nâng cao chất lượng hệ thống cân tàu hỏa động improving the quality of the dynamic...

6
Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011 VCCA-2011 Nâng cao chất lượng hệ thống cân tàu hỏa động Improving the quality of the dynamic railway scale system Nguyễn Trung Dũng Trường Đại học Giao thông Vận tải e-Mail: [email protected] Lê Thúy Nga Trường Đại học Giao thông Vận tải e-Mail: [email protected] Tóm tắt: Bài báo giới thiệu một thiết kế hệ thống cân tàu hỏa động kể cả phần cứng và phần mềm trong đó kết hợp nhiều giải pháp xử lý tín hiệu cân động cho đoàn tàu trên cơ sở sử dụng máy tính công nghiệp kiểu không quạt, nhúng Windows XP và hệ thống nhận dạng đầu máy toa xe để đạt được độ tin cậy cao và thỏa mãn yêu cầu về độ chính xác cho cân giao nhận thương mại . Abstract: This paper presents a system design for the dynamic railway scale system including the hardware and software that combines multiple signal processing solutions for the dynamic railway scale system on the basis of using fanless industrial computer, embedded Windows XP and the locomotive - railcar identification system to achieve high reliability and precision requirements for the trade rail scale. Ký hiệu Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa M kg khối lượng thùng xe, bao gồm cả hàng J kg.m 2 mô men quán tính gật đầu thùng xe M2 kg khối lượng giá chuyển trên lò xo Mw kg khối lượng giá chuyển dưới lò xo Jt kg.m 2 mô men quán tính gật đầu giá chuyển K s2 N/m độ cứng treo toa xe 2 hệ C s2 N.s/m trở cản treo toa xe 2 hệ Chữ viết tắt IPC Industrial Personal Computer PLC Programmable Logic Controller WIM Weighing In Motion 1. Mở đầu Vận tải đường sắt là một loại hình vận tải có khối lượng hàng hóa chuyên chở lớn. Đặc thù ngành là chạy trên tuyến cố định, vốn đầu tư lớn, nhưng hiệu quả kinh tế khá cao. Có thể chuyên chở được một khối lượng hàng hóa mà không một loại hình vận chuyển đường bộ nào đạt được. Trong quá trình phát triển ngành, yêu cầu tự động hóa cũng phát triển theo. Một vấn đề khá nan giải đặt ra là làm sao tự động hóa định lượng hàng hóa nhanh nhất mà không làm ảnh hưởng tới quá trình sản xuất cũng như chuyên chở. Đối với những mặt hàng đóng bao bì thì việc này tương đối đơn giản, nhưng các mặt hàng rời như than, quặng khoáng sản, sắt thép, bê tông, xi măng,… thì rất khó để xác định. Giải pháp đưa ra là quá trình định lượng hàng hóa phải được tiến hành ngay trong quá trình vận chuyển, không làm gián đoạn đến các quá trình khác, đó là cân tàu hỏa động. Ưu điểm của công nghệ cân này là đảm bảo được tính liên tục của sản xuất và vận chuyển, năng suất cân cao, sai số có thể chấp nhận được (vào cỡ < 1 %). Trên thế giới hiện nay, các hãng sản xuất cân nổi tiếng như Schenck, Mettler Toledo, TrakBlaze .... [3],[8] đều có sản phẩm cân tàu hỏa động. Cầu cân của các hãng nước ngoài thường được chế tạo theo khổ đường sắt và nền đường sắt tiêu chuẩn. Còn ở Việt Nam, do ảnh hưởng môi trường và vị trí địa lý cũng như hạn chế về các dụng cụ kiểm định, thi công nên nền đường hầu như chưa đạt chuẩn. Hơn thế nữa hệ đầu máy, toa xe của nước ta tương đối cũ, có từ lâu, và không đồng nhất một kiểu, do đó rất khó để quy về chuẩn. Điều này làm cho các hệ thống cân nhập khẩu khi vận hành trên đường sắt Việt Nam thường kém tin cậy và kém chính xác hơn rất nhiều so với đăng ký hay vận hành ở nước ngoài. Cho đến nay ngành đường sắt và một số công ty khai thác khoáng sản cũng đã trang bị các hệ thống cân tàu hỏa động trong đó toàn bộ thiết bị và công nghệ đều nhập ngoại nên mỗi khi hệ thống bị trục trặc đều phải chờ chuyên gia nước ngoài khắc phục hoặc gửi đi bảo hành tại nước ngoài. Việc đầu tư nghiên cứu một cách bài bản để hoàn chỉnh và làm chủ công nghệ cân tàu hỏa động nhằm tạo ra sản phẩm trong nước có chất lượng tương đương, phù hợp với điều kiện vận hành và thực trạng đầu máy, toa xe hiện có tại Việt Nam đồng thời có sức cạnh tranh cao với sản phẩm cùng loại nhập ngoại là việc làm rất cần thiết. 2. Cấu trúc hệ thống cân tàu hỏa động Về công nghệ, một hệ thống cân bao gồm các thiết bị chính sau: móng cân và mặt bàn cân, thiết bị chống xô, bảo vệ quá tải, kẹp ray (nhóm thiết bị cơ khí công trình); các đầu đo, bộ cộng tín hiệu, bộ khuyếch đại và xử lý tín hiệu, thiết bị nhận dạng toa xe và phần mềm quản lý dữ liệu (nhóm thiết bị điện tử và CNTT) [1], [4], [5]. Trong công trình này, tác giả lựa chọn kết cấu cầu cân kiểu platform với chiều dài bàn cân 3.8m có thể thực hiện cả cân tĩnh hoặc cân động từng giá chuyển cho bất kỳ loại đầu máy hoặc toa xe nào đang vận dụng trên đường sắt Việt Nam. Kết cấu cơ khí cũng được tính toán đủ độ cứng vững, triệt tiêu tối đa các dao động đồng thời chống xô các hướng một cách hiệu quả nhất. Cấu trúc tổng thể của hệ thống cân được mô tả trên H. 1 587

