СИСТЕМА ДЛЯ ЗАГРУЗКИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО СОСТАВА
SYSTEM FOR LOADING RAILWAY TRAIN

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к системе для загрузки железнодорожного состава с целью погрузки добытого материала на железнодорожный состав при проведении горнодобывающих работ.
Предпосылки изобретения
Известно, что для обеспечения горнодобывающих работ, например, на месте добычи, предусмотрено устройство для загрузки железнодорожного состава, выполненное с возможностью облегчения погрузки материала на специальные железнодорожные составы для транспортировки материалов операторами разгрузки железнодорожного состава.
Как правило, руда перемещается конвейером из шихтовочной машины в промежуточный бункер, и руда подается из промежуточного бункера в вагоны железнодорожного состава при непрерывном перемещении железнодорожного состава под бункером. Подача руды из промежуточного бункера определяется оператором путем такого управления временем открытого состояния и закрытого состояния зажима с целью погрузки материала в вагон, чтобы объем и масса материала в вагоне были близки к определенным пределам, но не превышали их.
Сущность изобретения
Следует понимать, что в настоящем описании горнодобывающие работы означают любую операцию или приспособление, связанные с добычей, обработкой, переработкой и/или транспортировкой насыпных грузов в среде добычи ресурсов, или часть такого процесса, например, участки добычи, железнодорожные пути, портовые средства и связанную с ними инфраструктуру.
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предоставляется система для загрузки железнодорожного состава для погрузки материала в вагоны железнодорожного состава, причем система содержит:
промежуточный бункер, выполненный с возможностью приема материала и подачи материала в вагоны железнодорожного состава, который движется относительно промежуточного бункера, причем подачей материала из промежуточного бункера можно управлять, не допуская или разрешая подачу материала из промежуточного бункера и тем самым контролируя объем материала, загружаемого в вагон железнодорожного состава; и
по меньшей мере одно устройство измерения уровня свободного борта, выполненное с возможностью получения по меньшей мере одного измеренного значения уровня свободного борта, обозначающего передний и/или задний уровень свободного борта вагона;
систему, выполненную с возможностью определения значения ошибки массы вагона, представляющего собой ошибку между значением массы вагона, обозначающим массу материала в вагоне, и определенным заданным значением массы вагона, и с возможностью использования значения ошибки массы вагона для получения по меньшей мере одного заданного значения уровня свободного борта, обозначающего требуемые значения переднего и заднего уровней свободного борта; и
систему, выполненную с возможностью определения по меньшей мере одного значения ошибки уровня свободного борта, обозначающего ошибку между измеренным значением уровня свободного борта и заданным значением уровня свободного борта, и с возможностью управления временем осуществления подачи материала из промежуточного бункера на основе значения ошибки уровня свободного борта, чтобы контролировать массу и объем материала, загружаемого в вагон.
В одном варианте осуществления значение массы вагона обозначает массу вагона после того, как вагон был загружен материалом.
В одном варианте осуществления система содержит устройство для взвешивания, выполненное с возможностью получения значения массы вагона после того, как вагон был загружен материалом. Устройство для взвешивания может быть расположено в месте, удаленном по меньшей мере на один вагон от промежуточного бункера, например, удаленном на 4 вагона от промежуточного бункера.
В одном варианте осуществления система содержит устройство оценки массы, причем значение массы вагона обозначает оценочную массу вагона до или после того, как вагон загружен материалом из промежуточного бункера.
В одном варианте осуществления система содержит по меньшей мере один датчик обнаружения вагона, выполненный с возможностью обнаружения наличия вагона и определения исходного местоположения железнодорожного состава, используемого для определения положения вагона относительно промежуточного бункера при перемещении вагона относительно промежуточного бункера, при этом система управляет временем осуществления подачи материала из промежуточного бункера в соответствии с определенным положением вагона относительно промежуточного бункера.
В одном варианте осуществления система содержит первый датчик обнаружения вагона, выполненный с возможностью обнаружения наличия вагона и определения первого исходного местоположения железнодорожного состава до промежуточного бункера, причем первое исходное местоположение железнодорожного состава может использоваться для определения положения переднего ползунка, обозначающего положение вагона относительно первого исходного местоположения железнодорожного состава, при этом система управляет временем начала подачи руды в соответствии с определенным положением переднего ползунка.
В одном варианте осуществления система содержит второй датчик обнаружения вагона, выполненный с возможностью обнаружения наличия вагона и определения второго исходного местоположения железнодорожного состава после промежуточного бункера, причем второе исходное местоположение железнодорожного состава может использоваться для определения положения заднего ползунка, обозначающего положение вагона относительно второго исходного местоположения железнодорожного состава, при этом система управляет временем прекращения подачи руды в соответствии с определенным положением заднего ползунка.
В одном варианте осуществления первый и/или второй датчик обнаружения вагона содержит фотоэлемент.
В одном варианте осуществления по меньшей мере одно устройство измерения уровня свободного борта содержит устройство измерения переднего уровня свободного борта, выполненное с возможностью получения значения переднего уровня свободного борта, обозначающего передний уровень свободного борта вагона.
В одном варианте осуществления по меньшей мере одно устройство измерения уровня свободного борта содержит устройство измерения заднего уровня свободного борта, выполненное с возможностью получения значения заднего уровня свободного борта, обозначающего задний уровень свободного борта вагона.
В одном варианте осуществления по меньшей мере одно устройство измерения уровня свободного борта расположено в месте, удаленном по меньшей мере на один вагон от промежуточного бункера, например, удаленном на 3 вагона от промежуточного бункера.
По меньшей мере одно устройство измерения уровня свободного борта может содержать по меньшей мере одно лазерное измерительное устройство.
В одном варианте осуществления по меньшей мере одно устройство измерения уровня свободного борта выполнено с возможностью получения необработанного значения уровня свободного борта, и система содержит по меньшей мере один фильтр, выполненный с возможностью фильтрации необработанного значения уровня свободного борта, для получения отфильтрованного значения уровня свободного борта. По меньшей мере один фильтр может содержать фильтр низких частот. По меньшей мере один фильтр может представлять собой дискретный фильтр и может быть выполнен с возможностью реализации следующего алгоритма фильтра:
,
i
i-1
i
где F – новое отфильтрованное измеренное значение уровня свободного борта, F – предыдущее отфильтрованное измеренное значение уровня свободного борта, L – необработанный измерительный сигнал, полученный от лазера, и f – постоянная фильтра.
