刻度標尺在黃驊筒倉卸料車上的應用

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

關鍵詞：刻度標尺；位置檢測；筒倉；卸料車

引言

隨著科技的進步，工業自動化程度越來越高，工業自動化應用越來越廣；神華黃驊港是一個以煤炭運輸為主業的現代化港口，其年吞吐量已經達到1.5億噸，在冊職工不到一千人，自動化程度在全國領先，堆料系統已全部實現自動化無人操作，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，減少了現場操作人員，大大提高了生產效率，是我們整個工業發展的整體趨勢；實現無人自動操作，對我們的現場數據采集的準確性、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，要實現無人自動操作，必須首先準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準確定位，準確無誤的定位是實現自動卸料的一個必要條件，目前現場使用的定位器（系統）主要有旋轉光柵編碼器、接近開關、刻度標尺等；黃驊港三期卸料小車應用的定位系統為刻度標尺。

1 系統構成

刻度標尺卸料車自動控制系統主要由這幾部分構成：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，此信號傳輸到中控室的PLC模塊內。

位置檢測部分：采用刻度標尺精確定位系統來檢測卸料車的實時位置，標定各料倉的位置。

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，根據生產工藝流程制定生產流程，下達到PLC。

2 刻度標尺介紹及檢測原理

2.1 刻度標尺簡介

刻度標尺精確定位系統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）、刻度標尺以及游尺指針等。其中刻度標尺是由扁平狀的PVC合成材質外殼材料和內部按照8421碼規律編制的芯線構成，類似一把有刻度的標尺，一般安裝在沿移動卸料車運行軌道單側邊，或者沿運行軌跡鋪設在地面上，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多長的刻度標尺；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尺平行非接觸移動，游尺指針指向的刻度即是當前位置值，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；可以斷續或連續檢測，尤其適用于軌道不平整的大車或環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境。

2.2 刻度標尺原理

刻度標尺精確定位系統采用電磁感應原理來檢測移動設備的位移量，當游尺指針線圈中通入交變電流時，在游尺指針附近會產生交變磁場。刻度標尺近似處在一個交變的、均勻分布的磁場中，每對刻度標尺芯線會產生感應電動勢。刻度生成儀信號通過電磁耦合方式傳送到刻度標尺的感應環線上。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”，這樣感應的地址信息是8421碼排列，由此確定游尺指針在刻度標尺長度方向上的位置。

2.3 刻度標尺構成

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

2.3.2 地面子系統：由地面電氣柜組成（內含刻度分析儀、開關電源、網關、標尺引線轉換器等）。

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

3 卸料車走行位置檢測技術比較

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

3.1 定位片/條形碼位置檢測技術

定位片編碼位置檢測技術：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相似。由于在粉塵、高溫環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致車上掃描讀寫裝置無法辨認定位片編碼信息，出現無法檢測地址現象。

3.2 限位開關或接近開關定位技術

限位開關用于控制機械設備的行程及限位保護，是一種根據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，限位開關因為需要機械傳動所以響應速度也比較慢，容易磨損損壞，使用壽命短。接近開關是當運動部件與其的感應頭接近時，就使其輸出一個電信號。這類定位技術的優點是成本低，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生誤動作導致控制系統紊亂。接近開關作用距離短，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較高。因為是采用電渦流原理輸出，抗傳導輻射干擾的能力較差，所以易受外部電氣信號的干擾而導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（復位）滯后就會出現限位保護失靈，導致事故。移動卸料車在走行過程中的震動、抖動和外界環境的影響都會導致其失靈或誤動作。早期國內鋼鐵行業自動化程度較低，在礦槽小車的定位上普遍設計采用此種定位方式，后在使用過程中發現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，不僅降低了卸料設備定位的精度，影響設備的正常運轉，而且卸料設備誤工率大大增加，嚴重時甚至導致生產混料事故和安全事故。所以目前國內鋼鐵企業內的大部分礦槽卸料系統都采用人工干預來進行控制，當初設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。

3.3 旋轉編碼器位置檢測技術

旋轉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位置檢測，并形成位置閉環控制。這種方法是最先采用的也是最簡單的技術，通過安裝在車輪上的旋轉編碼器檢測到卸料車的位置。由于是接觸式位移測量，存在兩個嚴重的缺陷：第一，由于所測量移動車輛自身頻繁啟停所導致的滑動累積誤差和卸料車行走過程中車輪的打滑現象，導致在頻繁往返移動或長距離有軌走行中累積相當大的位移誤差，現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，這主要在卷揚系統中有著明顯的體現。當軸同樣轉動一圈而各圈位移量不一致，這也是導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上只是針對于軸所轉動的位置信息而言。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。編碼器在工業應用上的主要優點是成本低。缺點是車輪打滑，定位不準，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構等。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