Upload: pvdai

Post on 29-Jul-2015

89 views

Category:

Documents


0 download

DESCRIPTION

Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011Nâng cao chất lượng hệ thống cân tàu hỏa động Improving the quality of the dynamic railway scale systemNguyễn Trung Dũng Trường Đại học Giao thông Vận tải e-Mail: [email protected] Tóm tắt:Bài báo giới thiệu một thiết kế hệ thống cân tàu hỏa động kể cả phần cứng và phần mềm trong đó kết hợp nhiều giải pháp xử lý tín hiệu cân động cho đoàn tàu trên cơ sở sử dụng máy tính công nghiệp kiểu không quạt, nhúng Windows XP và hệ thống nh

TRANSCRIPT

Page 1: Nâng cao chất lượng hệ thống cân tàu hỏa động Improving the quality of the dynamic railway scale system

Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011

Nâng cao chất lượng hệ thống cân tàu hỏa động

Improving the quality of the dynamic railway scale system

Nguyễn Trung Dũng

Trường Đại học Giao thông Vận tải

e-Mail: [email protected]

Lê Thúy Nga

Trường Đại học Giao thông Vận tải

e-Mail: [email protected]

Tóm tắt: Bài báo giới thiệu một thiết kế hệ thống cân tàu hỏa

động kể cả phần cứng và phần mềm trong đó kết hợp

nhiều giải pháp xử lý tín hiệu cân động cho đoàn tàu

trên cơ sở sử dụng máy tính công nghiệp kiểu không

quạt, nhúng Windows XP và hệ thống nhận dạng đầu

máy – toa xe để đạt được độ tin cậy cao và thỏa mãn

yêu cầu về độ chính xác cho cân giao nhận thương mại .

Abstract: This paper presents a system design for the dynamic

railway scale system including the hardware and

software that combines multiple signal processing

solutions for the dynamic railway scale system on the

basis of using fanless industrial computer, embedded

Windows XP and the locomotive - railcar identification

system to achieve high reliability and precision

requirements for the trade rail scale.

