首鋼水廠鐵礦皮帶小車自動(dòng)控制應(yīng)用實(shí)踐

鄧寶秋 張東升 李國強(qiáng) 蘇越

【摘要】本文主要介紹首鋼水廠鐵礦皮帶小車，通過自動(dòng)控制系統(tǒng)改造，解決多項(xiàng)技術(shù)難題，最終實(shí)現(xiàn)了小車的自動(dòng)運(yùn)行。在自動(dòng)控制改造前對(duì)小車運(yùn)行方式，電氣設(shè)備狀況進(jìn)行了全面分析，解決了料倉料位及小車位置等數(shù)據(jù)檢測問題，將滑觸線供電改為電纜卷筒供電保證了供電可靠性，使用變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制減少起停過程對(duì)傳動(dòng)部位的損害，應(yīng)用無線通訊技術(shù)解決移動(dòng)設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸問題，使用施耐德一體型PLC TWDLCAE40DRF對(duì)小車進(jìn)行邏輯控制，健全自動(dòng)控制系統(tǒng)的保護(hù)功能，消除異常情況對(duì)皮帶系統(tǒng)運(yùn)行的影響。

【關(guān)鍵詞】皮帶小車;自動(dòng)化;應(yīng)用

1.引言

水廠鐵礦小車崗位現(xiàn)場操作布料，由于現(xiàn)場粉塵濃度大，工作環(huán)境相當(dāng)惡劣，是塵肺職業(yè)病的高發(fā)點(diǎn)位，嚴(yán)重影響職工的身心健康。實(shí)施小車自動(dòng)化項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)自動(dòng)布料，是解決此問題的唯一途徑，水廠鐵礦通過對(duì)現(xiàn)場設(shè)備的詳細(xì)調(diào)研，解決多項(xiàng)技術(shù)問題，合理進(jìn)行設(shè)備選型，最終實(shí)現(xiàn)小車自動(dòng)布料。

2.小車自動(dòng)布料改造前運(yùn)行方式及設(shè)備狀況

2.1 改造前運(yùn)行方式

水廠鐵礦共有2臺(tái)皮帶小車，在皮帶系統(tǒng)正常生產(chǎn)過程中，小車沿料倉軌道反復(fù)運(yùn)行，將運(yùn)行中皮帶上的物料通過下料漏斗灌入料倉，供下一道工序用料。改造前在每臺(tái)小車上安排一名操作司機(jī)，司機(jī)通過目測的方式判斷料倉料位，通過料位情況決定小車的運(yùn)行與停止，皮帶小車運(yùn)行控制通過操作司機(jī)利用按鈕對(duì)電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)及停止控制來實(shí)現(xiàn)。

2.2 電氣設(shè)備狀況

（1）供電方式

所有小車采用滑觸線進(jìn)行供電，使用角鋼做滑線，鐵板做滑砣。由于作業(yè)現(xiàn)場粉塵大，小車運(yùn)行過程中振動(dòng)大，在運(yùn)行過程中經(jīng)常出現(xiàn)由于粉塵或振動(dòng)造成缺相等供電不穩(wěn)定現(xiàn)象，不能達(dá)到可靠供電要求，由于現(xiàn)場有操作崗位在因缺相等原因造成小車接觸器釋放，當(dāng)小車滑過不穩(wěn)定區(qū)域后，操作司機(jī)可以再次啟動(dòng)電機(jī)，不會(huì)對(duì)設(shè)備及生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行造成嚴(yán)重的影響。

（2）電機(jī)運(yùn)行控制

小車電機(jī)運(yùn)行控制通過車載電氣柜實(shí)現(xiàn)，電氣柜內(nèi)安裝由刀閘、斷路器、接觸器、電機(jī)保護(hù)器等組成的正反轉(zhuǎn)控制電路。

3.改造技術(shù)方案和技術(shù)要點(diǎn)

3.1 料倉料位及小車位置的檢測

為實(shí)現(xiàn)小車自動(dòng)布料，必須準(zhǔn)確檢測各料倉料位和小車位置，并依據(jù)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯控制。

