散料装车技术的研究现状及应用
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[摘 要]对散料装车的作业情况和应用领域进行简单的介绍，并对目前主流散料装车系统的结构和工作过程作了详细阐述；以煤炭快速装车系统为例，从监测感知技术和控制技术两个方面对其关键技术进行了分析；介绍了目前沥青混凝土的装车系统。最后，对散料装车技术在工程机械领域的应用进行了总结与合理展望。
[关键词]散料装车系统；监测感知技术；控制技术；
中图分类号：J62 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）06-0249-02
1 散料装车系统概述
散料装车通常是指将仓储堆放的固体颗粒物向运输车（或其它运输工具）装卸并运输的过程。在工程领域中，散料装车作业广泛存在，其应用领域主要集中在铁路、公路和港口三个方面；不同散料的装车方式也不同[1]。散料装车系统最初是出现在国外的铁路和公路运输领域。20世纪50年代，装车系统出现，主要利用储料仓和传送带向火车车厢装车，缺点是装车精度和速度不高；20世纪60年代末，提出了快速装车，装车变为定量装车系统；为了提高装车精度和系统稳定性，装车系统在储料仓下方设置了称重仓和卸料刮板；目前的快速定量装车多以设置多个称重仓来实现。
目前，煤炭运输在快速定量装车系统的发展较为成熟，特别是在铁路运输方面，因其作业环境和对象相对稳定而装车效率较高。图1为煤炭快速装车系统，工作流程为：运输到储煤仓的煤炭通过给煤机输送到下方的带式输送机上，由带式输送机将煤炭运输到缓冲仓，再经由缓冲仓输送到定量仓，定量仓中物料重量取决于火车车厢尺寸并由称量传感器检测，最后经由装车刮板输送机将煤炭装卸到火车车厢中[2]。
公路散料定量装车系统的发展历程与铁路的大致相似，其对于定量更为敏感，需要综合考虑运输车过载和欠载的影响；基于称重仓的KSS（Kanawha Scales&Systems）卡车定量装车系统具有精度比较高、定量误差较小等优点而应用广泛。此外，也有针对水泥等粉料的槽车装车系统，其结构与定量装车系统类似，均设置有储料仓；不同之处是卸料结构上采用了可移动伸缩管，以减少扬尘污染。在港口散料的装车系统方面，以全自动抓斗卸船系统为例，驾驶员将卸船机驶入作业区，启动轮廓扫描装置，对船舱位置信息和物料分布进行检测，并在驾驶员室监控屏幕上显示，根据反馈信息驾驶员确定卸船策略；在卸料装船时，扫描设备通过实时检测船舱信息和物料分布来更新运行参数；轮廓扫描装置由激光测距传感器和正交的两个反射镜组成，反射镜由伺服电机驱动[3]。
2 散料装车关键技术的研究现状
以煤炭自动装车系统为例，分析其关键技术。
2.1 监测感知技术
（1）料位监测。火车车厢内料位多少，影响到铁路散料运输的成本和效益，为防止卸料装车过程中出现溢料、堵轨等现象的发生，车厢内料位的检测就尤为重要。刘学冬[4]提出用超声波料位计来测量车厢中的物料，并作为反馈信号用于控制装载量。在矿山煤炭、矿石运输过程中，原煤仓具有储存和均衡转运的作用，为防止满仓和空仓等现象对整个系统造成影响，也需监测原煤仓料位，刘洁等[5]考虑到超声波料位计在高度粉尘飞灰等的恶劣条件下精确度不高的情况，提出了雷达式料位计，误差相对来说较小，连续性比较好。（2）车厢位置监测。火车驶入装车站时，需要使卸料装置与火车车厢之间可以有效的定位，以实现精确装车。周谷鸣等[6]提出利用10对对射式光电传感器对车厢位置进行监测，根据光电开关产生的从1到0的信号，来判断控制牵引绞车的运动情况，以实现车厢的定位。（3）车辆识别监测。列车运输量取决于列车型号，为使经济效益最大和运输成本最低，每节车厢需要达到最大的安全装载量。高爽[7]提出一种基于微波反射技术的车号自动识别系统，主要是根据地面读出装置与列车车厢底部電子标签之间的电磁波信号传递，来实现车辆识别。
2.2 智能控制技术
（1）模糊控制技术。模糊控制是把模糊理论用于控制技术上，因其具有无需预先知道被控对象精确的数学模型、易学习和掌握模糊逻辑控制方法等优点而被广泛使用。刘朝荣[8]提出了一种基于模糊前馈与串级-PID结合的矿车料位控制模型，图2为矿车料位控制系统模型，工作过程为：根据装车过程中料位和料位变化率以及矿车车速的扰动变化量与设定料位目标的差值，经模糊控制器来控制调解卸料闸门的开度来控制料位。张世懂等[9]提出采用PLC和模糊控制来实现溜槽升降，达到均匀装车。
（2）专家控制技术。专家控制是将专家系统中的理论与技术同自动控制相结合，模仿专家的智能来实现控制。褚衍坤等[10]提出了基于专家PID算法的带式输送机张紧装置，图3为专家控制系统框图，工作原理是：在张紧过程中力传感器测出带式输送机的张紧力，并反馈回去与预先设定值比较，进而专家PID控制不同阶段比例阀的压力，以控制带式输送机的张力。
