一种清筛机作业过程的自动控制系统的制作方法

本发明涉及一种自动控制系统，尤其是针对清筛机作业过程的自动控制系统。

背景技术：

清筛机用于清筛道床上道砟，能对道床进行周期性的大修清筛作业，恢复道床的弹性和排水性能，它将脏污的道砟从轨枕底挖出后进行筛分，将清洁道砟回填至道床，筛分出的污土抛出到线路外，达到对碎石道床清筛的目的。

清筛机动作包含：走行系统带动整车走行、起道装置提升轨道、挖掘系统挖出道砟、筛分装置清筛道砟、输送装置回填道砟和抛污。清筛机动力源为“发动机—分动箱—液压泵”系统，各工作装置液压系统独立，根据现场工况的需求和液压系统特性，各液压系统在出厂前均调定一个最大工作压力，当工作压力超过其设定值时液压油就会通过溢流阀溢流。因此，为保证清筛机各装置的正常工作，施工中各液压系统工作压力都应该小于调定值。

现行施工方法：在施工过程中，主操作手根据挖掘装置挖掘马达压力、振动筛振动马达压力和各输送带的马达压力来调整清筛走行速度，若以上指标有一个超出调定值，就要降低作业走行速度，使各装置马达压力均控制在合理工作范围内。

上述现行施工方法存在的问题是：1、操作人员工作强度大，难以长时间保持专注力：清筛机一次作业通常会持续一个天窗时间，遇到道床情况较复杂的工况，操作人员往往需要反复调节车速进行作业控制，工作强度极大；2、对操作人员技术要求高：为保证清筛机的作业效率，针对不同工况操作人员需采取不同的施工策略，同时在施工过程中还要根据路况的变换对车速进行及时调整，要求操作人员必须有丰富的施工经验；3、保守操作导致作业效率低：手动施工中，操作人员需观察数据较多，为保证不出现卡链、堵带等情况，其一般会保守操作，使各装置在相对轻松的状态下作业，从而导致实际作业效率低于设计作业效率；4、控制滞后导致效率低：尽管操作人员会保守操作，但在施工中遇到因工况突变导致挖掘阻力突然增大的情况，由于手动控制从操作人员观察到现象到实施控制需要一定时间，一旦处理不及时就很容易造成卡链情况，从而不得不停车调整，影响整体作业效率。以上因素都说明，本发明清筛机作业过程的自动控制系统有重要意义。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种自动化程度高、连续性好的清筛机自动控制系统，通过采用该系统，使清筛机作业过程实现自动化控制，相比手动控制，能有效提高控制精度和灵敏度，保证机器全过程高效施工，同时有效避免作业过程因控制滞后导致的停车情况，作业效率相比手动控制显著提高。

本发明第一方面提供一种清筛机作业过程的自动控制系统，包括主控制器、人机交互界面、数据采集控制模块I、数据采集控制模块II、数据采集控制模块III和数据采集控制模块IV，所述主控制器通过CAN总线分别连接数据采集控制模块I、数据采集控制模块II、数据采集控制模块III和数据采集控制模块IV，用于采集数据采集控制模块I、数据采集控制模块II、数据采集控制模块III和数据采集控制模块IV信号并向其发送控制指令，实现对清筛机作业过程的自动控制。所述人机交互界面布置在清筛机作业司机室操作面板上，其通过通讯模块直接于主控制器实现通讯，用于作业过程中显示和修改各工作参数值，此外还用于在程序判定出现紧急情况时向操作人员发出报警信号，提醒操作人员及时处理。

优选的是，所述数据采集控制模块I包括CAN-bus通讯模块I、输入模块和输出模块I，所述CAN-bus通讯模块与CAN总线连接，所述输入模块分别与挖掘系统压力传感器、挖掘链速度传感器连接，所述输出模块与挖掘链速度控制模块连接，用于检测挖掘系统工作压力、挖掘链工作速度和控制挖掘链工作速度。

所述数据采集控制模块II包括CAN-bus通讯模块II、输入模块和输出模块，CAN-bus通讯模块II与CAN总线连接，输入模块与振动系统压力传感器、振动筛振频传感器连接，输出模块与振动筛振频控制模块连接，用于检测筛分系统工作压力、振动筛振动频率和控制振动筛振动频率。

所述数据采集控制模块III，包括CAN-bus通讯模块III和输入模块，CAN-bus通讯模块III与CAN总线连接，输入模块与输送系统压力传感器、输送带速度传感器连接，输出模块与输送带控制模块连接，用于检测输送系统工作压力、输送带工作速度和控制输送带工作速度。

所述数据采集监控模块IV，包括CAN-bus通讯模块IV、输入模块和输出模块，CAN-bus通讯模块IV与CAN总线连接，输入模块与走行系统压力传感器、走行速度传感器连接，输出端模块与走行速度控制模块连接，用于检测走行系统工作压力、作业走行速度和控制作业走行速度。

