刻度標(biāo)尺在黃驊筒倉卸料車上的應(yīng)用

摘 要：文章介紹了刻度標(biāo)尺精確定位技術(shù)的工作原理及系統(tǒng)組成，介紹了該檢測技術(shù)在黃驊港筒倉卸料車上無人操作自動化的應(yīng)用，通過使用該技術(shù)實現(xiàn)了卸料車的定位及自動換倉卸料，降低了現(xiàn)場操作人員的勞動強度，保障了操作人員職業(yè)健康；同時提高了卸料效率和倉容。對卸料車位置檢測產(chǎn)品進行了系統(tǒng)分析比較。

關(guān)鍵詞：刻度標(biāo)尺；位置檢測；筒倉；卸料車

引言

隨著科技的進步，工業(yè)自動化程度越來越高，工業(yè)自動化應(yīng)用越來越廣；神華黃驊港是一個以煤炭運輸為主業(yè)的現(xiàn)代化港口，其年吞吐量已經(jīng)達到1.5億噸，在冊職工不到一千人，自動化程度在全國領(lǐng)先，堆料系統(tǒng)已全部實現(xiàn)自動化無人操作，特別是煤三期工程，采用筒倉工藝，自動化程度更高。無人自動操作，減少了現(xiàn)場操作人員，大大提高了生產(chǎn)效率，是我們整個工業(yè)發(fā)展的整體趨勢；實現(xiàn)無人自動操作，對我們的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性、實時性提出了很高要求，以黃驊港三期卸料小車為例，其軌道行走全長270米，跨越了六個筒倉區(qū)，要實現(xiàn)無人自動操作，必須首先準(zhǔn)確無誤的定位到指定筒倉的指定點，其布料過程中也必須實現(xiàn)準(zhǔn)確定位，準(zhǔn)確無誤的定位是實現(xiàn)自動卸料的一個必要條件，目前現(xiàn)場使用的定位器（系統(tǒng)）主要有旋轉(zhuǎn)光柵編碼器、接近開關(guān)、刻度標(biāo)尺等；黃驊港三期卸料小車應(yīng)用的定位系統(tǒng)為刻度標(biāo)尺。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

刻度標(biāo)尺卸料車自動控制系統(tǒng)主要由這幾部分構(gòu)成：料位采集部分、位置檢測部分、PLC控制部分、上位機部分。

料位采集部分：在料倉合適位置分布安裝料位計，用來實時采集料倉料位信號，此信號傳輸?shù)街锌厥业腜LC模塊內(nèi)。

位置檢測部分：采用刻度標(biāo)尺精確定位系統(tǒng)來檢測卸料車的實時位置，標(biāo)定各料倉的位置。

PLC控制部分：采集各料倉料位信號和小車位置信號，接收中控室上位機工作指令，并控制變頻器工作。

上位機部分：人機界面，根據(jù)生產(chǎn)工藝流程制定生產(chǎn)流程，下達到PLC。

2 刻度標(biāo)尺介紹及檢測原理

2.1 刻度標(biāo)尺簡介

刻度標(biāo)尺精確定位系統(tǒng)包括一臺地面電氣柜（含刻度分析儀等）、一臺車載電氣柜（含刻度生成儀等）、刻度標(biāo)尺以及游尺指針等。其中刻度標(biāo)尺是由扁平狀的PVC合成材質(zhì)外殼材料和內(nèi)部按照8421碼規(guī)律編制的芯線構(gòu)成，類似一把有刻度的標(biāo)尺，一般安裝在沿移動卸料車運行軌道單側(cè)邊，或者沿運行軌跡鋪設(shè)在地面上，亦或安裝在軌道旁的柵欄立柱上均可，需要檢測多長的位移就鋪設(shè)多長的刻度標(biāo)尺；游尺指針安裝在卸料車上，用于識別本卸料車所在的位置。游尺指針相對刻度標(biāo)尺平行非接觸移動，游尺指針指向的刻度即是當(dāng)前位置值，可以在車上或地上得到位移量，無需初始參考點，定位精度5毫米，分辨率2毫米；可以斷續(xù)或連續(xù)檢測，尤其適用于軌道不平整的大車或環(huán)形運動機械位移檢測。防水、防油、防塵、耐酸堿，適用于冶金、礦山、水利、港口碼頭堆場、倉儲、化工等條件比較惡劣的環(huán)境。

