趙洪輝，張 倩

(陜西陜煤榆北煤業(yè)有限公司榆林信息化運(yùn)維分公司,陜西 榆林 719000)

0 引言

由于我國(guó)選煤廠多采用濕法洗選工藝，外銷(xiāo)煤炭水分較高。我國(guó)北方煤炭企業(yè)冬季鐵路運(yùn)輸時(shí)，外銷(xiāo)運(yùn)煤容易發(fā)生黏連、掛壁、結(jié)塊、凍車(chē)等現(xiàn)象，導(dǎo)致卸車(chē)?yán)щy、車(chē)廂卸煤不徹底等問(wèn)題[1]。向火車(chē)車(chē)廂和其裝運(yùn)的煤炭噴灑防凍液是解決上述問(wèn)題的較好方法。

當(dāng)前，我國(guó)防凍液噴灑方法主要有3種，分別為人工噴灑、手動(dòng)噴灑、自動(dòng)噴灑。人工噴灑為裝車(chē)員手持噴灑工具對(duì)車(chē)廂和煤炭進(jìn)行噴灑，噴灑效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大。手動(dòng)噴灑為裝車(chē)員手動(dòng)控制防凍液管道閥門(mén)開(kāi)閉進(jìn)行噴灑，相比人工噴灑效率有所提高，但防凍液噴頭方向固定，無(wú)法實(shí)現(xiàn)均勻噴灑。自動(dòng)噴灑當(dāng)前應(yīng)用較多的是太原理工大學(xué)開(kāi)發(fā)的防凍液自動(dòng)噴灑系統(tǒng)。該系統(tǒng)可通過(guò)識(shí)別來(lái)車(chē)速度、高度控制防凍液自動(dòng)噴灑[2-5]。自動(dòng)噴灑系統(tǒng)多為擺臂式，主要由1個(gè)立桿和1個(gè)橫向擺臂組成。擺臂端有噴灑接口，可將溶劑噴灑到車(chē)廂內(nèi)。

目前，我國(guó)已應(yīng)用防凍液自動(dòng)噴灑技術(shù)的企業(yè)，諸如太原選煤廠、介休選煤廠、屯蘭選煤廠等，在火車(chē)運(yùn)銷(xiāo)環(huán)節(jié)取得了良好的經(jīng)濟(jì)和管理收益[6-9]。雖然防凍液自動(dòng)噴灑技術(shù)已經(jīng)有了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例，但在列車(chē)位置、行駛速度識(shí)別和流量精確控制方面仍有不足之處。此外，噴灑防凍液在北方極端天氣下仍有凍車(chē)風(fēng)險(xiǎn)，而防凍干粉作為防凍液的補(bǔ)充目前基本無(wú)自動(dòng)噴灑方面的研究。

基于此，本文擬通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣控制和智能算法等方面的研究，優(yōu)化防凍液自動(dòng)噴灑系統(tǒng)和設(shè)計(jì)防凍干粉噴灑系統(tǒng)，更好地實(shí)現(xiàn)防凍液與防凍干粉自動(dòng)化和智能化噴灑、精確計(jì)量噴灑量，從而做到精細(xì)化管理，提升噴灑效率和整體經(jīng)濟(jì)效益。

1 防凍液噴灑系統(tǒng)現(xiàn)狀

鐵路運(yùn)煤列車(chē)均為鐵路統(tǒng)一調(diào)配，因此列車(chē)經(jīng)常出現(xiàn)混編現(xiàn)象?；炀幜熊?chē)車(chē)廂高度參差不齊、各不相同，因此要求噴灑防凍液時(shí)必須根據(jù)不同的車(chē)廂高度調(diào)節(jié)噴灑裝置高度，以避免防凍液噴灑系統(tǒng)與列車(chē)車(chē)頭的干涉，以及由于高度不適造成的噴灑不均勻現(xiàn)象。

防凍液噴灑系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有檢測(cè)車(chē)頭和車(chē)廂空隙的能力，并能根據(jù)檢測(cè)結(jié)果控制閥門(mén)開(kāi)閉，防止在非車(chē)廂位置噴灑，造成浪費(fèi)；同時(shí)，該系統(tǒng)還應(yīng)具備快速計(jì)算能力，能夠根據(jù)檢測(cè)到的車(chē)廂各面面積計(jì)算并定量調(diào)整噴灑量，保證噴灑均勻以起到防凍效果。這樣可以保證在不影響鐵路運(yùn)輸?shù)那闆r下完成車(chē)廂防凍液的自動(dòng)定量噴灑。

按照以上思路，本文設(shè)計(jì)了升降滾筒式噴灑裝置，改善了傳統(tǒng)擺臂式噴灑裝置易受場(chǎng)地高度限制的缺點(diǎn)；結(jié)合可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)和智能算法，實(shí)現(xiàn)了防凍液噴灑系統(tǒng)的自動(dòng)化和精細(xì)化管理。