本发明清筛机作业过程的自动控制系统，控制准备工作如下：

(1)确定各装置液压系统工作压力的正常工作压力下限、正常工作压力上限和最大工作压力值，并预存至主控制器。其中正常工作压力上限和正常工作压力下限构成正常工作压力范围，工作装置在此压力范围内工作时满足运行条件，工作效率高且施工连续性好；最大工作压力值指工作装置运行时能允许达到的最大工作压力值，工作装置工作压力达到此压力值时系统启动过载保护模式，此时液压油开始通过溢流阀溢流，系统无法正常工作，应立即停车调整。

(2)确定挖掘链速度、振动筛频率、输送带速度三个工作参数在工作时所允许达到的最大值，并预存至主控制器。一旦相应工作参数超出最大值，说明机器工作异常，存在施工安全隐患，应立即停车调整。

(3)确定各工作参数默认值和动作顺序，并预存至主控制器。开始自动施工时，使机器通过主控制器控制各工作装置按此默认值和动作顺序依次动作进行施工。需要说明的是，此处各工作参数默认值并非都是定值，根据工作装置特性和施工需求，开始施工后，控制器会按一定速率逐步调整各装置达到预定工作参数。

本发明清筛机作业过程的自动控制系统，其控制流程如下：

(1)由操作人员将控制模式切换为“自动模式”，此时人机交互界面将显示各工作装置工作参数默认值，操作人员可选择是否修改这些参数，并在点击“确认”按钮后开始自动施工作业；(2)施工过程中由主控制器通过数据采集控制模块检测各装置工作参数，若挖掘系统压力、筛分系统压力、输送系统压力中有压力达到最大工作压力值，或挖掘链速度、振动筛频率、输送带速度中有参数超出最大值，则系统判定为出现紧急情况，由主控制器通过数据采集控制模块控制各装置暂停施工并通过人机交互界面发出报警信号，由操作人员排除问题后解除报警，返回步骤(1)；

(3)施工过程中由主控制器通过数据采集控制模块检测各装置工作参数，若挖掘系统压力、筛分系统压力、输送系统压力中有压力超出正常工作压力范围且未达到最大压力值，同时挖掘链速度、振动筛频率、输送带速度均未超出最大值，则调整作业走形速度，直至相应系统工作压力恢复至正常工作压力范围；

(4)施工过程中由主控制器通过数据采集控制模块检测各装置工作参数，若挖掘系统压力、筛分系统压力、输送系统压力均在正常工作压力范围内，同时挖掘链速度、振动筛频率、输送带速度均未超出最大值，则保持当前工作状态不变，继续施工。

由于上述技术方案的应用，本发明具有下列有益效果：

(1)本发明实现了清筛机作业过程的自动化控制，由机器代替人员进行施工作业，把清筛机操作人员从高强度劳动中解放出来，仅需进行简单的辅助工作；

(2)本发明控制思路和方法于来源于当前操作人员手动施工的控制方法，但相比手动控制，本发明控制的准确性和连续性都得到了极大的提升，由控制滞后引起的卡链和被迫停车等情况显著减少，整体作业效率得到显著提高；

(3)本发明对原有清筛机机械结构未做改变，仅改变了个别电气和液压元器件的控制方法，在对清筛机的制造成本影响不大的情况下就实现了施工过程的自动化控制；

(4)本发明采用CAN总线协议，支持分布式控制，针对清筛机外形大、各装置距离远、信号线多的特点只用两根线就能实现通讯，降低了清筛机作业过程自动化改造的难度，此外采用此协议还有可靠性高、容错能力强等优点。

附图说明

图1为本发明清筛机作业过程的自动控制系统结构示意图；

图2为本发明清筛机作业过程的自动控制流程示意图。

具体实施方式

实施例1.1:一种清筛机作业过程的自动控制系统，包括主控制器、人机交互界面、数据采集控制模块I、数据采集控制模块II、数据采集控制模块III和数据采集控制模块IV，所述主控制器通过CAN总线分别连接数据采集控制模块I、数据采集控制模块II、数据采集控制模块III和数据采集控制模块IV，用于采集数据采集控制模块I、数据采集控制模块II、数据采集控制模块III和数据采集控制模块IV信号并向其发送控制指令，实现对清筛机作业过程的自动控制。所述人机交互界面布置在清筛机作业司机室操作面板上，其通过通讯模块直接于主控制器实现通讯，用于作业过程中显示和修改各工作参数值，此外还用于在程序判定出现紧急情况时向操作人员发出报警信号，提醒操作人员及时处理。

优选的是，所述数据采集控制模块I包括CAN-bus通讯模块I、输入模块和输出模块I，所述CAN-bus通讯模块与CAN总线连接，所述输入模块分别与挖掘系统压力传感器、挖掘链速度传感器连接，所述输出模块与挖掘链速度控制模块连接，用于检测挖掘系统工作压力、挖掘链工作速度和控制挖掘链工作速度。

所述数据采集控制模块II包括CAN-bus通讯模块II、输入模块和输出模块，CAN-bus通讯模块II与CAN总线连接，输入模块与振动系统压力传感器、振动筛振频传感器连接，输出模块与振动筛振频控制模块连接，用于检测筛分系统工作压力、振动筛振动频率和控制振动筛振动频率。

