列车装车机动态装卸控制精度设计

列车装车机动态装卸控制精度设计张华摘要：该文介绍了矿石火车装车机控制系统的主要技术状况，针对装车作业存在的装载精度问题，运用先进的控制系统的理论提出对装车机控制系统的改进，通过程序的优化，提高列车装车机装卸控制精度。关键词：装车机；位置随动系统；PID1前言装车机是一种为列车连续装载设备，其装车作业除装车线所需长度外不需要额外的容车长度，装车机系统具有铁路线路布置长度较短、工艺布置简单的特点。近年来已先后被用于大型港口工程的火车装车线，作为港口矿石列车的高效装车设备。为保证火车的运行安全，铁路部门规定了列车装载的超载控制指标：以60t列车为例，车厢载重不容许超过额定值以上300kg，而货主则从运输效率和成本的角度希望实际装载量越接近于额定值越好，一般控制值为不小于额定值的99％。每节车厢的装载精度应在+0.05～－1％范围内；车厢内的散货堆积无论纵向和横向均应尽可能平整，横向目视高差不超过10cm。这些规定对装车机控制精度要求较高。装车机装量无法长时间恒量控制取料的料流，所以料流实际是随时间变化的随机变量。操作人员对随机变化料流的响应经验和操作水平的差异以及设备设计方面的不足等因素造成了作业中出现了少量的装车超差现象。由于事后对超差车厢“纠错”比较困难，所以如何解决装车机装载超差的难题一直困扰着港口装卸工艺和设备设计人员，采用位置随动闭环控制改进装车机的大车运行控制方式，依靠半自动或全自动化操作模式克服人为差错，是解决装载超差问题的根本所在。2装车机简介图1为典型的装车机示意图，装车机主要由大车行走机构、门架、固定臂、移动臂架及安装在移动臂架上的臂架输送机、皮带机上皮带秤和供料尾车、三通等组成。目前已投入运行的装车机的操作作业模式主要有二种：手动和半自动模式，其中手动模式是司机根据对正在装载的车厢装载情况在显示屏的提示下进行响应性手动控制装车机大车的速度，跨车厢作业时的三通漏斗的翻板切换。半自动装车作业与手动作业的区别主要在于车厢的大部分装载作业由PLC控制大车的行走速度，在车厢的最后位置停机由手动控制进行预留量装载，装载达到车厢控制总量时，手动启动大车高速行走，将控制权交还PLC，在三通漏斗临近车厢间隔中间位置时自动控制三通漏斗的翻板切换并开始新车厢的装载程序。为了使物料在车厢内堆积尽可能均衡、避免大车启动/停止过于频繁，目前的装车机控制方案是将每节车厢划分为10个等长区间，最后预留2吨的补差空间，若一节C60车厢的额定装载量为60吨，则分到每个区间的标定装载量便是5.8吨。（图2）根据装载能力的设计要求，可以计算出大车匀速前进时的理论速度（假定为V）。在第一个装车区间内，装料的同时，大车将以速度V匀速前进，当第一区间装车完毕，准备第二区间作业时，PLC将把从皮带称上获取的该段区间装车累计重量读取一次，确认是否达到6吨的标定量.总累积量W上节车完成，本节车开始时累积量W0（每次换车时，执行一次WMOVW0）本节车累积量W-W0一区累积量W1二区累积量W2三区累积量W3：：：：：：：十区累积量W10每次换车时，W1~W10就根据W0的值自动全部更新一次。第一种情况：刚好5.8吨，大车在第二区间将仍以速度V匀速前进；第二种情况：不足5.8吨，大车在第二区间将减速（以低于速度V的某一速度匀速前进）；第三种情况：大于5.8吨，大车在第二区间将加速（以高于速度V的某一速度匀速前进）；速度的增加或减少的具体数值，将视实际装车量与标定吨位的差值而定，与5.8吨的目标相差越远，则速度的调整幅度就越大。调整的目的就在于将前一区的装车误差在下一区间得到及时的扣补，不至于将误差累积到最后。同样，以某一恒定速度完成第二区间的加料过程后，PLC将再次比较此节车厢实际装车总量是否达到标定的5.8*2=11.6吨，采取相同的办法提高或降低大车速度，以便在第三区间内将第二区间的误差调整过来，目的就是使得第三区间完成时达到标定量3*5.8=17.4吨。依次类推。当完成车厢的最后一个区间（第十区间）的装料时，三通漏斗的分叉溜管正好运行到跨车厢间的正中位置（可通过红外装置校验），此时大车停止，PLC将判断此车厢装车量是否达到60吨，不足则停车补齐（由于每区间都有调整，此时的补差量较小），到达60吨时立即翻板（考虑到翻板的响应需要3秒时间，实际操作翻板需要在60吨到达之前进行）。3控制系统采用位置随动闭环控制的自动化改进方案3.1程序设计框图3.2控制系统方案皮带上物料是变化规律未知的任意时间函数，要保证装车的精度，又要控制装车的平整，这就必须要求控制系统控制大车速度按同样规律变化，并与输入信号的误差保持在规定范围内。