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(guó)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(guó)家工程研究中心有限公司，安徽馬鞍山243000)

卸料小車(chē)是廠礦企業(yè)中一種常見(jiàn)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(chǎng)合。卸料小車(chē)主要用于處理散裝物料，如選礦廠、燒結(jié)系統(tǒng)、物料堆場(chǎng)以及裝載輸送系統(tǒng)中。較之于廠用卸料器，卸料小車(chē)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(chē)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(chē)通過(guò)單通、雙通或三通將物料卸在不同倉(cāng)位或料堆。為了達(dá)到此目的，卸料小車(chē)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(guó)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(wàn)t。原礦經(jīng)過(guò)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(cāng)上部粉礦卸料小車(chē)，通過(guò)卸料小車(chē)將料卸入粉礦倉(cāng)，裝入粉礦倉(cāng)的粉礦根據(jù)選礦生產(chǎn)的需要，通過(guò)礦倉(cāng)下部的給料機(jī)送至主廠房。粉礦倉(cāng)處共設(shè)10個(gè)料倉(cāng)，標(biāo)號(hào)為1號(hào)至10號(hào)，每個(gè)料倉(cāng)容積705 m3，總倉(cāng)容為15 200 t。卸料小車(chē)行走區(qū)間一共60m。

卸料小車(chē)需根據(jù)粉礦倉(cāng)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(chē)的卸礦位置，在1號(hào)～10號(hào)倉(cāng)之間來(lái)回行走。本卸料系統(tǒng)在技術(shù)改造前，卸料小車(chē)的操作采用人工操作的方式，由于小車(chē)行走距離長(zhǎng)，其控制箱安裝在小車(chē)上，由車(chē)間崗位工操作小車(chē)控制箱上的控制按鈕來(lái)控制小車(chē)的來(lái)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(chē)上，崗位工操作時(shí)需隨小車(chē)一起行走，而礦倉(cāng)卸料平臺(tái)多粉塵，工作環(huán)境惡劣，操作工長(zhǎng)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(chē)間的安全生產(chǎn)。②根據(jù)操作工的肉眼觀測(cè)各個(gè)礦倉(cāng)料位，從而去操作小車(chē)調(diào)整其行走至合適的倉(cāng)位，這種觀測(cè)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(chē)進(jìn)行自動(dòng)化技術(shù)改造，通過(guò)對(duì)倉(cāng)位的自動(dòng)檢測(cè)，小車(chē)位置的自動(dòng)檢測(cè)從而達(dá)到自動(dòng)控制卸料小車(chē)的目的。

1 卸料小車(chē)自動(dòng)化控制技術(shù)現(xiàn)狀

目前，較為先進(jìn)的卸料小車(chē)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(huà)面上顯示卸料小車(chē)的當(dāng)前位置，通過(guò)畫(huà)面上各倉(cāng)位指示燈來(lái)判斷小車(chē)是否需要換倉(cāng)以及小車(chē)是否到達(dá)目的倉(cāng)位。而各個(gè)倉(cāng)位指示燈的信號(hào)一般是由安裝在料倉(cāng)附近的限位開(kāi)關(guān)或接近開(kāi)關(guān)獲得的。當(dāng)小車(chē)經(jīng)過(guò)或接近限位開(kāi)關(guān)(接近開(kāi)關(guān))時(shí)，開(kāi)關(guān)將感應(yīng)到的信號(hào)送至中央控制室，相應(yīng)的倉(cāng)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(chē)的自動(dòng)化控制技術(shù)中，小車(chē)的位置檢測(cè)技術(shù)是其中最為關(guān)鍵的一步，位置檢測(cè)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(chē)檢測(cè)信號(hào)是采用接近或限位開(kāi)關(guān)來(lái)獲得的，這種開(kāi)關(guān)有以下一些問(wèn)題:①時(shí)常發(fā)生“拒動(dòng)”的現(xiàn)象。接近或限位開(kāi)關(guān)的工作可靠性不是十分理想，時(shí)常發(fā)生開(kāi)關(guān)拒動(dòng)的現(xiàn)象，這將給卸料過(guò)程帶來(lái)事故隱患。②若當(dāng)卸料小車(chē)停車(chē)制動(dòng)時(shí)，出現(xiàn)溜車(chē)的情況，此時(shí)如果小車(chē)由于溜車(chē)而未停在限位開(kāi)關(guān)或接近開(kāi)關(guān)的控制范圍內(nèi)，中央控制室內(nèi)的信號(hào)燈將無(wú)反應(yīng)，造成卸料小車(chē)位置檢測(cè)信號(hào)的丟失。中央控制室的操作員由于不清楚小車(chē)的停車(chē)位置，就需派人前往卸料現(xiàn)場(chǎng)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(chē)運(yùn)行至目的位置。

