铁路煤炭运输抑尘钩档识别自动喷洒系统应用

王庆立

(中国铁路郑州局集团有限公司 郑州铁路装备制造有限公司，河南 郑州 450052)

煤炭作为国家一种重要的基础能源，在我国的经济和消费结构中处于主导地位。由于铁路运输具有速度快、运量大、成本低及受天气影响小等特点，成为煤炭运输选择的主要途径。我国的煤炭运输多以敞车运输为主，在运输过程中由于线路不平顺及强烈风力等原因，煤尘会随风流失、抛撒扬尘，不仅浪费大量煤炭[1-2]，还严重污染铁路线路及沿线环境。现有的抑尘设备仍然存在防寒能力弱、抑尘剂液体无法回收、钩档避让不准确不稳定或无钩档、预溶搅拌效果不好、抑尘剂固化强度差、污染道床等问题，通过研制铁路煤炭运输抑尘钩档识别自动喷洒系统，以满足铁路煤炭运输抑尘喷洒质量要求，适应铁路煤炭运输发展需要。

1 铁路煤炭运输抑尘钩档识别自动喷洒系统功能设计

1.1 设计原则

铁路煤炭运输抑尘钩档识别自动喷洒系统开发设计主要通过可编程控制器(PLC)控制程序的优化编程及终端喷洒装置的性能改进，在系统稳定可靠、设备技术完善的基础上，实现对设备的智能化控制，提升作业效率及质量，其设计原则主要体现在以下方面。

（1）安全可靠性。铁路煤炭运输抑尘钩档识别自动喷洒系统分由硬件和软件2 个组成部分。在硬件方面，电器元件[3]应选择成熟、通用的器件，以确保系统稳定；考虑到系统频繁启动，应选择寿命长、老化慢、耐冲击的电子元件，在电路设计上做好预防静电、接地、过流保护等处理。在软件方面，应使用正版授权的开发软件，充分测试优化控制程序，以确保电气系统的稳定有效、机车车辆的行车安全、现场作业人员的人身安全。

（2）适用性。依据目前喷洒作业现场的实际情况，结合用户需求及在用设备的风格，铁路煤炭运输抑尘钩档识别自动喷洒系统的各项操作应便于现场人员快速的掌握，实现各项功能智能化，能够“一目了然”地展现出现场操作人员需要了解的各项基本信息，简单易操作，适用性强。

（3）技术先进性。由于铁路煤炭运输抑尘钩档识别自动喷洒系统功能复杂且对自动化程度要求高，具有较多的开关量及模拟量，应采用可编程控制器(PLC)[4]，实现对各种设备的智能化控制。结合车号系统，对各种车型进行判定识别，从而控制喷桶进行选择性喷洒作业；结合光电开关，进行钩档位置判定，钩档识别；利用变频器对喷洒作业实现变速喷洒；采用一键操作控制，实现了全自动喷洒作业。

1.2 功能设计

铁路煤炭运输抑尘钩档识别自动喷洒系统设计立足满足《铁路煤炭运输抑尘技术条件》(TB/T3210.2—2009)，需要具备抑尘剂溶液预溶配制、自循环搅拌、钩档识别、车速车号视频监控、变速喷洒等功能。

（1）抑尘剂溶液预溶配制功能。由于在喷洒作业时，喷出的液体是1% ～ 2%的抑尘剂溶液，而厂家提供的原材料是抑尘剂原液，需要经配制后才能使用，但以往的移动喷洒装置搅拌效果不太理想，还需要另外投资建搅拌系统。系统利用独有的预溶分散技术[5]，加之抑尘液体实现自身循环搅拌，实现了搅拌系统与移动喷洒车的二合一，提高了劳动效率，降低了成本，避免了作业人员登高作业的危险。

（2）自循环搅拌功能。在现有的喷洒管路系统中，通过电动三通阀单设一路管路，直接接入罐中。通过电动三通阀的切换，可由喷洒状态换为自循环状态，对罐中的抑尘剂溶液进行循环搅拌。

（3）钩档识别功能。钩档识别功能的实现通过光电传感器的得失电来进行判定。通过可编程控制器(PLC)控制系统的延迟处理后，电机驱动遮挡机构进行转动，遮挡喷洒窗口，在钩档处进行断流，从而实现钩档的识别停喷。

（4）车速车号视频监控功能。该系统包括车号主机[6]、车号天线、射频电缆、磁钢传感器、工控机、硬盘录像机、摄像头、喷洒管理系统等。车号天线扫描到货车车底的电子标签，反馈到车号主机进行处理，处理后发给PLC 控制系统来判定机车、敞车、集装箱车、平板车、老K 车、罐车等车型，从而控制喷洒系统进行选择性喷洒作业。视频监控系统对作业过程，进行截取作业视频，并传至工控机进行保存，以备调取查看使用。

