劉沅明，唐凌思，曾樹華

（1. 湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412006；2. 湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412000）

0 引言

大型養(yǎng)路機(jī)械（簡稱“大機(jī)”）對鐵路路基的養(yǎng)護(hù)作業(yè)是保障鐵路安全的重要環(huán)節(jié)之一。物料運輸車作為與清篩機(jī)配套的新型養(yǎng)路機(jī)械，負(fù)責(zé)裝載、運輸和卸棄石渣等作業(yè)，是清篩作業(yè)不可或缺的大噸位鐵路運載工具［1-2］。當(dāng)前，國內(nèi)使用的物料車以WY-100 型車為主，其裝渣、卸渣和運輸?shù)茸鳂I(yè)依靠站立于數(shù)米高開放臺上操作員的肉眼觀測與手動操作，不僅作業(yè)效率低、規(guī)范性差，而且穩(wěn)定可靠性也難以保證，存在極大的安全隱患。因此，對物料運輸車作業(yè)全過程自動控制問題的研究具有實際需求和現(xiàn)實意義。

然而，目前針對物料運輸車作業(yè)全過程自動控制的研究相對較少。周佳亮、高春雷等［3］設(shè)計了一套利用超聲波測距技術(shù)的物料運輸車物料自動化傳輸系統(tǒng)。龔雪文［4］提出了利用無線測距和遙控技術(shù)優(yōu)化拋渣帶結(jié)構(gòu)的安全避障系統(tǒng)。唐俊、李敬兆等［5］提出一種基于輕量化的帶式輸送機(jī)上散狀物料堆積視頻檢測方法。游磊、朱興林等［6］提出一種采用紅外結(jié)構(gòu)光技術(shù)快速識別方法。胡傳亮等［7］設(shè)計了一套基于激光和超聲波技術(shù)的拋渣帶避障系統(tǒng)。但上述方法都只對部分作業(yè)過程開展自動控制研究，如有的僅考慮了裝料自動控制問題，而忽略了作業(yè)過程中裝渣、卸渣、傳輸?shù)炔僮鞅憬菪院桶踩珕栴}的研究。為此，本文針對物料運輸車的裝料、卸料與傳輸?shù)冗^程的回轉(zhuǎn)皮帶機(jī)和地板運輸機(jī)的移動操作問題，提出了一種基于堆積模型的控制系統(tǒng)方案，建立了一套自動檢測控制系統(tǒng)，并設(shè)計了移動端的人機(jī)交互系統(tǒng)。首先，通過分析現(xiàn)場特點，選擇超聲波測距法檢測物料。然后，其通過分析進(jìn)料端特點和實際裝料的物料堆積模型，優(yōu)化設(shè)計進(jìn)料端物料堆積高度檢測機(jī)構(gòu)，并引入左右偏載石渣防跌落策略，提高了系統(tǒng)安全性。在出料端，設(shè)計了正、反向裝渣的滿載距離檢測、偏載分析和卸渣速度控制的綜合檢測控制系統(tǒng)；同時，利用無線通信技術(shù)，實現(xiàn)移動平板端與控制系統(tǒng)的人機(jī)交互，最后通過實際作業(yè)驗證了系統(tǒng)的有效性。

1 物料運輸車作業(yè)檢測方案

實際作業(yè)時，通常由多臺物料運輸車成列編組，作業(yè)涉及裝渣、卸渣與傳輸?shù)冗^程（圖1）。本物料車自動控制系統(tǒng)需要解決的主要問題是：針對進(jìn)料端，建立基于實際堆積模型的物料狀態(tài)實時檢測系統(tǒng)，根據(jù)裝渣與偏載情況自動控制地板輸送帶移動；在出料端，通過檢測轉(zhuǎn)運速度來自動控制傳輸過程；同時基于實時檢測的料倉物料狀態(tài)，建立偏移、堵轉(zhuǎn)與石渣跌落自動預(yù)防控制機(jī)制；采用無線射頻、便攜移動式人機(jī)交互系統(tǒng)，實現(xiàn)人車分離的監(jiān)測與移動功能。

圖1 物料運輸車組結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of material transport vehicles

