王錦程

（唐山曹妃甸煤炭港務(wù)有限公司，河北唐山，063200）

0 前言

某國(guó)內(nèi)大型煤炭港口取裝線皮帶機(jī)額定運(yùn)載能力為6000t/h，最大運(yùn)載能力為6700t/h。一旦超載，可能造成皮帶機(jī)沿線灑落、皮帶轉(zhuǎn)接部分堵料，皮帶機(jī)與托輥和滾筒之間磨損[1]，皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)部分（電機(jī)、減速機(jī)）負(fù)載增大，超過(guò)額定限值甚至壓停皮帶機(jī)等后果，對(duì)日后設(shè)備的維護(hù)造成不利影響。因此，需要從源頭（即取料機(jī)）進(jìn)行流量限制。

1 設(shè)備環(huán)境簡(jiǎn)介

此煤炭港口控制系統(tǒng)主干網(wǎng)絡(luò)采用千兆光纖以太環(huán)網(wǎng)，中控室、5所變電站各配置一套PLC主站，通過(guò)以太網(wǎng)模塊接入環(huán)網(wǎng)。PLC系統(tǒng)分為翻堆線控制系統(tǒng)和取裝線控制系統(tǒng)，可分別獨(dú)立運(yùn)行。1#變電站和4#變電站PLC站及從屬I(mǎi)O站為取裝線PLC系統(tǒng)，中控室PLC負(fù)責(zé)系統(tǒng)急停處理，消防報(bào)警以及堆取料機(jī)防碰撞計(jì)算。PLC系統(tǒng)與取料機(jī)控制系統(tǒng)采用工業(yè)EtherNet網(wǎng)絡(luò)通訊，通訊介質(zhì)為單模光纖，通訊信號(hào)接入環(huán)網(wǎng)。同時(shí)通過(guò)控制電纜傳遞開(kāi)關(guān)量聯(lián)鎖信號(hào)。為保證通訊可靠性，采用無(wú)線通訊作為光纖通訊的備份鏈路，無(wú)線通訊協(xié)議亦采用EtherNet。PLC系統(tǒng)與取裝線皮帶秤計(jì)量?jī)x表通過(guò)Profibus-DP工業(yè)總線連接，數(shù)據(jù)接入點(diǎn)在1#變電站。如通訊簡(jiǎn)圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)通訊簡(jiǎn)圖

所有單機(jī)設(shè)備控制系統(tǒng)PLC采用Rockwell公司產(chǎn)品，QL6000·55型斗輪取料機(jī)PLC控制系統(tǒng)主體CPU型號(hào)為AB的1756-L63，取料機(jī)單機(jī)自動(dòng)化控制層根據(jù)機(jī)構(gòu)和部位不同將分為15個(gè)I/O站點(diǎn)，然后通過(guò)Controlnet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集與發(fā)送，狀態(tài)信息的交互[2]。各個(gè)I/O站的信息經(jīng)過(guò)處理和運(yùn)算后在司機(jī)室內(nèi)的PANNEL PC觸摸屏加以顯示。

2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

■ 2.1 料流計(jì)算及依據(jù)

此技術(shù)改造設(shè)計(jì)對(duì)SS1的PLC程序作了84處改動(dòng)（七臺(tái)取料機(jī)配煤有21種配煤方式，對(duì)應(yīng)4條BJ線，共21×4=84種情況），用于向配煤取料機(jī)發(fā)送是否為“主取料機(jī)”信號(hào)和兩臺(tái)配煤取料機(jī)料流的時(shí)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(dá)式：

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

用于計(jì)算R4與R7相對(duì)BJ稱(chēng)的料流時(shí)間差，現(xiàn)場(chǎng)位置如圖3所示，BQ線皮帶機(jī)長(zhǎng)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(jì)算出R4與R7的相對(duì)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(dá)式,同時(shí)，根據(jù)取裝線皮帶平均速度約為5m/s，可以計(jì)算出R4與R7的實(shí)際料流時(shí)間差：ΔT=ΔS/5（此式在下文會(huì)用到）。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)位置示意圖

圖3的程序中定義了“配煤作業(yè)主取料機(jī)”的概念，以此來(lái)區(qū)分配煤作業(yè)中兩臺(tái)取料機(jī)距BJ稱(chēng)距離的先后順序。當(dāng)上述表達(dá)式PC_TEMP[17]為負(fù)值時(shí)，此時(shí)R7距BJ較遠(yuǎn)，定義R7為主取料機(jī)，同理當(dāng)R4距BJ較遠(yuǎn)時(shí)，定義R4為主取料機(jī)。程序中對(duì)配煤作業(yè)延時(shí)時(shí)間作了計(jì)算，即上文提到的ΔT，表達(dá)式ABS（PC_TEMP[17]）/5＊1000，ABS表示取絕對(duì)值運(yùn)算，由于程序中時(shí)間單位為ms,因此需要把計(jì)算出的數(shù)值＊1000將s換算為ms。

