煤運火車車廂防凍液自動噴灑系統研究與應用

趙洪輝，張 倩

(陜西陜煤榆北煤業有限公司榆林信息化運維分公司,陜西 榆林 719000)

0 引言

由于我國選煤廠多采用濕法洗選工藝，外銷煤炭水分較高。我國北方煤炭企業冬季鐵路運輸時，外銷運煤容易發生黏連、掛壁、結塊、凍車等現象，導致卸車困難、車廂卸煤不徹底等問題[1]。向火車車廂和其裝運的煤炭噴灑防凍液是解決上述問題的較好方法。

當前，我國防凍液噴灑方法主要有3種，分別為人工噴灑、手動噴灑、自動噴灑。人工噴灑為裝車員手持噴灑工具對車廂和煤炭進行噴灑，噴灑效率低，勞動強度大。手動噴灑為裝車員手動控制防凍液管道閥門開閉進行噴灑，相比人工噴灑效率有所提高，但防凍液噴頭方向固定，無法實現均勻噴灑。自動噴灑當前應用較多的是太原理工大學開發的防凍液自動噴灑系統。該系統可通過識別來車速度、高度控制防凍液自動噴灑[2-5]。自動噴灑系統多為擺臂式，主要由1個立桿和1個橫向擺臂組成。擺臂端有噴灑接口，可將溶劑噴灑到車廂內。

目前，我國已應用防凍液自動噴灑技術的企業，諸如太原選煤廠、介休選煤廠、屯蘭選煤廠等，在火車運銷環節取得了良好的經濟和管理收益[6-9]。雖然防凍液自動噴灑技術已經有了現場應用實例，但在列車位置、行駛速度識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風險，而防凍干粉作為防凍液的補充目前基本無自動噴灑方面的研究。

基于此，本文擬通過機械結構、電氣控制和智能算法等方面的研究，優化防凍液自動噴灑系統和設計防凍干粉噴灑系統，更好地實現防凍液與防凍干粉自動化和智能化噴灑、精確計量噴灑量，從而做到精細化管理，提升噴灑效率和整體經濟效益。

1 防凍液噴灑系統現狀

鐵路運煤列車均為鐵路統一調配，因此列車經常出現混編現象?；炀幜熊囓噹叨葏⒉畈积R、各不相同，因此要求噴灑防凍液時必須根據不同的車廂高度調節噴灑裝置高度，以避免防凍液噴灑系統與列車車頭的干涉，以及由于高度不適造成的噴灑不均勻現象。

防凍液噴灑系統應當具有檢測車頭和車廂空隙的能力，并能根據檢測結果控制閥門開閉，防止在非車廂位置噴灑，造成浪費；同時，該系統還應具備快速計算能力，能夠根據檢測到的車廂各面面積計算并定量調整噴灑量，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輸的情況下完成車廂防凍液的自動定量噴灑。

按照以上思路，本文設計了升降滾筒式噴灑裝置，改善了傳統擺臂式噴灑裝置易受場地高度限制的缺點；結合可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)和智能算法，實現了防凍液噴灑系統的自動化和精細化管理。

2 防凍液噴灑系統設計

2.1 硬件設計

本文設計的防凍液噴灑系統可安裝在具有一定高度的固定結構上，具體可視選煤廠裝車站實際情況而定。以小型龍門架為例，噴灑系統的升降結構安裝在龍門架的鋼體結構上，噴灑系統處的龍門架凈寬不小于2.0 m。防凍液噴灑系統結構如圖1所示。

