煤炭快速装车站抑尘剂喷洒装置自动控制系统的设计文档格式.docx

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题目类别

基础研究□应用研究

其它□

一、调研资料的准备

1.在图书馆查阅相关的资料进行阅读；

2.通过网络搜索相应的国内外论文、期刊等进行参考。

二、选题依据

粉尘污染是当前世界公害之一。

煤炭在铁路运输过程中，由于列车颠簸及风力的作用，表面干燥、细散的煤尘会扬起或散落路面，造成了大气中可吸入颗粒物浓度急剧升高，对铁路线路环境造成不同程度的粉尘污染，尤其是在列车高速行驶及会车时，风力飞扬散落的颗粒会更多，干扰了铁路地面设备的正常使用，而且由于电缆等处沉积的煤尘自燃容易引起火灾，严重影响行车安全。

同时，由于货物流失，也给货主造成了一定的经济损失。

为了做好铁路散装颗粒货物固化运输工作，保护沿线环境不受粉尘污染，确保行车安全必须研制出新型化学抑尘剂及煤炭快速装车站抑尘剂喷洒装置。

目前，阻止煤炭散落的方法主要有机械加盖法、蓬布遮盖法、集装箱专用列车法、喷洒抑尘剂法等几种方法，抑尘剂可采用人工、机械或自行式喷洒设备车及铺设固定管道的方法进行喷洒作业。

兰州交通大学和北京交通大学已研制出固定喷洒设备用于运煤列车运行中喷洒抑尘剂的工作中。

除了传统的抑尘方法外，一些国家在露天场所也尝试采用比较新颖的抑尘方法，如水雾除尘、泡沫除尘、磁化水除尘、高压水除尘以及人工降雪除尘等。

但是，这些除尘方法所需设备费用较高以及技术不成熟而使其推广应用受到一定的制约。

现有的抑尘剂喷洒装置，外形不美观，在使用过程中存在操作不方便，费时费力，抑尘剂浪费严重等不足。

三、选题目的

煤炭快速装车站抑尘剂喷洒装置是在现有的喷洒装置基础上，对其进行改装、创新，使其外形更加美观，更改现有不足，在喷洒过程中能够自动控制摆臂，完成回转和回位，要设有完善的流量调控系统、车辆之间的停喷装置等，利用全自动的人性化界面操作，实现固尘剂的自动喷洒，适用于煤矿、选煤厂等铁路运输列车，可自动向装煤车厢内煤表面喷洒抑尘剂,使车厢内煤表面固化,在运输过程中不起煤尘,从而达到保护铁路周边环境,减少煤炭运量损失的目的。

四、选题要求

1.煤炭快速装车站抑尘剂喷洒装置的控制方式要有创新性、可靠性；

2.煤炭快速装车站抑尘剂喷洒装置的机械结构要工作稳定、可靠；

3.煤炭快速装车站抑尘剂喷洒装置宜采用自动控制喷洒功能，数据准确，操作方便。

五、进度安排

第一阶段2011年12月---2012年2月资料准备阶段

大量阅读与该课题有关的资料及相关的论文，酝酿课题实施方案及相关措施

第二阶段2012年3月---2012年4月中旬初稿写作

根据开题报告及指导教师对课题内容、完成形式的要求得到相应的资料及结果。

及时听取导师的意见，完善方案措施；

继续开展研究；

争取有一定的成果并完成初稿接受检查。

第三阶段2012年4月中旬

根据导师对初稿的评定结果进行改进，以利于论文的继续进行。

第四阶段2012年4月下旬---2012年5月定稿

完成毕业论文的写作并交导师评阅，根据导师提出的要求进行必要修改，进一步完善论文的攥写。

六、完成毕业论文所需条件

在指导教师的帮助下，通过仔细查阅书籍、期刊，进一步在互联网上搜索学习与选题有关的专业知识，完成对相关知识的掌握，并适当进行调研及相关实验等。

七、主要参考文献

[1]吴清平.快速定量装车站液压系统的安装和调试[J].煤矿机械,1997

（2）.

[2]耿德玉.选煤厂外运装车站集控系统的研究[J].山西煤炭,2008（6）.

[3]孙三祥，常青，李杰，等.大秦线运煤列车煤扬尘防治技术研究［J］.铁道学报，2006，28

（2）.

[4]寿越穗，王近近.铁路煤场扬尘及防治［J］.铁道劳动安全卫生与环保，1996，23

（2）.

[5]张华俊，刘菲，张兴凯，等.路面抑尘剂综述［J］.劳动保护科学技术，2000，20（6）.