В одном варианте осуществления система содержит регулятор перегрузки, выполненный с возможностью прекращения подачи материала из промежуточного бункера, когда значение массы вагона превышает определенное значение.
В одном варианте осуществления, если регулятор перегрузки вызвал прекращение подачи материала из промежуточного бункера, система выполнена с возможностью использования нового отфильтрованного измеренного значения заднего уровня свободного борта, если новое отфильтрованное измеренное значение уровня свободного борта ниже заданного значения уровня свободного борта, и использования предыдущего отфильтрованного измеренного значения заднего уровня свободного борта, если новое измеренное значение уровня свободного борта выше заданного значения уровня свободного борта.
В одном варианте осуществления по меньшей мере одно заданное значение уровня свободного борта включает заданное значение переднего уровня свободного борта, связанное с измеренным значением переднего уровня свободного борта, и заданное значение заднего уровня свободного борта, связанное с измеренным значением заднего уровня свободного борта, при этом заданное значение переднего уровня свободного борта по существу является одинаковым с заданным значением заднего уровня свободного борта.
В одном варианте осуществления система содержит регулятор массы, выполненный с возможностью использования значения ошибки массы вагона для получения по меньшей мере одного заданного значения уровня свободного борта. Регулятор массы может представлять собой дискретный регулятор и может подразумевать пропорционально-интегральный (ПИ) регулятор, который может быть выполнен в форме регулятора скорости. Регулятор массы может быть выполнен с возможностью реализации следующего алгоритма:
i
i-1
c
i
i
i-1
где m – новое значение выходного сигнала регулятора, соответствующее новому заданному значению уровня свободного борта, m – предыдущее значение выходного сигнала регулятора, K – общий коэффициент усиления регулятора, K – интегральный коэффициент усиления, e – постоянная величина ошибки между заданным значением текущей массы и текущей массой вагона, и e – предыдущее значение ошибки между предыдущим заданным значением массы и предыдущей массой вагона.
В одном варианте осуществления система выполнена с возможностью определения максимального и минимального значений для заданного значения уровня свободного борта.
В одном варианте осуществления система содержит по меньшей мере один регулятор уровня свободного борта, выполненный с возможностью управления временем осуществления подачи материала из промежуточного бункера путем управления положением переднего и/или заднего ползунка на основе по меньшей мере одного значения ошибки уровня свободного борта.
В одном варианте осуществления система содержит регулятор переднего уровня свободного борта и регулятор заднего уровня свободного борта, причем регулятор переднего уровня свободного борта выполнен с возможностью использования значения ошибки переднего уровня свободного борта, обозначающего ошибку между измеренным значением переднего уровня свободного борта и заданным значением уровня свободного борта, для управления временем начала подачи материала из промежуточного бункера на основе значения ошибки переднего уровня свободного борта, и регулятор заднего уровня свободного борта выполнен с возможностью использования значения ошибки заднего уровня свободного борта, обозначающего ошибку между измеренным значением заднего уровня свободного борта и заданным значением уровня свободного борта, для управления временем прекращения подачи материала из промежуточного бункера на основе значения ошибки заднего уровня свободного борта.
В одном варианте осуществления один или каждый регулятор уровня свободного борта представляет собой дискретный регулятор и может подразумевать пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) регулятор, который может быть выполнен в форме регулятора скорости.
В одном варианте осуществления один или каждый регулятор уровня свободного борта представляет собой ПИД-гамма-регулятор.
В одном варианте осуществления один или каждый регулятор уровня свободного борта выполнен с возможностью реализации следующего алгоритма:
,
где
i
m  – новое значение выходного сигнала регулятора, то есть новое положение ползунка в мм;
i-1
m  – текущее положение ползунка;
i-2
m  – предыдущее положение ползунка;
i
e  – новая ошибка уровня свободного борта (мм);
i-1
e  – текущая ошибка уровня свободного борта (мм);
i-2
e  – предыдущая ошибка уровня свободного борта (мм);
p
K  – пропорциональный коэффициент усиления;
i
K  – интегральный коэффициент усиления;
b  – параметр управления Kd/гамма;
a  – параметр управления exp(-1/гамма).
В одном варианте осуществления в начале загрузки железнодорожного состава и до получения по меньшей мере одного измеренного значения уровня свободного борта, обозначающего передний и/или задний уровень свободного борта вагона, система выполнена с возможностью установки заданного значения инициализации уровня свободного борта, при этом заданное значение инициализации уровня свободного борта используется до тех пор, пока не будет получено хотя бы одно измеренное значение уровня свободного борта.
В одном варианте осуществления система выполнена таким образом, что при получении измеренных значений переднего и заднего уровней свободного борта после инициализации заданное значение уровня свободного борта определяется на основе значений переднего и заднего уровней свободного борта, например, путем усреднения значений переднего и заднего уровней свободного борта.
В одном варианте осуществления система выполнена с возможностью регулировки заднего ползунка в ответ на регулировку переднего ползунка, чтобы компенсировать изменение заднего уровня свободного борта, вызванное изменением положения переднего ползунка.
В одном варианте осуществления система выполнена с возможностью облегчения ручной регулировки оператором времени осуществления подачи материала из промежуточного бункера.