所述数据采集控制模块III，包括CAN-bus通讯模块III和输入模块，CAN-bus通讯模块III与CAN总线连接，输入模块与输送系统压力传感器、输送带速度传感器连接，输出模块与输送带控制模块连接，用于检测输送系统工作压力、输送带工作速度和控制输送带工作速度。

所述数据采集监控模块IV，包括CAN-bus通讯模块IV、输入模块和输出模块，CAN-bus通讯模块IV与CAN总线连接，输入模块与走行系统压力传感器、走行速度传感器连接，输出端模块与走行速度控制模块连接，用于检测走行系统工作压力、作业走行速度和控制作业走行速度。

实施例2.1:一种清筛机作业过程的自动控制系统，其控制实施方法如下：

(1)由操作人员将控制模式切换为“自动模式”，此时人机交互界面将显示各工作装置工作参数默认值，操作人员可选择是否修改这些参数，并在点击“确认”按钮后开始自动施工作业；(2)施工过程中由主控制器通过数据采集控制模块检测各装置工作参数，若挖掘系统压力、筛分系统压力、输送系统压力中有压力达到最大工作压力值，或挖掘链速度、振动筛频率、输送带速度中有参数超出最大值，则系统判定为出现紧急情况，由主控制器通过数据采集控制模块控制各装置暂停施工并通过人机交互界面发出报警信号，由操作人员排除问题后解除报警，返回步骤(1)；

(3)施工过程中由主控制器通过数据采集控制模块检测各装置工作参数，若挖掘系统压力、筛分系统压力、输送系统压力中有压力超出正常工作压力范围且未达到最大压力值，同时挖掘链速度、振动筛频率、输送带速度均未超出最大值，则调整作业走形速度，直至相应系统工作压力恢复至正常工作压力范围；

(4)施工过程中由主控制器通过数据采集控制模块检测各装置工作参数，若挖掘系统压力、筛分系统压力、输送系统压力均在正常工作压力范围内，同时挖掘链速度、振动筛频率、输送带速度均未超出最大值，则保持当前工作状态不变，继续施工。

在本实施例中，在主控制器的存储模块中预存的正常工作压力下限、正常工作压力上限、最大工作压力值以及挖掘链速度、振动筛频率、输送带速度所允许的最大值，均是根据现场工况需求和液压系统特性，结合人工手动施工长期积累的经验共同得出的，具有合理性和可行性。

在本实施例中，各工作参数默认值出厂前已完成设定，用户也可根据施工现场情况不同，在施工前通过人机交互界面对各工作参数默认值进行修改，若点击“保存当前参数”按钮，修改后的二次参数会通过CAN总线传输至主控制器存储模块，再次施工时可调用此参数。

在本实施例中，步骤(3)中各装置液压系统工作压力超出正常工作压力范围是指有工作压力低于正常工作压力下限或高于正常工作压力上限，相应措施分别为提高和降低作业走行速度。在本实施例中，步骤(3)中只有出现挖掘系统压力、筛分系统压力和输送系统压力中有压力值超出正常工作范围，同时所有压力值均未达到最大压力值的情况下才会对作业走形速度进行相应调整。此外，加快作业走行速度时，只要有一个压力值达到正常工作压力上限，则停止加速。

在本实施例中，设计了“手动模式”和“自动模式”互锁开关，目的是确保有两套并行的控制系统且同时只能有一套控制系统有效。操作者可自主选择两种模式，此外，在自动控制系统出错时，操作者也可及时切换至“手动模式”进行人工干预。

在本实施例中，当有工作装置出现工作压力达到最大工作压力值时，程序会判定机器出现紧急情况，暂停各装置工作并通过司机操作室内的人机交互界面发出报警信号，由人工处理并解除报警后重新开始工作。此情况包括：当检测到挖掘系统工作压力达到最大工作压力值时，通常是因挖掘装置遇到无法挖动的物体造成卡链，必须停车处理；当检测到筛分系统压力达到最大工作压力值时，通常为振动筛堵塞，必须停车处理；当检测到输送系统压力达到最大工作压力值时，通常为输送带因负载过大造成堵带，必须停车处理。

本发明的关键点和欲保护点：

(1)本发明实现了清筛机作业的自动化控制，改手动操作控制模式为自动控制模式，且作业效率优于手动控制；

(2)本发明首先在主控制器中预存各装置工作压力的正常工作压力范围和最大工作压力值，然后通过控制作业走行速度将各装置工作压力控制在正常工作压力范围内，实现对清筛机作业过程的自动控制，此方法具有原创性；

(3)本发明在清筛机原有机械结构不变的情况下仅通过对控制方法的改进，实现了清筛机作业过程的自动控制，节约人力成本的同时提高了清筛机作业效率；

(4)本发明控制系统控制准确性和实时性均优于手动控制模式，有效减少了施工中因操作因素导致的停车情况。