一種新型位置檢測技術(shù)在選礦卸料小車中的應(yīng)用

紀(jì) 凱

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽馬鞍山243000;2.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽馬鞍山243000;3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司，安徽馬鞍山243000)

卸料小車是廠礦企業(yè)中一種常見的卸料裝置，其作為膠帶輸送機(jī)一種單獨(dú)的部件，用于膠帶機(jī)有卸料要求的場合。卸料小車主要用于處理散裝物料，如選礦廠、燒結(jié)系統(tǒng)、物料堆場以及裝載輸送系統(tǒng)中。較之于廠用卸料器，卸料小車可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)布料，在膠帶機(jī)運(yùn)行水平段的任意點(diǎn)都可卸料，使得廠礦企業(yè)的整體布料更為方便高效。卸料小車一般由受料漏斗、溜槽、行走輕軌、行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)及減速機(jī)組成。卸料小車通過單通、雙通或三通將物料卸在不同倉位或料堆。為了達(dá)到此目的，卸料小車需在架設(shè)在膠帶機(jī)之上的行走軌道上沿著膠帶機(jī)運(yùn)行方向往返運(yùn)轉(zhuǎn)。

我國東北某地一大型鋼鐵公司下屬礦山企業(yè)的選礦廠，年處理原礦(鐵礦)500萬t。原礦經(jīng)過粗破碎，中細(xì)碎，篩分一系列工藝后，經(jīng)膠帶輸送機(jī)送至主廠房前的粉礦倉上部粉礦卸料小車，通過卸料小車將料卸入粉礦倉，裝入粉礦倉的粉礦根據(jù)選礦生產(chǎn)的需要，通過礦倉下部的給料機(jī)送至主廠房。粉礦倉處共設(shè)10個(gè)料倉，標(biāo)號(hào)為1號(hào)至10號(hào)，每個(gè)料倉容積705 m3，總倉容為15 200 t。卸料小車行走區(qū)間一共60m。

卸料小車需根據(jù)粉礦倉料位的情況以及主廠房選礦系統(tǒng)使用粉礦的情況，及時(shí)的調(diào)整卸料小車的卸礦位置，在1號(hào)～10號(hào)倉之間來回行走。本卸料系統(tǒng)在技術(shù)改造前，卸料小車的操作采用人工操作的方式，由于小車行走距離長，其控制箱安裝在小車上，由車間崗位工操作小車控制箱上的控制按鈕來控制小車的來回行走。這種人工操作模式在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)存在以下不足:①由于控制箱安裝在小車上，崗位工操作時(shí)需隨小車一起行走，而礦倉卸料平臺(tái)多粉塵，工作環(huán)境惡劣，操作工長期工作在這樣的環(huán)境中，不但工作強(qiáng)度大，而且會(huì)嚴(yán)重影響工人的身體健康，不利于車間的安全生產(chǎn)。②根據(jù)操作工的肉眼觀測各個(gè)礦倉料位，從而去操作小車調(diào)整其行走至合適的倉位，這種觀測調(diào)節(jié)方式不僅精確度差，而且工作效率低。因此，需對(duì)卸料小車進(jìn)行自動(dòng)化技術(shù)改造，通過對(duì)倉位的自動(dòng)檢測，小車位置的自動(dòng)檢測從而達(dá)到自動(dòng)控制卸料小車的目的。

1 卸料小車自動(dòng)化控制技術(shù)現(xiàn)狀

目前，較為先進(jìn)的卸料小車的控制方式是在中央控制室進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。中央控制室的上位機(jī)畫面上顯示卸料小車的當(dāng)前位置，通過畫面上各倉位指示燈來判斷小車是否需要換倉以及小車是否到達(dá)目的倉位。而各個(gè)倉位指示燈的信號(hào)一般是由安裝在料倉附近的限位開關(guān)或接近開關(guān)獲得的。當(dāng)小車經(jīng)過或接近限位開關(guān)(接近開關(guān))時(shí)，開關(guān)將感應(yīng)到的信號(hào)送至中央控制室，相應(yīng)的倉位指示燈亮，操作人員從而發(fā)出相應(yīng)的操作指令——卸料或繼續(xù)行走。

在卸料小車的自動(dòng)化控制技術(shù)中，小車的位置檢測技術(shù)是其中最為關(guān)鍵的一步，位置檢測技術(shù)的先進(jìn)程度決定了整個(gè)卸料系統(tǒng)的效率及精度。而目前傳統(tǒng)的小車檢測信號(hào)是采用接近或限位開關(guān)來獲得的，這種開關(guān)有以下一些問題:①時(shí)常發(fā)生“拒動(dòng)”的現(xiàn)象。接近或限位開關(guān)的工作可靠性不是十分理想，時(shí)常發(fā)生開關(guān)拒動(dòng)的現(xiàn)象，這將給卸料過程帶來事故隱患。②若當(dāng)卸料小車停車制動(dòng)時(shí)，出現(xiàn)溜車的情況，此時(shí)如果小車由于溜車而未停在限位開關(guān)或接近開關(guān)的控制范圍內(nèi)，中央控制室內(nèi)的信號(hào)燈將無反應(yīng)，造成卸料小車位置檢測信號(hào)的丟失。中央控制室的操作員由于不清楚小車的停車位置，就需派人前往卸料現(xiàn)場查看其具體位置，并反饋給中央控制室，而后中控室操作員才能繼續(xù)操作卸料小車運(yùn)行至目的位置。