В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения предоставляется способ погрузки материала в вагоны железнодорожного состава при горнодобывающих работах, при это способ включает:
прием материала для погрузки в вагоны в промежуточный бункер;
подачу материала в вагоны железнодорожного состава при перемещении железнодорожного состава относительно промежуточного бункера, при этом подачей материала из промежуточного бункера можно управлять, не допуская или разрешая подачу материала из промежуточного бункера и тем самым контролируя объем материала, загружаемого в вагон железнодорожного состава;
получение по меньшей мере одного измеренного значения уровня свободного борта, обозначающего передний и/или задний уровень свободного борта вагона;
определение значения ошибки массы вагона, представляющего собой ошибку между значением массы вагона, обозначающим массу материала в вагоне, и определенным заданным значением массы вагона;
использование значения ошибки массы вагона для получения по меньшей мере одного заданного значения уровня свободного борта, обозначающего требуемые значения переднего и заднего уровней свободного борта;
определение по меньшей мере одного значения ошибки уровня свободного борта, обозначающего ошибку между измеренным значением уровня свободного борта и заданным значением уровня свободного борта; и
управление временем осуществления подачи материала из промежуточного бункера на основе значения ошибки уровня свободного борта, чтобы контролировать массу и объем материала, загружаемого в вагон.
Краткое описание графических материалов
Настоящее изобретение будет описано далее исключительно в качестве примера со ссылкой на прилагаемые графические материалы, на которых:
на фиг. 1 приведено схематическое представление в перспективе системы для загрузки железнодорожного состава согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 2 показаны временные диаграммы, представляющие интервалы открывания и закрывания, связанные с открытием и закрытием зажима промежуточного бункера;
на фиг. 3 приведено схематическое представление загруженного вагона железнодорожного состава, иллюстрирующее передний и задний уровни свободного борта;
на фиг. 4 приведена структурная схема системы управления системой для загрузки железнодорожного состава, показанной на фиг. 1; и
на фиг. 5 приведена структурная схема, иллюстрирующая функциональные компоненты системы управления, показанной на фиг. 4.
Описание варианта осуществления изобретения
Теперь будет описан вариант осуществления системы для загрузки железнодорожного состава со ссылкой на горнодобывающие работы в виде мест разработки, хотя следует понимать, что предусмотрены другие горнодобывающие работы, при которых происходят операции загрузки железнодорожного состава.
Пример системы 10 для загрузки железнодорожного состава схематично показан на фиг. 1.
Система 10 для загрузки железнодорожного состава выполнена с возможностью погрузки материала 12, в данном примере руды, в вагоны 14 железнодорожного состава 16.
Во время загрузки железнодорожного состава руда подается из промежуточного бункера 20 в вагоны 14 железнодорожного состава 20 при непрерывном перемещении железнодорожного состава под промежуточным бункером 20 в направлении стрелки 18. Поток руды из промежуточного бункера 20 управляется открытием и закрытием зажима 22.
С целью заполнения вагона 14 объемом материала, который точно соответствует требуемому уровню массы вагона и не вызывает пересыпания материала через край вагона 14, необходимо управлять зажимом, чтобы открывать и закрывать его в надлежащие моменты времени относительно перемещения железнодорожного состава 16. Однако, учитывая, что могут существовать различия между вагонами, например, из-за того, что плотность материала, загружаемого в каждый вагон, варьируется, оптимальные моменты времени открывания и закрывания зажима могут варьироваться для каждого вагона 14.
С целью управления временем открывания и закрывания зажима система 10 содержит первый датчик 24 обнаружения вагона, выполненный с возможностью предоставления первого исходного местоположения железнодорожного состава, используемого для определения времени открывания зажима; и второй датчик 26 обнаружения вагона, выполненный с возможностью предоставления второго исходного местоположения железнодорожного состава, используемого для определения времени закрывания зажима.
В этом примере первое исходное местоположение железнодорожного состава обозначает местоположение переднего края вагона 14 до перемещения вагона 14 в место под промежуточным бункером 20 и второе исходное местоположение железнодорожного состава обозначает местоположение заднего края вагона 14 после того, как вагон 14 переместился из места под промежуточным бункером 20, хотя следует понимать, что возможны другие варианты. В этом примере каждый из первого и второго датчиков 24, 26 обнаружения вагона содержит фотоэлемент, выполненный с возможностью обнаружения наличия объекта в зоне видимости элемента, хотя следует понимать, что предусмотрен любой подходящий датчик, способный обнаруживать наличие вагона.
Используя определенные первое и второе исходные местоположения железнодорожного состава, система 10 определяет временное соотношение 28 для открывания зажима 22 и временное соотношение 30 для закрывания зажима 22, как показано на фиг. 2.
Как показано на фиг. 2, временное соотношение 28 открывания определяет смещение 32 интервала открывания, соответствующее расстоянию перемещения железнодорожного состава между обнаружением вагона 14 первым датчиком 24 обнаружения вагона и открыванием зажима 22, при этом смещение 32 интервала открывания включает фиксированный передний основной компонент 34 и компонент 36 переднего ползунка, который является переменным. Следует понимать, что интервал, определяемый компонентом 36 переднего ползунка, таким образом, определяет местоположение вагона 14 относительно зажима 22, когда он открывается, и, таким образом, компонент 36 переднего ползунка является переменным компонентом, который можно использовать для управления количеством материала, загружаемого в вагон 14.
Подобным образом временное соотношение 30 закрывания определяет смещение 38 интервала закрывания, соответствующее расстоянию перемещения железнодорожного состава между обнаружением вагона 14 вторым датчиком 26 обнаружения вагона и закрытием зажима 22, при этом смещение 38 интервала закрывания включает фиксированный задний основной компонент 40 и компонент 42 заднего ползунка, который является переменным. Следует понимать, что интервал, определяемый компонентом 42 заднего ползунка, таким образом, определяет местоположение вагона 14 относительно зажима 22, когда он закрывается, и, таким образом, компонент 42 заднего ползунка является переменным компонентом, который можно использовать для управления количеством материала, загружаемого в вагон 14.
Установка интервалов открытого состояния и закрытого состояния путем установки компонентов 36, 42 переднего и заднего ползунков для изменения количества материала, загружаемого в вагон 14, в настоящем описании будет называться управлением «ползунками».
При эксплуатации система 10 может автоматически регулировать ползунки 36, 42 по мере необходимости для учета изменений параметров процесса (таких как плотность руды или изменения свойств потока) и тем самым контролировать массу и объем руды в каждом вагоне 14.