2 防凍液噴灑系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的防凍液噴灑系統(tǒng)可安裝在具有一定高度的固定結(jié)構(gòu)上，具體可視選煤廠裝車(chē)站實(shí)際情況而定。以小型龍門(mén)架為例，噴灑系統(tǒng)的升降結(jié)構(gòu)安裝在龍門(mén)架的鋼體結(jié)構(gòu)上，噴灑系統(tǒng)處的龍門(mén)架凈寬不小于2.0 m。防凍液噴灑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 防凍液噴灑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of antifreeze spraying system

由圖1可知，升降滾筒式防噴灑系統(tǒng)主要由噴淋泵、管道、電磁閥、電機(jī)、托臂、激光測(cè)距、滾筒、噴頭、光電開(kāi)關(guān)、測(cè)速雷達(dá)、監(jiān)測(cè)儀表等組成。流量計(jì)、壓力表、溫度計(jì)安裝在防凍液噴淋泵與噴頭之間的管道上，用于檢測(cè)防凍液輸送中的流體和環(huán)境參數(shù)，并指導(dǎo)防凍液配比。噴頭安裝在托臂上[10]。托臂兩邊與鋼絲繩柔性連接。旋轉(zhuǎn)滾筒作為套筒罩在托臂上。驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)鋼絲繩運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)托臂、噴頭、軟管、滾筒一起上升或者下降。旋轉(zhuǎn)滾筒由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，表面開(kāi)有相應(yīng)的噴灑孔。噴灑孔數(shù)量與噴頭數(shù)量相同、位置與噴頭橫向位置相同，從而保證防凍液順利噴灑。噴頭采用1/4PZ8Ol10B4型噴頭[11]。此噴頭可形成扇形水霧面，噴灑面積較廣。測(cè)距儀利用激光測(cè)距原理測(cè)量?jī)x表與車(chē)廂底部深度和車(chē)廂中煤炭高度，并將其換算成噴頭與二者間距離。激光雷達(dá)安裝在車(chē)廂一側(cè)，雷達(dá)以與車(chē)廂30°～40°角發(fā)射電磁波，接收反射信號(hào)后測(cè)量車(chē)廂行進(jìn)速度。光電開(kāi)關(guān)與激光雷達(dá)布置在激光雷達(dá)同側(cè)，共2組，相隔40～50 cm。其細(xì)節(jié)調(diào)整依據(jù)列車(chē)車(chē)廂連接空擋寬度而定，用于確定當(dāng)前噴灑位置為車(chē)頭、車(chē)廂或車(chē)廂連接處。

系統(tǒng)工作過(guò)程及其工作原理如下。

①準(zhǔn)備階段。

列車(chē)正式進(jìn)入裝車(chē)站之前，啟動(dòng)防凍液自動(dòng)噴灑系統(tǒng)。防凍液自動(dòng)噴灑系統(tǒng)首先進(jìn)行開(kāi)機(jī)自檢，當(dāng)檢測(cè)系統(tǒng)硬件工作狀態(tài)良好后，依據(jù)環(huán)境參數(shù)(溫度等)確定防凍液自動(dòng)配比參數(shù)，完成防凍液配置。

②列車(chē)姿態(tài)檢測(cè)階段。

列車(chē)即將進(jìn)入裝車(chē)站時(shí)，光電開(kāi)關(guān)、激光測(cè)速雷達(dá)、激光測(cè)距裝置開(kāi)始對(duì)列車(chē)行進(jìn)姿態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，包括列車(chē)行進(jìn)速度、車(chē)頭位置、車(chē)廂位置。

③噴頭姿態(tài)調(diào)整階段。

當(dāng)檢測(cè)到列車(chē)進(jìn)入噴灑區(qū)域時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)鋼絲繩運(yùn)轉(zhuǎn)，調(diào)整鋼絲繩高度，進(jìn)而調(diào)整托臂整體位置與車(chē)廂深度匹配。然后，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)滾筒旋轉(zhuǎn)，使噴頭與滾筒表面開(kāi)孔處于上下垂直平面，且中心對(duì)齊。噴頭姿態(tài)調(diào)整伴隨整個(gè)列車(chē)車(chē)廂行進(jìn)過(guò)程。當(dāng)列車(chē)裝運(yùn)煤炭后，可根據(jù)車(chē)廂中煤炭高度繼續(xù)調(diào)整相關(guān)姿態(tài)。

④?chē)姙㈦A段。

噴頭抵達(dá)確定位置后，噴灑系統(tǒng)控制電磁閥打開(kāi)，管路暢通后開(kāi)啟噴淋泵，并根據(jù)管道壓力參數(shù)以及檢測(cè)到的車(chē)廂長(zhǎng)度、車(chē)廂深度、煤炭高度、行進(jìn)速度計(jì)算噴灑量，最終通過(guò)變頻裝置調(diào)整噴淋泵工作頻率以調(diào)節(jié)實(shí)際噴灑量。