2.2 刻度標(biāo)尺原理

刻度標(biāo)尺精確定位系統(tǒng)采用電磁感應(yīng)原理來檢測移動設(shè)備的位移量，當(dāng)游尺指針線圈中通入交變電流時，在游尺指針附近會產(chǎn)生交變磁場。刻度標(biāo)尺近似處在一個交變的、均勻分布的磁場中，每對刻度標(biāo)尺芯線會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。刻度生成儀信號通過電磁耦合方式傳送到刻度標(biāo)尺的感應(yīng)環(huán)線上。刻度分析儀對接收到的信號進行相位比較。交叉線的信號相位與平行線的信號相位相同，地址為“0”；交叉線的信號相位與平行線的信號相位相反，地址為“1”，這樣感應(yīng)的地址信息是8421碼排列，由此確定游尺指針在刻度標(biāo)尺長度方向上的位置。

2.3 刻度標(biāo)尺構(gòu)成

2.3.1 車載子系統(tǒng)：由游尺指針、車載電氣柜（內(nèi)含刻度生成儀、開關(guān)電源等）。

2.3.2 地面子系統(tǒng)：由地面電氣柜組成（內(nèi)含刻度分析儀、開關(guān)電源、網(wǎng)關(guān)、標(biāo)尺引線轉(zhuǎn)換器等）。

2.3.3 刻度標(biāo)尺子系統(tǒng)：由專用刻度標(biāo)尺、CN箱、EN箱、普通電纜以及各種用于刻度標(biāo)尺安裝、固定、防護機構(gòu)組成。

3 卸料車走行位置檢測技術(shù)比較

卸料車走行位置檢測技術(shù)是近年來自動化技術(shù)發(fā)展的一個熱點，在物料有軌搬運設(shè)備的應(yīng)用尤其廣泛。卸料車位置檢測傳感器最早是接近開關(guān)或者光電開關(guān)，穩(wěn)定性較差且壽命有限，卸料車自動控制系統(tǒng)往往因為傳感器維護量大而無法長期運行。隨著科技進步，卸料車位置檢測設(shè)備也迅速發(fā)展。當(dāng)前國內(nèi)外的卸料車走行位置檢測技術(shù)主要有：定位片/條形碼位置檢測技術(shù)、限位開關(guān)（行程開關(guān)）或接近開關(guān)定位技術(shù)、旋轉(zhuǎn)編碼器加參考點限位開關(guān)檢測、紅外定位技術(shù)、激光測距技術(shù)、對射式光電開關(guān)檢測、刻度標(biāo)尺等。下面就以上幾種位移檢測技術(shù)進行一下比較。

3.1 定位片/條形碼位置檢測技術(shù)

定位片編碼位置檢測技術(shù)：通過安裝在軌道旁的定位片（帶孔的鐵片）檢測卸料車的位置，是一種間歇式絕對定位工作方式。條形碼位置檢測技術(shù)是通過安裝在軌道旁的條形碼或信息按鈕檢測卸料車的位置，是一種絕對定位的工作方式，與定位片編碼位置檢測技術(shù)相似。由于在粉塵、高溫環(huán)境里定位片編碼或條碼受到污染后容易失效，耐污染能力差。移動卸料車的振動和抖動等都會導(dǎo)致車上掃描讀寫裝置無法辨認(rèn)定位片編碼信息，出現(xiàn)無法檢測地址現(xiàn)象。

3.2 限位開關(guān)或接近開關(guān)定位技術(shù)