На фиг. 3 показан пример полностью загруженного вагона 14 железнодорожного состава 16. Как показано, когда материал 12 загружается в вагон 14, материал образует насыпь, которая может выходить за верхние края 43 вагона в месте в основном по центру вагона 14, и может уходить ниже краев 43 вагона 14 в переднем и заднем концах вагона 14. Расстояние, измеренное в целом в горизонтальном направлении между передним верхним краем вагона 14 и материалом 12, называется «передним уровнем 44 свободного борта». Подобным образом расстояние, измеренное в целом в горизонтальном направлении между задним верхним краем вагона 14 и материалом 12, называется «задним уровнем 46 свободного борта».
Следует понимать, что передние и задние уровни 44, 46 свободного борта обозначают количество материала в вагоне 14 в том смысле, что увеличение переднего и/или заднего уровня 44, 46 свободного борта соответствует уменьшению объема материала в вагоне 14, и уменьшение переднего и/или заднего уровня 44, 46 свободного борта соответствует увеличению объема материала в вагоне 14.
Также следует понимать, что передние и задние уровни 44, 46 свободного борта зависят от переднего и заднего ползунков 36, 42, и, следовательно, посредством управления передним и задним ползунками можно управлять передним и задним уровнями 44, 46 свободного борта, и управляя тем самым массой и объемом материала в вагоне 14.
Как показано на фиг. 1, система 10 также содержит устройство 45 для взвешивания, выполненное с возможностью определения значения веса нетто каждого вагона 14 при движении вагона вперед, устройство 47 измерения переднего уровня свободного борта, выполненное с возможностью предоставления измеренного значения для переднего уровня 44 свободного борта вагона 14, и устройство 49 измерения заднего уровня свободного борта, выполненное с возможностью предоставления измеренного значения для заднего уровня 46 свободного борта вагона 14.
В этом примере устройство 45 для взвешивания содержит вагонные весы, хотя предусматривается любое подходящее устройство для взвешивания вагона 14.
В этом примере каждое из устройств 47, 49 измерения переднего и заднего уровней свободного борта содержит лазерное измерительное устройство, хотя следует понимать, что предусматривается любое подходящее измерительное устройство, способное предоставить значение, обозначающее передние и задние уровни 44, 46 свободного борта.
Следует понимать, что в этом примере измеренные значения для переднего и заднего уровней 44, 46 свободного борта запаздывают на три вагона 14, и значение веса нетто, полученное с помощью устройства 45 для взвешивания, запаздывает на четыре вагона.
Система 10 выполнена с возможностью автоматической регулировки ползунков 36, 42 с целью такого управления массой и объемом в вагоне 14, чтобы масса в вагоне поддерживалась на требуемом заданном значении массы, обеспечивая при этом то, чтобы руда не пересыпалась через края вагона 14.
Для этой цели в системе 10 реализовано устройство каскадного управления, причем требуемое заданное значение для переднего и заднего уровней 44, 46 свободного борта определяется на основе определенной ошибки между требуемым заданным значением массы и измеренным значением массы вагона, обозначающим фактическую массу вагона (например, предоставленную устройством 45 для взвешивания). Требуемое заданное значение массы обозначает требуемую массу нетто вагона 14, и требуемое заданное значение для переднего и заднего уровней 44, 46 свободного борта является заданным значением для переднего и заднего уровней свободного борта, которое считается соответствующим требуемой массе нетто для вагона 14. На основании определенного заданного значения уровня свободного борта устанавливаются значения для переднего и заднего ползунков 36, 42.
В этом примере заданные значения переднего и заднего уровней свободного борта одинаковы; то есть одинаковое заданное значение уровня свободного борта используется как для переднего, так и для заднего уровня 44, 46 свободного борта, что обеспечивает правильную балансировку массы материала в вагоне 14 между передней и задней частью вагона 14.
Структурная схема, представляющая систему 50 управления системы 10 для загрузки железнодорожного состава, показана на фиг. 4, при этом в системе 50 управления реализовано устройство каскадного управления.
Система 50 управления содержит регулятор 56 массы, который получает измеренное значение 52 массы (например, от устройства 45 для взвешивания) и заданное значение 54 массы и на основе измеренного значения 52 массы и заданного значения 54 массы вычисляет заданное значение 58 уровня свободного борта. Заданное значение 58 уровня свободного борта предназначено как для переднего, так и для заднего уровней 44, 46 свободного борта и собственно предоставляется регулятору 60 переднего уровня свободного борта и регулятору 62 заднего уровня свободного борта, которые также соответственно получают измеренное значение переднего уровня свободного борта и измеренное значение заднего уровня свободного борта от соответствующих устройств 47, 49 измерения переднего и заднего уровней свободно борта. Используя значение ошибки переднего уровня свободного борта, представляющее разницу между заданным значением 58 уровня свободного борта и измеренным значением переднего уровня свободного борта, регулятор 60 переднего уровня свободного борта вычисляет переднее значение регулировки для приспособления 64 для регулирования ползунка открывания. Подобным образом, используя значение ошибки заднего уровня свободного борта, представляющее разницу между заданным значением 58 уровня свободного борта и измеренным значением заднего уровня свободного борта, регулятор 60 заднего уровня свободного борта вычисляет заднее значение регулировки для приспособления 66 для регулирования ползунка закрывания. Приспособление 64 для регулирования ползунка открывания управляет передним ползунком 36 для регулирования местоположения вагона 14 относительно зажима 22, когда зажим открывается. Подобным образом приспособление 66 для регулировки ползунка закрывания управляет задним ползунком 42 для регулирования положения вагона 14 относительно зажима 22, когда зажим закрывается.
Следует понимать, что, поскольку система 10 работает на основе массы каждого вагона 14, регулятор 56 массы и регуляторы 60, 62 переднего и заднего уровней свободного борта представляют собой регуляторы дискретного типа, которые работают на основе отдельных вагонов, а не времени.
Функциональные компоненты 70 системы 10 управления железнодорожным составом более подробно показаны на фиг. 5.
Функциональные компоненты 70 включают компоненты 72 управления массой, выполненные с возможностью получения заданного значения 58 уровня свободного борта с использованием измеренных и требуемых значений массы вагона, и компоненты 74 управления ползунком, выполненные с возможностью использования заданного значения 58 уровня свободного борта для определения значений регулировки переднего и заднего уровней свободного борта для приспособлений 64, 66 для регулирования ползунков открывания и закрывания.