以上的這些問(wèn)題不僅會(huì)打斷正常的連續(xù)生產(chǎn)過(guò)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(guò)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(cè)技術(shù)介紹

(1)旋轉(zhuǎn)編碼器定位檢測(cè)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(guò)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(lái)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(cè)量的起始和終止位置有關(guān)，而與測(cè)量的中間過(guò)程無(wú)關(guān)。不論哪一種編碼器，其位移信號(hào)都是通過(guò)安裝在走行機(jī)構(gòu)上的碼盤(pán)獲得的。這種方法是使用較早的一種檢測(cè)方式，但其有自身的缺點(diǎn)，即誤差累計(jì)較大，行程長(zhǎng)，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(wú)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(cè)技術(shù)。定位片、條形碼位置檢測(cè)技術(shù)都是一種絕對(duì)定位的工作方式，通過(guò)安裝在行走裝置軌道旁的定位片或者條形碼來(lái)檢測(cè)行走裝置的位置。這種檢測(cè)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(chǎng)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(guò)程產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)造成車(chē)上識(shí)別裝置無(wú)法讀取編碼信息，導(dǎo)致位移地址的丟失。所以現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外廠礦企業(yè)也基本淘汰了這種檢測(cè)方式。

(3)紅外定位檢測(cè)技術(shù)。紅外定位檢測(cè)技術(shù)主要有行走機(jī)構(gòu)載體部分:信號(hào)檢測(cè)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(cè)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(cè)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(chǎng)使用時(shí)，極易受到現(xiàn)場(chǎng)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(chē)的位置信號(hào)，取決于位置檢測(cè)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(cè)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(chē)，冶煉熄焦車(chē)均采用了車(chē)體定位系統(tǒng)。目前國(guó)內(nèi)外定位技術(shù)有許多，較為常見(jiàn)的技術(shù)有紅外定位檢測(cè)技術(shù)、定位片/條形碼定位檢測(cè)技術(shù)、旋轉(zhuǎn)編碼器定位檢測(cè)技術(shù)，激光定位檢測(cè)技術(shù)，以及編碼電纜－格雷母線定位檢測(cè)技術(shù)等。常見(jiàn)的定位技術(shù)有旋轉(zhuǎn)編碼器定位檢測(cè)技術(shù)、定位片/條形碼定位檢測(cè)技術(shù)、紅外定位檢測(cè)技術(shù)、激光定位檢測(cè)技術(shù)、格雷母線定位檢測(cè)技術(shù)。

(5)激光定位檢測(cè)技術(shù)。該技術(shù)是通過(guò)發(fā)出激光往返目標(biāo)所需的時(shí)間來(lái)確定目標(biāo)距離，是一種連續(xù)非接觸位置檢測(cè)。優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)精度很高，安裝簡(jiǎn)單方便。缺點(diǎn)是檢測(cè)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(cè)技術(shù)。格雷母線定位檢測(cè)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(guó)開(kāi)始研究該技術(shù)，1997年研發(fā)成功后在國(guó)內(nèi)港口、水利、鋼鐵行業(yè)大量應(yīng)用。該套定位檢測(cè)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(chǎng)。格雷母線可視為處在一個(gè)交變均勻分布的磁場(chǎng)中，每對(duì)格雷母線芯線會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。發(fā)射單元地址信號(hào)通過(guò)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(guó)寶鋼、首鋼、武漢港務(wù)集團(tuán)、德國(guó)漢堡CTA龍門(mén)吊等國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)工程中。其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)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(cè)系統(tǒng)的組成及工作原理

