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【摘 要】应用于实际工程中的自动装车控制系统，以及在自动装车过程中的应用、控制方案的实现，显现系统的优良品质。
【关键词】自动装车;控制系统
近几年来，国家和地方对超载超限车辆查处力度加大，这就要求装车计量要尽量准确，以确保双方的经济利益。
一、系统设计原则
1.操作简单，无人值守。现场通过传感器检测来控制溜槽的装车，通过视频监控来检测系统的装车过程。
2.工艺成熟、技术先进。全自动汽车装车的工艺与原半自动装车系统相同，根据汽车远程数据终端（RDT）向PLC内预设吨位，通过液压闸门和溜槽控制，向行进中的列车车厢快速卸料，实现连续、快速、准确装车。通过控制室即可完成整个装车线的连续化生产控制，逐步减少现场操作人员，最终达到“一人一线”的自动化控制水平。
3.全过程连续，全自动和手动两种装车模式。整个装车过程从产品仓到汽车车厢形成闭环控制，系统连续自动完成所有装车作业。手动运行模式应该被代表性的主要用于测试模式，在系统灾难性损坏或者不常用的卡车/拖车情况下，它也可以被操作员用于装车。
二、需求分析及硬件设计
1.需求分析。通过PLC控制自动装车系统。指标如下：（1）每辆车装煤25吨，装煤精度达到千分之四;（2）装车系统的设计应满足现场的需求，现场有前后红外栅栏，通过传感器实现对加煤车位置的监测。并通过现场交通控制灯的亮灭情况显示加煤车位置和装车进度。（3）控制系统自动化程度要高，通过PC机和工控、PC机和称重仪表之间的实时通信使整个装车的运行均在程序控制下进行。系统上电后即可进入全自动控制的运行状态，煤矿技术人员只需实时观察PC机上的数据就可明白现场的装车状态;（4）在不影响煤矿安全生产的前提下，每辆车的加煤控制时间要尽可能的短;（5）装车控制系统检测和排查系统的故障能力要高，能够对装车现场各种可能的人为或非人为的因素导致的装车系统的干扰进行实时、巧妙地监控、排除，减少现场的突发事故给企业带来的损失。
2.基本硬件结构框图分析。（1）输入部分。输入信号包括通过RS-485数据线传输的信号和通过技术人员输入的数据。通过RS-485数据线传输的信号包括：称重仪表数据、红外栅栏传感器信号通过端口0实现信号传输。通过技术人员输入的数据包括：装车数据和装车状态请求信号。（2）输出信号。输出信号包括：交通灯控制信号、开关打开控制信号以及关闭开关控制信号。（3）工控机和PC机通信。工控机和PC机之间是通过端口1进行的双向通讯方式，装车系统启动后工控发送每辆车的加煤数据和装车状态请求信号给PC机。PC机接收到公控发来的数据后，经过检测、计算后通过XMT指令將数据传送给工控机。（4）S7-200供电。提供直流供电和交流供电两种CPU模块的连线方式。在安装和拆除任何电气设备之前必须确认该设备的电源已断开。
三、自动控制系统的选型
1.自动控制模型。自动控制模型采用最基本的简单控制回路。
2.流量计。现有流量计为电磁流量计，具有4～20mA模拟输出和脉冲输出。
3.控制阀的选型。控制阀无需调节流量，只需具备开、关2种状态，因而使用切断型的阀门即可。由于罐区远离主生产装置，没有仪表气源，因此选择电动球阀较为合理。如果有条件使用气动切断阀，还要考虑阀门瞬间切断对管道和泵的冲击，因此一般使用两段式球阀，在此不作进一步分析。
