基于PLC 的取料機(jī)配料分檔調(diào)速設(shè)計(jì)

王偉

（唐山曹妃甸煤炭港務(wù)有限公司，河北唐山，063000）

0 前言

回轉(zhuǎn)式斗輪取料機(jī)是一種高效大型連續(xù)取料機(jī)械，在散貨碼頭、鋼鐵廠、大火力發(fā)電廠和礦山等的散料堆場應(yīng)用較多，主要用于砂石、煤炭、礦物質(zhì)的裝卸過程中。我國大陸的上海、廣州、秦皇島、日照、南京等港口均已擁有這種機(jī)械。穩(wěn)定的瞬時(shí)取料量是衡量取料作業(yè)是否高效安全的重要指標(biāo)［1-2］，但由于取料機(jī)操作人員的控制手法與技能水平差異，瞬時(shí)流量穩(wěn)定性往往差異很大。在煤炭等散料運(yùn)輸過程中，又往往需要進(jìn)行不同比例的配料作業(yè)，瞬時(shí)流量較小時(shí)更不易操作，因此本文針對取料作業(yè)過程中的控制難點(diǎn)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了一種簡單高效的提升小流量作業(yè)穩(wěn)定性的系統(tǒng)，整體設(shè)計(jì)框架如圖1 所示。

圖1 整體設(shè)計(jì)框架

1 設(shè)備環(huán)境簡介

本系統(tǒng)有幸于某國內(nèi)大型煤炭港口進(jìn)行調(diào)試與使用，由于市場需要配煤作業(yè)相對較多，該港口使用的額定取料能力6000t/h 的回轉(zhuǎn)式斗輪取料機(jī)，可進(jìn)行回轉(zhuǎn)、走行、俯仰等動作，其中回轉(zhuǎn)、走行機(jī)構(gòu)為變頻驅(qū)動，采用回轉(zhuǎn)、進(jìn)車、再回轉(zhuǎn)的取料方式，操作人員通過手柄對各機(jī)構(gòu)起停與速度控制。本系統(tǒng)涉及的主要設(shè)備有模擬量輸入手柄、1756 系列PLC、西門S120 系列變頻器、驅(qū)動電機(jī)及FactoryTalk View SE 上位界面。

2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

■2.1 自動調(diào)速原理

為提高保證配煤作業(yè)精度，對取料瞬時(shí)流量要求較高。在取料過程中,前后兩次懸臂運(yùn)動軌跡呈現(xiàn)為兩條平行交叉的弧形,造成取料進(jìn)尺實(shí)際距離與回轉(zhuǎn)角度具有一定的函數(shù)關(guān)系[3](回轉(zhuǎn)角度越接近90°,取料進(jìn)尺深度越小)。同時(shí)取料瞬時(shí)流量還有取料時(shí)每層的俯仰角度差與回轉(zhuǎn)速度有關(guān)。設(shè)取料瞬時(shí)量為f，單位t/h;煤密度設(shè)為p；取料進(jìn)尺距離是斗輪運(yùn)動軌跡法線方向上的距離,設(shè)為Δ；每層的俯仰角度差也是每層取料的高度,設(shè)為g；回轉(zhuǎn)速度是取料點(diǎn)的線速度,設(shè)為v，則：f=pΔgv，取料機(jī)取料軌跡如圖2 所示。

圖2 取料機(jī)取料示意圖

圖2 中：r為取料機(jī)回轉(zhuǎn)半徑；H為取料機(jī)大臂長度；L為單機(jī)進(jìn)尺距離；Δ 為進(jìn)尺深度。由圖2 可得:

最終有f=p·g·v·L·cosθ

從上述公式可知,再去取料過程中，如果p、g、v和L固定不變，（這也符合取料過程中操作人員的操作方式），則取煤流量f只與回轉(zhuǎn)角θ有關(guān)。因此固定的回轉(zhuǎn)速度并不能滿足穩(wěn)定的瞬時(shí)取料量的要求，但是如果能夠確定在接近0 度時(shí)某一流量要求的基本速度v0,然后將v0以cosθ 的變化方式變換輸入到變頻器速度控制器,就可保證上煤流量比較均勻。根據(jù)公式有：V=v0/cosθ。

