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)了小車的自動運(yùn)行。在自動控制改造前對小車運(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，使用變頻器對電動機(jī)進(jìn)行控制減少起停過程對傳動部位的損害，應(yīng)用無線通訊技術(shù)解決移動設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸問題，使用施耐德一體型PLC TWDLCAE40DRF對小車進(jìn)行邏輯控制，健全自動控制系統(tǒng)的保護(hù)功能，消除異常情況對皮帶系統(tǒng)運(yùn)行的影響。

【關(guān)鍵詞】皮帶小車;自動化;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)施小車自動化項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)自動布料，是解決此問題的唯一途徑，水廠鐵礦通過對現(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)小車自動布料。

2.小車自動布料改造前運(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)行過程中振動大，在運(yùn)行過程中經(jīng)常出現(xiàn)由于粉塵或振動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)可以再次啟動電機(jī)，不會對設(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)小車移動和下料時(shí)對相應(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，信號的傳輸要準(zhǔn)確、穩(wěn)定。在皮帶小車進(jìn)行自動控制布料改造中，料位計(jì)安裝在小車布料漏斗對準(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)生的動作信號送到PLC，因采用斷點(diǎn)檢測在開關(guān)出現(xiàn)自身誤動作或拒動后會出現(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，是一種相對定位的接觸工作方式，但車輪打滑對定位準(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，專門用于對固定或移動物體距離的檢測，同時(shí)此傳感器對粉塵的穿透力強(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以上的兩臺小車上使用雙傳感器進(jìn)行雙向定位保證精度，對于運(yùn)行范圍在100米以內(nèi)的兩臺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)動設(shè)備升級

自動布料應(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)的啟動和停止過程小車驅(qū)動單元速度變化較大，扭矩突變性較大，對驅(qū)動單元的損傷較為嚴(yán)重，特別是對制動器制動片的磨損較大，因此采用變頻器對電機(jī)進(jìn)行拖動改善控制特性。在改造初期使用一臺變頻器驅(qū)動一臺電機(jī)，存在電機(jī)運(yùn)行不同步驅(qū)動輪啃軌燒損變頻器的問題，為有效解決這些問題，將一臺變頻器驅(qū)動一臺電機(jī)的方式，改為一臺變頻器同時(shí)驅(qū)動多臺電機(jī)，成功解決了各驅(qū)動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)，減少對正常生產(chǎn)的影響。

3.3 移動設(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供電的要求，最終選擇電動電纜卷筒供電方式解決移動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)程自動控制，必須實(shí)現(xiàn)對車載設(shè)備控制、并將檢測信號傳輸?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)出的控制信號并發(fā)送給車上站，同時(shí)負(fù)責(zé)地面固定設(shè)備信號的采集工作，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，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攝像機(jī)，對皮帶運(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，對及時(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。為防止制動器不能有效打開，導(dǎo)致電機(jī)堵轉(zhuǎn)燒損問題，將制動器運(yùn)行信號采集到控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)制動器與系統(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，使得布料小車自動控制信號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運(yùn)行和遠(yuǎn)程手動兩種控制方式。

（1）自動運(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，主皮帶起動后，皮帶小車起動并順序進(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，對料倉進(jìn)行布料。

6.結(jié)束語

小車自動化系統(tǒng)改造后，實(shí)現(xiàn)了小車遠(yuǎn)程自動布料控制，為整條生產(chǎn)線自動化、智能化改造升級奠定了基礎(chǔ)。通過布料自動化改造，取消皮帶小車看管性崗位，提高企業(yè)勞產(chǎn)率，對崗位人員身體健康、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、社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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