4.控制器的选型。首先讨论“余量”的概念。从模型中可以看出，当比较器计算输出≥0时，立刻关闭阀门，但从控制器发出信号到阀门全部关闭，需要一定的时间，气动阀门关闭的时间很短，可以忽略不计，而电动球阀却需要较长的时间，DN150的阀门约需30 s，把这段时间内流经流量计装入货车的累积流量，称“余量”。例如宁波镇洋化工发展有限公司正常装车流量80 m3/h计算，每车余量可以达到0.5 t以上，而且这个量与泵入口静压头（即液位）、流量等因素有关，是一个不确定的、难以准确估计的量，显然，这是一个必须解决的问题。为解决这个问题，再引入“自动余量补偿”的概念。一般来说，在连续2次装车期间，储罐液位变化非常小，泵的输送能力也不会有明显变化，也就是说，连续2次装车的余量几乎是相同的，如果后一车的装车设定值减去前一车装车的余量，作为实际的装车设定值，那么这个余量就得到了补偿，装车将会比较准确。只是余量是由控制器自动计算更新，对操作人员来说是不可见的，称之为“自动余量补偿”。通过上述讨论，可以发现普通的批量控制器（二次仪表）并不适合用于自动装车系统，根本原因在于它不具备自动余量补偿的功能。而广泛应用于工业化生产的单台小型PLC，因其具有丰富的运算指令、定时器和计数器，则完全可以轻而易举地实现该功能，更因其低廉的价格获得市场的广泛青睐。
5.人机界面的选型。人机界面对操作人员来说是必不可少的，它可以是最简单的文本编辑器，或者是触摸屏，甚至是PC机。当然所选设备越高档，实现的功能尤其是统计功能就可以越复杂，但不一定有实际的意义。从另一方面讲，自动装车关键在于单次装车量的准确程度，与人机界面无关，人机界面主要用于操作员输入设定值，操作越简单越好。因此，从实用的角度出发，优先选择文本编辑器，如西门子TD200，其占用空间小，操作便捷，经实践证明，非常受操作人员欢迎。
四、装车控制系统的构成和基本配置
装车系统由：流量计、数控阀、防静电接地开关、防溢流液位开关及定量装车控制仪组成。根据装车现场的实际分布情况，设计方案如下：在现场每1个装车鹤位旁安装1台隔爆型分布式定量装车控制仪，这些控制仪具备通过通信线路与远方上位机联机的能力，即装车控制分散和装车业务管理集中的方案。分布式定量装车控制仪具有就地完成装车作业的采集、计算、处理和控制等功能。其他装车业务管理功能则借助于控制室的上位机，该上位机能从现场的定量装车控制仪获取数据并能向定量装车控制仪发送数据和命令。这种配置的优点是现场工人可以在鹤位旁边的定量装车控制仪上观察到装车的进程和数据，现场流量计和阀门的电缆只需拉到就近的定量装车控制仪上，而不必拉到远方的控制室，而且从定量装车控制仪到控制室的装车业务，上位机的通信电缆可以采用总线形式，不必点对点单独拉线，从而可以节省大量的电缆。 五、自动装车系统基本功能的实现
PLC采用周期扫描的方式，周而复始地循环逐条执行程序指令集。为实现自动装车的基本功能，程序集至少包括以下几个部分。
1.通电初始化，变量和内存清零。
2.当检测到装车设定编辑通知位时，执行计算：实际设定值=装车设定值一余量，余量累积计数器和脉冲计数器清零，并复位编辑通知位。
3.流量信号输入脉冲计数器计数，转换为累积流量。
4.累积流量<实际设定值时，打开阀门;累积流量≥实际设定值时，关闭阀门，同时启动余量累积计数器，定时为30 s（视阀门关闭所需的时间而定），将其转换为余量。设计程序时，TD200面板首页文本和数据宜显示当前累积值和设定值，其他页面可根据需要设计。
六、自动装车系统的可选辅助功能的实现
1.TD200面板可增加显示余量，该值可作为通电后首车设定值的经验数据。
2.TD200面板可增加显示瞬时流量，单位为m3/h，但要注意的是在PLC程序计算瞬时流量时，脉冲系数因子必须与流量计组态完全一致，否则会导致两者显示值不同。PLC计算瞬时流量的方法是取一定时间（如几秒钟）的累积流量，除以时间后，经过单位转换即可精确获得。
