鄂以帥,王園方,周興倫,張捷,王瑩瑋,張爍,李志銳,周彩群

(中鋁鄭州有色金屬研究院有限公司,河南 鄭州 450041)

炭素是鋁電解生產的重要組成部分,其工序主要包括煅燒、成型、焙燒、最后形成商品陽極。其中炭素煅燒是炭素材料在隔絕空氣條件下進行熱處理的熱工工序;目前煅燒爐加料主要依靠人工加料,自動化程度低,影響加料質量和效率。 針對煅燒工序中石油焦煅燒過程中的加料方式進行優(yōu)化設計,提出了一種利用物聯(lián)網(wǎng)技術,編碼電纜定位技術,雷達避障和稱重計量等現(xiàn)代檢測和控制技術,并利用分段制動停車算法、車速自適應算法,開發(fā)出一套煅燒AGV智能加料控制系統(tǒng),達到了安全避障、無人值守的效果。

1 智能加料系統(tǒng)

智能加料控制系統(tǒng)由上位機、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)組成。具有加料計量稱重、雷達避障、小車運行警報、視頻監(jiān)控、無線遠程控制、小車定位識別、加料點精準停車、煅燒爐料位監(jiān)測等功能。

主站與上位機之間使用網(wǎng)線通信,主站與從站之間采用工業(yè)級無線網(wǎng)橋進行通信,現(xiàn)場監(jiān)控通過交換機與網(wǎng)絡硬盤錄像機進行數(shù)據(jù)傳輸,PLC從站具備檢測功能和控制功能。檢測部分配備稱重計量,雷達避障,光電開關等檢測儀表,可對小車生產運行過程中的計量數(shù)據(jù)進行收集,具備定位識別,主動避障等功能;控制部分對小車的前進后退,料閥打開關閉電機進行控制,實現(xiàn)基本的邏輯動作。

圖1 智能加料系統(tǒng)結構圖

上位機是操作員在控制室可以遠程發(fā)出操作命令的計算機,與視頻監(jiān)控系統(tǒng)和主站PLC通過網(wǎng)線進行通信。

PLC從站和主站之間選擇工業(yè)級無線網(wǎng)橋技術進行通信,具有不受現(xiàn)場環(huán)境限制,成本低、無干擾的優(yōu)點。加料車需要不斷移動來進行加料動作,同時現(xiàn)場環(huán)境存在電磁干擾和信號衰減,鋪設專用電纜的造價太高且維修困難,因此選擇無線網(wǎng)橋進行通信。本系統(tǒng)使用的無線網(wǎng)橋技術采用點對點結構,如圖2所示。在現(xiàn)場控制柜(主站)和加料車(從站)上分別安裝無線網(wǎng)橋設備,依靠微波信號可以在2 km的范圍內發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。能夠把加料現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)浆F(xiàn)場控制柜,進而發(fā)送到遠端中控室,實現(xiàn)對加料車遠程控制、上位機監(jiān)控、加料量讀取等功能。

圖2 無線網(wǎng)橋技術示意圖

2 智能加料檢測系統(tǒng)

智能加料檢測系統(tǒng)包括加料車位置檢測、計量稱重、雷達避障、光電開關檢測等。其中加料車位置檢測采用編碼電纜的方法,通過安裝在移動站的天線箱和敷設在移動車軌道旁的編碼電纜進行電磁耦合來檢測天線箱在編碼電纜長度方向上的位置,并可在位置檢測的同時進行通信。

編碼電纜位置檢測裝置主要包括編碼電纜、天線箱、地址編碼發(fā)射器和地址編碼接收器四個部分。

圖3 編碼電纜位置檢測裝置基本構成圖

為獲取更高的精度,可以在絕對地址的基礎上進行細分獲得精密地址。在編碼電纜中增加一對地址線L0,其交叉間隔與G0地址線一樣,但錯開半個步長。

圖4 移動誤差示意圖

如4圖所示,R為標準線,L0和G0為地址線,L0與G0的交叉間隔均為200 mm,并錯開了100 mm。當移動站的天線箱圈通入交變電流時,地址線G0和L0產生的感應電動勢VG0和VL0分別為:

(1)

(2)

Φ=SB

(3)

式中:VG0,VL0——分別是電纜芯線在地址線G0 和L0上產生的電動勢信號幅度;

Φ——通過電纜芯線的磁通量;

N——編碼電纜線芯線圈數(shù);

B——磁場強度;

S——磁場作用在線圈上的有效面積。

設電纜的寬度為H,編碼電纜的芯線最小步長為W,當移動站天線箱移動距離為X(X<100 mm)時:

(4)

(5)

在同一時間間隔內,兩式相除可以得到:

(6)