（5）变速喷洒功能。变速喷洒系统实现随车速的变化实现喷洒量的改变。利用磁钢传感器采集到的车速数据，来实现喷洒系统的变速喷洒作业。通过车速的变化，PLC 控制系统调节潜污泵变频器的频率，从而调节泵的流量，满足铁标要求进行喷洒作业，减少了抑尘剂的浪费，降低了抑尘成本。

（6）一键操作功能。系统可通过一键操作实现液压升降机构、摄像头的升起、旋转、摆动，从而根据作业站点的不同、作业车型的不同来进行作业前的准备。此外，还可通过一键操作“系统启动”实现自动完成喷洒作业。

（7）应急收回功能。该系统配备的液压泵站中手动液压泵可使液压升降柱在断电、故障情况下进行复位收回。另外，还配备应急泵，取用汽车电瓶的电源，可迅速对升降柱喷洒机构进行复位。

（8）防冻功能。为了保证喷洒作业在低温情况下正常运行，在寒冷地方作业的设备须有防冻功能，整套喷洒系统外部集装箱进行封装，顶部采用电动天窗，喷洒储液罐采用双层不锈钢，中间充装聚氨酯泡沫进行保温处理，整个管路系统用伴热电缆加外缠保温橡塑棉进行保温处理，以防止冬季冻结，影响喷洒作业。

（9）自动喷洒功能。与固定式喷洒装置一样，自动喷洒功能是喷洒装置的核心功能，也是技术关健，如何准确快速避让车钩钩档，如何根据车速调节喷洒量，都是喷洒装置的研究重点。系统采用伺服电机直接控制喷桶的开停，可以实现准确避让钩档。为了方便作业，设计遥控功能，实现整个喷洒作业手动、半自动、全自动喷洒作业模式。

2 铁路煤炭运输抑尘钩档识别自动喷洒系统装置

2.1 喷洒装置

原有的移动式喷洒装置主要包括汽车、贮液罐、液压升降机构、液压旋转机构、喷洒机构组成，喷洒原理与摆臂式喷洒装置一样，作业时汽车与列车平行，喷洒管先升降到合适高度，在车辆上方旋转到与车厢正交的位置，即喷洒位置，此时启动喷洒泵开始喷洒。喷洒方式为垂直喷洒。但这种喷洒装置在使用时，因其喷水管安装架作为悬臂要伸出车载平台外侧，整车的重心容易出现偏移，当汽车在正常速度内行驶时，一旦遇到地坑或其他危险情况，可能出现整车倾覆的危险。而且，由于喷水管的高度比机车低，在实际应用中，常出现因操作人疏忽而使得喷水管与机车发生碰撞的事故，存在一定的安全隐患。此外，该移动喷洒装置的储液罐不带配液功能，还需要再投资建设预溶搅拌站。

原有的移动抑尘设备，由剪叉式升降机构、横移小车、喷洒架、储水罐、汽油发电机等构成，该车型在铁路局集团公司内运行多年，部分设备、汽车老化；喷洒作业功能单一，局限性大；环保不达标、喷洒作业不满足六达标要求等原因，已不能满足铁路煤炭运输抑尘日益严格的喷洒作业要求，急需进行升级换代。

铁路煤炭运输抑尘钩档识别自动喷洒系统的喷洒装置设计开发方案是：采用车载模式，在汽车上分别安装柴油机发电设备、电控柜、车速车号监控柜、储液罐、液压升降机构、喷洒机构、摄像头、配套使用车号系统、磁钢传感器、预溶上料机、应急收回泵[7]等。喷嘴进行专业设计，数量布置满足15 km/h 的喷洒量要求。工作时，汽车停靠在轨边的作业平台上，接好车号航插。由一键操作控制液压升降机构将喷桶起升、旋转到适当位置，此时启动液体泵开始喷洒，喷洒方式为垂直喷洒。喷洒装置设计采用侧面喷洒方式，喷头位于车载平台两侧面内，当喷头工作时，整个车载平台的重心偏移量很小，车载平台运行稳定，避免了整车倾覆的危险。升降旋转机构实现喷洒作业可向左或向右进行，从而增加了装置的适应能力，提高了工作效率。喷头为扇形喷头，喷洒角度准确，喷洒区域为长条形，既保证了喷洒均匀，又便于避让钩档。喷洒筒采用伺服电机进行驱动控制，位置精确，反应灵敏，无电磁铁控制的巨大噪音。