评委评语及其建议：

评委签字：

院（系、部）盖章：

年月日

泰山学院

本科毕业论文（模拟）

专业名称机械设计制造与自动化

申请学士学位所属学科工学

指导教师姓名、职称

2011年11月27日

联系电话：

摘要

随着经济的快速发展，煤炭生产企业运量快速增长。

在煤炭运量快速增长的同时，煤炭运输和装车引起的扬尘影响铁路周边环境问题，一直是影响各局货场及运输周边环境环保问题的主要因素。

为此，大力推动煤炭抑尘项目的发展，努力建设和探索运输与环境和谐的煤炭运输形式已经得到铁道部高度重视。

目前，抑尘剂喷洒多数企业采用人工上车喷洒的全手工作业方式，其效率低下，费时费力的，同时存在各种不安全隐患。

少数企业新装了喷淋基站，但其喷洒量不能有效控制，没有完整的数据跟踪机制，不能对已经作业的信息进行查询和共享。

目前针对抑尘剂喷洒现状开发出了一套全自动抑尘剂喷洒系统，此系统可以在车辆行进中喷洒，无需人工现场参与。

大大提高作业效率，均匀控制喷洒流量，避免浪费等，便于数据跟踪和查询，完全可以作为喷洒收费的依据等。

在铁路煤炭运输过程中,吹落的煤尘不铁路抑尘站喷洒控制系统是在可编程PLC控制器的信号输入端连接与安装在喷洒机上的测算列车车速的三个红外光电开关；

用于控制喷洒泵起动并控制流量变频调速器，用于转筒转动控制步进电机转动的交流接触器。

本实用新型解决了铁路抑尘剂喷洒自动化的问题，而且计量准确，喷洒均匀，还避免遗漏到车厢空档的铁轨上。

关键词：

快速装车站，抑尘剂，喷洒，控制系统，PLC

ABSTRACT

Withtherapideconomicdevelopment,rapidgrowthofcoalproductionenterprisetraffic.Rapidgrowthincoalshipments,whiletransportandloadingofcoaldustcausedbythesurroundingenvironmentalissuesaffectingtherailway,hasbeentheimpactoftheBureauofTransportationyardandenvironmentalissuessurroundingamajorfactor.Tothisend,vigorouslypromotethedevelopmentofcoaldustproject,effortstobuildharmonywiththeenvironmentandexplorethetransportofcoaltransportationintheformhasbeenattachedgreatimportancetotheMinistryofRailways.

Currently,themajorityofdustsprayedonthecarcompaniesuseartificialspraytheentiremanualprocess,itsefficiencyislow,time-consuming,whilethereareallkindsofhiddendangers.Sprayasmallnumberofcompaniesnewlyinstalledbasestations,butcannoteffectivelycontroltheamountofspray,thereisnocompletedatatrackingmechanism,cannothavejobstoqueryandshareinformation.Thecurrentstatusquofordustsuppressantsdevelopedaspraydustsuppressionagentautomaticsprinklersystem,thissystemcanbesprayedinthevehiclemoving,withouthumanparticipationinthescene.Greatlyimproveoperationalefficiency,uniformsprayflowcontrol,toavoidwaste,etc.,tofacilitatethetrackinganddataqueriescanbeusedasthebasisforchargessuchasspraying.

Inthecourseofrailtransportationofcoal,thecoaldustisnotblowndustrailwaystationsprinklercontrolsystemisprogrammablePLCcontrollersignalinputconnectionandinstallationofthespraymachineonthespeedofthetrainmeasuredthreeinfraredphotoelectricswitches;

forcontrolofspraypumptostartandcontroltheflowfrequencyconverterforcontrollingsteppermotorrotatingdrumrotatingcontactor.Theutilitymodelrailwaydustsuppressantstosolvetheproblemofautomatedsprayingandaccuratemeasurement,sprayevenly,butalsotoavoidmissinggaptothecaronthetracks.