3 加料車精準停車算法

通過編碼電纜技術可以獲得加料車的精確位置,但是由于加料車的慣性、控制延時等原因,想要實現(xiàn)加料車的精準停車還需要通過算法來減小誤差。通過變頻電機實現(xiàn)電機剎車過程中的參數(shù)進行調節(jié),將加料車減速的制動過程擬合成一個勻減速運動過程,將剎車距離控制在一定的誤差范圍內,實現(xiàn)精準停車。

3.1 加料車分段制動算法

設加料車的速度為v,距離目標停車位置的距離是S,加料車減速制動的加速度為a,那么根據(jù)運動學原理,ν2=2aS0,即S0=ν2/a。當S=S0時,加料車應當開始制動。由于加料車速度測量可能會存在誤差,以及電氣傳輸,機械裝置造成的時延現(xiàn)象,導致加料車不能準確停在煅前倉正下方,當對速度的測量出現(xiàn)負誤差時,選擇的制動點就會滯后,從而導致加料車越過煅前倉停車。為了確保安全以及精準停車,增加提前制動系數(shù)k(0

為了既保證安全又使加料車能夠準確停車,可以將加料車的制動過程分為三個階段,當距離目標停車位置S0時,加料車開始制動減速;當速度減少到爬行速度Vmin時,且距離目標停車位置大于Smin,加料車進入勻速滑行階段,這一階段是為了消除提前制動系數(shù)k帶來的余量;當距離目標停車位置等于Smin時,加料車開始制動減速,直到精確到達目標停車位置。

3.2 加料車速度自適應控制算法

考慮到現(xiàn)場環(huán)境存在高溫、粉塵、灑料等問題,會使加料車測速不準確,從而導致無法精準停車,因此提出了速度自適應控制算法,可以通過距離誤差自適應調整加料車速度,從而能夠使加料車精準停車。

加料車的理想行駛距離為S1,通過車輪半徑和轉速計算得到,實際行駛距離為S2,通過雷達測距測量行駛距離。

S2=xA-xB

△S=S1-S2

因此,通過每一次的距離誤差△S來自適應地調整下一次的速度。

通過計算距離誤差來實時改變加料車輪胎轉速,從而達到精準停車的目的。

4 智能加料控制系統(tǒng)

現(xiàn)場控制使用西門子可編程邏輯控制器,設計開發(fā)了過載、過流、連鎖保護、緊急停止等控制保護技術,具有安全控制參數(shù),故障診斷,手自動切換等功能。在加料過程中出現(xiàn)異常情況時,能自動分析故障,給出故障原因以及故障部位,待人工確認故障信息后,系統(tǒng)一鍵復位,繼續(xù)完成當前工作,真正的實現(xiàn)了智能化和信息化管理。

加料車在自動加料過程中通過定位識別功能判斷小車的當前位置,當小車運行到加料起始位置時,下料口開到位,小車繼續(xù)前進;當小車運行至煅燒爐終點時,下料口關到位,接著小車自動返回至煅前倉下方。自動加料控制流程如圖5和圖6所示。

圖5 煅燒爐自動加料控制流程圖

圖6 煅前倉加料控制流程圖

聯(lián)鎖保護的作用是當設備在啟停和運行過程中,發(fā)生危及設備和人身安全的故障時自動采取保護或聯(lián)鎖措施,以防止事故發(fā)生和避免事故擴大,從而保證設備的正常啟停和安全運行。

原有的煅前倉加料過程是人工操作,一旦加料量超過加料車的容積或加料車沒對準煅前倉下料口,就會造成灑料,為防止該現(xiàn)象發(fā)生,開發(fā)了小車定位識別系統(tǒng),判斷小車的當前位置,只有識別到小車準確停在煅前倉正下方時,倉門才可以打開。此外,稱重傳感器記錄小車內原料的重量。只有當車內原料重量小于設定值時,煅前倉下料閥門才能打開。

在下料過程中,稱重儀表顯示當前加料量的數(shù)值,如料位重量到達設定值時,PLC發(fā)出煅前倉料閥關閉信號,料閥關閉。同時PLC中的計時器記錄下料時間,當加料時間大于設定時間時,料閥自動關閉。通過這種雙重的聯(lián)鎖保護,確保了加料工作的安全性。

5 結 語

通過炭素煅燒AGV智能加料控制系統(tǒng)設計與開發(fā)實現(xiàn)煅前倉自動上料、煅燒爐自動加料,現(xiàn)場實時監(jiān)控,達到了現(xiàn)場無人值守、遠程實時監(jiān)控的效果,最大限度的降低了現(xiàn)場人工作業(yè)帶來的安全風險;加料時間由原來的每次人工需要35分鐘縮短為27分鐘,顯著提升了加料效率;原來需要多人同時作業(yè)才能完成加料作業(yè),通過自動加料可以實現(xiàn)同時對多臺爐子進行加料作業(yè),降低了勞動用工,規(guī)范了加料秩序,提高了加料的時效性,同時也提升炭素煅燒爐智能控制水平和設備管理水平,增強了企業(yè)競爭力。