数字随动系统象普通连续随动系统一样，是闭合的反馈系统。大车实际速度反馈到计算机与物料累积量相比较。累积量代表期望的位置输入。针对具体车型，建立对应的装载数据模型，当前车厢物料的累积量和车厢位置形成一个对应关系。数字量给定值与数字量反馈值相减得到误差量,误差量的大小决定大车加速度，同时，对单位扫描周期内的瞬时流量进行读取，参与大车速度的控制。位置随动控制能有效的避免累积误差，最大限度的保证装车物料的平整性。需要检测的信号：（１）对来自整机控制系统进行检测，如电气故障，液压站，皮带机，分叉漏斗，变频器等的运行状态以及中控室给出的信号。（２）对来自称量系统的输入信号进行检测，并对控制信号按一定控制规律进行处理。（３）对大车当前位置，车厢信息等进行检测，将大车绝对值编码器接收到的位置信号与称量装置的车厢累积信号进行比较，构成回路，综合处理得到的结果作为控制指令发送给输出端口，实现位置跟随。（４）检测装车偏差和车厢位置是否超过设定范围，如超出则做相应处理，保证系统正常安全地工作。除了足够的稳态控制精度以外，还要求足够容错处理机制。稳态控制精度反映了对系统的稳态特性或控制的稳态精度的要求。对于恒值控制系统，在工作中如果给定值不变，要求输出量也不变，因此注意的是扰动量所引起的稳态误差；而对于随动系统，给定量以任意规律变化，则要求输出量以一定的精度跟随给定量变化，因此注意的是被控量和给定量之间的误差。针对控制对象的特点，流量为输入量，大车位置为控制量，采用PID控制。比例控制能迅速反应误差，从而减小稳态误差。但是，比例控制不能消除稳态误差。比例放大系数的加大，会引起系统的不稳定。积分控制的作用是，只要系统有误差存在，积分控制器就不断地积累，输出控制量，以消除误差。因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，使系统误差为零，从而消除稳态误差。积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。微分控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。积分分离PID具体实现如下：(1)根据实际情况，设定一阈值0。(2)当)(ek时，也即偏差值)(ek比较大时，采用PD控制，可避免过大超调，又使系统有较快的响应。(3)当)(ek时，也即偏差值)(ek比较小时，采用PID控制，可保证系统的控制精度。公式如下：dttdeKdtteKteKtuDIP[6]te(1)dttdeKteKtuDPte(2)式中te－速度偏差，fnUUtegn；其中gnU为速度给定，fnU为速度反馈；PK－比例系数；IK－积分系数，IITTK；DK－微分系数，TTKDD；其中：T－采样周期；IT－积分时间常数；DT－微分时间常数；在本改造实例中，PID控制采用增量表达式：2121kekekeKkeKkekeKkuDIPte(3)2121kekekeKkekeKkuDPte(4)应用PID控制，必须适当地调整比例放大系数PK，积分时间IT和微分时间DT，使整个控制系统得到良好的性能。在PLC直接数字控制系统中，PID控制器是通过PLC的PID控制算法程序实现的。计算机直接数字控制系统大多数是采样-数据控制系统。进入计算机的连续-时间信号,必须经过采样和整量化后，变成数字量，方能进入PLC的存贮器和寄存器，而在PLC处理器的计算和处理，不论是积分还是微分，只能用数值计算去逼近。在PLC中，PID控制规律的实现，也必须用数值逼近的方法。当采样周期相当短时，用求和代替积分，用差商代替微商，使PID算法离散化，将描述连续-时间PID算法的微分方程，变为描述离散-时间PID算法的差分方程。由于ＰＬＣ在软件和硬件上具有突出的优点，随动系统的稳定性和精度都有所提高，系统的安装和修改也更为简单方便，有望形成一套完整的应用可编程控制器实现的电子随动控制系统。4结论在装车机控制系统的设计中已经考虑了控制系统的稳态误差和动态跟随指标，设备的固有精度将保障装载精度完全能够满足实际装车作业的要求；而且装车作业将实现自动化操作，可解决由司机个人经验和反应的差异造成目前装车作业存在的少量装载超差的作业稳定问题。经此改进后装车机作为一种灵活、高效的散货火车装车设备，一定会在许多散货码头特别是缺乏足够铁路线布置长度（装车机所需的装车线布置长度仅约为装车楼的一半）的码头得到广泛的运用。参考文献1.王建辉，顾树生.自动控制原理清华大学出版社，20072.史震，姚绪梁，于秀萍.运动体控制系统清华大学出版社，20083.陈渝光.电气自动控制原理与系统机械工业出版社，2004