Keywords:

fastloadingstation,dustsuppressionagent,sprinkling,controlsystem,PLC

1.引言

快速装车站抑尘剂喷洒装置是专门针对地面定量快速装车站的实际情况和具体要求而设计,适用于煤矿、选煤厂等铁路运输快速装车站,可以自动向装煤车厢内煤表面喷洒抑尘剂,使车厢内煤表面固化,在运输过程中不起煤尘,从而达到保护铁路周边环境,减少煤炭运量损失的目的。

该系统采用机电液结合集中控制的方式,并在系统的设计中充分考虑了严寒、粉尘、湿气大、抑尘剂腐蚀性较强等工作现场的恶劣条件情况。

该装置以液压站作为动作执行元件的动力源,实现大臂和喷头回转、起降、上下等功能。

电气控制系统采用光电传感器、超声波传感器、位移传感器等收集列车运动时车厢的动作信号和抑尘剂自动喷洒装置执行元件动作信号,通过PLC的处理转化,利用全自动的人性化界面操作,实现抑尘剂的自动喷洒。

1.1抑制铁路运煤扬尘污染的方法

在铁路煤炭运输过程中,吹落的煤尘不仅对沿线的生态环境造成严重的污染,而且对铁路线路内道床、铁路信号和接触电网等设备也会造成破坏,增加维修成本,对资源也造成不小的浪费。

解决铁路扬尘污染问题刻不容缓。

抑制铁路运煤扬尘污染的方法主要有以下两种：

1.固体加盖法。

在货运列车车厢上加盖或利用篷布等遮盖,防止煤粉散落和吹入空气中。

这种方法虽然简单,防尘效果较好,但成本较高,且操作麻烦,完善的测速系统、流量调控系统、钩挡识别及车辆之间。

2.列车中煤层表面喷淋抑尘剂法。

通过给列车煤层表面喷洒一层抑尘剂,使煤层表面形成以煤块、煤粒和煤尘黏结在一起的直径较大的固化层,以此达到防止扬尘污染的效果。

1.2铁路抑尘站喷洒控制系统的背景和意义

煤炭运输引起的扬尘影响铁路周边环境，需要进行抑尘处理。

设计全自动抑尘剂喷洒系统，可以在车辆行进中喷洒，无需人工现场参与，起到抑制扬尘，保护环境及减少运输煤损的作用。

仅对沿线的生态环境造成严重的污染,而且对铁路线路内道床、铁路信号和接触电网等设备也会造成破坏,增加维修成本,对资源也造成不小的浪费。

自从人类使用核能技术以来，放射性污染物质的消除问题就一直是人们所关注的世界性难题。

传统放射性沉降物的消除技术在适用范围、功能、消除效果、作业效率或代价利益比上不同程度地存在这样或那样的缺陷，与核事故应急或反核恐怖行动的要求还不相适应。

目前在放射性非固定性污染物消除领域中，比较先进的技术是“剥离型膜体大面积压制去污方法”，这种技术在用于清除放射性气溶胶或沉降物时有喷洒作业、放射性颗粒与压制去污材料共聚膜体、膜体的剥离回收和膜体废物的运输4个阶段，其中完成喷洒作业阶段的喷洒作业机械是实现压制去污效果的重要手段。

针对其作业环境恶劣、电磁干扰严重的情况，研制出集成性高、抗干扰能力强、操作简便的控制系统对有效地完成喷洒作业是十分关键的。

使用抑尘剂后对改善铁路沿线的大气和路面污染可以起到明显作用。

1.3国内研究概况

早在20世纪20年代,英国的学者就研究制作了一种湿润剂并应用于矿井。

后来,美国和苏联的学者及研究人员也参与了湿润剂的研究。

20世纪70年代,中国一些高校对化学抑尘剂进行了研制。

近些年,抑尘剂的研究发展迅猛。

目前的抑尘剂主要分为湿润型化学抑尘剂、强吸水型抑尘剂和黏结型化学抑尘剂。

从成本、效果和适用范围等方面考虑,黏结型化学抑尘剂是一种不错的变废为宝的抑尘剂,在国内外得到广泛的应用。

考虑到铁路运输的特殊性,还必须研制出一种适合运煤列车的喷洒控制系统。

该设备应针对铁路区段线路的特点,对于电力区间使用摆臂式喷洒设备,对于内燃牵引区间宜使用龙门式设备,对列车高速行驶情况宜使用对喷式设备,对铲车装车情况可使用移动车式喷洒设备。

由于运煤列车速度较快,按照喷洒要求,控制系统必须实现对机车和车辆车型的识别。

摆臂式的还应能控制摆臂,在喷洒过程中自动完成回转和回位,要设有完善的测速系统、流量调控系统、钩挡识别及车辆之间的停喷装置等。

固定喷洒设备中摆臂式喷洒最具代表性,下面主要分析这种摆臂式防尘喷洒智能控制系统的可行性。

1.4设计任务及要求

1.说明

铁路运输过程中，当列车经过喷洒设备时，首先进行雷达测速，之后根据火车速度的大小由PLC控制变频器调节频率，由此来控制喷洒量，使喷洒流量与车速符合铁道部规定的设计标准。

