一种清筛机智能控制系统的制作方法

本实用新型涉及一种能够提高清筛机作业效率的智能控制系统及其控制方法，属于铁路装备制造领域。

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、输送装置进行道砟回填和抛污。清筛机动力源是两台柴油发动机，整机所有工作装置可分配的最大功率有上限且恒定。施工作业中，针对脏污和板结程度不同的道床，清筛机各工作装置所需功率不同(如：板结严重的工况相比一般工况挖掘阻力大，需要降低行车速度，同时加大挖掘链速，因此走行系统会减小分配功率，挖掘装置会增加分配功率，相应的其他工作装置均会根据实际工作状态对其余功率进行再分配)，能否在不同工况下合理的进行功率分配将直接影响清筛机的工作效率。功率分配合理，每个工作装置间配合模式达到最佳状态，清筛机工作效率就会达到最高，否则就会造成功率浪费，导致效率低下。

现行操作方法：现场操作工人依据挖掘马达压力对工作线路的道床状况做出判断，再依靠长期积累的施工经验对各工作装置工作参数进行调控，完成对整车功率的手动分配。

存在问题：1、对操作人员技术要求高；2、控制精度低，无法实现清筛机各装置间功率的最优分配；3、工作强度大，操作工人很难长时间保持专注力；4、控制存在滞后性，手动控制需要反应时间，若在施工中挖掘阻力突然变大而操作者来不及处理就会造成卡链，从而不得不停车调整，影响整体作业效率。以上这些因素都会导致机器长时间处在非最高效率下工作，进而导致整体施工效率低，同时机器无法充分利用发动机提供的动能，造成能源浪费。

技术实现要素：

本实用新型目的是提供一种适应性好、智能化程度高、工作效率高的清筛机智能控制系统及其清筛智能作业方法，通过采用该方法，使清筛机在应对不同工况时各工作参数的配合模式更合理，相比手动控制，由于控制滞后引起的卡链和被迫停车的情况显著减少，作业效率显著提高，整机更为经济化，合理化。

本实用新型第一方面所述清筛机智能控制系统包括主控制器，该主控制器连接传感器检测系统、触摸屏、报警装置和操作面板，所述主控制器包括可编程逻辑控制器(PLC)，该可编程逻辑控制器的信号输入端通过输入接口电路与所述传感器检测系统的信号输出端连接，可编程逻辑控制器的信号输出端通过输出接口电路与走行速度控制模块、挖掘链速控制模块、起道高度控制模块、振动筛振频控制模块和输送带速度控制模块接收端连接，可编程逻辑控制器的存储端与存储模块连接，可编程逻辑控制器的通信端与通讯模块连接。