圖1 防凍液噴灑系統結構Fig.1 Structure of antifreeze spraying system

由圖1可知，升降滾筒式防噴灑系統主要由噴淋泵、管道、電磁閥、電機、托臂、激光測距、滾筒、噴頭、光電開關、測速雷達、監測儀表等組成。流量計、壓力表、溫度計安裝在防凍液噴淋泵與噴頭之間的管道上，用于檢測防凍液輸送中的流體和環境參數，并指導防凍液配比。噴頭安裝在托臂上[10]。托臂兩邊與鋼絲繩柔性連接。旋轉滾筒作為套筒罩在托臂上。驅動電機帶動鋼絲繩運轉，進而帶動托臂、噴頭、軟管、滾筒一起上升或者下降。旋轉滾筒由伺服電機驅動，表面開有相應的噴灑孔。噴灑孔數量與噴頭數量相同、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。測距儀利用激光測距原理測量儀表與車廂底部深度和車廂中煤炭高度，并將其換算成噴頭與二者間距離。激光雷達安裝在車廂一側，雷達以與車廂30°～40°角發射電磁波，接收反射信號后測量車廂行進速度。光電開關與激光雷達布置在激光雷達同側，共2組，相隔40～50 cm。其細節調整依據列車車廂連接空擋寬度而定，用于確定當前噴灑位置為車頭、車廂或車廂連接處。

系統工作過程及其工作原理如下。

①準備階段。

列車正式進入裝車站之前，啟動防凍液自動噴灑系統。防凍液自動噴灑系統首先進行開機自檢，當檢測系統硬件工作狀態良好后，依據環境參數(溫度等)確定防凍液自動配比參數，完成防凍液配置。

②列車姿態檢測階段。

列車即將進入裝車站時，光電開關、激光測速雷達、激光測距裝置開始對列車行進姿態進行檢測，包括列車行進速度、車頭位置、車廂位置。

③噴頭姿態調整階段。

當檢測到列車進入噴灑區域時，驅動電機驅動鋼絲繩運轉，調整鋼絲繩高度，進而調整托臂整體位置與車廂深度匹配。然后，伺服電機驅動旋轉滾筒旋轉，使噴頭與滾筒表面開孔處于上下垂直平面，且中心對齊。噴頭姿態調整伴隨整個列車車廂行進過程。當列車裝運煤炭后，可根據車廂中煤炭高度繼續調整相關姿態。

④噴灑階段。

噴頭抵達確定位置后，噴灑系統控制電磁閥打開，管路暢通后開啟噴淋泵，并根據管道壓力參數以及檢測到的車廂長度、車廂深度、煤炭高度、行進速度計算噴灑量，最終通過變頻裝置調整噴淋泵工作頻率以調節實際噴灑量。

⑤噴灑中止階段。

當光電開關檢測到列車車廂位置處于噴灑系統邊緣時，判定噴灑即將結束。此時，開始調節噴淋泵降低頻率至0，并關閉電磁閥；同時，伺服電機驅動旋轉滾筒旋轉半周，將開孔位置調整至上方，并承接管路中溢出的防凍液，防止防凍液撒至運煤軌道上；此外，驅動電機調整鋼絲繩長度，將托臂整體上移，避免碰撞至下一車廂。

⑥噴灑重復階段。

隨著列車繼續行進，下節車廂即將進入噴灑位置，系統傳感器持續檢測。當檢測到下一車廂時，重復階段②～階段⑤流程，直至最后一節車廂噴灑完畢。

⑦噴灑完成。

當整編列車車廂完成噴灑后，系統進入待機狀態，等待下一整編列車進入噴灑流程。

2.2 電氣控制設計

防凍液自動噴灑系統的電氣設計基于西門子1200型PLC[12]。本系統通過PLC控制電機轉動。電機帶動鋼絲繩實現鋼絲繩的收放，實現對托臂的升降控制。托臂正上方安裝的激光測距可實時監測托臂運行到的高度，保證精準調節托臂位置。

本設計安裝了兩組對射型光電開關。光電開關工作示意圖如圖2所示。

圖2 光電開關工作示意圖Fig.2 Working diagram of photoelectric switch

由圖2可知：2個對射全被擋住時為車廂中部，如圖2(a)所示；只有1個被遮擋時為車廂邊緣部，如圖2(b)所示；2個對射開關都沒有被遮擋時為車廂間隔處，如圖2(c)所示。PLC通過記錄對射的遮擋情況，記錄車的節數，并且根據識別出的車廂空隙控制滾筒的旋轉。當對射全部被遮擋識別為車廂中部，滾筒正轉，露出噴頭孔[13]，噴灑防凍液；當對射全部沒被遮擋識別為車廂間隔部，滾筒反轉，遮擋噴頭孔，停止噴灑防凍液。

