效率均能夠得到全面提升。另外，鐵路裝車自動化系統(tǒng)能提升鐵路裝車整體的自動化程度，對鐵路裝車自動化起到了極大的推動作用，切實保證了鐵路裝車的生產(chǎn)效率。

2 鐵路裝車自動化控制系統(tǒng)的功能性說明

對鐵路運輸行業(yè)而言，石化產(chǎn)品當屬最主要的運輸對象。根據(jù)運輸石化產(chǎn)品的相關(guān)管理條例，在鐵路運輸石化產(chǎn)品時必須遵循質(zhì)量標準[4]。在使用PLC系統(tǒng)前，由于石化產(chǎn)品裝車采用最傳統(tǒng)的人工裝車方式，不僅極易產(chǎn)生誤差增加運輸過程的風險，而且勞動人員的工作量大，甚至還可能因直接接觸到部分劇毒化學(xué)物品而對身體帶來損傷。鐵路裝車系統(tǒng)實現(xiàn)自動化不僅能有效避免以上問題，而且能大大增加鐵路裝車的效率。

在鐵路裝車中運用自動化系統(tǒng)最主要的作用是借助控制系統(tǒng)來強化控制鐵路裝車的質(zhì)量，從而全面監(jiān)測所有鐵路設(shè)備的運行參數(shù)，達到控制裝車過程的目的。此外，該系統(tǒng)能檢測并監(jiān)控整個倉庫儲罐的相關(guān)數(shù)據(jù)，如時刻檢測儲罐液位、溫度及壓力等。在自動化系統(tǒng)的輔助作用下，火車停靠、裝車位置等細節(jié)亦將得到良好控制。鐵路裝車自動化系統(tǒng)本身的操作需要依靠手動形式完成。首先，為確保鶴管能夠準確插入火車槽車的充裝口，可基于押運員提供的各項數(shù)據(jù)，通過控制室內(nèi)人機操作界面上位機窗口中的鶴位控制室完成相關(guān)操作。其次，在控制鶴位后，由于系統(tǒng)所設(shè)置的鶴位值是此前所需裝運的積累量，因此在開展下一次運輸工作前需及時將上次每個鶴位的重裝累積量清除，以免影響下一次運輸。最后，在確認預(yù)先設(shè)定值與當前鶴位的累積量均達到相關(guān)規(guī)定值后停止裝車，并將裝車泵關(guān)閉。

在操作面板中鑲嵌著控制鶴位的專用命令閥，在控制鶴位后可通過查驗積累量的設(shè)定值與單據(jù)要求是否一致來確定裝運過程是否存在問題，待確認完畢后便可發(fā)出閥門控制命令來開啟流量計。設(shè)定裝車總管壓力時，需將火車的裝車泵打開，并結(jié)合壓力設(shè)定閥中回流管線門的開度控制流量，然后在保證裝車壓力穩(wěn)定的情況下開始裝車。

3 鐵路裝車自動化控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

裝車控制系統(tǒng)是鐵路裝車自動化控制系統(tǒng)的核心部分，其配置主要包括中央處理器（Central Processing Unit，CPU）、通信模塊和基板等。在鐵路裝車自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計過程中，它的指標主要涉及裝車能力、裝車精確度和裝車速度。因為在上位機中主要選用的是工業(yè)類控制計算機，而人機界面主要采用的是組態(tài)軟件開發(fā)，所以能夠利用以太網(wǎng)交換機和系統(tǒng)原有的鐵路車號自動識別系統(tǒng)在并行口中連接打印機。然而，人機界面在開發(fā)中主要借助于自身通信軟件和PLC通信，而軌道的通道通信軟件主要應(yīng)用Visual Basic宏語言（Visual Basic for Applications，VBA）進行程序編寫，因此鐵路的車號自動識別系統(tǒng)和局域網(wǎng)能夠采用Windows系統(tǒng)來處理。

在應(yīng)用鐵路裝車自動化控制系統(tǒng)的過程中，主要遵循節(jié)約原則，盡量避免對現(xiàn)場進行較大改造。鐵路裝車自動化控制系統(tǒng)的硬件主要由多個獨立的功能模塊和控制核心組成。這些功能是所有產(chǎn)品對倉位進行的監(jiān)測和信號輸出。裝車控制的核心也能夠借助PLC來控制計算機和網(wǎng)絡(luò)版組態(tài)軟件。其中：PLC主要涉及模擬量輸出模塊、開出和開入模塊以及通信模塊等幾個重要部分。在實現(xiàn)自動化控制的過程中，處理和檢測儀表信號的采集等方面需要借助PLC來完成，而人機接口則主要利用工控機來完成?；赑LC的鐵路裝車自動化控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 基于PLC的鐵路裝車自動化控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