（3）神经网络控制技术。神经网络控制把神经网络和自动控制结合起来，用于一系列的控制和辨识等操作来使控制系统更好地满足人类的需求，具有很强的学习能力和自适应性、
非线性等优点。高雄雄[11]提出一种基于神经网络的带式输送机的功率平衡系统，图4为神经网络控制器的结构图，工作原理为：PID控制器根据反馈测得输送机的数据与预先设定值比较，进行闭环控制；神经网络会不断学习并修正PID控制器的参数，更好地控制输送机转速。
3 沥青混凝土装车系统研发
在目前的沥青混凝土搅拌设备中，多以人工装车；装车过程中，主要是在车厢中物料要尽可能的多，并通过语音来指挥运输车驾驶员前后地挪移车辆。其具体的作业方式为：沥青混合料运输车驶入搅拌站装车室时，沿着装车室内预先画好的车辆行驶线行驶，在预先画好的标线处停放；继而由操作人员控制料门开合闸门进行卸料，肉眼观察到料位高度快接近预定高度时，通过多次开合料门闸门来使料位达到指定高度，以防止溢料，第一堆料装料完成；然后操作人员通过语音来提示驾驶员将车辆往前挪移一段距离，继续上述控制闸门的操作来进行卸料，直到车厢中装满物料为止；考虑到车厢中后半部分可能出现物料不满，操作人员会提示驾驶员往后挪移车辆，进行再一次的卸料装车。在目前搅拌站人工卸料装车的过程中，缺点为：一是操作人员和驾驶员的经验对人工装车的影响较大；二是操作人员重复劳动强度比较大，；三是装车室周围环境质量对工作人员和驾驶员的健康有较大影响。 针对此情况，王芳等[12]提出了沥青混凝土的成品装车指挥仪，工作原理图如图5，工作流程为：当运输车驶进装车室，由超声波高度传感器不断测量距离数据和高度，控制系统对此数据进行处理，判断此时运输车的停放位置，并向语音广播喇叭发出信号，指挥运输车停下，同时控制料门打开，进行卸料装车；当车厢内的物料达到指定高度时，控制系统控制料门关闭，并且通过语音喇叭指挥驾驶员往前挪移一段距离继续装车，直到车厢内装满物料；硬件主要利用单片机来实现通信与控制。田明锐[1]提出了基于机器视觉的散料装车控制系统，将机器视觉与图像处理技术用于料门开度检测和料堆轮廓识别，利用模糊-PID串级料位控制系统来对料位进行控制，工作过程与上述图2大致相同。可将此种方法应用到沥青混凝土的卸料装车。
4 总结
在散料装车中，煤炭快速装车系统发展比较成熟，具有装载精度较高、装车效率较高、自动化程度较高等优点；在监测技术方面，以车厢料位料位监测为研究重点；在智能控制技术方面，模糊控制技术的应用较广泛。在沥青混凝土装车方面，因考虑经济效益以及相关智能技术的应用成熟度相对较低，监测和智能控制技术在卸料装车上应用不多。从监测控制的角度看，仍存在问题要解决，例如传感器的选用与布置、数据的采集与传输、控制方法中参数的合理选取等因素。基于此，散料装车系统发展趋势主要为：
（1）监测技术的融合。多监测技术的融合，能够提高监测的实时性，便于作业质量的管理与控制。
（2）智能控制技术的结合。将不同的控制技术结合，优化算法，使散料装车系统更加智能化和自动化。
参考文献：
[1] 田明锐. 基于机器视觉的散料装车控制系统研究[D].长安大学，2016.
[2] 王洋洋，鲍久圣，阴妍，等. 煤炭快速装车系统监测与控制技术研究现状[J].工况自动化，2016，09：27-32.
[3] 王建，姚振强，包起帆，等. 新型全自动抓斗卸船系统[J]. 解放军理工大学学报（自然科学版），2010，03：284-289.
[4] 刘学冬. 选煤厂自动装车系统控制过程分析[J]. 选煤技术，2008，06：55-58.
[5] 刘洁，曾志伟，卫黄河，等. 基于新型煤位计的监控系统设计[J].河南理工大学学报（自然科学版），2014，04：486-489.
[6] 周谷鸣，雷如海，王军. 自动装车系统中车厢位置监测装置设计[J]. 工况自动化，2009，01：52-54.
[7] 高爽. 福源选煤厂精煤自动装车系统的研究[D]. 辽宁工程技术大学，2011.
[8] 刘朝荣. 矿山平硐自动装车系统关键控制技术研究与设计[D]. 兰州理工大学，2012.
[9] 张世懂，陈寇忠，魏免. 煤炭装车系统中溜槽升降的模糊控制研究[J]. 煤矿机械，2013，34（8）：69-71.
[10] 褚衍坤，李文国.基于专家PID算法的带式输送机张紧装置的控制研究[J]. 煤矿机械，2014，5（3）：62-64.
[11] 高雄雄.基于神經网络的带式输送机功率平衡系统设计[D]. 西安科技大学，2013.
[12] 王芳，江剑，石秀冬，等. 沥青混凝土成品装车指挥仪的研制[J].微计算机信息，2009，29：14-15.
作者简介：崔杰（1994.03.17--）；性别：男；山西省运城市人，学历：硕士；专业：机械电子工程.
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