Ký hiệu Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa

M kg khối lượng thùng xe, bao gồm cả hàng

J kg.m2 mô men quán tính gật đầu thùng xe

M2 kg khối lượng giá chuyển trên lò xo

Mw kg khối lượng giá chuyển dưới lò xo

Jt kg.m2 mô men quán tính gật đầu giá chuyển

Ks2 N/m độ cứng treo toa xe 2 hệ

Cs2 N.s/m trở cản treo toa xe 2 hệ

Chữ viết tắt IPC Industrial Personal Computer

PLC Programmable Logic Controller

WIM Weighing In Motion

1. Mở đầu Vận tải đường sắt là một loại hình vận tải có khối lượng

hàng hóa chuyên chở lớn. Đặc thù ngành là chạy trên

tuyến cố định, vốn đầu tư lớn, nhưng hiệu quả kinh tế

khá cao. Có thể chuyên chở được một khối lượng hàng

hóa mà không một loại hình vận chuyển đường bộ nào

đạt được. Trong quá trình phát triển ngành, yêu cầu tự

động hóa cũng phát triển theo. Một vấn đề khá nan giải

đặt ra là làm sao tự động hóa định lượng hàng hóa

nhanh nhất mà không làm ảnh hưởng tới quá trình sản

xuất cũng như chuyên chở. Đối với những mặt hàng

đóng bao bì thì việc này tương đối đơn giản, nhưng các

mặt hàng rời như than, quặng khoáng sản, sắt thép, bê

tông, xi măng,… thì rất khó để xác định.

Giải pháp đưa ra là quá trình định lượng hàng hóa phải

được tiến hành ngay trong quá trình vận chuyển, không

làm gián đoạn đến các quá trình khác, đó là cân tàu hỏa

động. Ưu điểm của công nghệ cân này là đảm bảo được

tính liên tục của sản xuất và vận chuyển, năng suất cân

cao, sai số có thể chấp nhận được (vào cỡ < 1 %).

Trên thế giới hiện nay, các hãng sản xuất cân nổi tiếng

như Schenck, Mettler Toledo, TrakBlaze .... [3],[8] đều

có sản phẩm cân tàu hỏa động. Cầu cân của các hãng

nước ngoài thường được chế tạo theo khổ đường sắt và

nền đường sắt tiêu chuẩn. Còn ở Việt Nam, do ảnh

hưởng môi trường và vị trí địa lý cũng như hạn chế về

các dụng cụ kiểm định, thi công nên nền đường hầu như

chưa đạt chuẩn. Hơn thế nữa hệ đầu máy, toa xe của

nước ta tương đối cũ, có từ lâu, và không đồng nhất một

kiểu, do đó rất khó để quy về chuẩn. Điều này làm cho

các hệ thống cân nhập khẩu khi vận hành trên đường sắt

Việt Nam thường kém tin cậy và kém chính xác hơn rất

nhiều so với đăng ký hay vận hành ở nước ngoài.

Cho đến nay ngành đường sắt và một số công ty khai

thác khoáng sản cũng đã trang bị các hệ thống cân tàu

hỏa động trong đó toàn bộ thiết bị và công nghệ đều

nhập ngoại nên mỗi khi hệ thống bị trục trặc đều phải

chờ chuyên gia nước ngoài khắc phục hoặc gửi đi bảo

hành tại nước ngoài.

Việc đầu tư nghiên cứu một cách bài bản để hoàn chỉnh

và làm chủ công nghệ cân tàu hỏa động nhằm tạo ra sản

phẩm trong nước có chất lượng tương đương, phù hợp

với điều kiện vận hành và thực trạng đầu máy, toa xe

hiện có tại Việt Nam đồng thời có sức cạnh tranh cao

với sản phẩm cùng loại nhập ngoại là việc làm rất cần

thiết.