3.增加暂停装车过程中的3z/自动开关阀门的变量，经实际证明，该功能基本不被操作人员使用，初始化程序时系统置该位为自动。
4.增加介质密度变量，且可编辑。该功能最具有实用性，也最能体现自动装车的优势。人工装车时要事先进行从体积转换到质量的计算，而自动装车则可以根据密度自动换算，从而使TD200面板显示的累积量为质量，设定值只需输入质量，就与销售部门的发货指令达到了完全吻合。另外，介质密度的设计还体现出其他优点，以下会进一步描述。
5.统计功能。TD200面板可增加显示近几天、每月、每季度、每年的累积流量，前提是PLC内部时钟设置准确、存储历史累积量的内存区域设置为掉电保护。
6.泵控功能。根据工艺和设备实际情况，决定是否需要控制装车泵的自动运行。如镇洋化工的管理要求是不允许远程遥控泵的启动，主要是出于安全因素的考虑。在泵的停止控制方面，从节能角度考慮，停止装车时应同时停止泵的运行，但频繁的人工启动会增加泵的机械损伤和泄漏的可能性;如果泵处于不问断运行状态，且出口回流阀门始终开到一定开度，可使罐体内的介质混合更加均匀。泵控功能可根据实际需要设计。
7.报警功能。报警涉及几个方面：阀门全关后流量不为零;流量超高量程;单车装车量超过设定值一定的量;报警是否需要人工复位等。
8.阀门开关状态指示。一般来说，在控制柜上单独安装阀门和泵（如果有泵控功能）的状态指示灯是必要的，当然也可在TD200里同步显示。
七、自动装车系统的优点
1.程序的移植性好、通用性强。流量计输出到PLC的信号为体积流量脉冲信号，脉冲系数单位为m3/P（每个脉冲的体积流量），只要流量计脉冲系数设为与PLC一致，程序就可以不作任何修改而用于任何液体介质的装车，再配合TD200面板上的密度设置，均可实现以质量计鼍的自动装车。
2.自动装车的误差主要由2部分构成。①因流量计的不准确引起的系统误差，计算方法为：（实际装车量一过磅量）/实际装车量。它是一个基本恒定的值，在流量计不能得到准确校验的情况下，可以通过修正介质密度值来消除系统误差。②因余量的不确定性引起的随机误差，计算方法为：实际装车量一设定值。这个误差是不能消除的，但如果遵循上述“自动装车系统的注意事项”中的第2点，则可以尽量减小随机误差，经长期观察，该误差出现在±30kg范同以内的概率在95%以上。由此可见，自动装车系统的设计有效克服了人工装车量误差不确定性的缺点。
3.1台TD200最多可以实现8辆货车同时自动装车，如果超过这个数量，可以再并接多台TD200，但建议最好改用触摸屏作为人机界面，这样不仅美观，还节约成本。
4.按键非常简单方便（例如，如果相邻2车装车设定量相同，连续按“Enter”键2次即可），一般操作人员都能很快掌握操作要领;设计灵活，可根据不同的需要自由组合可选的辅助功能或设计其他特殊功能;控制柜占用空间小，可以采取壁挂式安装;运行稳定可靠，故障率极低，基本免维护;大大减小操作人员的劳动量，装车不冉受自然条件的限制。
结束语
装车系统中实现全自动，在技术、经济、实用性及使用效果等方面均有明显优势。它在铁路装车工业化生产中的实际应用，必将有利于生产安全和生产效率的提高，促进矿山工业自动化技术水平的全面提高。
参考文献：
[1]许汝.PLC控制的自动装车系统设计【J】.电子世界，2016，（17）：163.164.
[2]郭毛.基于PLC的装煤车自动控制系统设计[J】.工业控制计算机2016，23（10）：20-22.
[3]刘艳.煤矿快速定量装车站液压系统设计[J].液压和气动，2016（1）：1-3.
