基于物联网+PLC的铁路翻车控制系统设计

2023-11-23戴乾军袁庆运牛金鹏

常州工学院学报 2023年5期

戴乾军,袁庆运,牛金鹏

(1.兰州工业学院电气工程学院,甘肃兰州 730050;2.兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州 730050;3.甘肃省建设投资(控股)集团有限公司,甘肃兰州 730050)

0 引言

随着铁路车站各种物料运输量的不断增加,卸料用的翻车机是物料运输的最后环节,直接影响着运输的安全与效率。翻车机作为一种高效、低耗翻卸铁路散料敞车的专用卸车系统,主要优点有:可加速下落物料,并伴有振动作用,能减少人工清理工作量;翻车过程中通过喷水除尘装置能实现清洁卸料[1-2]。但该系统的缺点主要为:翻车过程中无论在正翻和回翻的启动、制动环节均保持同一速度,易造成回翻对位不准的问题[3-4],尤其是在空车回位时常有空车翻出轨道的事故发生,直接影响着系统的运行效率及设备的使用寿命;翻车过程中需要值班员实时值守,系统运行数据不易获取且人力成本消耗高。针对以上问题,本文设计基于物联网+PLC的翻车控制系统,可实现翻车过程的精准调速,且具有无线远程监控的功能,测试结果表明该设计方案翻车效果顺滑,数据透明度高,可靠性高。

1 翻车控制工艺流程

翻车系统结构如图1所示。系统由重牛推车器、牵车台、翻车机和位置传感器等设备组成。

图1 翻车系统结构图

翻车控制工艺流程如图2所示。

图2 翻车控制工艺流程图

首先,按下总启动按钮时系统运行指示灯点亮,重牛推车器推动敞车驶入翻车区。由位置传感器检测敞车是否到达翻车区。若未检测到敞车则循环检测,此时联锁信号不能开放。若检测到敞车到达翻车区指定位置,则铁路联锁系统控制信号灯先亮绿灯并闪烁10次后变为红灯,零位继电器(LWJ)吸起、绿灯信号(LJ)点亮、翻车机信号(FCJ)落下。接着,两台翻车电机启动并低速正翻,同时除尘喷水装置打开,翻车至30° 时启动高速正翻。翻车至160° 时回落至低速正翻且启动振打器。翻车至175° 时正翻结束,翻车电机制动且除尘喷水装置与振打器均关闭,系统抱闸锁死。当正翻结束20 s后,进入空车回翻环节,抱匣装置松开。为避免空车回翻中出现对位不准的问题,系统通过PID算法实现匀速高速回翻至25° ,此后自动转为低速模式直至0°以完成精准制动。联锁系统给出空车指示,信号灯亮绿灯且持续闪烁表明翻车完成。最后,重牛推车器推动敞车驶离翻车区。若位置传感器检测到敞车与翻车区距离>200 m则再由联锁系统控制翻车信号灯亮红灯,系统切断自动模式。

2 翻车控制系统设计

2.1 翻车控制系统硬件设计

翻车控制系统的主控制电路如图3所示。

图3 翻车控制系统的主控制电路

系统主电路由三相交流异步电机、断路器、接触器、熔断器、电阻和热继电器等构成。电机M1和M2为翻车电机,M3为牵引电机。热继电器 FR1～FR3和熔断器FU1～FU3分别实现对M1～M3的过载与短路保护。电阻R1～R4通过定子绕组串电阻的方式实现电机低速转动,为翻车系统安全平稳启动和低速制动提供保证。电源总开关QF1和QF2～ QF4分别控制整个主系统、两个翻车系统和牵引系统的通/断,同时可实现过载、短路、欠电压和过电流保护。KM2和KM6控制两个翻车电机的低速正转,KM1和KM5控制两个翻车电机的高速正转。KM3和KM7控制两个翻车电机的低速回翻,KM4和KM8用来控制两个翻车电机配合PID调节进行均速回翻。KM9实现重牛推车器对敞车驶入/驶离翻车区的牵引。