2. Cấu trúc hệ thống cân tàu hỏa động Về công nghệ, một hệ thống cân bao gồm các thiết bị

chính sau: móng cân và mặt bàn cân, thiết bị chống xô,

bảo vệ quá tải, kẹp ray (nhóm thiết bị cơ khí – công

trình); các đầu đo, bộ cộng tín hiệu, bộ khuyếch đại và

xử lý tín hiệu, thiết bị nhận dạng toa xe và phần mềm

quản lý dữ liệu (nhóm thiết bị điện tử và CNTT) [1],

[4], [5]. Trong công trình này, tác giả lựa chọn kết cấu

cầu cân kiểu platform với chiều dài bàn cân 3.8m có thể

thực hiện cả cân tĩnh hoặc cân động từng giá chuyển

cho bất kỳ loại đầu máy hoặc toa xe nào đang vận dụng

trên đường sắt Việt Nam. Kết cấu cơ khí cũng được tính

toán đủ độ cứng vững, triệt tiêu tối đa các dao động

đồng thời chống xô các hướng một cách hiệu quả nhất.

Cấu trúc tổng thể của hệ thống cân được mô tả trên H. 1

587

Page 2: Nâng cao chất lượng hệ thống cân tàu hỏa động Improving the quality of the dynamic railway scale system

Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011

H. 1 Cấu trúc của hệ thống cân tàu hỏa động

Tín hiệu từ 4 đầu đo (Load cell) được đưa về hộp nối

(Junction box), tín hiệu bình quân đầu ra được đưa tới

bộ xử lý cân động.

Tín hiệu từ cảm biến bánh tàu (Wheel detector) được

đưa về bộ tự động nhận dạng đầu máy và toa xe . Tại

đây sẽ đo tốc độ tức thời của từng toa xe, đếm số lượng

trục, đo khoảng cách giữa các trục, khoảng cách tâm cối

chuyển để nhận dạng, phân tách đầu máy và toa xe có

trong đoàn tàu. Dữ liệu sau đó được truyền về máy tính

qua đường truyền thông RS 485.

Dữ liệu từ bộ xử lý cân và bộ nhận dạng được đưa về

máy tính và được phần mềm xử lý tính ra khối lượng

của từng giá chuyển hướng và cả đoàn tàu đồng thời

thực hiện các tác nghiệp của ngành đường sắt cũng như

lưu trữ dữ liệu cân.

3. Quá trình chuyển động của toa xe trên

bàn cân Một hệ thống cân động (WIM) có thể không bao giờ đạt

đến độ chính xác như hệ thống cân tĩnh vì các lực nhiễu

xẩy ra trong quá trình cân động. Điều kiện ray và tà vẹt

là nguyên nhân gây ra dao động giống như một hệ thống

bao gồm khối lượng và lò xo. Việc nghiên cứu quá trình

chuyển động của đoàn tàu qua cân cho phép ta tiên đoán

được những yếu tố chính gây ra các xung lực nhiễu từ

đó có giải pháp xử lý hàm khối lượng phù hợp để đạt

được độ chính xác cho cân.

3.1 Mô hình toán học toa xe

Một vấn đề khá quan trọng trong bất kỳ hình thức cân

nào là lực tác dụng của đoàn tàu xuống đường ray. Nếu

đường ray hoàn toàn bằng phẳng và thẳng, nền đường

không có biến dạng, mặt lăn bánh xe và những ổ trục

của nó là những hình tròn đồng tâm thì khi chuyển động

trọng tâm của dưới trục lò xo đặt vào tâm trục bánh xe

sẽ vẽ nên một đường thẳng đặt song song với mặt

đường.

Hiện nay thường có 3 mô hình toa xe điển hình trong đó

loại mô hình thống nhất 2 hệ treo được sử dụng chủ yếu.

H. 2 Mô hình thống nhất toa xe 2 hệ treo

Các phương trình vi phân dao động toa xe gồm có:

*) Vận động nổi thùng xe: .. . . . . . ..

2 2 2 2( ) ( ) ( ) ( ) 0T T S SmZ C Z l Z K Z l Z C Z l Z K Z l Z (1)

*) Vận động gật đầu thùng xe:

.. . . . . . .

2 2 2 2( ) ( ) ( ) ( ) 0T T S SJ lC Z l Z lK Z l Z lC Z l Z lK Z l Z (2)

*) Vận động nổi khung giá chuyển trước:

.. . . . . .

