取料機超載提示及流量限制

王錦程

（唐山曹妃甸煤炭港務有限公司，河北唐山，063200）

0 前言

某國內大型煤炭港口取裝線皮帶機額定運載能力為6000t/h，最大運載能力為6700t/h。一旦超載，可能造成皮帶機沿線灑落、皮帶轉接部分堵料，皮帶機與托輥和滾筒之間磨損[1]，皮帶機驅動部分（電機、減速機）負載增大，超過額定限值甚至壓停皮帶機等后果，對日后設備的維護造成不利影響。因此，需要從源頭（即取料機）進行流量限制。

1 設備環境簡介

此煤炭港口控制系統主干網絡采用千兆光纖以太環網，中控室、5所變電站各配置一套PLC主站，通過以太網模塊接入環網。PLC系統分為翻堆線控制系統和取裝線控制系統，可分別獨立運行。1#變電站和4#變電站PLC站及從屬IO站為取裝線PLC系統，中控室PLC負責系統急停處理，消防報警以及堆取料機防碰撞計算。PLC系統與取料機控制系統采用工業EtherNet網絡通訊，通訊介質為單模光纖，通訊信號接入環網。同時通過控制電纜傳遞開關量聯鎖信號。為保證通訊可靠性，采用無線通訊作為光纖通訊的備份鏈路，無線通訊協議亦采用EtherNet。PLC系統與取裝線皮帶秤計量儀表通過Profibus-DP工業總線連接，數據接入點在1#變電站。如通訊簡圖1所示。

圖1 網絡通訊簡圖

所有單機設備控制系統PLC采用Rockwell公司產品，QL6000·55型斗輪取料機PLC控制系統主體CPU型號為AB的1756-L63，取料機單機自動化控制層根據機構和部位不同將分為15個I/O站點，然后通過Controlnet網絡進行數據的收集與發送，狀態信息的交互[2]。各個I/O站的信息經過處理和運算后在司機室內的PANNEL PC觸摸屏加以顯示。

2 系統程序設計

■ 2.1 料流計算及依據

此技術改造設計對SS1的PLC程序作了84處改動（七臺取料機配煤有21種配煤方式，對應4條BJ線，共21×4=84種情況），用于向配煤取料機發送是否為“主取料機”信號和兩臺配煤取料機料流的時間差。程序圖如圖2所示。

圖2 程序圖

以圖2 程序圖為例，圖中CPT指令PC_TEMP[17]的表達式：

COM_SS1_R_SS4.R7.Position-COM_SS1_R_SS4.R4.Position-300

用于計算R4與R7相對BJ稱的料流時間差，現場位置如圖3所示，BQ線皮帶機長度相等，則R7距BJ皮帶秤的距離為：

SR7=1353-（COM_SS1_R_SS4.R7.Position）+450+a R4距BJ皮帶秤的距離為：

SR4=1353-（COM_SS1_R_SS4.R4.Position）+150+a依此可以計算出R4與R7的相對距離為：

ΔS=SR4-SR7=COM_SS1_R_SS4.R7.Position-COM_SS1_R_SS4.R4.Position-300

即圖3中PC_TEMP[17]的表達式,同時，根據取裝線皮帶平均速度約為5m/s，可以計算出R4與R7的實際料流時間差：ΔT=ΔS/5（此式在下文會用到）。

圖3 現場位置示意圖

圖3的程序中定義了“配煤作業主取料機”的概念，以此來區分配煤作業中兩臺取料機距BJ稱距離的先后順序。當上述表達式PC_TEMP[17]為負值時，此時R7距BJ較遠，定義R7為主取料機，同理當R4距BJ較遠時，定義R4為主取料機。程序中對配煤作業延時時間作了計算，即上文提到的ΔT，表達式ABS（PC_TEMP[17]）/5＊1000，ABS表示取絕對值運算，由于程序中時間單位為ms,因此需要把計算出的數值＊1000將s換算為ms。

SS1PLC將這些數據用message指令寫入SS4PLC，SS4PLC作 為 中轉，再將這些數據寫入各取料機PLC，message指令讀寫程序。此時，在取料機PLC中獲得message中的數據。

此技術改造在每臺取料機PLC中新增加了15條控制程序，首先是對兩臺配煤取料機的瞬時流量進行記錄，如圖4所示。

圖4

經計算，當距BJ稱最近取料機與最遠取料機配煤作業時，最大料流時間差約為361秒。因此，按照每秒記錄一個數據來算，建立一個包含500個數據的堆棧存儲器可滿足使用要求。這段程序運用了堆棧出棧中“先進先出”的運算方式，使500s前到此刻的瞬時流量數據持續更新。然后將上文中SS1PLC計算得出的間隔時間“ΔT”代入主取料機的堆棧數據存儲器中，查找出ΔT時間前對應取料機的瞬時流量值，此瞬時流量值被認為瞬時流量真實值，再將兩臺配煤取料機的真實瞬時流量值相加，得出配煤時真實流量，也就是兩臺配煤取料機料流同時到BJ皮帶秤的瞬時流量。配煤的真實流量超載經過1s中斷過濾處理后進行輸出計時，計時20s和40s均用作報警輸出，計時40s時，用作對非“主取料機”的流量限制（見圖5）。