格雷母線定位檢測(cè)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(cè)地址。R線在整個(gè)母線段不交叉，而G線按照不同長(zhǎng)度(格雷碼)來(lái)交叉編排，每隔一定長(zhǎng)度(步長(zhǎng))交叉一次，設(shè)格雷母線的最小步長(zhǎng)為W，則G0、G1、G2…G8、G9步長(zhǎng)分別為1、2、4、8…256、512W，格雷母線芯線展開(kāi)如圖1所示，格雷母線定位檢測(cè)的原理見(jiàn)圖2。

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

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

由圖2可知:格雷母線定位檢測(cè)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?chē)鷮?huì)產(chǎn)生均勻分布的交變磁場(chǎng)，由于格雷母線離天線箱較近，所以格雷母線在交變磁場(chǎng)中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)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(guò)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(zhǎng)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(cè)中測(cè)量精度也最高。

4 選礦卸料小車(chē)定位檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1)粉礦倉(cāng)物位檢測(cè)。此次選礦廠粉礦倉(cāng)卸料小車(chē)自動(dòng)化改造中，粉礦倉(cāng)的料位檢測(cè)部分采用非接觸式雷達(dá)料位檢測(cè)儀，該檢測(cè)儀為非接觸雷達(dá)，無(wú)磨損，無(wú)污染，天線尺寸小，便于安裝，測(cè)量盲區(qū)更小，波長(zhǎng)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(cè)儀由傳感器和二次儀表兩部份組成。傳感器設(shè)在料倉(cāng)頂，喇叭式天線垂直伸進(jìn)料倉(cāng)內(nèi)，不與被測(cè)介質(zhì)接觸，二次儀表設(shè)置在卸料平臺(tái)上。檢測(cè)儀天線向被測(cè)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(cè)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(guò)處理轉(zhuǎn)為工程值顯示出來(lái)，由此完成了粉礦物料的連續(xù)測(cè)量。

(2)卸料小車(chē)格雷母線定位檢測(cè)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(chē)上，格雷母線裝設(shè)在卸料小車(chē)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(chǎng)地面。接收器將輸出的位置檢測(cè)信號(hào)通過(guò)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(mén)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(guò)Profibus－DP通訊電纜傳送至中控室PLC的CPU模塊。卸料小車(chē)的來(lái)回行走控制由PLC通過(guò)工藝流程及要求編程來(lái)控制，控制節(jié)點(diǎn)為開(kāi)關(guān)量無(wú)源節(jié)點(diǎn)。工控機(jī)的畫(huà)面通過(guò)WinCC制作。工控機(jī)與PLC之間通過(guò)Profibus協(xié)議通信。

(4)卸料小車(chē)定位系統(tǒng)模式。經(jīng)過(guò)自動(dòng)化技術(shù)改造后的卸料小車(chē)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(huà)面上所顯示的礦倉(cāng)料位情況，去控制小車(chē)前行或后退，直至小車(chē)行進(jìn)到目的倉(cāng)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(cè)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(chē)前行或后退而進(jìn)行卸料操作。

5 結(jié)語(yǔ)

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

(2)采用格雷母線定位檢測(cè)卸料小車(chē)，測(cè)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(cè)量，由于采用非接觸式測(cè)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(cāng)料位，小車(chē)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(chē)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(chē)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(shù)青，樂(lè)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(chē)機(jī)、撥車(chē)機(jī)位置檢測(cè)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.