1.1 物料堆積模型

1.1.1 裝渣堆積模型

物料自然堆積模型如圖2 所示。圖中，α、α′為靜堆積角，l為錐體底部直徑，h為錐體高度。清篩車作業(yè)中，輸出的石渣通常是碎石塊和砂土等組成的混合物。

圖2 物料自然堆積模型Fig.2 Natural stacking model

由于混合物塊度、干濕度、黏土含量等因素不同，形成的靜堆積角（α和α′）亦不同，如圖2 （b）所示。根據(jù)錐體三角關(guān)系，有：

對于不同物料，α有所不同，但其大小主要由堆積斜面上的物體受到下滑力F和摩擦力f共同作用所形成，見式（2）。當(dāng)F=f時，得到式（3）。此時的α被稱為最大內(nèi)摩擦角，即物料的靜堆積角，工程上常用實驗法來測定。表1示出常見物料的靜堆積角數(shù)值。

表1 常見物料的靜堆積角Tab.1 Static stacking angles of common materials

式中：G——物體重力；μ——摩擦系數(shù)。

1.1.2 裝料效果與模型

在裝渣過程中，隨著石渣從清篩車或物料車的拋渣帶拋出落入料倉進(jìn)料端，堆積體高度會逐漸增高。圖3示出2 種不同的裝料堆積效果，造成堆積效果不同的原因是拋渣帶寬度和石渣類型等的差異。物料車拋渣帶寬度較寬且高度較低，形成的堆積坡面較小，效果如圖3（a）；而清篩車拋渣帶寬度較窄且位置較高，形成的堆積坡面較大，效果如圖3（b）；此外，受石渣本身的干濕度和黏土含量等因素影響，堆積錐體的靜堆積角也會出現(xiàn)差異。

圖3 裝料堆積效果Fig. 3 Effects of loading and stacking

通過對實際裝料情況進(jìn)行分析，得到圖4 所示進(jìn)料端裝料模型。其中，H為料倉高度，W1為底板輸送帶長度，W2為料倉寬度，L為側(cè)擋板長度，α1、α2為石渣的靜堆積角，?為側(cè)擋板傾斜角。圖4中，①、②、③和④表示可能的堆積橫截面。其中，①和②為正常狀態(tài)下清篩車拋料帶和回轉(zhuǎn)拋料帶拋料形成的堆積面，此時裝料過高，易導(dǎo)致超出限高和過載；③和④為曲線路段物料車左右偏載狀態(tài)下回轉(zhuǎn)拋渣帶形成的堆積面，在此偏載極限狀態(tài)下，石渣可能從料倉兩側(cè)溢出而跌落。

圖4 進(jìn)料端裝料模型Fig. 4 Loading model at feeding end

1.2 檢測方案設(shè)計

本檢測方案主要任務(wù)如下：檢測進(jìn)料端物料狀態(tài)，為地板輸送帶移動提供依據(jù)；在轉(zhuǎn)運物料時，通過檢測轉(zhuǎn)運速度和偏載狀態(tài)，有效控制地板輸送帶向回轉(zhuǎn)拋渣帶的轉(zhuǎn)運速度，從而防止因渣量過大造成回轉(zhuǎn)拋渣帶堵轉(zhuǎn)。

由圖4 分析可得到，料倉裝料狀態(tài)可通過裝料橫截面積反映，而料倉寬度和底邊長度是不變的，因此橫截面積可通過檢測裝料高度進(jìn)行近似判斷［8］。

1.2.1 進(jìn)料端檢測設(shè)計

將傳感器安裝在橫頂梁靠兩側(cè)邊位置，如圖4 中的?和?位置，角度向內(nèi)側(cè)傾斜且垂直堆積體斜面，用來檢測物料高度和偏載，預(yù)防掉渣；傳感器向后適當(dāng)傾斜，將檢測點前移，可提高檢測的實時性，有效解決檢測滯后問題［9］。根據(jù)幾何關(guān)系，實際高度計算如式（4）所示，其中，α2＜α＜α1，物料高度范圍為V2＜V＜V1。

本文利用傳感器?與傳感器?和?的高度差，實現(xiàn)偏載檢測。通過比較檢測高度與閾值來判斷狀態(tài)，進(jìn)料端物料滿載后，控制地板輸送帶將物料向前移動一段距離，騰出裝渣區(qū)域，從而實現(xiàn)進(jìn)料端自動檢測控制和偏載控制。