2.2 预溶上料装置

在配制喷洒溶液的过程中，需要对抑尘剂预溶上料，在上料时，由于抑尘剂具有一定粘度，普通加注泵多不能满足需求，容易堵塞，而且加注效率不高，特殊加注泵(如胶体泵或转子泵)价格昂贵，成本高，且不适合加注抑尘剂。因而需要研发抑尘喷洒系统的预溶上料装置，以有效解决现有抑尘剂上料装置的上述缺陷。预溶上料装置包括承载装置1 及承载装置上装配的搅拌装置31、加注泵2、清洗箱4和抑尘剂箱3。承载装置为具有平板结构的手推车。搅拌装置用于对原料进行稀释搅拌。加注泵2 选择为齿轮泵，一端通过输入软管连通清洗箱和抑尘剂箱，另一端通过所述输出软管6 连通抑尘喷洒设备的罐体；输出软管端部设置有磁性件，用于与罐体的上料口磁性吸附；输入软管包括第一输入软管51和第二输入软管52，第一输入软管51 连通清洗箱，第二输入软管52 连通抑尘剂箱。清洗箱用于储存清洗液。抑尘剂箱用于储存抑尘剂，抑尘剂箱中安装有高速搅拌机，对抑尘剂进行搅拌预溶。采用齿轮泵向抑尘喷洒设备加注抑尘剂，不仅能够满足特定粘度抑尘剂的上料需要，而且便于在上料后对齿轮泵和管道进行清洗，方便后续上料，保证上料操作的持续性。预溶上料装置示意图如图1 所示。

3 铁路煤炭运输抑尘钩档识别自动喷洒系统工作流程

3.1 系统构成

铁路煤炭运输抑尘钩档识别自动喷洒系统主要由PLC 控制系统、车速车号监控系统、一键升降系统、喷洒作业管理系统构成。

（1）PLC 控制系统由电气控制柜、光电开关、伺服控制系统等组成，主要作用是根据车号、车速进行选择性喷洒作业、钩档识别、变速喷洒。光电开关对车辆钩档进行检测，把高低电平信号传递给PLC 对喷洒作业时间进行控制。伺服控制系统由伺服电机及伺服驱动器组成，作为终端驱动设备对喷洒装置进行驱动，控制喷桶的开合，以实现钩档的识别。

（2）车速车号监控系统由显示器、摄像头、硬盘录像机、磁钢及车号识别系统等组成，主要作用是识别各种车型，传递信号给PLC 控制系统进行作业。磁钢传感器测得车速进行变速喷洒，监控系统观察喷洒现场，做好接车准备；确认列车通过情况、识别机车车号信息等机车工作状况，并对全程实时监控、录像。

（3）一键升降系统由PLC、液压升降臂、摄像头等组成，主要作用是一键升降，使其能自动达到喷洒状态，提高工作的安全性和便捷性。液压升降臂上安装有喷洒装置，由PLC 程序来控制喷洒装置的升降、旋转、摆动及摄像头倒伏平台的升降，从而实现了一键升降，一键操作。

（4）喷洒作业管理系统由工控机、显示器等组成，主要作用是对喷洒作业过程的车速、车型、车号、单车喷洒量等数据信息进行记录，并生成电子报表，以备下载保存。通过显示器显示的抑尘喷洒系统，可方便直观地看出系统运行情况，并通过鼠标点击相应图标，对喷洒设备进行直接控制。

图1 预溶上料装置示意图Fig.1 Pre-dissolving feeding device

3.2 工作流程

铁路煤炭运输抑尘钩档识别喷洒系统的工作核心是可编程控制器(PLC)，其工作流程由主机控制。主机设计开发由工控机、显示器、通信设备、PLC、车号主机和机柜组成。工控机采用高性能处理器和显卡，运行车速车号监测软件[8-9]对采集的数据进行计算、统计、存储，配有大容量存储硬盘，可对喷洒作业视频进行截取保存，满足文件保存时限要求。铁路煤炭运输抑尘钩档识别自动喷洒系统工作流程如图2 所示。

图2 铁路煤炭运输抑尘钩档识别自动喷洒系统工作流程图Fig.2 Workflow of the automatic identification spraying system for coal dust depression in railway transportation

4 结束语

铁路煤炭运输抑尘钩档识别自动喷洒系统已在中国铁路郑州局集团有限公司管内进行了长期有效的运用。该系统立足解决铁路煤炭运输抑尘及喷洒抑尘作业产生的二次污染的问题，根治了原有抑尘设备的缺陷，减少了道床的污染情况，提高了抑尘作业的自动化程度，保证了抑尘喷洒作业质量，收到了较好的社会效益和经济效益。铁路煤炭运输抑尘钩档识别自动喷洒系统可作为移动式或简易固定式抑尘喷洒设备进行使用，系统全套设备使用投资较小，作业方式灵活，无需建房，是对现有固定式喷洒装置的有效补充，是实现铁路煤炭运输抑尘全覆盖不可或缺的喷洒装置，有助于提升煤炭抑尘喷洒质量，提高煤炭抑尘工作效率。