PLC在控制牽引車和溜槽閘門等多個設(shè)備啟停時應(yīng)用了多種檢測，如車廂位置、車號、裝煤高度及裝煤量等。通過檢測以上數(shù)據(jù)可實現(xiàn)自動化裝車。在此過程中，相關(guān)設(shè)備的啟動與關(guān)閉均需要借助繼電器來控制。通常各個設(shè)備都配備有按鈕盒、指示燈和重要設(shè)備的報警器等，下達相關(guān)指令時需要嚴格按照一定要求控制設(shè)備的啟停順序，從而直接將部分數(shù)據(jù)信息快速上傳到上位機，以監(jiān)測和控制系統(tǒng)。

鐵路裝車自動化控制系統(tǒng)主要借助西門子S7系列的PLC，采用的是CPU和輸入/輸出（Input/Output，I/O）模塊，且能夠在上位機中顯示相關(guān)內(nèi)容，主要特點如下。

第一，在CPU中選擇應(yīng)用西門子的S7系列315-2DP，能夠利用其具備的中、大規(guī)模程序存儲容量以及多個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)直接構(gòu)建分布式的I/O結(jié)構(gòu)，從而使系統(tǒng)具備診斷、參數(shù)賦值、報警、定時和測量等功能特點。

第二，在應(yīng)用數(shù)字輸入（Digital Input，DI）模塊時，主要使用6ES7321-1BLOO-OAAO，采用32點輸入的方式將每組隔離值設(shè)定為16，輸入電壓為額定值24 V。此外，6ES7322-1BLOO-OAAO主要應(yīng)用在數(shù)字輸出（Digital out，DO）模塊，與DI模塊同樣擁有32個輸出點，分組數(shù)為8，輸出電流為0.5 A，額定負載電壓為24 V。

第三，PLC能夠?qū)⒏鱾€模塊共同組合成為高速遠程的I/O通信網(wǎng)絡(luò)，使PLC實現(xiàn)與現(xiàn)場的設(shè)備交換數(shù)據(jù)的目的。

4 鐵路裝車自動化控制系統(tǒng)的工藝流程分析

4.1 裝車系統(tǒng)理論分析

以某石化產(chǎn)品的運輸情況為例，該鐵路裝車自動化系統(tǒng)中的車皮長度及載量分別為14 m和60 t。此前的裝車時速為0.16 m·s-1，車皮的標準裝車速度為685 kg·s-1。以該速度計算，需花費87.5 s裝滿一列容量為60 t的車皮。顯然，上述系統(tǒng)在裝車速度方面用時較長。使用鐵路裝車自動化系統(tǒng)后，整個裝車過程能夠更加契合軌道恒稱的質(zhì)量標準，明顯縮短了裝車時長。

4.2 工藝流程

如圖2所示，鐵路裝車自動化系統(tǒng)能夠識別第一節(jié)車廂的具體行駛位置，而在識別后還將發(fā)出后續(xù)的指令，從而快速給石化機加料。通?？杉拥氖a(chǎn)品量為總加量的80%～95%。在整個石化產(chǎn)品裝車過程中，需要判斷當前車廂是否處于可加載產(chǎn)品的位置。若車廂質(zhì)量在核定范圍內(nèi)且留有一定空間，則可繼續(xù)裝載；反之，則停止，從而避免物料灑落在車廂外。當?shù)谝还?jié)車廂上衡時，自動化控制系統(tǒng)可以快速識別車廂位置，并啟動慢加給石化產(chǎn)品的程序，待裝車量達到最終設(shè)定值時便可停止慢加煤，從而使整個工控機控制系統(tǒng)可以根據(jù)自動對稱量數(shù)據(jù)進行采樣和相應(yīng)處置。

圖2 基于PLC的鐵路裝車自動化控制系統(tǒng)工藝流程

鐵路裝車自動化系統(tǒng)中最常用的功能還包含以下：計算車輛的總數(shù)和車輛的總軸數(shù)來判斷車廂上衡是否完成；校準車號信息為后續(xù)的自動稱量提供保證；判斷車廂是否處于裝車位置，避免物料灑落到車廂之外，從而達到減少物料損耗的目的。

5 結(jié)語

應(yīng)用基于PLC的鐵路裝車自動化控制系統(tǒng)能夠有效解決裝車量誤差，并能夠自動完成繁重的裝車任務(wù)，從而有效減少鐵路裝車過程中所需要的工作人員，降低鐵路裝車的開支。同時，整個裝車自動化控制系統(tǒng)采用STEP7編程、WinCC組態(tài)及現(xiàn)場調(diào)試，能夠保證系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性。