1.2.2 出料端檢測設(shè)計

圖1 中，出料端為物料車的地板輸送帶最前端和回轉(zhuǎn)拋渣帶的一個區(qū)域。圖5中的?、?和?為出料端的檢測傳感器。傳感器?的傾斜角度較大，用于實現(xiàn)對整車裝料進(jìn)度的檢測，物料堆靠近?則表明本車料倉已被裝滿，在正向裝料順序時，實現(xiàn)為殘渣預(yù)留空間區(qū)域的檢測控制。傳感器?和?用于實現(xiàn)對地板輸送帶最前端轉(zhuǎn)料速度的檢測以及轉(zhuǎn)料偏載狀態(tài)的分析判斷，為偏載控制提供依據(jù)。即，通過對比進(jìn)料端偏載和出料端轉(zhuǎn)運偏載情況，分析地板輸送帶速度對石渣橫向偏移的影響；通過調(diào)節(jié)地板輸送帶速度，實現(xiàn)偏移優(yōu)化。

圖5 物料運輸車自動控制系統(tǒng)硬件組成Fig.5 Hardware composition of automatic control system for material transport vehicle

2 硬件系統(tǒng)

本文研究是在不影響原手動控制系統(tǒng)操作的前提下，兼顧考慮成本和升級復(fù)雜度等因素，通過優(yōu)化升級，實現(xiàn)自動控制功能。所設(shè)計的自動控制系統(tǒng)分為自動控制下位機(jī)子系統(tǒng)和上位機(jī)移動交互端，其中下位機(jī)子系統(tǒng)硬件包括系統(tǒng)主板、無線通信裝置和傳感器。圖5示出物料運輸車自動控制系統(tǒng)硬件組成。

2.1 下位機(jī)子系統(tǒng)

下位機(jī)子系統(tǒng)主板是自動控制系統(tǒng)的核心，其包含系統(tǒng)處理器、模擬量電路（除傳感器）和數(shù)字量電路等?？紤]客戶需求與開發(fā)難度，本文選擇TM32F407型微控制器作為系統(tǒng)處理器。模擬量電路采集傳感器檢測出的模擬信號并輸出模擬的控制信號，控制地板輸送帶速度和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。數(shù)字量電路檢測各開關(guān)信號狀態(tài)，控制回轉(zhuǎn)拋渣帶、地板輸送帶、快慢擋和作業(yè)模式等，再并入原車系統(tǒng)信號，使新系統(tǒng)與原系統(tǒng)實現(xiàn)兼容操作。

無線433 MHz 射頻通信繞射能力強(qiáng)、低功耗、安全性高等特點，特別適合一兩公里內(nèi)的移動通信，是目前主流的無線通信技術(shù)之一［10］。本文無線通信系統(tǒng)（圖6）采用國產(chǎn)433 MHz 無線通信模塊，可實現(xiàn)多重功能，其支持遠(yuǎn)距離車輛間的無線通信，方便了動態(tài)重聯(lián)編組；實現(xiàn)車與移動終端的實時數(shù)據(jù)傳輸，為監(jiān)控提供了便利；并提高了協(xié)同作業(yè)和管理的效率。

圖6 物料自動控制運輸車無線通信系統(tǒng)框圖Fig.6 Wireless communication system block diagram of automatic control system for material transport vehicle

作業(yè)現(xiàn)場要求傳感器能適應(yīng)各種光線條件，不受雨水、粉塵、霧氣等因素的影響，可實現(xiàn)非接觸檢測。故本文采用超聲波傳感器進(jìn)行非接觸式檢測，其安裝方便，穩(wěn)定可靠，不受粉塵、溫度和光照影響，使檢測系統(tǒng)在揚塵、雨雪、晝夜和高低溫等惡劣條件下都能有效工作，滿足物料車作業(yè)需求。