（作者单位：国能集团准能公司黑岱沟选煤厂）
【关键词】自动装车;控制系统
近几年来，国家和地方对超载超限车辆查处力度加大，这就要求装车计量要尽量准确，以确保双方的经济利益。
一、系统设计原则
1.操作简单，无人值守。现场通过传感器检测来控制溜槽的装车，通过视频监控来检测系统的装车过程。
2.工艺成熟、技术先进。全自动汽车装车的工艺与原半自动装车系统相同，根据汽车远程数据终端（RDT）向PLC内预设吨位，通过液压闸门和溜槽控制，向行进中的列车车厢快速卸料，实现连续、快速、准确装车。通过控制室即可完成整个装车线的连续化生产控制，逐步减少现场操作人员，最终达到“一人一线”的自动化控制水平。
3.全过程连续，全自动和手动两种装车模式。整个装车过程从产品仓到汽车车厢形成闭环控制，系统连续自动完成所有装车作业。手动运行模式应该被代表性的主要用于测试模式，在系统灾难性损坏或者不常用的卡车/拖车情况下，它也可以被操作员用于装车。
二、需求分析及硬件设计
1.需求分析。通过PLC控制自动装车系统。指标如下：（1）每辆车装煤25吨，装煤精度达到千分之四;（2）装车系统的设计应满足现场的需求，现场有前后红外栅栏，通过传感器实现对加煤车位置的监测。并通过现场交通控制灯的亮灭情况显示加煤车位置和装车进度。（3）控制系统自动化程度要高，通过PC机和工控、PC机和称重仪表之间的实时通信使整个装车的运行均在程序控制下进行。系统上电后即可进入全自动控制的运行状态，煤矿技术人员只需实时观察PC机上的数据就可明白现场的装车状态;（4）在不影响煤矿安全生产的前提下，每辆车的加煤控制时间要尽可能的短;（5）装车控制系统检测和排查系统的故障能力要高，能够对装车现场各种可能的人为或非人为的因素导致的装车系统的干扰进行实时、巧妙地监控、排除，减少现场的突发事故给企业带来的损失。
2.基本硬件结构框图分析。（1）输入部分。输入信号包括通过RS-485数据线传输的信号和通过技术人员输入的数据。通过RS-485数据线传输的信号包括：称重仪表数据、红外栅栏传感器信号通过端口0实现信号传输。通过技术人员输入的数据包括：装车数据和装车状态请求信号。（2）输出信号。输出信号包括：交通灯控制信号、开关打开控制信号以及关闭开关控制信号。（3）工控机和PC机通信。工控机和PC机之间是通过端口1进行的双向通讯方式，装车系统启动后工控发送每辆车的加煤数据和装车状态请求信号给PC机。PC机接收到公控发来的数据后，经过检测、计算后通过XMT指令將数据传送给工控机。（4）S7-200供电。提供直流供电和交流供电两种CPU模块的连线方式。在安装和拆除任何电气设备之前必须确认该设备的电源已断开。
三、自动控制系统的选型
1.自动控制模型。自动控制模型采用最基本的简单控制回路。
2.流量计。现有流量计为电磁流量计，具有4～20mA模拟输出和脉冲输出。
3.控制阀的选型。控制阀无需调节流量，只需具备开、关2种状态，因而使用切断型的阀门即可。由于罐区远离主生产装置，没有仪表气源，因此选择电动球阀较为合理。如果有条件使用气动切断阀，还要考虑阀门瞬间切断对管道和泵的冲击，因此一般使用两段式球阀，在此不作进一步分析。