Компоненты 72 управления массой показывают блок 76 оценки массы и устройство 45 для взвешивания вагона, одно из которых предоставляет значение массы вагона, обозначающее массу вагона 14, на регулятор 78 перегрузки, выполненный с возможностью генерировать команду 80 на закрытие зажима, когда значение массы вагона превышает определенное значение. Значение массы вагона также подается на блок 86 определения ошибки массы, который вычисляет ошибку массы между заданным значением 54 массы и значением массы вагона, в этом примере заданное значение 54 массы определяется на основе текущей статистики 82 загрузки массы и требуемой нормы 84 перегрузки. Компоненты 72 управления массой также содержат регулятор 56 массы и переключатель 100 автоматического/ручного управления массой.
В этом примере регулятор 56 массы представляет собой пропорционально-интегральный (ПИ) регулятор в цепи обратной связи, выполненный в виде дискретного регулятора. Таким образом, регулятор не выдает выходной сигнал до тех пор, пока не поступит новое измеренное значение массы вагона либо от устройства 45 для взвешивания вагона, либо от блока 76 оценки массы. Когда это происходит, вычисляется новое заданное значение 58 уровня свободного борта для регуляторов 60, 62 переднего и заднего уровней свободного борта. Регулятор 56 массы реализован в виде регулятора скорости, что позволяет осуществлять мягкую передачу управления с помощью действий оператора.
Как показано на фиг. 5, регулятор 56 массы может использовать либо измеренное значение вагонных весов от устройства 45 для взвешивания вагона, либо оценку массы вагона от блока 76 оценки массы в качестве входного сигнала. Измеренное значение вагонных весов является более точным, но содержит задержку, которой нет в блоке 76 оценки массы. Как сниженная точность, так и задержка в цепи обратной связи будут ограничивать возможность настройки и производительность регулятора 56 массы, поэтому лучший выбор будет зависеть от относительной ошибки блока 76 оценки массы и расстояния между промежуточным бункером 20 и устройством 45 для взвешивания вагона для данного участка.
Испытания показали, что для некоторых вагонов 14 общее изменение уровня свободного борта на 100 мм приводит к изменению массы приблизительно на 2 тонны, и поэтому изменение каждого из переднего и заднего уровней свободного борта приблизительно на 25 мм приведет к изменению массы приблизительно на 1 тонну. Для других вагонов 14 изменение каждого из переднего и заднего уровней свободного борта на 25 мм приведет к изменению массы приблизительно на 2,2 тонны.
Переключатель 100 автоматического/ручного управления массой выполнен с возможностью предоставления оператору возможности переводить регулятор 56 массы в ручной или автоматический режим. Когда регулятор 56 массы работает в ручном режиме, заданное значение 58 уровня свободного борта должно быть инициализировано соответствующим значением, прежде чем можно будет начать работу в автоматическом режиме.
В начале загрузки железнодорожного состава 16 измерения уровня свободного борта устройствами 47, 49 измерения переднего и заднего уровней свободного борта еще не были предоставлены, и, следовательно, регулятор 56 массы не может быть переведен в автоматический режим и вместо этого начинает работу в ручном режиме. Когда регулятор 56 массы работает в ручном режиме, выходной сигнал регулятора массы – заданное значение 58 уровня свободного борта – устанавливается вручную на заданное значение инициализации уровня свободного борта. Заданное значение инициализации уровня свободного борта используется до тех пор, пока измеренные значения уровня свободного борта не будут предоставлены устройствами 47, 49 измерения переднего и заднего уровней свободного борта (после запаздывания, соответствующего 3 вагонам). Когда это происходит, переключатель 100 автоматического/ручного управления массой устанавливается на автоматический режим, и выходной сигнал регулятора 56 массы устанавливается на значение, соответствующее текущим отфильтрованным измеренным значениям уровня свободного борта, полученным с использованием устройств 47, 49 измерения переднего и заднего уровней свободного борта.
В примере при эксплуатации регулятора 56 массы в автоматическом режиме существуют следующие параметры:
i) текущее заданное значение 54 массы вагона составляет 120 тонн;
ii) используются вагоны, в которых изменение каждого из переднего и заднего уровней свободного борта 44, 46 приблизительно на 25 мм вызовет изменение массы вагона приблизительно на 1 тонну;
iii) на основе текущего заданного значения 54 массы вагона и текущей массы вагона выходной сигнал регулятора массы определяет заданное значение уровня свободного борта, равное 50 мм (то есть каждый из переднего и заднего уровней свободного борта имеет заданное значение уровня свободного борта 50 мм);
iv) измеряется масса нового вагона, которая составляет 117 тонн нетто, и, следовательно, ошибка массы для нового вагона составляет, таким образом, 117-120 = -3 тонны; и
v) предыдущий вагон весил 118 тонн, поэтому ошибка массы предыдущего вагона составляла -2 тонны.
i
В этом примере алгоритм дискретного ПИ-регулирования по скорости, реализованный регулятором 56 массы для получения выходного сигнала регулятора m, соответствующего заданному значению 58 уровня свободного борта, задается как:
i
i-1
c
i
i
i-1
где m – новое значение выходного сигнала регулятора, m – предыдущее значение выходного сигнала регулятора, K – общий коэффициент усиления регулятора, K – интегральный коэффициент усиления, e – постоянная величина ошибки между текущим заданным значением 54 массы и текущей массой вагона, и e – предыдущее значение ошибки между предыдущим заданным значением 54 массы и предыдущей массой вагона.
c
i
При моделировании было обнаружено, что значения 1,8 для K и 0,333 для K дают разумные результаты.
i
Поэтому, исходя из вышеуказанных параметров, новое значение выходного сигнала регулятора m составляет 50+1,8*(-3+2)+1,8*0,333*(- 3) = 46,4 мм.
i
Если затем прибудет другой вагон с массой 122 тонны, следующее значение выходного сигнала регулятора m будет равно 46,4+1,8*(2-(-3))+1,8*0,333*2 = 56,6 мм.
