物料运输车物料自动化传输系统的设计研究

周佳亮，高春雷，何国华

(中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081)

随着我国对环境保护力度的不断强化以及人力成本的提升，养路机械施工队对很多既有线路，以及对桥梁、隧道、城区线路进行道床清筛时不能将道床污土抛撒到线路两侧，施工队必须配备多辆联挂编组的物料运输车，与清筛机配合作业。物料运输车可在不间断地清筛作业情况下运走废弃污土，不需要人工二次清理，避免了环境污染，同时也可以补充新砟，提高清筛作业的整体效率[1-2]。

目前，物料运输车已在国内外得到了广泛的运用。奥地利普拉塞公司、瑞士马蒂萨公司、中国铁建高新装备股份有限公司等相继开发的不同系列物料运输车的物料传输全部为人工控制。操作人员站在距轨面2.2 m 高处进行监测与控制物料传输，操作台空间非常狭小，只靠安全杆遮挡，存在高空坠落的安全隐患。操作人员每天需要面对扬尘等恶劣的施工环境，雨季、高温时节有可能导致操作人员无法作业，影响到施工生产。另外，人工监测物料装载，标准不一，有可能出现超载、偏载或欠载的情况。因此，有必要开发一套物料运输车物料自动化传输系统，实现物料运输车物料状态的监测与控制，解决操作人员登高作业的各种弊端，提高物料运输车利用效率和安全性。

1 总体方案

物料运输车物料自动化传输系统需要满足3点要求：①系统需要自动监测物料运输车料仓的物料装载情况，将物料状态分为欠载、偏载、满载、超载；②依据料仓物料状态，控制输送带、抛污带等结构，调整物料状态到理想值；③调整异常时人工能介入控制。因此，系统总体方案分物料状态监测、物料状态控制和人机交互3个方面进行设计。

1.1 物料状态监测

物料运输车的料仓底部有输送带，它将物料从车体的进料端纵向传输到出料端，传输物料过程不改变从进料端到出料端垂直于物料传输方向的物料横截面面积。显然，物料运输车物料装载状态由进料端物料横截面面积决定。在固定的料仓宽度下，物料横截面面积由进料端物料横断面高度(以下简称物料高度)决定，因此欠载、满载和超载状态可根据物料运输车进料端物料高度进行判断；偏载状态可根据物料高度分布进行判断。

1.1.1 物料欠载、满载和超载监测

物料运输车物料满载状态时，物料横截面的理想轮廓如图1所示。以物料横截面的理想轮廓所围绕的面积为标准，可计算不同物料廓形下欠载量或超载量。

图1 满载时物料横截面理想轮廓

为控制工程成本，在物料运输车进料端上方布置若干个测距传感器监测物料高度，近似计算物料横截面面积。假设物料堆积时物料顶部轮廓线水平，当各个测距传感器下方的物料高度为理想轮廓下的高度时物料满载，计算的物料横截面面积为物料理想轮廓所围绕的面积。由于物料为沙土和碎石的混合物，进料端物料存在物料堆积角，当各个测距传感器下方的物料高度为理想轮廓下的高度时，每相邻2个测距传感器间隙下方的物料横截面可能存在一个或多个超出理想轮廓线的物料堆积成的三角形，存在超载监测误差。测距传感器数量越少，则分布越稀松，相邻测距传感器间隙下可能的超载监测误差越大。最大超载监测误差发生在物料堆积成一个单凸峰三角形时，如图2所示。图中:d为测距传感器间距，γ为物料堆积角，ΔH为物料超高。

图2 超载时测距传感器间隙

d越小对超载量的控制精度越高，同时测距传感器数量越多投入成本越大。本文规定超载监测精度为5%，若ΔH不超过物料理想轮廓线高度H的5%，则一定满足规定的超载监测精度。

ΔH与d的几何关系为

d=2ΔH/tanγ

(1)

由ΔH= 5%H，H=1 847 mm，γ=32°，得到d为300 mm。由于实际落料边界不会位于抛污带极限边缘上，边缘两侧可不布置测距传感器，抛污带宽度w1=1 990 mm，测距传感器数量n≥w1/300-2，则用5个测距传感器将能满足要求。

同理，当测距传感器间隙下方物料堆积形状呈单凹峰时，欠载量最大。规定欠载监测精度为5%，则测距传感器间距d需满足

(2)