SS1PLC將這些數(shù)據(jù)用message指令寫(xiě)入SS4PLC，SS4PLC作 為 中轉(zhuǎn)，再將這些數(shù)據(jù)寫(xiě)入各取料機(jī)PLC，message指令讀寫(xiě)程序。此時(shí)，在取料機(jī)PLC中獲得message中的數(shù)據(jù)。

此技術(shù)改造在每臺(tái)取料機(jī)PLC中新增加了15條控制程序，首先是對(duì)兩臺(tái)配煤取料機(jī)的瞬時(shí)流量進(jìn)行記錄，如圖4所示。

圖4

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)距BJ稱(chēng)最近取料機(jī)與最遠(yuǎn)取料機(jī)配煤作業(yè)時(shí)，最大料流時(shí)間差約為361秒。因此，按照每秒記錄一個(gè)數(shù)據(jù)來(lái)算，建立一個(gè)包含500個(gè)數(shù)據(jù)的堆棧存儲(chǔ)器可滿(mǎn)足使用要求。這段程序運(yùn)用了堆棧出棧中“先進(jìn)先出”的運(yùn)算方式，使500s前到此刻的瞬時(shí)流量數(shù)據(jù)持續(xù)更新。然后將上文中SS1PLC計(jì)算得出的間隔時(shí)間“ΔT”代入主取料機(jī)的堆棧數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，查找出ΔT時(shí)間前對(duì)應(yīng)取料機(jī)的瞬時(shí)流量值，此瞬時(shí)流量值被認(rèn)為瞬時(shí)流量真實(shí)值，再將兩臺(tái)配煤取料機(jī)的真實(shí)瞬時(shí)流量值相加，得出配煤時(shí)真實(shí)流量，也就是兩臺(tái)配煤取料機(jī)料流同時(shí)到BJ皮帶秤的瞬時(shí)流量。配煤的真實(shí)流量超載經(jīng)過(guò)1s中斷過(guò)濾處理后進(jìn)行輸出計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)20s和40s均用作報(bào)警輸出，計(jì)時(shí)40s時(shí)，用作對(duì)非“主取料機(jī)”的流量限制（見(jiàn)圖5）。

由于配煤的真實(shí)流量計(jì)算是用“主取料機(jī)”ΔT時(shí)間前的瞬時(shí)流量與非“主取料機(jī)”的當(dāng)前瞬時(shí)流量相加得出的結(jié)果，如果對(duì)主取料機(jī)進(jìn)行流量限制會(huì)出現(xiàn)滯后的情況，顯然我們無(wú)法對(duì)已經(jīng)發(fā)生的ΔT時(shí)間內(nèi)的流量進(jìn)行限制，因此在配煤時(shí)，只對(duì)非“主取料機(jī)”的當(dāng)前瞬時(shí)流量進(jìn)行限制。而取料機(jī)單取情況下不存在這個(gè)問(wèn)題，針對(duì)本機(jī)瞬時(shí)流量直接判定超載結(jié)果，進(jìn)行超載輸出，見(jiàn)圖6，當(dāng)單取或配煤情況下超載持續(xù)20s后，通過(guò)圖5中的OUT_CZ_FAULT指令輸出至司機(jī)室上位機(jī)進(jìn)行超載報(bào)警，報(bào)警持續(xù)20s后關(guān)閉，當(dāng)超載持續(xù)40s后，通過(guò)圖6中的RCZ.CZKZ指令輸出，至圖7，對(duì)當(dāng)前取料機(jī)的回轉(zhuǎn)速度限速，通過(guò)對(duì)回轉(zhuǎn)速度的限制來(lái)達(dá)到對(duì)當(dāng)前流量的控制，將速度限制為回轉(zhuǎn)最大速度的30%，120s后解除限制。