以上的這些問題不僅會(huì)打斷正常的連續(xù)生產(chǎn)過程，影響生產(chǎn)效率，降低產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，而且會(huì)增加生產(chǎn)過程的安全隱患，影響操作人員的健康安全。

2 幾種常用位置檢測技術(shù)介紹

(1)旋轉(zhuǎn)編碼器定位檢測技術(shù)。旋轉(zhuǎn)編碼器分為增量式和絕對(duì)式編碼器兩種。增量式編碼器通過將位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)的方式來計(jì)算位移。絕對(duì)式編碼器的每個(gè)位置對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的數(shù)字碼，所以其表示值只與測量的起始和終止位置有關(guān)，而與測量的中間過程無關(guān)。不論哪一種編碼器，其位移信號(hào)都是通過安裝在走行機(jī)構(gòu)上的碼盤獲得的。這種方法是使用較早的一種檢測方式，但其有自身的缺點(diǎn)，即誤差累計(jì)較大，行程長，當(dāng)行走機(jī)構(gòu)的輪體打滑時(shí)，其定位精度很差，且部件易損壞，溫度適應(yīng)性差，日常維護(hù)調(diào)整量大，地址信息需要依靠無線電臺(tái)或信號(hào)拖纜傳送給地面站控制室，故當(dāng)前這種方法已很少使用。

(2)定位片/條形碼定位檢測技術(shù)。定位片、條形碼位置檢測技術(shù)都是一種絕對(duì)定位的工作方式，通過安裝在行走裝置軌道旁的定位片或者條形碼來檢測行走裝置的位置。這種檢測法也有以下一些缺點(diǎn):①由于工業(yè)環(huán)境惡劣，多粉塵，高溫，安裝在現(xiàn)場的定位片和條形碼極易被污染而導(dǎo)致失效，故其耐污染能力差。②行走機(jī)構(gòu)在移動(dòng)過程產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)造成車上識(shí)別裝置無法讀取編碼信息，導(dǎo)致位移地址的丟失。所以現(xiàn)在國內(nèi)外廠礦企業(yè)也基本淘汰了這種檢測方式。

(3)紅外定位檢測技術(shù)。紅外定位檢測技術(shù)主要有行走機(jī)構(gòu)載體部分:信號(hào)檢測單元、活動(dòng)標(biāo)尺和傳送單元;固定站(地面)部分:固定標(biāo)尺組成。其檢測原理為:地面站的固定標(biāo)尺由金屬外殼封裝而成，其外殼上劃分出若干個(gè)等間隔布置的窗口，高頻調(diào)制的編碼紅外線由這些窗口發(fā)出。行走機(jī)構(gòu)載體上的活動(dòng)標(biāo)尺為紅外接收設(shè)備，接收到的編碼紅外線在活動(dòng)標(biāo)尺上進(jìn)行分析，從而計(jì)算出行走機(jī)構(gòu)的具體位置。但這種檢測技術(shù)的抗振動(dòng)能力差，耐高溫性差，在環(huán)境惡劣的現(xiàn)場使用時(shí)，極易受到現(xiàn)場紅外線雜波干擾，使得系統(tǒng)運(yùn)行不是十分可靠，同時(shí)該套系統(tǒng)的安裝精度要求較高，維護(hù)量大，并且設(shè)備造價(jià)也較高。

(4)是否能夠精確獲得小車的位置信號(hào)，取決于位置檢測技術(shù)的先進(jìn)程度。工業(yè)設(shè)備行走機(jī)構(gòu)的位置檢測技術(shù)也是這些年工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。尤其是在冶金行業(yè)，許多企業(yè)的燒結(jié)系統(tǒng)卸料車，冶煉熄焦車均采用了車體定位系統(tǒng)。目前國內(nèi)外定位技術(shù)有許多，較為常見的技術(shù)有紅外定位檢測技術(shù)、定位片/條形碼定位檢測技術(shù)、旋轉(zhuǎn)編碼器定位檢測技術(shù)，激光定位檢測技術(shù)，以及編碼電纜－格雷母線定位檢測技術(shù)等。常見的定位技術(shù)有旋轉(zhuǎn)編碼器定位檢測技術(shù)、定位片/條形碼定位檢測技術(shù)、紅外定位檢測技術(shù)、激光定位檢測技術(shù)、格雷母線定位檢測技術(shù)。