限位開關(guān)用于控制機械設(shè)備的行程及限位保護，是一種根據(jù)運動部件的行程位置而切換電路的電器，它的作用原理與按鈕類似，是一種間歇式的絕對定位方式，限位開關(guān)因為需要機械傳動所以響應(yīng)速度也比較慢，容易磨損損壞，使用壽命短。接近開關(guān)是當(dāng)運動部件與其的感應(yīng)頭接近時，就使其輸出一個電信號。這類定位技術(shù)的優(yōu)點是成本低，缺點是在使用過程中容易點蝕，可靠性差，易失靈，受溫度、電壓波動、外界物體靠近等影響而產(chǎn)生誤動作導(dǎo)致控制系統(tǒng)紊亂。接近開關(guān)作用距離短，不能有明顯的沖擊、震動或搖動，容易撞壞，對安裝的要求也相應(yīng)較高。因為是采用電渦流原理輸出，抗傳導(dǎo)輻射干擾的能力較差，所以易受外部電氣信號的干擾而導(dǎo)致誤動作或突然失靈。如果遇到接觸器的主觸點熔焊或釋放（復(fù)位）滯后就會出現(xiàn)限位保護失靈，導(dǎo)致事故。移動卸料車在走行過程中的震動、抖動和外界環(huán)境的影響都會導(dǎo)致其失靈或誤動作。早期國內(nèi)鋼鐵行業(yè)自動化程度較低，在礦槽小車的定位上普遍設(shè)計采用此種定位方式，后在使用過程中發(fā)現(xiàn)每個倉位由于只有一個（幾個）點的信號容易丟失位置，易失靈，維護量大，可靠性差等，不僅降低了卸料設(shè)備定位的精度，影響設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)，而且卸料設(shè)備誤工率大大增加，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致生產(chǎn)混料事故和安全事故。所以目前國內(nèi)鋼鐵企業(yè)內(nèi)的大部分礦槽卸料系統(tǒng)都采用人工干預(yù)來進行控制，當(dāng)初設(shè)計的自動布料由于不能可靠地解決位置檢測問題而大都處于癱瘓或半癱瘓狀態(tài)。

3.3 旋轉(zhuǎn)編碼器位置檢測技術(shù)

旋轉(zhuǎn)編碼器位置檢測是在車輪上安裝碼盤對移動卸料車行走的位置進行連續(xù)位置檢測，并形成位置閉環(huán)控制。這種方法是最先采用的也是最簡單的技術(shù)，通過安裝在車輪上的旋轉(zhuǎn)編碼器檢測到卸料車的位置。由于是接觸式位移測量，存在兩個嚴(yán)重的缺陷：第一，由于所測量移動車輛自身頻繁啟停所導(dǎo)致的滑動累積誤差和卸料車行走過程中車輪的打滑現(xiàn)象，導(dǎo)致在頻繁往返移動或長距離有軌走行中累積相當(dāng)大的位移誤差，現(xiàn)在使用中采用較多的是每隔一定的距離加以校正，但效果仍舊不盡人意。第二，就是所謂的“繞度”問題，這主要在卷揚系統(tǒng)中有著明顯的體現(xiàn)。當(dāng)軸同樣轉(zhuǎn)動一圈而各圈位移量不一致，這也是導(dǎo)致位移誤差的常見原因。所以從上述幾點來看，我們目前所講的絕對型和相對型實質(zhì)上只是針對于軸所轉(zhuǎn)動的位置信息而言。對我們所需要測量的移動卸料車的位移來講，它只是一種相對定位的方式。編碼器在工業(yè)應(yīng)用上的主要優(yōu)點是成本低。缺點是車輪打滑，定位不準(zhǔn)，易損壞，不耐高溫，維護工作量大，使用一段時間后需要重新改造其機械結(jié)構(gòu)等。其只有車上檢測模式，地址信息需要依靠無線電臺或信號拖纜傳送給地面站控制室。

3.4 絕對型線性編碼器位置檢測技術(shù)

基于非接觸的磁性檢測原理，是一種連續(xù)非接觸位置檢測。優(yōu)點是測量精度高，單邊有源。缺點是所要求的非接觸間隙（感應(yīng)距離）比較小（<40mm），長期工作在高溫、粉塵環(huán)境中易退磁，只有車上檢測模式，地址信息要通過無線電臺或信號拖纜傳輸?shù)降孛妗?/p>