2.设计内容

（1）根据铁路抑尘剂喷洒控制系统，进行总体方案设计；

（2）根据PLC输入、输出点的点数，确定变频器的类型；

（3）信号传输部分采用光电信号隔离器；

（4）喷洒部分的设计,储夜罐到喷洒为手动，液体检测采用超声波液位计，液位计采集液位，低液位报警并参于计算喷洒量，以减少流量传感器采集误差。

喷洒泵采用变频器驱动，速度由PLC给定；

（5）检测部分分别由PLC采集传感器的信号，PLC进行量程转换后参于控制。

3.设计成果

（1）毕业设计报告字数3000-5000字；

（2）根据设计要求选择各种电气元件；

（3）必须有PLC输入、输出点分配的定性分析；

（4）硬件电路图；

（5）系统的结构和软件设计，提供PLC主程序清单；

（6）1#设计图纸2张，一张为系统主电路原理图和传动控制电路原理图、一张为控制系统软件流程图；

（7）其它；

2.控制系统要求

2.1系统工艺要求

（1）自动识别机车车头,车头驶过时喷洒装置自动旋转90􀀁

进入喷洒位置；

（2）自动识别车厢型号,喷头自动进入相应车厢高度位置；

（3）自动识别车厢到位,喷头自动开始喷洒；

（4）自动识别车厢空当,喷头自动停止喷洒,喷头外罩自动旋转90􀀁

防止漏液；

（5）自动识别下一车厢到位,喷头自动开始喷洒,进入车厢循环喷洒；

（6）自动识别最后一节车厢,喷洒停止后喷头自动归位,喷洒装置归位。

2.2其他要求

（1）自动识别车头、车厢和空当,并可为喷洒喷头电磁阀打开和关闭提供信号,保证喷头电磁阀及时开闭,保证喷洒效果,不浪费液体；

（2）喷洒能实现手动和自动两种控制方式,在自动控制方式下能根据列车行走速度及方向进行自动启、停喷洒,并能根据情况人为改变喷洒量；

（3）喷洒支架控制。

通过液压马达拖动支架立柱旋转,实现大臂从停放位置向左或向右90°

旋转,进入喷洒工作位置。

向左或向右旋转由火车车头光电信号确定。

旋转范围180°

液压驱动,工作高度满足C62（高3.1m）~C80（高3.85m）车厢的高度,喷洒时喷头须接近距车厢上沿10--20cm；

（4）喷头升降装置控制。

喷头升降通过变速升降油缸来实现。

变速升降油缸行程可随车厢型号的不同而自动改变；

（5）反冲主管道通过闸阀和主管路连接,可自动进行管路反冲洗；

（6）喷头外罩可自动旋转,以保证喷洒液不外漏到车厢连接处的空当；

（7）液压系统泵自动启停,双泵一备一用,可根据具体情况人为切换或自动切换；

（8）喷洒实现变频恒压控制；

（9）实现对喷洒过程的监控；

（10）计量装置应能实现数据自动保存、查询、打印功能;

数据保存时间为两年;

可手动按时间检索,随时打印。

3.电气控制系统设计

使用德国西门子公司PLC为主控核心,完成顺序控制和自动控制,提高了系统的可靠性。

系统配置日本富士公司交流变频器,实现抑尘剂自动恒压喷洒控制和多方位旋转喷洒控制,具有良好的控制性能和节能效果,同时实现大容量水泵平滑启动,避免对电网的启动冲击。

3.1组成结构

控制系统由控制柜和操作台组成。

控制柜为前开门结构,前门布置控制按钮、二次仪表、操作器、报警装置、手动控制开关、电机运行指示灯和电压电流显示仪表,柜中安装主控PLC等控制部件,内装刀闸开关、空气断路器、交流接触器、变频器等元件,变频器是电机进行无级调节和实现节能运行的关键变换驱动装置。

操作台布置控制开关、工控机,其中工控机是核心,对系统进行监控操作。

抑尘控制系统流程图见图1。

图1抑尘系统流程图

3.2控制功能的实现

PLC的CPU模块通过专用电缆接智能数字监控仪和工控机。

CPU模块的输入端接旋钮、按钮、接近开关和光电开关等输入元件,输出端接接触器、继电器、电磁阀和指示灯等输出元件。

PLC的模拟量输入模块接温度变送器、压力变送器和电磁流量计等传感器。

（1）三组红外对射式光电开关;