同時(shí)考慮到越接近90 度時(shí)，1/cosθ越大，因此需要限制v 的最大值，避免驅(qū)動設(shè)備損傷。同時(shí)由于取料過程中垛型復(fù)雜、煤種原因易造成塌垛、火煤、凍塊等特殊情況，因此不能增加司機(jī)減速、停止回轉(zhuǎn)動作的難度。即v0的選擇不由程序設(shè)定，仍由司機(jī)手柄保持不變來選擇，同時(shí)手柄歸零、降低速度仍然有效。

■2.2 分檔控制邏輯

取料機(jī)操作人員控制回轉(zhuǎn)速度的模擬量手柄為±10V輸入，在PLC 內(nèi)變化范圍為0～16500，對應(yīng)變頻器0 到50Hz。可實(shí)現(xiàn)無級別連續(xù)變速。但手柄的可動范圍有限為前后10cm，當(dāng)配煤作業(yè)要求較小的取料流量時(shí)，相同進(jìn)尺距離下，手柄需保持在成比例較小可動范圍內(nèi)，無疑增加操作難度，同時(shí)也增加了瞬時(shí)料流的不穩(wěn)定性。

因此從安全及司機(jī)操作便捷的角度考慮，基于司機(jī)操作經(jīng)驗(yàn)及公式計(jì)算結(jié)果，按照不同流量在PLC 內(nèi)將回轉(zhuǎn)速度分為3 個不同的檔位，分別適應(yīng)于1000～3000t/h，3000～6000t/h，6000t/h 或特殊垛型。

邏輯設(shè)計(jì)：

對回轉(zhuǎn)速度具體調(diào)節(jié)情況如下：

（1）在調(diào)度中心對取料機(jī)的取料信號未發(fā)送時(shí)，取料機(jī)回轉(zhuǎn)速度不受旋鈕檔位控制，與調(diào)整之前沒有差別，取料機(jī)原最大速度給定值仍為12000，不受限制；

（2）在中控給取料機(jī)發(fā)送取料信號后，取料機(jī)回轉(zhuǎn)速度受旋鈕檔位控制，分別限制回轉(zhuǎn)角度0 度和180 度回轉(zhuǎn)最大速度為原來的30%、40%、60%，此后隨著回轉(zhuǎn)角度向90 度靠近回轉(zhuǎn)最大速度逐步增加至原最大速度的83%，即向變頻器輸出給定值10000，之后不會繼續(xù)增長。

■2.3 程序設(shè)計(jì)及優(yōu)化

解決了流量控制問題的邏輯后，如何快速的找到要求流量所需要的初始速度v0，則顯得很重要。取料機(jī)上皮帶秤是觀察瞬時(shí)流量最直觀、準(zhǔn)確的方式，也是港口類企業(yè)計(jì)量散貨的重要設(shè)備，皮帶秤需要安裝在皮帶較水平的部位，要求較高，因此距離斗輪一般較遠(yuǎn)，瞬時(shí)流量的顯示與懸臂皮帶前端的斗輪具有明顯的時(shí)間差，因此不能作為司機(jī)快速直接的觀測手段。

通過分析可知，取料量的多少其實(shí)也反應(yīng)為斗輪驅(qū)動電機(jī)做功的多少，引入斗輪功率變量也可以與瞬時(shí)流量相對應(yīng)[4]，通過采集斗輪功率與皮帶秤波峰波谷的對應(yīng)關(guān)系可得出本文涉及的取料機(jī)斗輪功率對應(yīng)12s 后的皮帶秤數(shù)值。通過計(jì)算進(jìn)行確認(rèn)：斗輪轉(zhuǎn)速為6r/min,則斗輪轉(zhuǎn)半圈的時(shí)間為60/6/2=5s，皮帶秤位置為皮帶25m 處，懸臂總長55m，皮帶轉(zhuǎn)速為4.8m/s，則料流通過皮帶到達(dá)皮帶秤的時(shí)間為（55-25）/4.8=6.25s，計(jì)算出總時(shí)間約為5+6.25=11.25s，再加上料流由斗輪頂端約3m 落下到皮帶的時(shí)間（不到1s），得出總時(shí)間約為12s。反應(yīng)到圖像，也就是皮帶秤數(shù)值對應(yīng)斗輪功率滯后12s，那么確定一個皮帶秤數(shù)值Q，通過找其12s 之前的斗輪功率數(shù)值P 來進(jìn)行對應(yīng)。經(jīng)過了大量數(shù)據(jù)記錄匯總，使用MATLAB 在多組數(shù)據(jù)比對與擬合，并與現(xiàn)場結(jié)果反饋，最終得以Q=KP+b中K與b的具體數(shù)值。同時(shí)發(fā)現(xiàn)針對不同煤種與設(shè)備，K與b雖然有所變化，但通過司機(jī)人工修正可以大幅減少，因此K與b最終選擇了具有通用性的一組數(shù)值。