其中：w为料仓宽度,w=2 800 mm。

将d=300 mm代入式(2)，满足不等式要求。

1.1.2 物料偏载监测

物料横截面形状左右对称分布是物料不出现偏载的前提条件(参见图1)。显然，测距传感器应对称分布。测距传感器左右对称分布离散采集物料高度，当各个测距传感器下方物料高度为理想轮廓下的高度时，相邻测距传感器间隙下方物料堆积形状可能为凸峰或凹峰2种状态。极端情况下一侧全部为凸峰，另一侧全部为凹峰，出现偏载监测误差。

极端情况下偏载监测精度满足规定的5%要求，测距传感器间距d需满足公式(2)。

将d=300 mm代入式(2)，满足不等式要求。

1.2 物料状态控制

1.2.1 物料欠载、满载和超载控制

物料欠载、满载和超载状态控制方案如图3所示。布置5个测距传感器(编号Ⅰ-Ⅴ，间距300 mm)离散监测进料端物料高度，可实现物料欠载、满载和超载监测。测距传感器Ⅵ在出料端监测物料是否到达出料端。Ⅰ-Ⅴ号测距传感器监测到物料欠载时，料仓底部输送带停止运动，等待进料端补充物料到满载。Ⅰ-Ⅴ号测距传感器监测到物料满载时，控制料仓底部输送带向前传输物料一段距离，以便腾出进料端空间，防止物料超载。Ⅵ号测距传感器监测到物料到达出料端时，停止料仓底部输送带传输物料，当前物料运输车的物料状态控制结束，由无线通信设备通知前一节物料运输车开始装载物料并控制物料状态。

图3 物料欠载、满载和超载状态控制方案

1.2.2 物料偏载控制

以300 mm的间距布置5个测距传感器离散监测进料端物料高度，可实现物料偏载监测。

物料出现偏载时可采用以下控制方案：①操作员根据物料运输车的偏载状态，旋转清筛机抛污带到欠载侧，补充物料;②在清筛机与物料运输车编组不变的情况下，在清筛机上安装控制系统，自动调节抛污带位置，实现物料偏载控制。

1.3 人机交互设计

采用液晶显示屏作为人机交互设施。显示屏可实时显示每个测距传感器的数值及物料状态。

2 硬件设计

2.1 硬件结构

系统的主要硬件包含测距传感器、控制系统、无线通信和显示屏，见图4。

图4 硬件结构

2.2 主要硬件选型和设计

2.2.1 测距传感器

市场上常用的测量物料高度的测距传感器按测量方式分为接触式和非接触式。常用的接触式传感器又分为电容式和重锤式，常用的非接触式传感器又分为激光传感器、放射传感器、雷达传感器和超声波传感器。

由于测量原理不同，各类传感器的性能和应用领域存在很大差异。电容式传感器根据物料高度与电容的对应关系测量物料高度，要求被测物的介电常数变化不大。重锤式传感器是重锤触碰被测物后，计算重锤往返行程，推算物料高度。要求被测物具有一定的硬度。激光传感器利用被测物反射激光，计算激光波束往返时间，推算物料高度。雷达传感器和超声波传感器的原理与激光传感器类似。放射传感器利用放射信号通过被测物后影响信号强度，根据信号强度推算物料高度[3-5]。

通过现场调研，物料运输车露天施工环境导致温湿度变化大，影响被测物的介电常数，使电容式传感器存在误差；物料硬度变化大，重锤式传感器易冲入料层，发生埋锤断线的情况；抛撒物料时，尘土很大，激光信号不易穿透尘土，使传感器失效；雷达传感器价格高昂，放射传感器对人体有害。因此，工程运用中超声波传感器是最优选择。

2.2.2 控制系统

控制系统为嵌入式系统，由微处理器、数据采集电路、输入输出电路等组成。

选择系统的微处理器时首先考虑微处理器的稳定性和可靠性；其次考虑微处理器的功能模块和运算能力；最后考虑微处理器编译软件的简单实用。最终选择了 Microchip公司生产的dsPIC30F6012芯片[6-7]。