二组用于测车厢的进入和离开,发出喷液电磁阀启、停信号;

一组用于识别火车头；

（2）大臂向左或向右旋转由火车车头光电信号确定；

（3）喷洒电磁阀与喷头外罩旋转电机建立连锁,喷洒电磁阀停,则喷头外罩旋转电机旋转90°

；

（4）接近开关用于感知旋转大臂旋转角度,确保大臂到位后喷洒,无车时归位；

（5）温度变送器用于测量环境温度,它与机车类别信息共同作用自动给出喷液量；

（6）压力变送器用于反馈管网压力,PLC程控系统通过PID调节,经变频器实现水泵电机动态调速,达到液流系统压力恒定；

（7）超声波距离传感器用于在失电或故障状态下发出大臂抬起信息；

（8）直线位移传感器用于感知喷头的具体位置,以使喷头位置随车厢型号而自动变化；

（9）超声波流量计用于计量抑尘剂使用量,并在流量小于设定值时自动启动反冲洗泵,对管路进行反冲洗；

（10）采用满足夜间监控要求的红外线摄像头,并带有自清扫功能,控制室内监视器选用壁挂式17英寸液晶显示器；

（11）上位机用于对系统进行监控操作,其中包括设备运行状态的监控、参数设定、系统的控制操作等。

具体的画面设计:

流程画面（流程和参数）,运转准备画面（电气条件、机械条件、液压条件）,参数设置、操作画面,传动系统监控（传动装置状态、参数）,液压系统及泵站监视画面及故障分类报警画面。

3.3PLC程序

（1）车头的判断。

由于使用对射式光电开关,而同一火车头的宽度是变化的,这样在车头运行中对射式光电开关容易误动作,为防止错误发生,在PLC梯形图编制时对车头有无判断增加了0.5s的保持确认。

即在检测到车头对射式光电开关动作脉冲的下降沿后且保持无变化状态0.5s后,程序才发出大臂旋转指令。

（2）车厢的判断。

因为有些车厢尾端有手轮、吊钩等副件,为防止在两节车厢中漏液,使用了前后两组相距0.4m的对射式光电开关,在PLC梯形图编制时,对前一节车箱尾端判断是在检测到第二组车厢对射式光电开关动作脉冲的下降沿时,发出喷洒电磁阀关断指令;

对后一节车箱首端判断是在检测到两组车厢对射式光电开关都动作时,发出喷洒电磁阀开启指令。

（3）大臂的自动调整。

在不同车型下,大臂的自动调整采用直线位移传感器动态检测控制大臂高度,直线位移传感器采用4~20mA标准输出方式,利用PLC的A/D转换模块数字化显示大臂在线高度,动态调节大臂的高度,以满足不同车型的需求。

（4）固化剂喷洒压力的恒压调节。

系统根据环境温度,自动给出喷洒需求压力,将压力传感器输入压力作为反馈信号,运用PLC的数字PID技术,实现不同环境温度下喷洒压力的恒压动态调节。

3.4控制系统

控制系统采用西门子S7-200系列中的216高端PLC,上位机组态软件采用组态王128点6.35软件平台,PLC与上位机通讯采用PC-PPI通讯方式;

PLC与装车站控制系统通讯采用Profibus-DP方式,控制采用手/自动选择模式。

当设备调试、或检测元件故障、或一列火车中含有不确定车皮时,操作人员可选择系统手动模式作为临时操作,但此操作必需是操作人员全程跟踪;

当设备正常时,操作人员选择自动模式,系统可根据装车站下传的车型参数和环境温度,全自动控制喷洒系统中各单机设备的运行。

与此同时上位机把含有喷液量、喷洒时间、驱动设备运行状态等参数的文件上传装车站控制系统,为实现煤矿生产系统管理提供了基础平台。

当系统接到装车站下传的车型参数和环境温度等参数且控制方式在自动选择模式时,系统程序执行如下操作:

（1）开启液压油泵,打开大臂升降油缸电磁阀,根据升降位移传感器的反馈量与程序中设定的相应车型的喷洒高度参数相比较,使大臂高度达到动态平衡。

（2）开启固化剂供给泵,依据压力传感器反馈量与程序中预制的不同温度下的压力设定量,运用PID调节原理,实现固化剂恒压供给。

（3）当程序认定火车头已驶过时,打开大臂旋转马达,大臂顺时针旋转90度,其定位停止由支撑大臂立柱上的两个接近开关（原点位一个,90°

位一个）感知。

当程序认定大臂旋转到位且第一节车厢首端已进入,自