4.控制器的选型。首先讨论“余量”的概念。从模型中可以看出，当比较器计算输出≥0时，立刻关闭阀门，但从控制器发出信号到阀门全部关闭，需要一定的时间，气动阀门关闭的时间很短，可以忽略不计，而电动球阀却需要较长的时间，DN150的阀门约需30 s，把这段时间内流经流量计装入货车的累积流量，称“余量”。例如宁波镇洋化工发展有限公司正常装车流量80 m3/h计算，每车余量可以达到0.5 t以上，而且这个量与泵入口静压头（即液位）、流量等因素有关，是一个不确定的、难以准确估计的量，显然，这是一个必须解决的问题。为解决这个问题，再引入“自动余量补偿”的概念。一般来说，在连续2次装车期间，储罐液位变化非常小，泵的输送能力也不会有明显变化，也就是说，连续2次装车的余量几乎是相同的，如果后一车的装车设定值减去前一车装车的余量，作为实际的装车设定值，那么这个余量就得到了补偿，装车将会比较准确。只是余量是由控制器自动计算更新，对操作人员来说是不可见的，称之为“自动余量补偿”。通过上述讨论，可以发现普通的批量控制器（二次仪表）并不适合用于自动装车系统，根本原因在于它不具备自动余量补偿的功能。而广泛应用于工业化生产的单台小型PLC，因其具有丰富的运算指令、定时器和计数器，则完全可以轻而易举地实现该功能，更因其低廉的价格获得市场的广泛青睐。
5.人机界面的选型。人机界面对操作人员来说是必不可少的，它可以是最简单的文本编辑器，或者是触摸屏，甚至是PC机。当然所选设备越高档，实现的功能尤其是统计功能就可以越复杂，但不一定有实际的意义。从另一方面讲，自动装车关键在于单次装车量的准确程度，与人机界面无关，人机界面主要用于操作员输入设定值，操作越简单越好。因此，从实用的角度出发，优先选择文本编辑器，如西门子TD200，其占用空间小，操作便捷，经实践证明，非常受操作人员欢迎。
四、装车控制系统的构成和基本配置
装车系统由：流量计、数控阀、防静电接地开关、防溢流液位开关及定量装车控制仪组成。根据装车现场的实际分布情况，设计方案如下：在现场每1个装车鹤位旁安装1台隔爆型分布式定量装车控制仪，这些控制仪具备通过通信线路与远方上位机联机的能力，即装车控制分散和装车业务管理集中的方案。分布式定量装车控制仪具有就地完成装车作业的采集、计算、处理和控制等功能。其他装车业务管理功能则借助于控制室的上位机，该上位机能从现场的定量装车控制仪获取数据并能向定量装车控制仪发送数据和命令。这种配置的优点是现场工人可以在鹤位旁边的定量装车控制仪上观察到装车的进程和数据，现场流量计和阀门的电缆只需拉到就近的定量装车控制仪上，而不必拉到远方的控制室，而且从定量装车控制仪到控制室的装车业务，上位机的通信电缆可以采用总线形式，不必点对点单独拉线，从而可以节省大量的电缆。 五、自动装车系统基本功能的实现
PLC采用周期扫描的方式，周而复始地循环逐条执行程序指令集。为实现自动装车的基本功能，程序集至少包括以下几个部分。
1.通电初始化，变量和内存清零。
2.当检测到装车设定编辑通知位时，执行计算：实际设定值=装车设定值一余量，余量累积计数器和脉冲计数器清零，并复位编辑通知位。
3.流量信号输入脉冲计数器计数，转换为累积流量。
4.累积流量<实际设定值时，打开阀门;累积流量≥实际设定值时，关闭阀门，同时启动余量累积计数器，定时为30 s（视阀门关闭所需的时间而定），将其转换为余量。设计程序时，TD200面板首页文本和数据宜显示当前累积值和设定值，其他页面可根据需要设计。
六、自动装车系统的可选辅助功能的实现
1.TD200面板可增加显示余量，该值可作为通电后首车设定值的经验数据。
2.TD200面板可增加显示瞬时流量，单位为m3/h，但要注意的是在PLC程序计算瞬时流量时，脉冲系数因子必须与流量计组态完全一致，否则会导致两者显示值不同。PLC计算瞬时流量的方法是取一定时间（如几秒钟）的累积流量，除以时间后，经过单位转换即可精确获得。
