智能无偏载装车控制系统研究

管 鑫， 王宝超， 燕春光， 南光熙， 杨 焕， 杨 帅

（1.中机生产力促进中心， 北京 100044； 2.中车唐山机车车辆有限公司， 河北 唐山 063035）

0 引言

高速货运动车组是我国正在研制的新一代高端运载工具，其采用标准集装器，实现货物的标准、快捷、安全运输，其安全性能要求极高。按照我国铁路运行的相关标准规定，车辆轴重偏差不应超过平均轴重的±2%，轮重偏差不应超过轴的平均轮重的±4%[1，2]。因此，需要对标准集装器内的货物重量分布严格控制， 保证轮对的轮压偏差满足标准要求，因此，需要采用先进的控制系统，实现对装满货物的标准集装器进行智能称重和智能配载， 实现高速货运动车组偏载率的严格控制，以保证其安全运行。

1 称重原理[3]

本系统基于“四角称重”原理，对集装器的重心进行测量。当集装器放入到称重设备上时，称重设备将自动测量除去皮重的集装器的重量以及集装器在称重设备的相对重心位置。 在称重设备称重的同时，测距仪将对集装器的在称重设备中的相对位置进行测量，进行修偏，最后得出集装器的重心。 其测量原理如图1 所示[4]。

图1 称重及重心测量原理图

其具体步骤为：

（1）称重，得出四个传感器测量值（去皮重）：g1，g2，g3，g4。

（2）计算称重重心：Xs，Ys。

（3）测量集装器相对位置：X1，X2，Y1。

（4） 计算集装器在称重设备中的偏移量Xc，Yc 以及转角θ。

（5）进行修偏计算。

（6）最终得出集装器重心X，Y。

2 控制系统组成

控制系统主要由电气系统和软件系统组成。 其控制原理如图2 所示。

图2 智能无偏载装车系统控制原理图

2.1 电气系统

电气系统主要由电控柜、称重传感器、测距传感器、信号触发传感器、主控计算机、手持式终端组成。 PLC 采用的是西门子S7-1200 系列， 称重传感器采用高精度传感器模组，主控计算机采用联想Thinkpad E42，手持式智能终端为便携式平板电脑微软（Microsoft）Surface 3。

（1）电控柜。本系统中采用的低压电器均为进口品牌产品，PLC 采用的是西门子S7-1200 系列，端子采用了国内知名品牌产品，见图3。

电控柜主要参数：尺寸：（2200×800×1000）mm；进线总功率：5kW（380V、TNS）3kW（220V）；设计标准：GB 50055。

（2）称重传感器。 称重传感器采用了进口的C3 级高精度传感器模组，单个最大承重5t，见图4。

（3）测距传感器。 测距传感器采用日本optex CD33-30 激光测距传感器，精度等级±0.1% F.S.，见图5。

（4）信号触发传感器。 信号触发传感器采用日本optex奥泰斯z3 对射型传感器，开关量信号，10～30VDC，见图6。

（5）主控计算机。主控计算机采用联想thinkpad E42，主要配置第六代酷睿i5 2GB 独显，8GB 内存，4*USB 其中2*USB 3.0，Windows 系统，见图7。

（6）手持式智能终端。 手持式智能终端为微软（Microsoft）Surface 3 便携式平板电脑，其主要参数：10.8 英寸（1920×1280），Windows 系统，见图8。

图3 电控柜外观图

图4 称重传感器外形图

图5 测距传感器外形图

图6 信号触发传感器外形图

图7 主控计算机外形图

图8 手持式终端外形图

2.2 软件系统

软件系统由主机端软件以及手持式客户端软件两大部分，见图9。 主机端软件的主要功能是根据各集装器的载荷及分布等基础数据，对集装器进行自动筛选，优化组合，并完成智能化模拟装载。 在完成模拟装载后，将装载流程导出到移动设备客户端APP， 指导装车人员进行实际装车。客户端软件的主要功能时下载装箱流程，并以图文方式显示在界面上，指导装箱人员按照流程进行操作，同时还模拟显示各个轮压的变化情况。 软件系统的系统环境为Windows 系统， 应用软件则基于微软的Visual Studio 以及SQL 数据库开发。

图9 主机端软件主界面和手持式客户端软件主界面

在重心测量方面，采用坐标变换以及修偏算法。 当集装器以四角称重方法测得重量、位置信息后，测量软件需要进行坐标变换， 将坐标值从称重单元坐标转化为集装器的专有坐标， 并通过修偏计算才能得出正确的重心坐标值。 装箱方面，对集装器的重量、重心的特性进行研究，通过简化搜索算法的相似法则及对称法则， 使得在一系列带有重量、重心参数的集装器ID 中搜索出合适的集装器系列更为快捷，计算复杂度大为降低。

主机端软件主要功能有：集装器ID 管理、称重及重心计算、集装器搜索及装箱流程及数据库管理等内容。主机端软件功能模块表如表1 所示。

表1 主机端软件功能模块表

3 试验验证

为了验证本项目研发的设备性能， 进行了一系列测试验证。 测试内容有两部分： 第一部分是称重及测量重心，另一部分是装箱流程的生成。

3.1 重心测试

采用 （1200×1000）mm 的金属架模拟试件 （总重约200kg）测试，如图10 所示。

图10 测试件外形以及尺寸

测试结果，称重的最大误差为：1kg。

重心计算的平均误差为：x-方向：≤1mm；y-方向：≤1mm。

而最大的重心误差为：x-方向：-3.31；+4.45。y-方向：-4.9；+3.76。

软件计算界面截图，见图11。

图11 软件截图

3.2 模拟装箱流程测试

用一组集装器样本生成流程， 用所生成的流程装箱后，判别轮压及轴重是否能满足偏差规定，对其收敛性及最终的轮压偏差等方面进行测试验证。

装箱流程生成并装箱后，轮压偏差为：≤4%，轴重偏差为：0.51%。 图12 是软件计算界面截图。

测试表明，两项测试内容均满足设计要求。

图12 软件截图

4 结束语

本文介绍了一套智能无偏载装车系统的控制系统，介绍了其称重原理、系统组成。 并进行了试验验证，经过试验测试，性能均满足设计要求。 验证结果表明，设备性能优良，结果行之有效。