2 2 2 1 1( ) ( ) ( ) ( ) 0T TT T CT T CTm Z C Z l Z K Z l Z C Z Z K Z Z (3)

*) Vận động gật đầu khung giá chuyển trước:

588

Page 3: Nâng cao chất lượng hệ thống cân tàu hỏa động Improving the quality of the dynamic railway scale system

Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011

.. . . .1 1

1 1

1 12 2

( ) ( )2 2 2 2 2 2

( ) ( ) 02 2 2 2 2 2

T T T TTT T T B T T B

T T T TT T B T T B

l C l l K lJ Z Z Z Z

l C l l K lZ Z Z Z

(4)

*) Vận động nổi khung giá chuyển sau: .. . . . . .

2 2 2 1 1( ) ( ) ( ) ( ) 0S SS S CS S CSm Z C Z l Z K Z l Z C Z Z K Z Z (5)

*) Vận động gật đầu khung giá chuyển sau: .. . . .

1 13 3

1 14 4

( ) ( )2 2 2 2 2 2

( ) ( ) 02 2 2 2 2 2

T T T TST S S B S S B

T T T TS S B S S B

l C l l K lJ Z Z Z Z

l C l l K lZ Z Z Z

(6)

Với: ZB1, ZB2, ZB3, ZB4 là độ nhấp nhô của nền đường

Z, φ, ZT, φT, ZS, φS là nhấp nhô, gật đầu thân xe và giá chuyển.

3 41 2 ;2 2

B BB BCT CS

Z ZZ ZZ Z

Nhận xét thấy dạng phương trình chung của 4 phương trình là: .. .

( )M x C x Kx f u (7)

Nghiệm của (7) sẽ gồm 2 thành phần, một thành phần dao động tự do và một thành phần dao động cưỡng bức. Hoàn

toàn phù hợp với lý tính của hệ thống, đó là chịu tác động của 2 thành phần dao động tự do và dao động cưỡng bức.

3.2 Dạng tín hiệu thực tế đo được

Trong thực tế, do không thể xác định được chính xác

các giá trị hằng số trong các mô hình trên, do đó chúng

ta chỉ biết được dạng hàm của lực tác dụng của toa xe

lên đường ray. Từ đó bằng thực nghiệm ngoài hiện

trường, chúng ta có thể biết được gần đúng phương

trình lực tác dụng trên.

H. 3 Dạng xung lực khi bánh tàu lăn vào bàn cân

H. 4 Hình ảnh bàn cân ngoài hiện trường

H. 5 Dữ liệu thời gian thực đo được của đầu máy TY7 kéo 2

toa xe với tốc độ 10km/h

Qua H. 3 và H. 5 cho thấy xung lực và dao động khi

bánh xe lăn từ ray cố định lên bàn cân là không thể

tránh khỏi. Giải pháp khắc phục là xử lý nền đường ray

trước, trong khu vực và sau bàn cân thật tốt, độ dài đoạn

ray trước và sau cần xử lý ít nhất là 50 m ( khoảng gấp 3

lần chiều dài 1 toa xe). Khi giảm được biên độ dao động

này thì một phần cũng giảm được biên độ dao động tần

số riêng ω0 của đoàn tàu. Tuy nhiên các xung lực kích

động vẫn còn và phụ thuộc vào việc tiếp cận các bánh

xe của các giá chuyển đến và rời khỏi bàn cân và độ

cứng của hệ lò xo. Việc loại trừ hoàn toàn các dao động

không mong muốn sinh ra là khó thực hiện, ta chỉ có thể

hạn chế đến mức tối thiểu.

4. Nhận dạng và đo tốc độ đoàn tàu 4.1 Nhiệm vụ cuả hệ thống nhận dạng

1. Xác định hướng tàu, nhận dạng được đầu máy toa xe,

phát hiện vị trí của đầu máy trong đoàn tàu.

2. Xác định vận tốc tức thời, khoảng cách trục trong một

giá chuyển, khoảng cách giá chuyển, số trục trong từng

giá chuyển của từng toa xe và gửi dữ liệu đồng bộ lên

máy tính trong chương trình cân động. Đây là những

589

Page 4: Nâng cao chất lượng hệ thống cân tàu hỏa động Improving the quality of the dynamic railway scale system

Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011

thông tin quan trọng để chương trình xử lý tính toán

khối lượng tính được khối lượng chính xác với từng loại

giá chuyển và toa xe khác nhau.