优选的是，所述传感检测系统包括走行速度传感器、挖掘压力传感器、挖掘链速传感器、起道高度传感器、振动筛振频传感器、输送带压力传感器和输送带速度传感器。

在上述任一方案中优选的是，所述走行速度传感器为转速霍尔传感器，安装在走行系统主驱动轮轴端侧，其工作原理为通过测量车轮转速间接得到走行速度。

在上述任一方案中优选的是，所述挖掘压力传感器为压力传感器，安装在挖掘马达内，其测得的值即为挖掘系统压力。

在上述任一方案中优选的是，所述挖掘链速传感器为转速霍尔传感器，安装在挖掘装置马达输出轴端处，其原理为通过测量挖掘马达转速间接得到挖掘链速。

在上述任一方案中优选的是，所述起道高度传感器为拉线位移传感器，安装在起道装置提升油缸侧面，其原理为通过测量提升油缸的伸缩量得到起道高度。

在上述任一方案中优选的是，所述振动筛振频传感器为加速度传感器，安装在清筛机振动筛外侧，可通过其测得振动筛频率和振幅。

在上述任一方案中优选的是，所述输送带压力传感器为压力传感器，安装在输送带控制马达内，其测得的值即为输送带压力。

在上述任一方案中优选的是，所述输送带速度传感器为转速霍尔传感器，安装在各输送带背侧摩擦小轮轴端，其原理为通过测量与皮带直接接触的摩擦轮的转速间接得到输送带速度。所述摩擦小轮与输送带通过摩擦直接接触，在实际测量过程中不出现打滑情况，测量原理为通过测量与皮带直接接触的摩擦小轮的转速间接得到输送带速度，即将测量到的转速值转化为输送带水平段的线速度值，摩擦小轮半径r(单位：m)，测得转速值为n(单位：r/s)，则输送带线速度值a(单位：m/s)的计算公式为：a＝2πrn。转速转变为线速度，该技术应用于清筛机输送带速度检测属首次。

本实用新型清筛机智能控制系统，所述触摸屏，布置在清筛机作业司机室操作面板上，所述触摸屏通讯端与主控制器的通讯模块连接，用于显示当前工作模式与各工作参数值，或在特殊情况时由人工干预自动控制系统，修改各工作参数的目标值。

本实用新型清筛机智能控制系统，其中所述报警装置，布置在清筛机作业司机室操作面板上，与可编程逻辑控制器的输出端连接。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，提醒操作人员进行处理。

本实用新型清筛机智能控制系统，其中所述操作面板包括针对清筛机各装置手动操作的按钮和操纵杆，即为现有清筛机作业司机室操作面板，用于开始和结束清筛机作业，或在紧急情况时由人工干预自动控制系统，对机器紧急制动。

本实用新型清筛机智能控制方法：一种提高清筛机作业效率的智能控制方法，能在清筛机每种作业工况下对功率进行充分利用，实现最大作业效率，其步骤包括：

(1)对应不同工况对各工作参数目标值建立数据库，并存储至存储器中；

(2)传感器检测系统检测挖掘马达压力传感器信号，由主控制器依据设定的算法判断当前机器是否处于紧急工况(卡链、导槽堵塞等)，若判定处于紧急工况，则由主控制器通过报警装置发出报警信号提示操作人员处理，否则，进入下一步；

(3)根据传感器检测系统检测到的挖掘马达压力信号，由主控制器依据设定的算法对机器当前的运行工况做出判定，然后在存储器中找到对应工况，调用该工况下各工作参数目标值；(4)传感器检测系统检测走行速度传感器信号、挖掘链速传感器信号、起道高度传感器信号、振动筛振频传感器信号、输送带压力传感器信号、输送带速度传感器信号等值，获取各工作参数当前值，并与主控制器调用的目标值分别进行对比；

(5)若(4)中各参数当前值不等于目标值，则主控制器依据设定的算法对各工作装置按优先级分别进行控制，调整各工作参数当前值直至与目标值一致，否则，保持各工作参数当前值不变；

(6)重复步骤(2)，直到作业完成。

由于上述技术方案的应用，本实用新型具有下列有益效果：

(1)实现了清筛机作业过程的自动化控制，把工人从高强度劳动中解放出来，仅需进行简单的辅助工作；

(2)本实用新型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，因而对清筛机的制造成本影响不大，能在现有机型不变的基础上使清筛机自身的工作效率达到最大，实现对能源的充分利用；

(3)本实用新型相比原有控制方法，对复杂工况的适应性更好，能使机器在绝大多数时间内都能对总功率实现最优分配，使整机处在最大效率下工作，作业效率相比原有控制方法显著提高。