(5)激光定位檢測技術(shù)。該技術(shù)是通過發(fā)出激光往返目標(biāo)所需的時(shí)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(diǎn)是檢測精度很高，安裝簡單方便。缺點(diǎn)是檢測距離較短，抗污染能力差，粉塵對(duì)激光的傳播有很大的影響，光源發(fā)射頭對(duì)環(huán)境清潔度要求很高，粉塵累積很容易造成發(fā)射頭窗口的堵塞，并且投資成本高。

(5)格雷母線定位檢測技術(shù)。格雷母線定位檢測技術(shù)最早由寶鋼集團(tuán)1984年從日本引進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)，隨后我國開始研究該技術(shù)，1997年研發(fā)成功后在國內(nèi)港口、水利、鋼鐵行業(yè)大量應(yīng)用。該套定位檢測系統(tǒng)由以下部分組成:行走機(jī)構(gòu)移動(dòng)站(天線箱、地址編碼發(fā)生箱)、地面固定站(地址編碼解碼單元)以及格雷母線。該系統(tǒng)利用單匝線圈的感應(yīng)原理，將交變電流通入天線箱時(shí)，在其附近會(huì)感應(yīng)出交變磁場。格雷母線可視為處在一個(gè)交變均勻分布的磁場中，每對(duì)格雷母線芯線會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。發(fā)射單元地址信號(hào)通過電磁耦合方式傳送到格雷母線的感應(yīng)環(huán)線上。該技術(shù)目前已成功應(yīng)用于我國寶鋼、首鋼、武漢港務(wù)集團(tuán)、德國漢堡CTA龍門吊等國內(nèi)外重點(diǎn)工程中。其優(yōu)點(diǎn)是測量精度高，錯(cuò)誤率低，技術(shù)成熟，投資低，安裝維護(hù)方便，所以已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。

3 格雷母線定位檢測系統(tǒng)的組成及工作原理

格雷母線定位檢測系統(tǒng)由行走機(jī)構(gòu)移動(dòng)站和地面固定站組成。其中移動(dòng)站由天線箱，地址編碼發(fā)射器組成;固定站由格雷母線、地址編碼接收器組成。

格雷母線由模芯、電纜芯線和電纜護(hù)套構(gòu)成。電纜芯線由兩部分組成——基準(zhǔn)線(R線)和地址線(G0線－G9線)，R線用于獲取標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，G線用于檢測地址。R線在整個(gè)母線段不交叉，而G線按照不同長度(格雷碼)來交叉編排，每隔一定長度(步長)交叉一次，設(shè)格雷母線的最小步長為W，則G0、G1、G2…G8、G9步長分別為1、2、4、8…256、512W，格雷母線芯線展開如圖1所示，格雷母線定位檢測的原理見圖2。

圖1 格雷母線芯線展開圖Fig.1 Gray Bus core line expansion Draw ing

圖2 格雷母線定位檢測原理Fig.2 Gray bus positioning detection principle

由圖2可知:格雷母線定位檢測系統(tǒng)僅由1對(duì)R線和G線組成(即最小地址系統(tǒng))，在移動(dòng)站的天線箱中通入交變電流，那么在天線箱周圍將會(huì)產(chǎn)生均勻分布的交變磁場，由于格雷母線離天線箱較近，所以格雷母線在交變磁場中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，通過這種電磁耦合的方式將天線箱發(fā)射的移動(dòng)站的地址信息傳送到格雷母線的R線和G線上，格雷母線再將獲得的地址信息傳遞給地面站的地址編碼接收器，接收器最后對(duì)信號(hào)進(jìn)行比較處理。如圖3所示，若地址“0”的G線的信號(hào)相位與R線的信號(hào)相位相同，則定義移動(dòng)站地址為“0”;若地址“1”的G線的信號(hào)相位與R線的信號(hào)相位相反，則移動(dòng)站地址為“1”。通過這種方式感應(yīng)出的地址編碼排列是格雷編碼排列，各不相同，所以可以得到移動(dòng)站在格雷母線長度方向上的位置。由于格雷編碼是一種錯(cuò)誤率最小的可靠性編碼，其任意相鄰的兩個(gè)編碼只有一位不同，所以它在模－數(shù)轉(zhuǎn)換中的可靠性很高，在定位檢測中測量精度也最高。