3. Gửi tín hiệu báo tàu chạy sai dải tốc độ cho phép trên

bàn cân (3Km/h ÷ 20 Km/h) và tín hiệu báo tàu chạy

quá gia tốc cho phép trên bàn cân (∆v>2 Km/h) để thực

hiện cân lại.

4.2 Cảm biến phát hiện bánh tàu

Để phát hiện sự xuất hiện của đoàn tàu tại vùng cân,

chúng ta có thể dùng các loại cảm biến tiệm cận hoặc

cảm biến quang học, địa chấn ....Phương án được lựa

chọn ở đây là dùng cảm biến tiệm cận kiểu từ. Đây là

loại cảm biến làm việc tin cậy, chịu được các điều kiện

khắc nghiệt về thời tiết.

H. 6 Cảm biến từ được sử dụng

Trên mặt bàn cân, ta gắn 2 cảm biến từ cạnh mép trong

ray. Khoảng cách giữa 2 cảm biến từ là 3m . Khi có

đoàn tàu đi qua, sẽ có dãy xung từ các cảm biến báo về

tương ứng với sự xuất hiện của các trục bánh xe.

Hệ thống nhận dạng đầu máy toa xe chỉ sử dụng 2 cảm

biến từ đặt trên bàn cân nhưng lại cung cấp một lượng

thông tin rất lớn và hữu ích cho quá trình đồng bộ và xử

lý hàm trọng lượng. Chỉ một lỗi sai sót nhỏ của hệ thống

nhận dạng này sẽ làm cho việc bù tốc độ và bù dao động

gặp sai số rất lớn hoặc trọng lượng của toa này sẽ được

tính cho toa khác dẫn đến kết quả sai hoàn toàn. Nhận

thức được vấn đề này, nhóm tác giả đề tài đã tập trung

nghiên cứu các giải pháp đồng bộ từ phần cứng đến

phần mềm nhằm chống nhiễu và tin cậy hóa ở mức tối

đa. Phần xử lý logic sơ bộ được thực trên bộ PLC loại

nhỏ S7-200 của Siemens. Dữ liệu sau đó được truyền

qua cổng RS 485 về IPC. Các thuật toán chống nhiễu,

nhận dạng nhiều tầng và nâng cao được cài đặt cả trên

PLC và trên IPC nhằm đảm bảo không bỏ sót bất kỳ

trường hợp và tình huống hợp nào ứng với các loại đầu

máy và toa xe đang vận hành trên đường sắt Việt Nam.

Hệ thống triển khai thực tế ngoài hiện trường đã hoạt

động rất tốt trong điều kiện ngoài trời khắc nghiệt và có

nhiều loại nhiễu tác động

5. Hệ thống xử lý cân động Phần xử lý tín hiệu cân luôn được xem là phần trái tim

quan trọng nhất của một hệ thống cân và đặc biệt là cân

động. Các hãng nước ngoài luôn luôn bảo vệ và giữ độc

quyền đối với công đoạn xử lý và hiệu chỉnh này.

5.1 Các thiết bị phần cứng

Cảm biến trọng lượng loadcell là loại chất lượng cao

Model C16AD1 tải trọng 30t của hãng HBM. Với các

tính năng kỹ thuật : độ nhậy Cn = 2mV/V; độ phi tuyến

là ±0.0300 %của Cn; ảnh hưởng nhiệt độ môi trường tới

độ nhậy là ± 0.025 % của Cn ; sai số độ trễ là ±0.033 %

của Cn ; nhiệt độ làm việc từ -30 °C đến +70 °C, loại

loadcell này hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu của cân.

Bộ xử lý tín hiệu Model RM 4220 cho phép nối 4 đầu

cân có độ nhậy từ 0.3 đến 12 mV/V. Đây là bộ xử lý có

chất lượng cao, các tính năng nổi trội như: hệ số khuếch

đại từ 80 đến 8500 lần; độ trôi nhiệt là ±0.2µV/°C ; cho

phép lựa chọn bộ lọc thông thấp từ 3 đến 5000 Hz ; các

dạng tín hiệu ra chuẩn hoặc ±10 V hoặc 0 ÷ 10V hay 4

÷ 20 mA ; nhiệt độ làm việc từ 0 °C đến +70 °C.