3.5 激光定位技術(shù)技術(shù)

利用激光傳輸時間來測量距離的基本原理即通過測量激光往返目標(biāo)所需時間來確定目標(biāo)距離，是一種連續(xù)非接觸位置檢測。優(yōu)點是測量精度高，安裝簡單。缺點是測距相對短，抗污染能力差，露天環(huán)境的雨、霧和粉塵對光線傳播都有影響，激光發(fā)射頭要求的環(huán)境清潔度應(yīng)非常好，粉塵累積或雨水沖刷極易造成發(fā)射窗口被堵塞，主要適合條件比較好的室內(nèi)環(huán)境，不宜在露天或粉塵場合使用。使用激光時，卸料車在運行過程中的震動或抖動對地址檢測穩(wěn)定性也會產(chǎn)生影響。當(dāng)檢測距離達到上百米時，卸料車自身的震動或由于軌道不平引起的抖動都可能導(dǎo)致激光發(fā)射頭發(fā)出的激光打不到靶區(qū)（擋板）上，從而出現(xiàn)丟地址的現(xiàn)象。

3.6 紅外定位技術(shù)

紅外定位技術(shù)主要有車載部分：活動標(biāo)尺、信號檢測和傳送單元；地面站部分：固定標(biāo)尺組成。其基本原理為：地面固定標(biāo)尺是由金屬外殼封裝而成，外殼上等間隔分出若干個窗口，高頻調(diào)制的編碼紅外線通過這些窗口發(fā)出。車載活動標(biāo)尺為紅外接收設(shè)備，接收到的調(diào)制后的高頻波在活動標(biāo)尺上進行分析，識別出卸料車的實際位置。優(yōu)點是非接觸間隙比較大；缺點是不抗粉塵，怕水蒸汽，不耐高溫，怕撞，抗震動較差，安裝精度要求高，使用壽命短，不適合惡劣環(huán)境，綜合維護量大，易受到現(xiàn)場紅外線雜波的干擾等。紅外線方式只有車上檢測模式，地址信息要通過無線電臺或信號拖纜傳回地面。

3.7 對射式光電開關(guān)檢測

對射式光電開關(guān)包含了在結(jié)構(gòu)上相互分離且光軸相對的發(fā)射器和接收器，發(fā)射器發(fā)出的光線直接進入接收器，當(dāng)被檢測物體經(jīng)過發(fā)射器和接收器之間且阻斷光線時，光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號。因此可以把對射式光電開關(guān)固定在礦倉卸料口，當(dāng)卸料車通過卸料口時，光電開關(guān)產(chǎn)生開關(guān)量信號，PLC利用其信號判斷卸料車位置區(qū)間。與限位開關(guān)相比較，其優(yōu)勢在于光電開關(guān)是非接觸設(shè)備，而其缺點是抗粉塵能力差，發(fā)射器表面需要定期清潔，維護量也很大，因此，只得到少量應(yīng)用。

4 刻度標(biāo)尺位置檢測技術(shù)在黃驊港卸料車上的應(yīng)用

4.1 刻度標(biāo)尺精確定位系統(tǒng)

刻度標(biāo)尺平行安裝在卸料車軌道一側(cè)的托輥下方或立柱上方。游尺指針安裝在機車上一個延伸桿的頂端、緊靠著刻度標(biāo)尺附近。機車前進時，游尺指針也將沿著刻度標(biāo)尺平行移動。游尺指針是機車地址測量的形象指針，所以在系統(tǒng)運行和日常維護時，一定要保證安裝牢固，讓游尺指針外平面與刻度標(biāo)尺始終保持在50-150mm的距離。移動時不要發(fā)生與其他物件碰撞。地面控制柜內(nèi)刻度生成儀輸出位置信號給PLC，再通過光纖和上位機聯(lián)機。