2.2 翻车控制系统程序设计

本文以回翻转速PID控制为例阐述程序设计过程,结构框图如图4所示。其中Vset(t)为速度给定值,e(t)为速度偏差,Vrel(t)为速度实际值。

图4 回翻转速PID控制结构框图

回翻转速作为模拟信号不能直接送入PLC主控制器,系统增加了模拟量采集模块,需先经过A/D转换为数字信号,PLC处理完成之后再由D/A模块转为模拟信号实现速度控制。故此,在如式(1)所示的经典PID算法[5]的基础上选择得出如式(2)所示的数字式PID控制算法实现对回翻转速的精准控制。

(1)

(2)

式(1)～(2)中:V(t)为回翻转速实际值Vrel(t);V0为回翻转速电机的初始值;T为采样时间;Ti为积分时间;Td为微分时间;Kp为比例系数。PID的初始参数使用MOV_W指令进行赋值。通过工程经验中常用的试凑获得本设计最佳参数分别为:Vset(t)=1 200 r/min,Kp=1、T=30 s、Ti=0.3 s、Td=900 s。

回翻转速PID控制的核心程序如图5所示。

图5 回翻转速PID控制程序

当满足自动控制模式时,由SBU_I指令将设定值Vset(k)与速度传感器检测变送反馈值AIW16作差,标记偏差e(k)为VW520。再结合式(2)由MUL_I指令实现VW520与Kp(VW504)求积运算,并将此值送入VW524中暂存。再通过DIV_I指令实现比例系数Kp(VW502)与积分时间Ti(VW512)的整数除法运算,将值暂存于VW528中。由VW528与偏差VW520作整数乘法,将积分项的和暂存于VW532。然后由MUL_I指令实现比例系数此时比例项(VW540)与微分项(VW516)求积的结果暂存于VW536,并将DIV_I指令实现VW536与T(VW508)作商。最后,将VW540与偏差VW520求积作为微分项的总和(VW580)。通过ADD_I指令将比例项总和(VW524)、积分项总和(VW532)、微分项总和(VW580)与速度V0作和赋值给VW552全局数据存储单元。最后通过MOV_W指令将VW552送入AQW32作为PID整定完成的回翻电机转速实际输出值。

3 监控系统参数配置与上位机软件开发

翻车控制系统由硬件模块和云平台组成,主控制器为SIMENS S7-200 SMART PLC。通过速控云(上海)智能科技有限公司的速控云盒子Suk-Box-4G无线网关模块组建无线控制系统,实现了网关数据采集、协议驱动和边缘计算。上位机为其自带的云平台(手机App/电脑网页)完成了数据上云,提升了数据的透明度与管控效率,设备参数设置如表1所示。上位机与速控云盒子通过4G网络进行数据交换、速控云盒子与SIMATIC Controller(S7-200 SMART SR40)以Ethernet cable方式进行数据传输,模拟量扩展模块与PLC间的通信选择PROFIBUS[6-7]方式。其中,上位机软件开发流程如图6所示。

表1 翻车监控系统设备参数

图6 上位机软件开发流程

4 翻车控制系统测试

翻车控制系统的主界面如图7所示。该界面可实现手/自动系统的启动与状态显示。通过监控界面可实现对系统运行的控制,并借助曲线界面分析当前翻车运行的实时数据,通过云平台可在线查阅设备运行的当前与历史数据,提高了翻车控制系统的自动化程度。

图7 翻车控制系统的手机监控主界面

翻车控制系统的翻车电机的速度曲线如图8所示。

图8 翻车机速度曲线

系统在6 s内可实现低速正翻至30°。6～30 s内为高速正翻,由于电机给定功率恒定,随着正翻角度加大物料实时减轻,速度在900 r/min左右存在波动。30～35 s内卸料基本完成,正翻结束,转速迅速回落,快速降低为0。35～55 s内属于过渡区,翻车电机停止运行,系统抱闸锁死。从55 s开始,系统进行空车回翻,由于PID算法的调控,经过2 s的超调后回翻转速恒定在1 200 r/min。65 s回翻至25°,系统降速回落,至75 s整个回翻过程完成。