(4)本实用新型能使清筛机在有限的天窗作业时间内完成更多的清筛量，将有效缓解当前国内铁路线路部分路段清筛不及时，道床脏污板结严重的问题。

附图说明

图1为本实用新型清筛机智能作业控制系统的控制结构示意图；

图2为本实用新型清筛机智能作业控制方法的流程示意图。

具体实施方式

实施例1.1:清筛机智能控制系统，包括主控制器，该主控制器连接传感器检测系统、触摸屏、报警装置和操作面板，所述主控制器包括可编程逻辑控制器PLC，该可编程逻辑控制器PLC的信号输入端通过输入接口电路与所述传感器检测系统的信号输出端连接，可编程逻辑控制器的信号输出端通过输出接口电路与走行速度控制模块、挖掘链速控制模块、起道高度控制模块、振动筛振频控制模块和输送带速度控制模块接收端连接，可编程逻辑控制器的存储端与存储模块连接，可编程逻辑控制器的通信端与通讯模块连接。

本实施例中，所述传感检测系统包括走行速度传感器、挖掘压力传感器、挖掘链速传感器、起道高度传感器、振动筛振频传感器、输送带压力传感器和输送带速度传感器。

所述走行速度传感器为转速霍尔传感器，安装在走行系统主驱动轮轴端侧，其工作原理为通过测量车轮转速间接得到走行速度。

所述挖掘压力传感器为压力传感器，安装在挖掘马达内，其测得的值即为挖掘系统压力。

所述挖掘链速传感器为转速霍尔传感器，安装在挖掘装置马达输出轴端处，其原理为通过测量挖掘马达转速间接得到挖掘链速。

所述起道高度传感器为拉线位移传感器，安装在起道装置提升油缸侧面，其原理为通过测量提升油缸的伸缩量得到起道高度。

所述振动筛振频传感器为加速度传感器，安装在清筛机振动筛外侧，可通过其测得振动筛频率和振幅。

所述输送带压力传感器为压力传感器，安装在输送带控制马达内，其测得的值即为输送带压力。

所述输送带速度传感器为转速霍尔传感器，安装在各输送带背侧摩擦小轮轴端，其原理为通过测量与皮带直接接触的摩擦轮的转速间接得到输送带速度。所述摩擦小轮与输送带通过摩擦直接接触，在实际测量过程中不出现打滑情况，测量原理为通过测量与皮带直接接触的摩擦小轮的转速间接得到输送带速度，即将测量到的转速值转化为输送带水平段的线速度值，摩擦小轮半径r(单位：m)，测得转速值为n(单位：r/s)，则输送带线速度值a(单位：m/s)的计算公式为：a＝2πrn。转速转变为线速度，该技术应用于清筛机输送带速度检测属首次。

本实施例中，清筛机智能控制系统所述触摸屏布置在清筛机作业司机室操作面板上，所述触摸屏通讯端与主控制器的通讯模块连接，用于显示当前工作模式与各工作参数值，或在特殊情况时由人工干预自动控制系统，修改各工作参数的目标值。

本实施例中，清筛机智能控制系统中所述报警装置布置在清筛机作业司机室操作面板上，与可编程逻辑控制器的输出端连接。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，提醒操作人员进行处理。

本实施例中，清筛机智能控制系统中所述操作面板包括针对清筛机各装置手动操作的按钮和操纵杆，即为现有清筛机作业司机室操作面板，用于开始和结束清筛机作业，或在紧急情况时由人工干预自动控制系统，对机器紧急制动。

实施例2.1:清筛机智能作业控制方法的流程如下：

(1)对应不同工况对各工作参数目标值建立数据库，并存储至存储器中；

(2)传感检测系统检测挖掘马达压力传感器信号，由主控制器依据设定的算法判断当前机器是否处于紧急工况(卡链、导槽堵塞等)，若判定处于紧急工况，则由主控制器通过报警装置发出报警信号提示操作人员处理，否则，进入下一步；

(3)根据传感检测系统检测到的挖掘马达压力信号，由主控制器依据设定的算法对机器当前的运行工况做出判定，然后在存储器中找到对应工况，调用该工况下各工作参数目标值；

(4)传感检测系统检测走行速度传感器信号、挖掘链速传感器信号、起道高度传感器信号、振动筛振频传感器信号、输送带压力传感器信号、输送带速度传感器信号等值，获取各工作参数当前值，并与主控制器调用的目标值分别进行对比；