4.2 無人操作自動化控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用美國AB公司的RSlogix5000 PLC控制，位移信號由安裝于現(xiàn)場的刻度生成儀輸出后，使用RS-485通訊電纜接入PLC的CPU模塊上的485接口，經(jīng)過專用的通訊適配器，最終將位移信號以整數(shù)形式寫入PLC內(nèi)的固定寄存器。卸料車的行走控制由PLC編程，通過輸出的開關(guān)量信號控制。上位機畫面采用AB公司推出的RSlogix5000制作，使用第三方通訊軟件KEPWARE作為驅(qū)動，通過OPC方式完成上位機與PLC系統(tǒng)之間的通訊。

通過刻度標(biāo)尺精確定位系統(tǒng)和上位機操作系統(tǒng)的協(xié)同工作，可以確保卸料車行走平穩(wěn)，停止位置準(zhǔn)確可靠，在輸料系統(tǒng)中將不同的料種卸到指定的倉位內(nèi)，滿足工藝需求。按操作方式可設(shè)置“手動”和“自動”切換功能，使系統(tǒng)在非常情況下仍能通過現(xiàn)場手動操作來完成配料卸料作業(yè)，不影響生產(chǎn)的正常進行。根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)狀，當(dāng)皮帶機在目標(biāo)區(qū)間（指定倉位）卸料過程中，可以允許操作工在現(xiàn)場機旁操作小車在指定倉位移動，但不能超過目標(biāo)倉位的區(qū)間范圍，即小車的換倉只能通過中控系統(tǒng)集中控制，用戶可通過上位機選擇需要卸料的倉，小車會自動走行到相應(yīng)的倉位。另外用戶還可以選擇小車行走卸料時是采用定點卸料還是多點卸料，多點卸料是小車在該倉的幾個卸料點來回行走卸料，行走時間間隔T。當(dāng)不需要多點卸料時可隨時切換到定點卸料，并且中間倉位的卸料要能控制皮帶機運行到兩端進行正反兩次卸料，滿足工藝要求。急停命令可以讓小車立即停止行走。

4.3 卸料車自動定位系統(tǒng)運行模式

系統(tǒng)分為半自動、全自動兩種運行模式。

半自動模式：在半自動模式下運行時，需要操作人員根據(jù)料倉料位情況在畫面中選取相應(yīng)的料倉，當(dāng)PLC接到此指令后，就會比對目前卸料車所在的實際位置和目的位置，使卸料車自動前進或后退，直到到達指定料倉后停車。

全自動模式：在全自動模式運行時，又分為高料位模式與低料位模式兩種情況。以低料位模式為例，在畫面中需要選擇“全自動”和“低料位模式”兩個按鈕，系統(tǒng)會自動在六個料倉中選取料位最低的料倉自動卸料，灌滿后會移動到下一個最低料位的料倉。高料位模式正好與此相反，在此不再贅述。

在控制卸料車自動行走時，軟件根據(jù)系統(tǒng)的延時和卸料車的慣性，計算出剎車提前量，通過變頻器控制抱閘的動作，實現(xiàn)卸料車的準(zhǔn)確停車。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)自安裝調(diào)試完后，經(jīng)過長期的運行，通過刻度標(biāo)尺實時檢測卸料車當(dāng)前位置，即所處倉位（槽位）識別，結(jié)合料位，實現(xiàn)了卸料車的自動換倉卸料、多點均勻布料（下料），提高倉容利用率；優(yōu)化流程，精確作業(yè)，減少出錯機率。該系統(tǒng)具有以下技術(shù)特點：采用非接觸式刻度標(biāo)尺精確定位技術(shù)采集卸料車的實時位置，可斷續(xù)或連續(xù)檢測，分辨率可以達到2mm，實現(xiàn)卸料車行走定位精度在±10mm；刻度標(biāo)尺精確定位系統(tǒng)運行可靠，維護量極小，完全滿足生產(chǎn)自動控制需求；豐富友好的人機界面，可以在計算機上方便地操控卸料車運行，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的計算機管理，遠程監(jiān)控，生產(chǎn)狀況存貯查詢；同時提高了工作效率和生產(chǎn)管理水平，實現(xiàn)了遠程全自動操作控制。