Следует понимать, что в этом примере вычисленные значения выходного сигнала регулятора, которые определяют заданное значение 58 уровня свободного борта, ограничены соответствующими максимальным и минимальным заданными значениями 58 уровней свободного борта, чтобы предотвратить возможность регулятору 56 массы выдавать неприемлемое резко отклоняющееся заданное значение 58 уровня свободного борта.
Необработанные измеренные значения уровня свободного борта, полученные устройствами 47, 49 измерения переднего и заднего уровней свободного борта, являются зашумленными. Как следствие, необработанные измерительные сигналы, выдаваемые устройствами 47, 49 измерения уровня свободного борта, фильтруются перед подачей измеренных значений уровня свободного борта на регуляторы 60, 62 уровня свободного борта. Поскольку необработанные измерительные сигналы уровня свободного борта поступают периодически – когда вагон 14 прибывает к устройствам 47, 49 измерения переднего и заднего уровней свободного борта – используется алгоритм дискретного фильтра.
В настоящем примере используется следующий алгоритм дискретного фильтра:
i
i-1
i
где F – новое измеренное значение уровня свободного борта, F – предыдущее измеренное значение уровня свободного борта, L – необработанный измерительный сигнал, полученный от лазера, и f – постоянная фильтра.
i
i
i-1
i
Если регулятор 78 перегрузки рано закрыл зажим 22 на вагоне 14, задний уровень 46 свободного борта потенциально может быть относительно большим по сравнению с заданным значением уровня свободного борта. С целью компенсации ошибочно большого заднего уровня 46 свободного борта и предотвращения тем самым повторного включения регулятора 62 уровня свободного борта в ответ на вмешательство регулятора 78 перегрузки система 10 выполнена с возможностью использования нового измеренного значения F уровня свободного борта, если новое измеренное значение F уровня свободного борта ниже заданного значения уровня свободного борта, и с возможностью использования предыдущего измеренного значения уровня свободного борта F, если новое измеренное значение уровня свободного борта F выше заданного значения уровня свободного борта.
i
i
i
i
В качестве примера при эксплуатации предыдущее измеренное значение F переднего уровня свободного борта было 10 мм, предыдущее измеренное значение F заднего свободного борта было 25 мм, для переднего уровня свободного борта следующего вагона получено новое необработанное измеренное лазером значение L, равное 60 мм, и для заднего уровня свободного борта следующего вагона получено новое необработанное измеренное лазером значение L, равное 80 мм. Заданное значение как для переднего, так и для заднего уровня свободного борта было 30 мм, и f равно 0,5.
i
i
Используя приведенное выше уравнение (2), новое измеренное значение F переднего уровня свободного борта, соответствующее новому необработанному измеренному лазером значению L переднего уровня свободного борта, задается как (0,5/1,5)*10+60/1,5 = 43,33 мм.
i
i
i-1
Однако, поскольку регулятор 78 перегрузки преждевременно закрыл зажим 22 на этом вагоне, измеренное значение заднего уровня свободного борта ошибочно велико, и, поскольку новая оценка F уровня свободного борта выше заданного значения, для нового необработанного измеренного значения F уровня свободного борта используется предыдущее измеренное значение уровня свободного борта F, равное 25 мм.
Следует понимать, что выбор постоянной фильтра f важен и будет влиять на настройку регуляторов 60, 62 переднего и заднего уровней свободного борта.
Компоненты 74 управления ползунком содержат передний фильтр 92 нижних частот для фильтрации необработанного измеренного значения 93 переднего уровня свободного борта, полученного от устройства 47 измерения переднего уровня свободного борта, в этом примере путем применения алгоритма дискретного фильтра, показанного в уравнении (2), и задний фильтр 94 нижних частот для фильтрации необработанного измеренного значения 95 заднего уровня свободного борта, полученного от устройства 49 измерения заднего уровня свободного борта, в этом примере путем применения алгоритма дискретного фильтра, показанного в уравнении (2).
Отфильтрованное измеренное значение переднего уровня свободного борта и заданное значение 58 уровня свободного борта подаются в блок 88 определения ошибки уровня свободного борта, который вычисляет ошибку переднего уровня свободного борта, обозначающую разницу между отфильтрованным измеренным значением переднего уровня свободного борта и заданным значением 58 уровня свободного борта. Подобным образом отфильтрованное измеренное значение заднего уровня свободного борта и заданное значение 58 уровня свободного борта подаются в блок 90 определения ошибки заднего уровня свободного борта, который вычисляет ошибку заднего уровня свободного борта, обозначающего разницу между отфильтрованным измеренным значением заднего уровня свободного борта и заданным значением 58 уровня свободного борта.
Ошибка переднего уровня свободного борта подается на регулятор 60 переднего уровня свободного борта, который использует ошибку переднего уровня свободного борта для получения значения регулировки переднего ползунка для приспособления 64 для регулирования ползунка открывания. Подобным образом ошибка заднего уровня свободного борта подается на регулятор 62 заднего уровня свободного борта, который использует ошибку заднего уровня свободного борта для получения значения регулировки заднего ползунка для приспособления 66 для регулирования ползунка закрывания.
Компоненты 74 управления ползунком также содержат передний элемент 102 ручной регулировки и задний элемент 104 ручной регулировки, используемые для облегчения ручной регулировки переднего и заднего ползунков соответственно оператором и, таким образом, отключения автоматического управления ползунком, обеспечиваемого системой 10.
В этом примере выходные сигналы регуляторов 60, 62 переднего и заднего уровней свободного борта ограничены соответствующими максимальным и минимальным значениями для предотвращения интегрального насыщения.
В этом примере регуляторы 60, 62 переднего и заднего уровней свободного борта представляют собой пропорционально-интегрально-дифференциальные (ПИД) регуляторы, которые выполнены в виде дискретных регуляторов. Таким образом, передний и задний ползунки 36, 42 корректируются только регуляторами 60, 62 переднего и заднего уровней свободного борта, когда поступают дополнительные измеренные значения. Кроме того, передний и задний ползунки 36, 42 могут корректироваться только в том случае, если зажим закрыт.