基于非接觸的磁性檢測原理，是一種連續非接觸位置檢測。優點是測量精度高，單邊有源。缺點是所要求的非接觸間隙（感應距離）比較小（<40mm），長期工作在高溫、粉塵環境中易退磁，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到地面。

3.5 激光定位技術技術

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所需時間來確定目標距離，是一種連續非接觸位置檢測。優點是測量精度高，安裝簡單。缺點是測距相對短，抗污染能力差，露天環境的雨、霧和粉塵對光線傳播都有影響，激光發射頭要求的環境清潔度應非常好，粉塵累積或雨水沖刷極易造成發射窗口被堵塞，主要適合條件比較好的室內環境，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定性也會產生影響。當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致激光發射頭發出的激光打不到靶區（擋板）上，從而出現丟地址的現象。

3.6 紅外定位技術

紅外定位技術主要有車載部分：活動標尺、信號檢測和傳送單元；地面站部分：固定標尺組成。其基本原理為：地面固定標尺是由金屬外殼封裝而成，外殼上等間隔分出若干個窗口，高頻調制的編碼紅外線通過這些窗口發出。車載活動標尺為紅外接收設備，接收到的調制后的高頻波在活動標尺上進行分析，識別出卸料車的實際位置。優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，不適合惡劣環境，綜合維護量大，易受到現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 對射式光電開關檢測

對射式光電開關包含了在結構上相互分離且光軸相對的發射器和接收器，發射器發出的光線直接進入接收器，當被檢測物體經過發射器和接收器之間且阻斷光線時，光電開關就產生了開關信號。因此可以把對射式光電開關固定在礦倉卸料口，當卸料車通過卸料口時，光電開關產生開關量信號，PLC利用其信號判斷卸料車位置區間。與限位開關相比較，其優勢在于光電開關是非接觸設備，而其缺點是抗粉塵能力差，發射器表面需要定期清潔，維護量也很大，因此，只得到少量應用。

4 刻度標尺位置檢測技術在黃驊港卸料車上的應用

4.1 刻度標尺精確定位系統

刻度標尺平行安裝在卸料車軌道一側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、緊靠著刻度標尺附近。機車前進時，游尺指針也將沿著刻度標尺平行移動。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尺始終保持在50-150mm的距離。移動時不要發生與其他物件碰撞。地面控制柜內刻度生成儀輸出位置信號給PLC，再通過光纖和上位機聯機。

4.2 無人操作自動化控制系統

本系統采用美國AB公司的RSlogix5000 PLC控制，位移信號由安裝于現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，經過專用的通訊適配器，最終將位移信號以整數形式寫入PLC內的固定寄存器。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作為驅動，通過OPC方式完成上位機與PLC系統之間的通訊。

通過刻度標尺精確定位系統和上位機操作系統的協同工作，可以確保卸料車行走平穩，停止位置準確可靠，在輸料系統中將不同的料種卸到指定的倉位內，滿足工藝需求。按操作方式可設置“手動”和“自動”切換功能，使系統在非常情況下仍能通過現場手動操作來完成配料卸料作業，不影響生產的正常進行。根據生產現狀，當皮帶機在目標區間（指定倉位）卸料過程中，可以允許操作工在現場機旁操作小車在指定倉位移動，但不能超過目標倉位的區間范圍，即小車的換倉只能通過中控系統集中控制，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運行模式

系統分為半自動、全自動兩種運行模式。

半自動模式：在半自動模式下運行時，需要操作人員根據料倉料位情況在畫面中選取相應的料倉，當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，軟件根據系統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，實現卸料車的準確停車。

5 結束語

本系統自安裝調試完后，經過長期的運行，通過刻度標尺實時檢測卸料車當前位置，即所處倉位（槽位）識別，結合料位，實現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；優化流程，精確作業，減少出錯機率。該系統具有以下技術特點：采用非接觸式刻度標尺精確定位技術采集卸料車的實時位置，可斷續或連續檢測，分辨率可以達到2mm，實現卸料車行走定位精度在±10mm；刻度標尺精確定位系統運行可靠，維護量極小，完全滿足生產自動控制需求；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，實現生產過程的計算機管理，遠程監控，生產狀況存貯查詢；同時提高了工作效率和生產管理水平，實現了遠程全自動操作控制。