（1）料倉料位的檢測

根據(jù)小車的運(yùn)行方式，在小車上安裝一個(gè)料位計(jì)，當(dāng)小車移動(dòng)和下料時(shí)對(duì)相應(yīng)位置的料位進(jìn)行檢測。傳感器本身響應(yīng)時(shí)間要短，能夠適用于粉塵較大的工作環(huán)境，信號(hào)的傳輸要準(zhǔn)確、穩(wěn)定。在皮帶小車進(jìn)行自動(dòng)控制布料改造中，料位計(jì)安裝在小車布料漏斗對(duì)準(zhǔn)料倉的位置，角度垂直向下，控制系統(tǒng)正常工作時(shí)將對(duì)應(yīng)位置的料位傳到PLC系統(tǒng)。

（2）小車位置的確定

水廠鐵礦小車運(yùn)行范圍在50米-200米之間，要實(shí)現(xiàn)小車自動(dòng)布料控制，必須能夠?qū)嵤┍O(jiān)控小車位置，小車才能準(zhǔn)確選擇倉位布料。如果小車布料位置不準(zhǔn)確，會(huì)發(fā)生物料外溢或行駛出規(guī)定范圍的事故。

在小車位置的檢測上，分析對(duì)比了以下幾種方案：

機(jī)械碰觸開關(guān);安裝在料倉皮帶架旁，當(dāng)布料車運(yùn)行時(shí)碰到機(jī)械開關(guān)，將產(chǎn)生的動(dòng)作信號(hào)送到PLC，因采用斷點(diǎn)檢測在開關(guān)出現(xiàn)自身誤動(dòng)作或拒動(dòng)后會(huì)出現(xiàn)誤報(bào)。

旋轉(zhuǎn)編碼器：通過安裝在車輪上的旋轉(zhuǎn)編碼器檢測小車的位置，是一種相對(duì)定位的接觸工作方式，但車輪打滑對(duì)定位準(zhǔn)確性有影響，另外由于其不能獨(dú)立與機(jī)械設(shè)備，導(dǎo)致機(jī)械部位檢修時(shí)可能造成損壞現(xiàn)象。

超聲波檢測裝置：連續(xù)不接觸檢測，適合環(huán)境能力差，在距離較遠(yuǎn)時(shí)周圍的物體回波干擾距離檢測值。

格雷母線：是通過沿行程安裝的一條格雷母線，采用電磁感應(yīng)原理檢測小車的位置，優(yōu)點(diǎn)是安裝簡單，連續(xù)不接觸檢測，抗污染能力強(qiáng)，防水、油、灰塵、適合條件比較惡劣的環(huán)境。

激光測距檢測儀：通過檢測卸料車相對(duì)距離確定位置，檢測準(zhǔn)確、速度快、安裝簡單、使用方便，使用于粉塵大的環(huán)境。

格雷母線和激光測距檢測儀兩種設(shè)備能夠滿足小車位置檢測的需要，根據(jù)與物位計(jì)檢測設(shè)備相接近便于邏輯控制和后期管理的原則，選用激光測距檢測儀。

（3）傳感器的選型

HYKOL-310x型激光測距傳感器，測量范圍從0.1米到100米以上，測量精度可以精確到毫米級(jí)，專門用于對(duì)固定或移動(dòng)物體距離的檢測，同時(shí)此傳感器對(duì)粉塵的穿透力強(qiáng)，能夠適用于高粉塵環(huán)境，一種傳感器能夠同時(shí)滿足兩種檢測功能的需要。為保證測量可靠性，小車位置的檢測上，在運(yùn)行范圍100以上的兩臺(tái)小車上使用雙傳感器進(jìn)行雙向定位保證精度，對(duì)于運(yùn)行范圍在100米以內(nèi)的兩臺(tái)小車上使用單傳感器進(jìn)行定位，同時(shí)四部跑車均安裝了反射板，確保在惡劣的粉塵環(huán)境下，仍能保持很高的測量精度和可靠性。

3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備升級(jí)

自動(dòng)布料應(yīng)用前，小車電機(jī)使用具有正反轉(zhuǎn)控制功能的工頻控制電路進(jìn)行控制，由于電機(jī)的啟動(dòng)和停止過程小車驅(qū)動(dòng)單元速度變化較大，扭矩突變性較大，對(duì)驅(qū)動(dòng)單元的損傷較為嚴(yán)重，特別是對(duì)制動(dòng)器制動(dòng)片的磨損較大，因此采用變頻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行拖動(dòng)改善控制特性。在改造初期使用一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電機(jī)，存在電機(jī)運(yùn)行不同步驅(qū)動(dòng)輪啃軌燒損變頻器的問題，為有效解決這些問題，將一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電機(jī)的方式，改為一臺(tái)變頻器同時(shí)驅(qū)動(dòng)多臺(tái)電機(jī)，成功解決了各驅(qū)動(dòng)輪不同步造成小車啃軌變頻器燒損的問題。