H. 7 Hình ảnh tủ cân

Máy tính công nghiệp (IPC) UNO-3072L là loại không

quạt, nhúng Windows 2000/XP và Linux cho phép làm

việc ổn định với nhiệt độ và rung sóc. Các thông số cơ

bản gồm: CPU Celeron M 1.5 GHz; 1 GB DDRAM; 2

rãnh cắm PCI mở rộng; các cổng cửa truyền thông 2 x

RS-232, 2 x RS-485, 2 x LAN, 4 x USB và 4 cửa DI, 4

cửa DO và 2 bộ đếm/định thời 16 bit.

5.2 Xử lý tín hiệu cân

H. 8 Quá trình xử lý tín hiệu khối lượng

Trong quá trình xử lý tín hiệu theo H. 8 thì 4 công đoạn

đầu tiên ta thực hiện trong phần cứng, cụ thể là lựa chọn

590

Page 5: Nâng cao chất lượng hệ thống cân tàu hỏa động Improving the quality of the dynamic railway scale system

Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011

các tham số phù hợp (hệ số khuếch đại, dạng tín hiệu ra,

lọc thông thấp và tạo ngưỡng) của bộ xử lý RM-4220.

Đặt bộ lọc thông thấp có tần số cắt là 10 Hz để lọc bỏ

những tín hiệu có tần số lớn hơn 10 Hz. Tiếp đó ta chọn

các tham số phù hợp cho bộ biến đổi ADC thông qua

việc đặt các tham số cho Card đo PCI-1716L. Việc chọn

tốc độ lấy mẫu của ADC phụ thuộc vào dải tốc độ chạy

tàu, chiều dài bàn cân, chiều dài giá chuyển và số lượng

mẫu đo trong một xung lực của giá chuyển. Trong thiết

bị này ta chọn với xung lực của giá chuyển hẹp nhất

tuơng ứng với tốc độ tàu 20 km/h (5.56 m/s) là 100

mẫu, điều này đủ để phản ánh trung thực dạng tín hiệu

Anolog. Với chiều dài bàn cân là 3.8 m, chiều dài giá

chuyển là 2m ta tính ra chu kỳ lấy mẫu của ADC là

10ms. Với chu kỳ này thì khi tàu chạy chậm nhất 3

km/h (0.83 m/s), xung lực sẽ có khoảng 700 dữ liệu.

Các công đoạn tiếp theo để xử lý dữ liệu ta thực hiện

bằng phần mềm, gồm:

Hiệu chỉnh lần 1: Hiệu chỉnh theo các quả chuẩn tĩnh

Tích phân lấy giá trị trung bình của xung lực để bù trừ

những dao động trong quá trình cân.

Hiệu chỉnh lần 2: Vì có nhiều thông số không đo được

trong quá trình cân như đã trình bày ở trên, trong phần

này sẽ hiệu chỉnh các xung lực theo các cấp tốc độ và

chủng loại bộ giá chuyển thông qua cơ sở dữ liệu đã

được tính toán và hiệu chỉnh theo các giá trị thực tế hiện

trường. Lưu đồ thuật toán cân động được trình bày trên

H. 9

Bắt đầu

Toa xe hiện tại <=n0

Cân động giá

chuyển 1

1

In phiếu

In phiếu cân

Kết thúc

1

0

Đọc dữ liệu

- Số đầu máy + toa xe = n

- Toa xe hiện tại = 0

- Phát hiện tàu vào bàn cân

- Đo vận tốc tức thời của trục

- Toa xe hiện tại ++

Nhận dạng

giá chuyển 1

Nhận dạng

giá chuyển 2

Cân động giá

chuyển 2

Bù vận tốc

Cho khối lượng toa

Bù dao động

Cho khối lượng toa

H. 9 Lưu đồ thuật toán cân động

Dưới đây là một số trang giao diện vận hành và phiếu

cân thực hiện ở cả chế độ cân động và cân tĩnh với đầu

máy là TY7 kéo theo 4 chủng loại toa xe khác nhau.