⑤噴灑中止階段。

當(dāng)光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)到列車(chē)車(chē)廂位置處于噴灑系統(tǒng)邊緣時(shí)，判定噴灑即將結(jié)束。此時(shí)，開(kāi)始調(diào)節(jié)噴淋泵降低頻率至0，并關(guān)閉電磁閥；同時(shí)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)滾筒旋轉(zhuǎn)半周，將開(kāi)孔位置調(diào)整至上方，并承接管路中溢出的防凍液，防止防凍液撒至運(yùn)煤軌道上；此外，驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)整鋼絲繩長(zhǎng)度，將托臂整體上移，避免碰撞至下一車(chē)廂。

⑥噴灑重復(fù)階段。

隨著列車(chē)?yán)^續(xù)行進(jìn)，下節(jié)車(chē)廂即將進(jìn)入噴灑位置，系統(tǒng)傳感器持續(xù)檢測(cè)。當(dāng)檢測(cè)到下一車(chē)廂時(shí)，重復(fù)階段②～階段⑤流程，直至最后一節(jié)車(chē)廂噴灑完畢。

⑦噴灑完成。

當(dāng)整編列車(chē)車(chē)廂完成噴灑后，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，等待下一整編列車(chē)進(jìn)入噴灑流程。

2.2 電氣控制設(shè)計(jì)

防凍液自動(dòng)噴灑系統(tǒng)的電氣設(shè)計(jì)基于西門(mén)子1200型PLC[12]。本系統(tǒng)通過(guò)PLC控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)帶動(dòng)鋼絲繩實(shí)現(xiàn)鋼絲繩的收放，實(shí)現(xiàn)對(duì)托臂的升降控制。托臂正上方安裝的激光測(cè)距可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)托臂運(yùn)行到的高度，保證精準(zhǔn)調(diào)節(jié)托臂位置。

本設(shè)計(jì)安裝了兩組對(duì)射型光電開(kāi)關(guān)。光電開(kāi)關(guān)工作示意圖如圖2所示。

圖2 光電開(kāi)關(guān)工作示意圖Fig.2 Working diagram of photoelectric switch

由圖2可知：2個(gè)對(duì)射全被擋住時(shí)為車(chē)廂中部，如圖2(a)所示；只有1個(gè)被遮擋時(shí)為車(chē)廂邊緣部，如圖2(b)所示；2個(gè)對(duì)射開(kāi)關(guān)都沒(méi)有被遮擋時(shí)為車(chē)廂間隔處，如圖2(c)所示。PLC通過(guò)記錄對(duì)射的遮擋情況，記錄車(chē)的節(jié)數(shù)，并且根據(jù)識(shí)別出的車(chē)廂空隙控制滾筒的旋轉(zhuǎn)。當(dāng)對(duì)射全部被遮擋識(shí)別為車(chē)廂中部，滾筒正轉(zhuǎn)，露出噴頭孔[13]，噴灑防凍液；當(dāng)對(duì)射全部沒(méi)被遮擋識(shí)別為車(chē)廂間隔部，滾筒反轉(zhuǎn)，遮擋噴頭孔，停止噴灑防凍液。

本設(shè)計(jì)中安裝測(cè)速雷達(dá)的目的為監(jiān)測(cè)車(chē)速，把車(chē)速的快慢和正向負(fù)向傳輸給PLC。PLC通過(guò)返回的車(chē)速控制擺臂升降和滾筒正反。當(dāng)車(chē)速為正時(shí)，泵和電磁閥會(huì)根據(jù)車(chē)速快慢調(diào)節(jié)頻率和開(kāi)度：車(chē)速快、頻率高，則開(kāi)度大；車(chē)速慢、頻率低，則開(kāi)度小。當(dāng)車(chē)速為負(fù)，也就是倒車(chē)時(shí)，滾筒會(huì)反轉(zhuǎn)關(guān)閉噴灑，以免反復(fù)噴灑造成的溶液浪費(fèi)。

安裝溫度計(jì)的目的是監(jiān)測(cè)室外溫度。溫度計(jì)值返回到PLC中，作為PLC控制配比的參數(shù)。防凍液是用防凍干粉和水配比而成的，根據(jù)不同溫度，防凍干粉和水的比例不同[14]。防凍液配比如表1所示。

表1 防凍液配比

2.3 軟件功能設(shè)計(jì)

本文依照防凍液自動(dòng)噴灑裝置設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)具備如下功能。