在電機(jī)控制柜的設(shè)計(jì)上，保留了工頻控制設(shè)備，在變頻器出現(xiàn)故障無法短時(shí)進(jìn)行恢復(fù)的情況下，可以轉(zhuǎn)換到工頻運(yùn)行狀態(tài)，減少對(duì)正常生產(chǎn)的影響。

3.3 移動(dòng)設(shè)備供電的改造

為了解決滑觸線供電方式的不穩(wěn)定性，改用封閉式滑觸線供電，但是由于受滑線安裝水平方向精度不高，小車軌道不平等因素的影響，仍不能解決供電不穩(wěn)定的問題，影響變頻器以及控制系統(tǒng)工作可靠性，經(jīng)過比較各種供電設(shè)施的結(jié)構(gòu)和工作原理，認(rèn)為電動(dòng)電纜卷筒方式適合現(xiàn)場情況，電纜卷筒在工作時(shí)電機(jī)始終向收纜方向運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)設(shè)備向遠(yuǎn)離電源點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，通過設(shè)備對(duì)電纜拖拽克服磁滯聯(lián)軸器的磁場扭矩，使兩盤之間產(chǎn)生滑差，把卷盤上的電纜放開，這種理想的卷取特性，能夠滿足小車雙向移動(dòng)供電的要求，最終選擇電動(dòng)電纜卷筒供電方式解決移動(dòng)小車原供電方式不可靠難題。利用小車外側(cè)空間位置安裝電纜托架鋪放電纜，有利于檢修人員行走，且環(huán)境空間顯得開闊。

3.4 控制系統(tǒng)通訊功能

要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，必須實(shí)現(xiàn)對(duì)車載設(shè)備控制、并將檢測信號(hào)傳輸?shù)街骺厥?，在皮帶系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)PLC控制的基礎(chǔ)上，小車控制系統(tǒng)增加兩個(gè)控制站：布料小車地面控制站（安裝在地面）和布料小車車載控制站（安裝在小車上）。地面站與原系統(tǒng)PLC使用通訊光纜方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，地面站與移動(dòng)站間采用無線數(shù)據(jù)收發(fā)器FastLinc810E實(shí)現(xiàn)無線以太網(wǎng)與地面站通信，小車上位工控機(jī)通過MB+網(wǎng)與原系統(tǒng)PLC相聯(lián)。

車載站：在小車上設(shè)車載站，負(fù)責(zé)采集小車的運(yùn)行狀態(tài)和激光料位計(jì)檢測數(shù)據(jù)并發(fā)送給車下站，負(fù)責(zé)接收地面站發(fā)出的小車運(yùn)行控制指令。

地面站：小車下設(shè)地面站，負(fù)責(zé)接收主控室發(fā)出的控制信號(hào)并發(fā)送給車上站，同時(shí)負(fù)責(zé)地面固定設(shè)備信號(hào)的采集工作，如測距儀，激光保護(hù)開關(guān)等。

主控室：主控系統(tǒng)PLC接收車下站的信號(hào)，與中破輕板皮帶、主皮帶等相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)相結(jié)合，通過分析處理后將控制指令分別發(fā)送給車下站及中破輕板、細(xì)破輕板、主皮帶等相關(guān)設(shè)備，完成小車的自動(dòng)控制。

4.保護(hù)功能

4.1 現(xiàn)場設(shè)備的視頻監(jiān)控

小車自動(dòng)布料后不需要司機(jī)現(xiàn)場操作，但控制室必須能夠隨時(shí)觀察現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀況，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)采取有效措施，在小車上安裝了一臺(tái)攝像機(jī)，對(duì)皮帶運(yùn)行及現(xiàn)場設(shè)備情況進(jìn)行觀察，在主控室的監(jiān)控屏幕上進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實(shí)際的比對(duì)，對(duì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常避免故障起到了積極作用。