圖5

圖6

圖7

■ 2.2 上位機(jī)人機(jī)交互界面

使用FactoryTalk View Studio軟件在司機(jī)室的觸控屏上添加了超載報(bào)警提示，取UT_CZ_FAULT指令標(biāo)簽作為報(bào)警輸出，從而達(dá)到超載輸出時(shí)，上位機(jī)閃爍紅藍(lán)的“超載報(bào)警，注意流量”字樣（圖8）。司機(jī)作業(yè)超載時(shí)，會(huì)有圖8“紅圈”中的超載倒計(jì)時(shí)提示司機(jī)如果繼續(xù)超載多長(zhǎng)時(shí)間后會(huì)受限制；當(dāng)超載使回轉(zhuǎn)速度受限后，限制倒計(jì)時(shí)來(lái)提示司機(jī)回轉(zhuǎn)限制還有多長(zhǎng)時(shí)間解除。

圖8 上位機(jī)界面

■ 2.3 應(yīng)用效益

取料機(jī)超載報(bào)警及限制技術(shù)改造自2019年8月份投入使用后，通過(guò)程序中計(jì)數(shù)器記錄，8月份下半月超載報(bào)警次數(shù)為373次，9月份超載報(bào)警636次，10月份超載報(bào)警609次，超載限制次數(shù)8月份下半月90次,9月份138次,10月份148次。通過(guò)取料機(jī)司機(jī)反應(yīng)，以前作業(yè)避免超載只能依靠上位機(jī)的瞬時(shí)流量值人為估計(jì)超載時(shí)間與超載量，自從投入超載報(bào)警系統(tǒng)后，取料時(shí)上位機(jī)畫(huà)面能及時(shí)提示超載報(bào)警，明確顯示出超載的時(shí)間，不需要人為估算，并且超載限制時(shí)間也能清楚地顯示，大大提高了作業(yè)質(zhì)量，也使司機(jī)作業(yè)更加方便。

■ 2.4 實(shí)施效果

自8月份超載報(bào)警及限制技術(shù)改造投入以來(lái)，超載次數(shù)明顯降低，2019年6月至10月每月的作業(yè)量相差不多，由于此技改項(xiàng)目于8月中旬投入使用，但超載記錄只記錄整個(gè)月份，無(wú)法拆開(kāi)來(lái)比對(duì)，因此表1中按整月份統(tǒng)計(jì)超載次數(shù)。

由表1可以看出，8月份以后超載次數(shù)明顯降低，減少了約1/3的超載次數(shù)，由于每月作業(yè)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(shù)統(tǒng)計(jì)

在降低超載次數(shù)的同時(shí)，造成皮帶機(jī)沿線灑落、皮帶轉(zhuǎn)接部分堵料次數(shù)極大減少，清煤人數(shù)減少，但清煤質(zhì)量明顯提高，皮帶機(jī)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(yán)重時(shí)人員無(wú)法從走梯經(jīng)過(guò)，超載減少后從未出現(xiàn)過(guò)此類(lèi)情況。超載降低使皮帶機(jī)與托輥和滾筒之間磨損降低，皮帶機(jī)壓停情況減少，從而減少了設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)的成本，減少維修時(shí)間及工作量，延長(zhǎng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)部分的使用壽命。

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）此技術(shù)改造增加了七臺(tái)取料機(jī)之間的數(shù)據(jù)交互，主要媒介為SS4PLC和SS1PLC，取料機(jī)先將數(shù)據(jù)通過(guò)SS4PLC傳入SS1PLC，在SS1PLC中進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算完成后將結(jié)果通過(guò)SS4PLC傳入各取料機(jī)。這種方式不需要增加通訊設(shè)備，使用現(xiàn)有的message指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，不會(huì)增加PLC之間的通訊負(fù)擔(dān)[3]。

（2）提升了皮帶秤數(shù)據(jù)的時(shí)效性，相比之前配煤流量只能通過(guò)人為估算，并且一旦皮帶秤檢測(cè)到超載，無(wú)法降低已取到皮帶上的物料情況[4]。通過(guò)建立堆棧數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存皮帶秤瞬時(shí)流量，可隨時(shí)調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中任一時(shí)間點(diǎn)的瞬時(shí)值，由此程序中定義了“真實(shí)流量”的概念，使配煤流量真正地顯示出此刻的瞬時(shí)流量。

（3）通過(guò)添加人機(jī)交互界面，減少人工工作強(qiáng)度，提高了控制系統(tǒng)地自動(dòng)化及有效程度的，并應(yīng)用閉環(huán)反饋的工作原理，將控制系統(tǒng)中的執(zhí)行及故障情況及時(shí)反饋給操作人員，讓操作人員更加完善的掌握取料機(jī)實(shí)時(shí)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(wěn)定性，并為超載判斷和流量限制節(jié)省了時(shí)間和成本。