2.2 上位機(jī)交互移動端

物料車作業(yè)現(xiàn)場通常是多車聯(lián)掛協(xié)同作業(yè)，傳統(tǒng)人工操作方式下每臺車至少配備一名操作員，并且是在露天開放狹小平臺站立操作，存在作業(yè)人員多、效率低和安全性差的問題。對此，本文采用抗振耐摔、IP67等級和惡劣工作環(huán)境、基于Windows 系統(tǒng)的工業(yè)平板作為移動操作端，其易于開發(fā)人車交互界面系統(tǒng)，且利用平板外設(shè)接口接入無線通信模塊的輕松實現(xiàn)與各物料車組網(wǎng)通信，操作員通過平板電腦可遠(yuǎn)程實現(xiàn)對所有物料車的監(jiān)視與控制。

3 軟件系統(tǒng)與控制算法

物料運輸車自動控制系統(tǒng)的軟件主要包括軟件系統(tǒng)和控制算法。軟件系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和邏輯判斷；控制算法根據(jù)不同裝料速度和重量實現(xiàn)對液壓馬達(dá)速度的動態(tài)調(diào)節(jié)，防止打滑和堵轉(zhuǎn)。

3.1 軟件系統(tǒng)

圖7 為物料運輸車自動控制軟件系統(tǒng)總框圖。軟件系統(tǒng)負(fù)責(zé)對各功能模塊進(jìn)行協(xié)調(diào)與控制。程序根據(jù)物料車的配置和傳感器檢測的物料狀態(tài)，解算裝料高度和偏載信息，一旦滿足裝料高度與偏載閾值要求。則輸出控制命令，控制算法根據(jù)控制命令調(diào)節(jié)控制量，控制地板輸送帶前移；通過判斷整車裝載的狀態(tài)，調(diào)整前后車的作業(yè)模式；根據(jù)石渣傳輸橫向偏移量和作業(yè)石渣量，協(xié)調(diào)優(yōu)化發(fā)動機(jī)油門和地板泵電壓，并控制相關(guān)電磁閥。人機(jī)交互系統(tǒng)將據(jù)無線通信模塊所接收的信息顯示在界面上；同時，通過界面設(shè)置相關(guān)參數(shù)、配置模式和手動控制相關(guān)動作，實現(xiàn)作業(yè)的自動控制和人工干預(yù)兼容操作模式。

圖7 物料自動控制運輸車軟件系統(tǒng)總框圖Fig.7 General block diagram of automatic control software system for material transport vehicle

3.2 控制算法

在基本PID 上加入前饋控制和微分先行環(huán)節(jié)，并嵌入完全和不完全微分控制環(huán)節(jié)。前饋控制是在反饋不易控制的干擾產(chǎn)生之前輸出抑制作用，以改善實時性和響應(yīng)速度。微分先行環(huán)節(jié)是增加對輸出反饋的微分內(nèi)環(huán)反饋，避免設(shè)定值突變而造成振蕩，從而提高控制的穩(wěn)定性［11］。完全微分能預(yù)見偏差變化趨勢，產(chǎn)生超前控制作用，優(yōu)化系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間，改善動態(tài)性能。不完全微分可有效抑制高頻干擾。通過此優(yōu)化PID 控制算法，可有效提高控制的穩(wěn)定性和精確性。圖8示出本系統(tǒng)的優(yōu)化PID控制算法。

圖8 物料運輸車控制系統(tǒng)優(yōu)化PID 控制算法Fig.8 Optimized PID control algorithm of material transport vehicle system control

3.3 人機(jī)交互界面

本文基于LabVIEW開發(fā)物料運輸車自動控制系統(tǒng)的上位機(jī)交互界面。系統(tǒng)通過調(diào)用串口，獲取無線模塊的解碼反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和顯示；利用無線模塊發(fā)送界面上的控制命令和數(shù)據(jù)。操作員通過平板實現(xiàn)對物料車的監(jiān)視與控制。圖9為人機(jī)交互界面，其由物料車組狀態(tài)控制的主界面、各車號界面和通信配置界面組成。

圖9 物料運輸車控制系統(tǒng)人機(jī)交互界面Fig.9 Human-machine interaction interface of material transport vehicle system control

4 試驗驗證

為驗證系統(tǒng)設(shè)計方案的有效性和實用性，本系統(tǒng)被安裝在2臺WY-100型物料運輸車上，在不同強(qiáng)弱的光線、揚塵、雨水等惡劣環(huán)境下，進(jìn)行現(xiàn)場自動控制作業(yè)試驗，并將裝料高度、偏載、人工數(shù)量、設(shè)備磨損與節(jié)能情況與傳統(tǒng)人工控制作業(yè)的效果進(jìn)行對比驗證。