В этом примере регуляторы 60, 62 переднего и заднего уровней свободного борта реализованы в форме регулятора скорости, что одновременно позволяет дискретную работу и упрощает мягкую передачу управления от ручного регулирования.
Следует понимать, что изменение времени открывания зажима 22 изменяет задний уровень 46 свободного борта в дополнение к переднему уровню 44 свободного борта, потому что количество материала, которое первоначально загружено в вагон, включая заднюю часть вагона 14, будет изменяться посредством изменения положения переднего ползунка 36. В результате с целью компенсации изменения в заднем ползунке 42 по причине изменений в переднем ползунке 36 выполняется регулировка заднего ползунка 42. В настоящем примере значение 96 компенсации заднего уровня свободного борта, соответствующее по меньшей мере части вычисленных изменений для переднего ползунка 36, вычитается из вычисленных изменений для заднего ползунка 42, как показано на фиг. 5.
Однако, если регулятор 78 перегрузки по массе закрыл зажим 22 настолько заранее, что текущий задний уровень 46 свободного борта находится ниже заданного значения 58 уровня свободного борта, значение 96 компенсации заднего уровня свободного борта не подается на регулятор 62 заднего уровня свободного борта. Без этого регулятор заднего уровня свободного борта мог входить в интегральное насыщение.
Регуляторы 60, 62 переднего и заднего уровней свободного борта работают на дискретной основе и должны справляться с временем запаздывания, налагаемым устройствами 47, 49 измерения уровня свободного борта, а также с задержкой, налагаемой фильтрами 92, 94 нижних частот. По этой причине в этом примере для регуляторов 60, 62 переднего и заднего уровней свободного борта используются ПИД-гамма-регуляторы.
В этом примере дискретное регулирование по скорости ПИД-гамма-регулятора выглядит следующим образом:
где
i
m  – новое значение выходного сигнала регулятора, то есть новое положение ползунка в мм;
i-1
m  – текущее положение ползунка;
i-2
m  – предыдущее положение ползунка;
i
e  – новая ошибка уровня свободного борта (мм), при этом имеется в виду, что значение ошибки обратно для переднего и заднего уровней свободного борта;
i-1
e  – текущая ошибка уровня свободного борта (мм);
i-2
e  – предыдущая ошибка уровня свободного борта (мм);
p
K  – пропорциональный коэффициент усиления – параметр настройки регулятора;
i
K  – интегральный коэффициент усиления – параметр настройки регулятора;
b   – Kd/гамма – параметр настройки регулятора;
a  – exp(-1/гамма) – параметр настройки регулятора.
Эта форма управления может быть закодирована в программируемый логический контроллер (PLC) в виде алгоритма, который выполняется только тогда, когда поступает новое измеренное значение уровня свободного борта от устройства 47, 49 измерения уровня свободного борта.
Правила настройки системы управления с внутренней моделью (IMC) для ПИД-гамма-регулятора предоставили следующие предложения для начальных параметров настройки регулятора:
p
K = 0,05
i
K = 0,066
a = 0,434
b = -0,01167
В примере при эксплуатации существуют следующие параметры:
Параметр
Значение
Текущее положение ползунка открывания, m<sub>i-1</sub>
95 мм
Предыдущее положение ползунка открывания, m<sub>i-2</sub>
90 мм
Заданное значение переднего уровня свободного борта
50 мм
Новое отфильтрованное измеренное значение переднего уровня свободного борта
47 мм
Текущее отфильтрованное измеренное значение переднего уровня свободного борта
45 мм
Предыдущее отфильтрованное измеренное значение переднего уровня свободного борта
40 мм
Текущее положение ползунка закрывания, m<sub>i-2</sub>
55 мм
Предыдущее положение ползунка закрывания, m<sub>i-2</sub>
50 мм
Заданное значение заднего уровня свободного борта
50 мм
Новое отфильтрованное измеренное значение заднего уровня свободного борта
57 мм
Текущее отфильтрованное измеренное значение заднего уровня свободного борта
60 мм
Предыдущее отфильтрованное измеренное значение заднего уровня свободного борта
62 мм
Таблица 1
i
i-1
i-2
На основе этих значений вычисляются значения ошибок e, e, e следующим образом:
Передний
Задний
e<sub>i </sub>=<sub></sub>47 - 50 = -3
e<sub>i</sub> = 57 - 50 = 7
e<sub>i-1 </sub>= 45 - 50 = -5
e<sub>i-1</sub> = 60 - 50 = 10
e<sub>i-2</sub> = 40 - 50 = -10
e<sub>i-2</sub> = 62 - 50 = 12
Таблица 2
i
С использованием значений из таблицы 1 и таблицы 2 новое положение переднего ползунка m вычисляется следующим образом:
i
m (передний) = (1+0,434)*95 - 0,434*90 - 3*(0,05+0,066-0,01167) + 5*(0,05*(1+,434) + 0,434*0,066 - 2(0,01167)) - 10*(0,434*0,05-0,01167) = 97,1 мм
i
Подобным образом с использованием значений из таблицы 3 и таблицы 4 новое положение заднего ползунка m вычисляется следующим образом:
i
m (задний) = (1+0,434)*55 - 0,434*50 + 7*(0,05+0,066-0,01167) - 10*(0,05*(1+0,434) + 0,434*0,066 - 2(0,01167)) + 12*(0,434*0,05-0,01167) = 57,3 мм
Соответственно, в этом примере можно видеть, что в следующих один за другим вагонах регуляторы 60, 62 переднего и заднего уровней свободного борта вызывают постепенное отклонение уровней 44, 46 свободного борта к заданному значению уровня свободного борта, и передний ползунок постепенно увеличивается для постепенного уменьшения переднего уровня свободного борта.
Как обсуждалось выше, регулятор 78 перегрузки выполнен с возможностью закрывания заранее зажима 22 в ответ на высокую вероятность перегрузки по массе вагона 14. Закрытие зажима заранее приводит к увеличению заднего уровня свободного борта и уменьшению массы руды, загружаемой в вагон 14. Частое вмешательство регулятора 78 перегрузки может привести к интегральному насыщению регулятора 62 заднего уровня свободного борта и регулятора 56 массы.