(5)若各参数当前值不等于目标值，则主控制器依据设定的算法对各工作装置按优先级分别进行控制，调整各工作参数当前值直至与目标值一致，否则，保持各工作参数当前值不变；

(6)重复步骤(2)，直到作业完成。

本实施例中优选的是，包括修改工作参数目标值的方式，用户可通过触摸屏对某工况下某工作参数目标值进行修改，确认后经通讯模块传送给主控制器，主控制器将按修改后参数施工并在触摸屏提示，此过程适用于施工过程中操作人员对某工况下因某些因素对个别参数进行临时调整的情况。

在本实施例中，在施工过程中若遇到突发情况，如遇到路段道床下埋有大型刚体等无法挖掘的物体时，传感检测系统检测到的挖掘压力会骤增，此时根据设定的算法，程序会判定机器出现紧急情况，并通过司机操作室内的报警装置发出报警信号，操作人员可通过操作面板手动结束程序，暂停施工，经由人工处理后重新开始施工。

在本实施例中，编程人员在主控制器的存储模块中提前预存了工况工作参数目标值，存储方式是按挖掘马达压力信号分段对应不同工况的模式存储，因此不会出现针对某一挖掘马达压力值主控制器找不到对应工况的情况。

在本实施例中，所预存的工作参数目标值是结合数学模型仿真和实验得出，并经由经验的丰富的施工人员确认，均为各工况下对应各工作参数间的最优配合模式，此过程在出厂前已经完成，不需要用户进行此过程。

本实施例提供一组典型工况下各工作参数目标值，当挖掘装置压力传感器检测到挖掘压力在30±0.5MP时，各参数目标值分别为，挖掘链速：3.4m/s，作业走形速度：450m/s，振动筛振频：19HZ，主污土带速：2.8m/s，旋转污土带速2.9m/s，回填输送带速3.4m/s，这些参数值的组合为此工况下各工作参数间的最优配合模式，清筛机对应此工况按此设定参数目标值施工时功率使用率最高，作业效率最大。

本实施例中所提到的“工作参数目标值”为一个系列值，针对挖掘装置压力传感器检测到的每个压力区间，都会对应一组工作参数值，此处只给出一组较典型工况下工作参数目标值。

在本实施例中，开始施工时程序会按照出厂前设定的各工作参数默认值控制各工作装置开始施工，根据用户施工现场情况不同，也可通过触摸屏对各工作参数默认值进行修改设置。

在本实施例中，步骤(5)对各工作参数当前值调整的优先级别为：走行速度—挖掘链速—输送带速度—起道高度—振动筛振频，具体控制方式按设定算法实施。

本实用新型的关键点和欲保护点：

(1)本实用新型通过传感检测系统采集清筛机挖掘马达压力，由计算机判断当前工作状况，然后调用主控制器中预存的相应工况下各工作参数目标值控制工作装置进行施工，此方法具有原创性；

(2)本实用新型实现了清筛机作业的自动化控制，此前清筛机作业均为人工手动控制，本实用新型采用自动控制，因而具有原创性；

(3)本实用新型在清筛机现有机械结构不变的情况下仅通过对控制方法的改进，实现了作业效率的提升，具有原创性；具体改进为：增加主控制器及传感监测系统，改变旧系统手动控制模式为电控模式，在机械结构和装置不变的情况下仅只对个别电气和液压元器件进行改变调整。

(4)本实用新型控制系统对不同工况有良好的适应性，能在清筛机作业过程中进行实时控制，在遇到复杂工况时能实时调整相关参数，使机器始终在最佳效率下工作，保证了清筛机作业效率的最大化。本实施例中，清筛机在作业施工过程中智能控制系统通过对挖掘压力进行实时检测判断工况并实时调整各相应参数值，使机器在应对复杂工况时始终在最佳效率下工作，最佳效率由提前预存的各工况下相应参数目标值保证。