①防凍液控制。

在防凍液控制中，有智能、自動(dòng)、手動(dòng)這3種控制模式。智能模式完全依靠程序檢測(cè)計(jì)算和控制，不需要人工參與。自動(dòng)模式由人工輸入目標(biāo)流量值，程序會(huì)根據(jù)此目標(biāo)流量，自動(dòng)控制泵和閥的頻率和開(kāi)度。手動(dòng)模式由人工給出泵頻參數(shù)和噴閥開(kāi)度，再由系統(tǒng)自動(dòng)按照這2個(gè)參數(shù)值去執(zhí)行噴灑工作[15]。

②狀態(tài)展示。

狀態(tài)展示是將需要噴灑的列車(chē)信息、進(jìn)度、噴灑量、泵、閥、播撒機(jī)等設(shè)備的狀態(tài)展現(xiàn)給用戶(hù)，使用戶(hù)實(shí)時(shí)獲取系統(tǒng)整體運(yùn)行狀態(tài)。

③趨勢(shì)曲線。

曲線中有理論值、實(shí)際值這2條曲線。理論值為程序計(jì)算的合理最佳量。實(shí)際值是通過(guò)儀器儀表檢測(cè)到的實(shí)際用量。由于工業(yè)品存在一定和誤差，并且在常年使用過(guò)程中元器件靈敏度降低等問(wèn)題，理論值和實(shí)際值可能存在趨勢(shì)性偏差，所以需要看到這2個(gè)值的趨勢(shì)對(duì)比，并在發(fā)現(xiàn)趨勢(shì)存在偏差時(shí)人工對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到補(bǔ)償?shù)淖饔肹8]。如果調(diào)參仍不能校準(zhǔn)，需要對(duì)元器件進(jìn)行更換。

④報(bào)表統(tǒng)計(jì)。

系統(tǒng)在自動(dòng)噴灑后會(huì)將具體數(shù)據(jù)以列為單位自動(dòng)記錄下來(lái)，方便之后對(duì)用量的統(tǒng)計(jì)分析。

3 自動(dòng)噴灑系統(tǒng)的應(yīng)用

本系統(tǒng)于陜煤化集團(tuán)下屬某選煤廠應(yīng)用后，在-15～+10℃的環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行。本文連續(xù)采集11 282節(jié)列車(chē)車(chē)廂涉及5類(lèi)車(chē)型的噴灑防凍干粉消耗量數(shù)據(jù)，并與本系統(tǒng)應(yīng)用前同種列車(chē)防凍范干粉歷史消耗量進(jìn)行比較。各車(chē)型自動(dòng)噴灑量對(duì)比如表2所示。

表2 各車(chē)型自動(dòng)噴灑量對(duì)比

由表2可知，原有噴灑方式的防凍液平均用量為136 kg/每節(jié)、采用防凍液自動(dòng)噴灑系統(tǒng)的防凍液平均用量為108 kg/每節(jié)、總節(jié)省量為302 632 kg。因此，分析表2可知，應(yīng)用該防凍液自動(dòng)噴灑系統(tǒng)后，相比原有噴灑方式，平均藥耗節(jié)約率可達(dá)19.74%；隨著噴灑車(chē)型體積的減小，藥耗節(jié)約率呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。該結(jié)果證明，本系統(tǒng)可有效降低防凍液消耗，大致可節(jié)約20%的防凍液消耗。

該系統(tǒng)目前可完全自動(dòng)化完成噴灑任務(wù)。出于安全起見(jiàn)，尚需有人監(jiān)督。當(dāng)出現(xiàn)事故報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)觸發(fā)停止，并采用聲光電形式提醒監(jiān)督者系統(tǒng)出現(xiàn)異常，報(bào)警復(fù)位后恢復(fù)自動(dòng)噴灑。本系統(tǒng)將原有多人完成的大量工作化簡(jiǎn)為只有1人監(jiān)督即可完成的工作，在大量解放人力的同時(shí)有效降低藥耗，有利于企業(yè)生產(chǎn)效益最大化。同時(shí)，在裝車(chē)環(huán)節(jié)提升了企業(yè)智能化建設(shè)和管理水平。

4 結(jié)論

本文以鐵路煤運(yùn)車(chē)廂防凍液自動(dòng)噴灑系統(tǒng)的研究及應(yīng)用為目的，從硬件、電氣控制、軟件功能等諸多方面進(jìn)行了分析論述。系統(tǒng)結(jié)合實(shí)際物理硬件應(yīng)用研究成果，實(shí)現(xiàn)了防凍液、防凍干粉全程自動(dòng)化智能化的控制，簡(jiǎn)化了作業(yè)流程提高了工作效率，節(jié)約了溶劑藥耗，降低了人員成本。該系統(tǒng)可進(jìn)一步通過(guò)智能化手段結(jié)合智能裝車(chē)系統(tǒng)協(xié)同作業(yè)，提高整體工作效率，實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化智能化。