4.2 電動(dòng)機(jī)的保護(hù)與監(jiān)控

為掌握電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、減少電機(jī)故障，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中將電機(jī)的運(yùn)行電流采集到PLC系統(tǒng)，并通過上位系統(tǒng)設(shè)定電機(jī)報(bào)警值，保證電機(jī)不超負(fù)荷運(yùn)行。為防止制動(dòng)器不能有效打開，導(dǎo)致電機(jī)堵轉(zhuǎn)燒損問題，將制動(dòng)器運(yùn)行信號(hào)采集到控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)器與系統(tǒng)的連鎖運(yùn)行。

4.3 通訊故障的保護(hù)

小車出現(xiàn)通訊故障，不能對(duì)小車進(jìn)行有效控制的前提下，可能導(dǎo)致小車行駛出規(guī)定范圍，需要對(duì)小車的運(yùn)行范圍進(jìn)行保護(hù)，在小車上增設(shè)雙重限位開關(guān)，即在小車兩側(cè)安裝激光防撞開關(guān)，用于檢測小車與極限位置的距離，防止小車脫離可控范圍。同時(shí)在小車橫梁軌道上增設(shè)行程開關(guān)，在小車超出規(guī)定范圍時(shí)行程開關(guān)動(dòng)作，聯(lián)鎖皮帶系統(tǒng)停機(jī)防止物料外溢。

5.PLC控制器選擇及控制邏輯

5.1 PLC控制器選擇

隨著自動(dòng)化水平不斷提高，施耐德公司已推出內(nèi)置以太網(wǎng)接口的Twido系列PLC，同時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)也非常普及，使得布料小車自動(dòng)控制信號(hào)的傳輸方式更加簡捷、可靠，省去了加裝Quantum PLC分站及大量的電纜敷設(shè)工作，因此使用施耐德一體型PLC TWDLCAE40DRF對(duì)小車進(jìn)行邏輯控制。

5.2 邏輯控制過程

激光距離檢測儀測量小車的實(shí)時(shí)距離，根據(jù)距離確定小車所在的料倉位置，并顯示在上位畫面。料位計(jì)檢測小車下料點(diǎn)位置的料位，當(dāng)小車在料倉上方時(shí)，以料位計(jì)檢測的實(shí)際數(shù)據(jù)確定料倉料位，當(dāng)小車不在料倉上方時(shí)，根據(jù)細(xì)破機(jī)給礦輕板的運(yùn)行狀態(tài)和輕板上物料的流量估算料倉的料位情況。

通過小車上位可以選擇自動(dòng)運(yùn)行和遠(yuǎn)程手動(dòng)兩種控制方式。

（1）自動(dòng)運(yùn)行控制邏輯

主控室集控工根據(jù)料倉情況及礦量情況，通過上位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)定料位上限值和下限值，主皮帶起動(dòng)后，皮帶小車起動(dòng)并順序進(jìn)行布料，當(dāng)檢測到物料高于上限值時(shí)，小車不停機(jī)繼續(xù)運(yùn)行，當(dāng)檢測到物料低于上限值小車停機(jī)布料，當(dāng)對(duì)應(yīng)料倉下的輕板皮帶不運(yùn)行時(shí)，無論料倉料位高低小車均不在對(duì)應(yīng)位置停機(jī)下料。當(dāng)小車運(yùn)行過程中出現(xiàn)料位低于下限的情況，小車不在進(jìn)行順序布料直接運(yùn)行到該位置進(jìn)行布料，主線皮帶停機(jī)后小車停止運(yùn)行。

（2）遠(yuǎn)程手動(dòng)控制邏輯

主控室集控工根據(jù)料倉情況，通過上位畫面中的左、右、停止三個(gè)按鈕，控制小車運(yùn)行與停止，對(duì)料倉進(jìn)行布料。

6.結(jié)束語

小車自動(dòng)化系統(tǒng)改造后，實(shí)現(xiàn)了小車遠(yuǎn)程自動(dòng)布料控制，為整條生產(chǎn)線自動(dòng)化、智能化改造升級(jí)奠定了基礎(chǔ)。通過布料自動(dòng)化改造，取消皮帶小車看管性崗位，提高企業(yè)勞產(chǎn)率，對(duì)崗位人員身體健康、安全生產(chǎn)提供了有效的保障，此項(xiàng)目具有較高的安全效益、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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