本設計中安裝測速雷達的目的為監測車速，把車速的快慢和正向負向傳輸給PLC。PLC通過返回的車速控制擺臂升降和滾筒正反。當車速為正時，泵和電磁閥會根據車速快慢調節頻率和開度：車速快、頻率高，則開度大；車速慢、頻率低，則開度小。當車速為負，也就是倒車時，滾筒會反轉關閉噴灑，以免反復噴灑造成的溶液浪費。

安裝溫度計的目的是監測室外溫度。溫度計值返回到PLC中，作為PLC控制配比的參數。防凍液是用防凍干粉和水配比而成的，根據不同溫度，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 軟件功能設計

本文依照防凍液自動噴灑裝置設計了對應的軟件系統。系統具備如下功能。

①防凍液控制。

在防凍液控制中，有智能、自動、手動這3種控制模式。智能模式完全依靠程序檢測計算和控制，不需要人工參與。自動模式由人工輸入目標流量值，程序會根據此目標流量，自動控制泵和閥的頻率和開度。手動模式由人工給出泵頻參數和噴閥開度，再由系統自動按照這2個參數值去執行噴灑工作[15]。

②狀態展示。

狀態展示是將需要噴灑的列車信息、進度、噴灑量、泵、閥、播撒機等設備的狀態展現給用戶，使用戶實時獲取系統整體運行狀態。

③趨勢曲線。

曲線中有理論值、實際值這2條曲線。理論值為程序計算的合理最佳量。實際值是通過儀器儀表檢測到的實際用量。由于工業品存在一定和誤差，并且在常年使用過程中元器件靈敏度降低等問題，理論值和實際值可能存在趨勢性偏差，所以需要看到這2個值的趨勢對比，并在發現趨勢存在偏差時人工對參數進行調節，從而達到補償的作用[8]。如果調參仍不能校準，需要對元器件進行更換。

④報表統計。

系統在自動噴灑后會將具體數據以列為單位自動記錄下來，方便之后對用量的統計分析。

3 自動噴灑系統的應用

本系統于陜煤化集團下屬某選煤廠應用后，在-15～+10℃的環境中穩定運行。本文連續采集11 282節列車車廂涉及5類車型的噴灑防凍干粉消耗量數據，并與本系統應用前同種列車防凍范干粉歷史消耗量進行比較。各車型自動噴灑量對比如表2所示。

表2 各車型自動噴灑量對比

由表2可知，原有噴灑方式的防凍液平均用量為136 kg/每節、采用防凍液自動噴灑系統的防凍液平均用量為108 kg/每節、總節省量為302 632 kg。因此，分析表2可知，應用該防凍液自動噴灑系統后，相比原有噴灑方式，平均藥耗節約率可達19.74%；隨著噴灑車型體積的減小，藥耗節約率呈現增加趨勢。該結果證明，本系統可有效降低防凍液消耗，大致可節約20%的防凍液消耗。

該系統目前可完全自動化完成噴灑任務。出于安全起見，尚需有人監督。當出現事故報警時，系統將自動觸發停止，并采用聲光電形式提醒監督者系統出現異常，報警復位后恢復自動噴灑。本系統將原有多人完成的大量工作化簡為只有1人監督即可完成的工作，在大量解放人力的同時有效降低藥耗，有利于企業生產效益最大化。同時，在裝車環節提升了企業智能化建設和管理水平。

4 結論

本文以鐵路煤運車廂防凍液自動噴灑系統的研究及應用為目的，從硬件、電氣控制、軟件功能等諸多方面進行了分析論述。系統結合實際物理硬件應用研究成果，實現了防凍液、防凍干粉全程自動化智能化的控制，簡化了作業流程提高了工作效率，節約了溶劑藥耗，降低了人員成本。該系統可進一步通過智能化手段結合智能裝車系統協同作業，提高整體工作效率，實現工業自動化智能化。