由于配煤的真實流量計算是用“主取料機”ΔT時間前的瞬時流量與非“主取料機”的當前瞬時流量相加得出的結果，如果對主取料機進行流量限制會出現滯后的情況，顯然我們無法對已經發生的ΔT時間內的流量進行限制，因此在配煤時，只對非“主取料機”的當前瞬時流量進行限制。而取料機單取情況下不存在這個問題，針對本機瞬時流量直接判定超載結果，進行超載輸出，見圖6，當單取或配煤情況下超載持續20s后，通過圖5中的OUT_CZ_FAULT指令輸出至司機室上位機進行超載報警，報警持續20s后關閉，當超載持續40s后，通過圖6中的RCZ.CZKZ指令輸出，至圖7，對當前取料機的回轉速度限速，通過對回轉速度的限制來達到對當前流量的控制，將速度限制為回轉最大速度的30%，120s后解除限制。

圖5

圖6

圖7

■ 2.2 上位機人機交互界面

使用FactoryTalk View Studio軟件在司機室的觸控屏上添加了超載報警提示，取UT_CZ_FAULT指令標簽作為報警輸出，從而達到超載輸出時，上位機閃爍紅藍的“超載報警，注意流量”字樣（圖8）。司機作業超載時，會有圖8“紅圈”中的超載倒計時提示司機如果繼續超載多長時間后會受限制；當超載使回轉速度受限后，限制倒計時來提示司機回轉限制還有多長時間解除。

圖8 上位機界面

■ 2.3 應用效益

取料機超載報警及限制技術改造自2019年8月份投入使用后，通過程序中計數器記錄，8月份下半月超載報警次數為373次，9月份超載報警636次，10月份超載報警609次，超載限制次數8月份下半月90次,9月份138次,10月份148次。通過取料機司機反應，以前作業避免超載只能依靠上位機的瞬時流量值人為估計超載時間與超載量，自從投入超載報警系統后，取料時上位機畫面能及時提示超載報警，明確顯示出超載的時間，不需要人為估算，并且超載限制時間也能清楚地顯示，大大提高了作業質量，也使司機作業更加方便。

■ 2.4 實施效果

自8月份超載報警及限制技術改造投入以來，超載次數明顯降低，2019年6月至10月每月的作業量相差不多，由于此技改項目于8月中旬投入使用，但超載記錄只記錄整個月份，無法拆開來比對，因此表1中按整月份統計超載次數。

由表1可以看出，8月份以后超載次數明顯降低，減少了約1/3的超載次數，由于每月作業量相差不大，因此確定降低了約1/3的超載率。

表1 每月超載次數統計

在降低超載次數的同時，造成皮帶機沿線灑落、皮帶轉接部分堵料次數極大減少，清煤人數減少，但清煤質量明顯提高，皮帶機沿線較之前更加整潔，以前最容易灑落煤的部位為BJ爬坡的走梯，灑落最嚴重時人員無法從走梯經過，超載減少后從未出現過此類情況。超載降低使皮帶機與托輥和滾筒之間磨損降低，皮帶機壓停情況減少，從而減少了設備維護保養的成本，減少維修時間及工作量，延長設備驅動部分的使用壽命。

3 結束語

（1）此技術改造增加了七臺取料機之間的數據交互，主要媒介為SS4PLC和SS1PLC，取料機先將數據通過SS4PLC傳入SS1PLC，在SS1PLC中進行計算，計算完成后將結果通過SS4PLC傳入各取料機。這種方式不需要增加通訊設備，使用現有的message指令進行數據傳輸，不會增加PLC之間的通訊負擔[3]。

（2）提升了皮帶秤數據的時效性，相比之前配煤流量只能通過人為估算，并且一旦皮帶秤檢測到超載，無法降低已取到皮帶上的物料情況[4]。通過建立堆棧數據庫儲存皮帶秤瞬時流量，可隨時調用數據庫中任一時間點的瞬時值，由此程序中定義了“真實流量”的概念，使配煤流量真正地顯示出此刻的瞬時流量。

（3）通過添加人機交互界面，減少人工工作強度，提高了控制系統地自動化及有效程度的，并應用閉環反饋的工作原理，將控制系統中的執行及故障情況及時反饋給操作人員，讓操作人員更加完善的掌握取料機實時流量和超載的故障信息，提高了單取及配煤的精度和物料的穩定性，并為超載判斷和流量限制節省了時間和成本。