4 選礦卸料小車定位檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1)粉礦倉物位檢測。此次選礦廠粉礦倉卸料小車自動(dòng)化改造中，粉礦倉的料位檢測部分采用非接觸式雷達(dá)料位檢測儀，該檢測儀為非接觸雷達(dá)，無磨損，無污染，天線尺寸小，便于安裝，測量盲區(qū)更小，波長更短，對(duì)在傾斜的固體表面有更好的反射，嚴(yán)重粉塵環(huán)境也不會(huì)影響電磁波工作。檢測儀由傳感器和二次儀表兩部份組成。傳感器設(shè)在料倉頂，喇叭式天線垂直伸進(jìn)料倉內(nèi)，不與被測介質(zhì)接觸，二次儀表設(shè)置在卸料平臺(tái)上。檢測儀天線向被測目標(biāo)發(fā)射雷達(dá)波，雷達(dá)波到達(dá)物料面后反射回至天線并被接受，在檢測儀中與發(fā)射波比較，并計(jì)算出發(fā)射器與目標(biāo)的距離，經(jīng)儀表轉(zhuǎn)為4～20 mA信號(hào)送至PLC，由PLC經(jīng)過處理轉(zhuǎn)為工程值顯示出來，由此完成了粉礦物料的連續(xù)測量。

(2)卸料小車格雷母線定位檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)的移動(dòng)站設(shè)備——天線箱與地址編碼發(fā)射器裝在卸料小車上，格雷母線裝設(shè)在卸料小車軌道旁，母線與天線箱安裝距離保持在100 mm左右，地址編碼接收器安裝于現(xiàn)場地面。接收器將輸出的位置檢測信號(hào)通過通訊總線傳輸至中央控制室的PLC系統(tǒng)。

(3)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。本次改造中可編程控制器采用西門子公司的S7系列PLC控制器，由地面地址編碼接收器輸出的地址信號(hào)，通過Profibus－DP通訊電纜傳送至中控室PLC的CPU模塊。卸料小車的來回行走控制由PLC通過工藝流程及要求編程來控制，控制節(jié)點(diǎn)為開關(guān)量無源節(jié)點(diǎn)。工控機(jī)的畫面通過WinCC制作。工控機(jī)與PLC之間通過Profibus協(xié)議通信。

(4)卸料小車定位系統(tǒng)模式。經(jīng)過自動(dòng)化技術(shù)改造后的卸料小車定位系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程操作，全自動(dòng)運(yùn)行兩種模式。①遠(yuǎn)程操作模式。在遠(yuǎn)程操作模式下，控制室操作員根據(jù)上位機(jī)畫面上所顯示的礦倉料位情況，去控制小車前行或后退，直至小車行進(jìn)到目的倉位進(jìn)行卸料。②全自動(dòng)模式。在全自動(dòng)模式下，定位系統(tǒng)和料位檢測系統(tǒng)相配合，PLC根據(jù)工藝要求預(yù)設(shè)的程序自動(dòng)控制小車前行或后退而進(jìn)行卸料操作。

5 結(jié)語

(1)采用雷達(dá)物位計(jì)進(jìn)行料位檢測，不僅儀器的環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，而且測量精度準(zhǔn)確可靠。

(2)采用格雷母線定位檢測卸料小車，測量精度高，錯(cuò)誤率低，定位精度實(shí)際使用時(shí)可控制在±20 cm之內(nèi)，并且可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)或斷續(xù)測量，由于采用非接觸式測量，因此設(shè)備的維護(hù)率少，運(yùn)行可靠。

(3)在中控室的顯示屏幕上可以動(dòng)態(tài)顯示料倉料位，小車位置，卸料情況等一系列工況狀態(tài)，界面直觀友好，并且操作員可以方便遠(yuǎn)程控制小車行進(jìn)卸料，減小了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

［1］ 靳 燕.格雷母線技術(shù)在焦?fàn)t四大車聯(lián)鎖控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.山西電子技術(shù)，2012(5):41-42.

Jin Yan.Application of gray bus technology in the interlocking control system of the fourmajor cars in the coke oven［J］:Shanxi Electronic Technology，2012(5):41-42.

［2］ 王樹青，樂嘉謙.自動(dòng)化與儀表工程師手冊(cè)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

Wang Shuqing，Le Jiaqian.Handbook of Automation and Instrumentation Engineer［M］.Beijing:Chemical Industry Press，2010.

［3］ 廖常初.S7－300/400 PLC應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

Liao Changchu.S7－300/400 PLC Application Technology［M］Beijing:China Machine Press，2011.

［4］ 楊孟江，韓家寧.格雷母線在推車機(jī)、撥車機(jī)位置檢測中的應(yīng)用［J］.港口裝卸，2008(5):16-17.

Yang Mengjiang，Han Jianing.Application of gray bus in car pusher，dial car position detection［J］.Port Operation，2008(5):16-17.

［5］ 劉 嵐，夏 斌.格雷碼及其轉(zhuǎn)換的一個(gè)應(yīng)用［J］.冶金自動(dòng)化，2003(S):290-293.

Liu Lan，Xia Bin.An application of gray code and its conversion［J］.Metallurgical Industry Automation，2003(S):290-293.