在PLC 計(jì)算轉(zhuǎn)換后將斗輪功率擬合后的瞬時(shí)流量值通過FactoryTalk View SE 編輯后即可顯示在操作人員人機(jī)交互界面中，用以確定最準(zhǔn)確取料瞬時(shí)流量，指導(dǎo)作業(yè)。

PLC 自動調(diào)速整體程序編譯如圖3 所示。

圖3 程序可分為兩部分：回轉(zhuǎn)角度余弦值計(jì)算與速度值給定。

圖3 PLC 自動調(diào)速整體程序編譯

回轉(zhuǎn)角度余弦值：取料機(jī)回轉(zhuǎn)角度可分為右轉(zhuǎn)0 至負(fù)180 度與左轉(zhuǎn)0 到正180 度，計(jì)算流程為取當(dāng)前回轉(zhuǎn)角度，回轉(zhuǎn)角度取絕對值，回轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)化為弧度，然后即可取對應(yīng)弧度余弦值。

速度值給定：回轉(zhuǎn)速度給定分為兩種情況，取料作業(yè)與非作業(yè)狀態(tài)，可根據(jù)調(diào)度指令中是否允許工作開關(guān)量點(diǎn)判斷。非作業(yè)狀態(tài)，回轉(zhuǎn)速度不受檔位與回轉(zhuǎn)角度限制，直接手柄輸入值將下發(fā)至變頻速度控制器；取料作業(yè)狀態(tài)，則根據(jù)檔位將手柄輸入值乘以倍數(shù)限制，然后除以余弦值得到調(diào)整速度值，然后通過比較調(diào)整速度值與最大速度限制10000的大小，使得調(diào)整速度值不能超過最大速度限制，然后將調(diào)整速度值下發(fā)至變頻速度控制器，完成回轉(zhuǎn)速度調(diào)節(jié)，即使手柄位置不變，回轉(zhuǎn)速度也能根據(jù)回轉(zhuǎn)角度自動變化以滿足瞬時(shí)流量的穩(wěn)定。

同時(shí)根據(jù)本文良好的調(diào)試使用結(jié)果可以推測，如果層高合理，垛型規(guī)整，那么用斗輪功率與回轉(zhuǎn)速度做閉環(huán)控制，也可以做到穩(wěn)定流量的結(jié)果，但需要人工輔助判斷回轉(zhuǎn)方向的變換；如果能夠通過垛型掃描、距離測量的可靠手段辨別回轉(zhuǎn)方向的轉(zhuǎn)換時(shí)機(jī)，那么全自動化的取料作業(yè)及料流控制也將成為可能。

■2.4 系統(tǒng)應(yīng)用效益

取料機(jī)精準(zhǔn)取料操作有效地提高了作業(yè)效率與作業(yè)質(zhì)量，對企業(yè)競爭力提升大有幫助，對節(jié)能減排，節(jié)省電能、人力、物力均有有效地節(jié)約了資源，減少了浪費(fèi)，響應(yīng)國家節(jié)能減排的號召，堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展，同時(shí)對運(yùn)輸港口的經(jīng)濟(jì)高效運(yùn)行貢獻(xiàn)出了一份力量。

3 結(jié)束語

本系統(tǒng)為取料機(jī)配煤加入了回轉(zhuǎn)分檔及調(diào)速。回轉(zhuǎn)分檔可適用于不同配煤比例下的流量控制，回轉(zhuǎn)調(diào)速將cos 曲線線性調(diào)節(jié)引入到角度調(diào)速過程中，使不同角度的流量控制更加精準(zhǔn)便捷。同時(shí)在司機(jī)室操作屏增加實(shí)時(shí)性更好地?cái)M合瞬時(shí)流量，直觀高效，更大程度地減輕了司機(jī)的工作強(qiáng)度，提升了工作效率。

雖然本文中對cos 曲線線性調(diào)節(jié)與斗輪擬合瞬時(shí)流量的應(yīng)用比較簡單，但在一定程度上驗(yàn)證了PLC 自動調(diào)速控制流量穩(wěn)定性的可行性，并為PLC 閉環(huán)控制瞬時(shí)流量提供了數(shù)據(jù)支持與研究方向，同時(shí)對同行業(yè)、類似設(shè)備自動化控制也具有一定參考價(jià)值。