圖10示出裝渣距離數(shù)據(jù)，其中紅色曲線和藍(lán)色曲線分別為作業(yè)過程中在圖4的?和?位置所檢測的傳感器到石渣的距離值（即進(jìn)料端的裝料堆積體頂部到車體頂梁處傳感器的距離）。當(dāng)曲線值大于670 mm時，車輛處于欠載狀態(tài)，地板輸送帶靜止，等待裝滿。當(dāng)曲線值不大于670 mm 時，表示裝料高度達(dá)到滿載閾值，系統(tǒng)自動啟動地板輸送帶。但由于地板輸送帶液壓驅(qū)動存在時滯現(xiàn)象，滯后時間段內(nèi)進(jìn)料端繼續(xù)裝料，導(dǎo)致曲線值減小至630 mm；待地板輸送帶將裝滿物料移出進(jìn)料端后，檢測點距離又變大，因此，除非輸送帶出現(xiàn)卡死故障，否則曲線值不會出現(xiàn)小于630 mm 的情況。當(dāng)曲線值恢復(fù)至大于670 mm時，地板輸送帶立即停止，重新開始裝料?？梢姡詣涌刂葡到y(tǒng)能使該距離保持在（630 ～670）mm之間。

圖10 物料運輸車控制系統(tǒng)裝渣距離數(shù)據(jù)Fig.10 Loading distance data of material transport vehicle system control

圖11 示出本系統(tǒng)在偏載，黑夜、白天、雨天和揚塵的惡劣環(huán)境條件下的現(xiàn)場作業(yè)效果?？梢钥闯?，本系統(tǒng)能自動控制裝料，且裝料效果滿足要求，無掉渣現(xiàn)象。

圖11 惡劣環(huán)境下現(xiàn)場作業(yè)效果試驗Fig.11 Field operation effect tests under harsh environment

圖12 示出采用本系統(tǒng)后的實際裝渣試驗效果。其中，圖12（a）和圖12（b）為清篩車拋渣帶和物料車回轉(zhuǎn)拋渣帶拋料的整車裝料效果?？梢钥闯?，自動控制下裝料堆積坡面都比較平整，堆積高度和人工裝料一致，滿足人工裝料堆積體中心頂點到頂部橫梁的距離為（50±15）cm（圖12（d）測量位置）、側(cè)邊到側(cè)擋板上邊沿距離為（35±15）cm（圖12（c）測量位置）的經(jīng)驗值要求，同時能很好地控制偏載裝料，有效規(guī)避掉渣風(fēng)險。

圖12 實際試驗效果Fig.12 Actual test results

表2示出衡山站到新霞流市站的現(xiàn)場作業(yè)數(shù)據(jù)記錄。根據(jù)現(xiàn)場效果和表2記錄可知，圖12（a）與圖12（b）相比，其堆積角大、頂端更高、邊緣相對較低，實際控制效果與1.1.2節(jié)理論分析結(jié)果一致。

表2 現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)Tab. 2 Field test data

綜上可以看出，本系統(tǒng)適應(yīng)性強(qiáng)，能在不同線路段、惡劣天氣條件下全天有效、可靠地工作。

5 結(jié)束語

針對物料運輸車自動化升級改造的問題，本文通過對物料車作業(yè)原理、現(xiàn)場特點與裝料模型的分析，基于超聲波檢測技術(shù)、無線通信技術(shù)和嵌入式控制技術(shù)，設(shè)計了一套物料車作業(yè)自動控制系統(tǒng)。試驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)實現(xiàn)了對作業(yè)過程中物料車狀態(tài)的檢測和裝料的自動控制，精確控制發(fā)動機(jī)油門，優(yōu)化了能耗，同時減少了不必要機(jī)械磨損，提高了設(shè)備的使用壽命；遠(yuǎn)程移動端實現(xiàn)多車協(xié)同控制，減少了人員數(shù)量，提高了作業(yè)效率，能有效避免因掉渣引起的安全隱患，解決了工作人員頻繁登高作業(yè)的相關(guān)弊端，提高了作業(yè)的安全性。