3.增加暂停装车过程中的3z/自动开关阀门的变量，经实际证明，该功能基本不被操作人员使用，初始化程序时系统置该位为自动。
4.增加介质密度变量，且可编辑。该功能最具有实用性，也最能体现自动装车的优势。人工装车时要事先进行从体积转换到质量的计算，而自动装车则可以根据密度自动换算，从而使TD200面板显示的累积量为质量，设定值只需输入质量，就与销售部门的发货指令达到了完全吻合。另外，介质密度的设计还体现出其他优点，以下会进一步描述。
5.统计功能。TD200面板可增加显示近几天、每月、每季度、每年的累积流量，前提是PLC内部时钟设置准确、存储历史累积量的内存区域设置为掉电保护。
6.泵控功能。根据工艺和设备实际情况，决定是否需要控制装车泵的自动运行。如镇洋化工的管理要求是不允许远程遥控泵的启动，主要是出于安全因素的考虑。在泵的停止控制方面，从节能角度考慮，停止装车时应同时停止泵的运行，但频繁的人工启动会增加泵的机械损伤和泄漏的可能性;如果泵处于不问断运行状态，且出口回流阀门始终开到一定开度，可使罐体内的介质混合更加均匀。泵控功能可根据实际需要设计。
7.报警功能。报警涉及几个方面：阀门全关后流量不为零;流量超高量程;单车装车量超过设定值一定的量;报警是否需要人工复位等。
8.阀门开关状态指示。一般来说，在控制柜上单独安装阀门和泵（如果有泵控功能）的状态指示灯是必要的，当然也可在TD200里同步显示。
七、自动装车系统的优点
1.程序的移植性好、通用性强。流量计输出到PLC的信号为体积流量脉冲信号，脉冲系数单位为m3/P（每个脉冲的体积流量），只要流量计脉冲系数设为与PLC一致，程序就可以不作任何修改而用于任何液体介质的装车，再配合TD200面板上的密度设置，均可实现以质量计鼍的自动装车。
2.自动装车的误差主要由2部分构成。①因流量计的不准确引起的系统误差，计算方法为：（实际装车量一过磅量）/实际装车量。它是一个基本恒定的值，在流量计不能得到准确校验的情况下，可以通过修正介质密度值来消除系统误差。②因余量的不确定性引起的随机误差，计算方法为：实际装车量一设定值。这个误差是不能消除的，但如果遵循上述“自动装车系统的注意事项”中的第2点，则可以尽量减小随机误差，经长期观察，该误差出现在±30kg范同以内的概率在95%以上。由此可见，自动装车系统的设计有效克服了人工装车量误差不确定性的缺点。
3.1台TD200最多可以实现8辆货车同时自动装车，如果超过这个数量，可以再并接多台TD200，但建议最好改用触摸屏作为人机界面，这样不仅美观，还节约成本。
4.按键非常简单方便（例如，如果相邻2车装车设定量相同，连续按“Enter”键2次即可），一般操作人员都能很快掌握操作要领;设计灵活，可根据不同的需要自由组合可选的辅助功能或设计其他特殊功能;控制柜占用空间小，可以采取壁挂式安装;运行稳定可靠，故障率极低，基本免维护;大大减小操作人员的劳动量，装车不冉受自然条件的限制。
结束语
装车系统中实现全自动，在技术、经济、实用性及使用效果等方面均有明显优势。它在铁路装车工业化生产中的实际应用，必将有利于生产安全和生产效率的提高，促进矿山工业自动化技术水平的全面提高。
参考文献：
[1]许汝.PLC控制的自动装车系统设计【J】.电子世界，2016，（17）：163.164.
[2]郭毛.基于PLC的装煤车自动控制系统设计[J】.工业控制计算机2016，23（10）：20-22.
[3]刘艳.煤矿快速定量装车站液压系统设计[J].液压和气动，2016（1）：1-3.
（作者单位：国能集团准能公司黑岱沟选煤厂）