Qua phiếu cân động cho thấy tốc độ cân trung bình

khoảng 13 km/h . Các giá trị khối lượng đo được của

các toa xe khi cân tĩnh và cân động là rất sát nhau .

591

Page 6: Nâng cao chất lượng hệ thống cân tàu hỏa động Improving the quality of the dynamic railway scale system

Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011

H. 10 Trang giao diện cân tĩnh

H. 11 Phiếu cân tĩnh

H. 12 Phiếu cân động

6. Kết luận Trong khuôn khổ công trình nghiên cứu này, tác giả lựa

chọn giải pháp cầu cân kiểu platform với nhiều phương

pháp thiết kế và xử lý tín hiệu tiên tiến cho phép chế tạo

cân với độ chính xác và tin cậy cao phù hợp với hạ tầng

đường sắt và các loại đầu máy – toa xe tại Việt Nam.

Bằng những nghiên cứu lý thuyết bài bản và cả những

thực nghiệm khá đầy đủ từ PTN đến hiện trường, nhóm

tác giả đã hoàn toàn làm chủ công nghệ xử lý tín hiệu

của cân tàu hỏa động .

Những giải pháp tổng thể từ phần cơ khí đến giải pháp

cấp nguồn, dập xung nguồn, chống nhiễu, chống sét…

cho đến các thuật toán định lượng và bù tiên tiến đã tạo

ra hệ thống xử lý tín hiệu cân làm việc rất chính xác, ổn

định và tin cậy.

Các kết quả cân thử nghiệm và kết quả đo kiểm hiệu

chuẩn cho thấy độ chính xác của cân cao hơn nhiều so

với mức cho phép của cân giao nhận thương mại.

Tài liệu tham khảo [1] James, G. (2003), “Analysis of traffic load effects

on railway bridges”, PhD thesis, Royal Institute of

Technology, Stockholm

[2] Karoumi, R. Wiberg, J., Olofsson, P. (2004),

“Monitoring traffic loads and traffic load effects on the

New Arstaberg Railway Bridge”, Second international

conference on structural engineering, mechanics and

computation (Semc 2004), Cape Town, South Africa, 5-

7 July 2004.

[3] Datasheet of MultiRail, MultiBridge .

SchenckProcess GmbH.

[4] Quilligan, M. Karoumi, R., O’brien E. J. (2002),

”Development and testing of a 2-dimensional multi-

vehicle Bridge-WIM algorithm”, Proc. third

international conference on weigh-in-motion, Orlando,

USA, 13-15 May 2002.

[5] K. Elis Norden (1998) “Handbook of Electronic

Weighing”

[6] DI Dr. techn. Andreas Schöbel1, DI (FH) Roland

Stadlbauer2, Manfred Pisek3, DI Thomas Maly.

“Wayside Dynamic Weighing and Flat Spot Detection at

Austrian Railways”

[7] M. Niedzwiecki and A. Wasilewki “New

algorithms for the dynamic weighing of freight trains”

Control Eng.Practice, Vol.5 No.05, pp.603-618

[8] Hồ sơ đề xuất cung cấp và lắp đặt 01 trạm cân

động trọn bộ LTS4 (của Trakblaze-Úc) trên đường sắt

Công ty CP than Đèo Nai –TKV.

Tác giả: 1. Nguyễn Trung Dũng tốt nghiệp

chuyên ngành Tự động hóa Đại học

Bách khoa Hà Nội năm 1998, từ đó tới

nay là giảng viên tại Bộ môn Điều

khiển học, Khoa Điện – Điện tử,

Trường Đại học Giao thông Vận tải.

2. Lê Thị Thúy Nga tốt nghiệp Đại

học ngành Tự động hóa năm 2000 và

Thạc sĩ kỹ thuật Tự động hóa năm

2005 tại Trường Đại học Bách khoa

Hà Nội. Hiện là giảng viên Bộ môn

Điều khiển học - Trường Đại học Giao

thông vận tải

592