Воздействие регулятора 78 перегрузки на регулятор 62 заднего уровня свободного борта можно уменьшить путем оценки того, каким был бы задний уровень 46 свободного борта, если бы регулятор 78 перегрузки не вмешался. Это может быть сделано путем вычитания «интервала закрывания заранее» (расстояния между задним ползунком 42 и фактическим положением вагона, когда регулятор 78 перегрузки вызвал закрытие зажима 22) из измеренного значения 95 заднего уровня свободного борта вагона. Скорректированное значение затем используется в качестве входного сигнала для фильтра 94 заднего уровня свободного борта.
Воздействие регулятора 78 перегрузки на регулятор 56 массы может быть уменьшено путем добавления значения массы «удаленных тонн», соответствующего интервалу закрывания заранее, умноженному на постоянную, равную приблизительно 13 тонн на метр, к измеренной массе вагона. Скорректированное значение массы затем используется в качестве входного сигала для регулятора 56 массы, чтобы текущее значение массы, подданное на блок 86 определения ошибки массы, более точно представляло значение массы вагона, которое будет иметь место, если бы регулятор 78 перегрузки не вмешался.
Усредненное значение текущих отфильтрованных измеренных значений переднего и заднего уровней свободного борта должно использоваться в качестве начального значения выходного сигнала регулятора 56 массы при первом переключении регулятора 56 массы в автоматический режим.
i-1
i
i-1
В приведенном выше примере текущие измеренные значения m переднего и заднего уровней свободного борта составляют 47 мм и 57 мм соответственно. Если регулятор 56 массы на текущий момент находится в автоматическом режиме, переключение регулятора 56 массы в ручной режим и затем немедленное возвращение в автоматический режим приведет к тому, что заданное значение для регуляторов 60, 62 переднего и заднего уровней свободного борта будет установлено на (47+57)/2 = 52 мм. В этом случае 52 мм также будет значением, используемым регулятором 56 массы для значений в уравнении (1) для нового и текущего заданных значений уровня свободного борта m, m.
i
i-1
i-2
i
i-1
i-2
Поскольку используется регулирование по скорости с помощью ПИД-регуляторов, переключение между автоматическим и ручным режимами для регуляторов 60, 62 уровня свободного борта не вызывает затруднений. Когда регуляторы 60, 62 уровня свободного борта находятся в ручном режиме, расчет управления, определенный в уравнении (3), не выполняется, и последнее (ручное) значение для m используется для текущего и предыдущего положений ползунка m, m. Подобным образом используется текущее значение для новой ошибки уровня свободного борта e, и текущее и предыдущее значения ошибок уровня свободного борта e, e также устанавливаются на это значение. Это обеспечивает «мягкую передачу управления», и регулятор перезапускается при нормальных условиях.
Оператор может настроить ползунки 36, 42, когда регуляторы находятся в автоматическом режиме, и любая выполненная регулировка рассматривается как кратковременный переход в ручной режим и обратно в автоматический режим, вследствие чего регуляторы 56, 60, 62 массы и уровня свободного борта сбрасываются в исходное состояние, как описано выше.
Настройка регулятора, и особенно настройка регулятора уровня свободного борта, важна для надежности системы 10. Перед настройкой регулятора 56 массы сначала должны быть настроены регуляторы 60, 62 уровня свободного борта. Начальный процесс настройки может следовать процедуре в соответствии со следующим:
• установить стабильные условия погрузки с помощью регуляторов 56, 60, 62 массы и уровня свободного борта в ручном режиме;
• перевести регулятор 62 заднего уровня свободного борта в автоматический режим с приведением как регулятора 56 массы, так и регулятора 60 переднего уровня свободного борта в ручной режим;
• выполнить пошаговое изменение заданного значения 58 уровня свободного борта, пронаблюдать за воздействием на регулятор 62 заднего уровня свободного борта и настроить его как обычно;
• оставить регулятор 62 заднего уровня свободного борта работать в автоматическом режиме и настроить регулятор 60 переднего уровня свободного борта, убедившись, что разъединение регуляторов 60, 62 переднего и заднего уровней эффективно;
• загрузить несколько вагонов 14 с помощью регуляторов 60, 62 переднего и заднего уровней свободного борта в автоматическом режиме, но при этом обеспечив пошаговые изменения заданного значения в ручном режиме для уровня свободного борта и проверив, что комбинированные характеристики приемлемы; и
• перевести регулятор массы в автоматический режим с соответствующими значениями коэффициентов усиления регулятора, установленными путем наблюдения за реакцией на изменения заданного значения вручную.
Чтобы система работала безопасно и как следует, важно, чтобы устройства измерения уровня свободного борта работали надежно. Должен быть установлен разрешающий сигнал, чтобы регуляторы 60, 62 уровня свободного борта не могли быть переведены в автоматический режим, если устройства измерения уровня свободного борта не работают должным образом.
Поскольку система 10 работает в автоматическом режиме, если приемлемый сигнал уровня свободного борта не был обнаружен для пяти вагонов, то система 10 может быть выполнена таким образом, чтобы переводить регуляторы 56, 60, 62 в ручной режим с помощью системы, не позволяющей регуляторам 56, 60, 62 переходить в автоматический режим до тех пор, пока не будет получен хотя бы один приемлемый сигнал уровня свободного борта.
Необходимо понимать, что, если в данном документе делается ссылка на какую-либо публикацию из уровня техники, то такая ссылка не означает признания того, что эта публикация образует часть общедоступных известных знаний в данной области техники в Австралии или любой другой стране.
В следующей формуле изобретения и предшествующем описании настоящего изобретения, за исключением случаев, когда контекст требует иного в силу явно выраженных формулировок или необходимого логического вывода, слово «содержать» или его варианты, такие как «содержит» или «содержащий», употребляются во включающем смысле, т. е. для указания наличия заявленных признаков, но не для исключения наличия или добавления дополнительных признаков в различных вариантах осуществления настоящего изобретения.
Модификации и изменения, которые могут быть очевидны специалисту в данной области, находятся в пределах объема настоящего изобретения.