数据采集电路设计分为前置通道设计和A/D转换电路设计。前置通道是指系统中从模拟信号输入到进行模数转换之前的部分，主要完成对输入信号的耦合、衰减、放大、电平调整等功能，使模拟信号处在有效范围，以便对不同的外界输入信号进行准确有效转换。模数转换器是A/D转换电路的核心器件，它的性能也将很大程度影响采集系统的性能。根据设计的数据采集系统的主要技术指标，采用了 MAXIM 公司的 MAX197 芯片。该芯片不仅能很好地满足数据采集系统的技术指标要求，而且具有过压保护功能。同时,还可以减少芯片使用数量，减少电路设计的复杂程度[8]。

输入输出电路主要用于连接料仓底部输送带和抛污带的开关、电机驱动电路。为使系统不干扰原车各项控制，输入输出电路采用了光耦与微处理器隔离，输出的控制信号接线端与原车信号接线端并联后进入原车系统。系统断电后，即可恢复原车线路。

2.2.3 无线通信

与市场上的蓝牙、GPRS,GSM,WiFi相比，ZigBee通信的硬件功耗和成本都低[9-11]。因此选择ZigBee通信组建无线网络。

目前，随着ZigBee标准的日益完善，世界各大知名芯片提供商纷纷推出ZigBee芯片和各自的ZigBee协议栈。该传输系统的无线通信设备采用TI公司的CC2430芯片开发的集成模块。该模块的OSI模型包含了4层结构：物理层、数据链路层、网络层和应用层。该模块给用户提供了应用传输接口，方便系统开发。

系统采用星形网作为ZigBee网络拓扑结构。星形网是由一个协调器和多个网络终端设备组成的网络。协调器负责管理整个网络，其他的网络设备都只能与协调器通信。物料运输车检修后可能重新联挂编组，为保证物料运输车上设备的一致性和互换性，规定协调器位于清筛机上，网络终端位于物料运输车上。

3 软件设计

3.1 软件结构

图5 系统软件结构

系统软件结构如图5所示，按功能划分为3个模块。显示界面是人机交互界面，它告知司机末节物料运输车的物料横截面轮廓、超声波测距传感器的状态和物料运输状态。参数设置模块可设置物料运输车物料传输顺序，还可对欠载、超载和偏载进行区间划分。物料传输模块通过获取测距传感器数据，与预设物料状态进行比较，自动判断物料状态，欠载则等待进料，超载则快速向前传输物料，偏载则横向调整进料位置，实现物料自动化传输。

3.2 程序控制方法

欠载和超载程序控制方法如图6所示，当Ⅰ-Ⅴ号超声波测距传感器测量值大于设定值时，物料处于欠载状态，系统等待进料；当Ⅰ-Ⅴ号超声波测距传感器测量值小于设定值，且Ⅵ号超声波测距传感器测量值大于设定值时，物料处于超载状态，系统控制输送带向前输送物料。

图6 欠载和超载程序控制方法

偏载程序控制方法如图7所示。系统通过Ⅰ-Ⅴ号超声波测距传感器的数据若判断出物料处于偏载状态，则通过横向调整抛污带进料位置，实现均载传输。

图7 偏载程序控制方法

4 试验

为验证系统可行性，分别进行了监测精度试验和功能试验。

4.1 监测精度试验

不同线路道床清筛出的沙土和碎石混合比例不一样，会影响物料堆积角，对欠载、超载和偏载监测精度亦会产生影响。为测试系统对物料状态的监测精度，在3种沙土与碎石混合比例下进行试验。试验结果见表1。可见:沙土和碎石不同混合比例下物料状态监测精度满足要求。

表1 物料状态监测精度试验结果

4.2 功能试验

设置6个超声波测距传感器(编号Ⅰ-Ⅵ，设定值为30 cm)，缓慢增加物料高度。当Ⅰ-Ⅴ号超声波测距传感器测量值小于30 cm，且Ⅵ号超声波测距传感器测量值大于30 cm时，系统控制物料向前自动传输，否则等待物料堆满；当Ⅰ-Ⅴ号超声波测距传感器测量值不对称时，系统能显示物料横截面轮廓，司机调整清筛机抛污带进料位置。功能试验结果见图8，物料已堆高到接近料仓两侧挡板，物料顶面平坦。

图8 物料功能试验结果

5 结语

系统选用了适应现场环境的传感器，利用物料堆积特性设计了传感器组探测物料状态，采用无线通信技术实现了数据交换，采用嵌入式技术设计了控制系统，最终实现物料运输车物料状态的监测与控制，解决了操作人员登高作业的各种弊端，防止出现欠载、超载和偏载的情况，提高了物料运输车利用效率和安全性。