王宗仁，李治潮，劉 軍，張亞明

(北京首鋼股份有限公司，河北 唐山 064400)

0 引言

成品球的運(yùn)儲(chǔ)是球團(tuán)生產(chǎn)過程的主要環(huán)節(jié)[1]，其主要的運(yùn)輸設(shè)備為移動(dòng)漏礦車，在礦山企業(yè)生產(chǎn)中為成品球灌倉。移動(dòng)漏礦車安裝在成品皮帶上，將成品球通過移動(dòng)漏礦車按實(shí)際情況分配到各個(gè)成品倉。運(yùn)儲(chǔ)過程中，需要崗位人員對(duì)成品倉的料位以及移動(dòng)漏礦車的卸料位置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，傳統(tǒng)的運(yùn)儲(chǔ)方式不能對(duì)設(shè)備進(jìn)行全面實(shí)時(shí)的控制，降低了生產(chǎn)效率。對(duì)此，在保證原有電氣控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，新增加一套自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)成品球倒倉自動(dòng)控制功能。

1 成品倉倒倉現(xiàn)狀

首鋼球團(tuán)廠作為首鋼重要的球團(tuán)礦原料基地，始建于1985年，在工藝上有著明顯的先進(jìn)性，但生產(chǎn)裝備及自動(dòng)化控制相對(duì)落后。為實(shí)現(xiàn)球團(tuán)廠生產(chǎn)全程自動(dòng)化控制，提高人均生產(chǎn)效能，提出開發(fā)成品球團(tuán)礦自動(dòng)倒倉控制系統(tǒng)。

成品球的傳統(tǒng)運(yùn)儲(chǔ)方式為人工測(cè)量和手動(dòng)控制模式，其灌倉方式和倉位選擇由崗位人員根據(jù)垂線法實(shí)測(cè)成品倉的倉位值或根據(jù)灌倉時(shí)間憑經(jīng)驗(yàn)得出該成品倉的倉位值并進(jìn)行記錄，然后根據(jù)各個(gè)成品倉的倉位高低手動(dòng)操作控制移動(dòng)漏礦車卸料進(jìn)行灌倉，最后崗位人員將生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行人工錄入。傳統(tǒng)運(yùn)儲(chǔ)方式無法及時(shí)、準(zhǔn)確對(duì)移動(dòng)漏礦車的位置和各個(gè)成品倉的倉位值進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)和控制，加之在傳統(tǒng)運(yùn)儲(chǔ)模式下崗位人員的工作環(huán)境艱苦，工作量大，若監(jiān)測(cè)不及時(shí)易發(fā)生冒倉現(xiàn)象，嚴(yán)重影響生產(chǎn)，所以急需研發(fā)一種新型的成品球運(yùn)儲(chǔ)模式。球團(tuán)廠成品現(xiàn)場(chǎng)有若干個(gè)大成品倉，每個(gè)大成品倉底部用隔斷將其分成三個(gè)小倉，倉體一字排開呈南北向分布，成品皮帶鋪在成品倉上，移動(dòng)漏礦車架設(shè)在成品皮帶上，PLC系統(tǒng)通過手動(dòng)控制成品皮帶和移動(dòng)漏礦車正反運(yùn)行以實(shí)現(xiàn)灌倉[2]，這種傳統(tǒng)的模式雖然能夠有效提高生產(chǎn)效率，但是也存在很大的弊端：傳統(tǒng) PLC控制系統(tǒng)(見圖1)運(yùn)行過程中，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)移動(dòng)漏礦車和皮帶故障、皮帶壓料、灌冒倉等現(xiàn)象時(shí)，操作人員不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，需要崗位人員定期跑現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的情況進(jìn)行確認(rèn)，大大降低了生產(chǎn)效率、增加了崗位人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

圖1 傳統(tǒng) PLC 控制系統(tǒng)

隨著球團(tuán)生產(chǎn)能力的增大，要求成品球的運(yùn)儲(chǔ)速度也需要進(jìn)一步地提高，單純的人工操作已經(jīng)不能滿足正常生產(chǎn)的需要，這就要求采用先進(jìn)的自動(dòng)化控制技術(shù)滿足生產(chǎn)的需求。數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)是指將球團(tuán)生產(chǎn)過程相關(guān)設(shè)備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通過該系統(tǒng)實(shí)時(shí)反饋給崗位人員。該系統(tǒng)能夠減少生產(chǎn)過程中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的更新時(shí)間，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率，從而達(dá)到降低生產(chǎn)成本的目的。

2 自動(dòng)倒倉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)倒倉系統(tǒng)的定義

自動(dòng)倒倉系統(tǒng)是一個(gè)多因素、多層次、動(dòng)態(tài)變化的復(fù)雜非線性系統(tǒng)。自動(dòng)倒倉系統(tǒng)集生產(chǎn)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)警為一體，采用計(jì)算機(jī)等一系列先進(jìn)技術(shù)，通過采集生產(chǎn)過程中成品倉倉位以及移動(dòng)漏礦車位置等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷、控制與管理，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)漏礦車自動(dòng)灌倉這一功能。此系統(tǒng)可以節(jié)省大量的人力物力，同時(shí)相應(yīng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備為該系統(tǒng)的管理和運(yùn)行提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

移動(dòng)漏礦車自動(dòng)運(yùn)行和成品皮帶的自動(dòng)啟停技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)組織與管理的主流技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化、數(shù)字化的基礎(chǔ)。成品球自動(dòng)倒倉系統(tǒng)是將系統(tǒng)選擇的成品倉倉號(hào)作為指令控制移動(dòng)漏礦車南北運(yùn)行[3]，而非簡(jiǎn)單的手動(dòng)點(diǎn)動(dòng)式控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)及啟停，所以控制移動(dòng)漏礦車南北往復(fù)運(yùn)行是自動(dòng)倒倉系統(tǒng)的核心。

2.2 移動(dòng)漏礦車位置和成品倉倉位實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

激光測(cè)距儀能夠測(cè)定移動(dòng)漏礦車的實(shí)際位置。自動(dòng)倒倉系統(tǒng)在成品皮帶南側(cè)固定安裝兩臺(tái)激光測(cè)距儀(一用一備)，在移動(dòng)漏礦車上部安裝擋光板，通過測(cè)定的激光傳輸距離進(jìn)而確定移動(dòng)漏礦車的位置。首先將各個(gè)成品倉實(shí)際灌倉位置記錄在系統(tǒng)內(nèi)，將其作為灌倉基準(zhǔn)位，灌倉時(shí)將成品倉倉號(hào)作為控制指令輸入系統(tǒng)，該系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將移動(dòng)漏礦車實(shí)際位置與灌倉基準(zhǔn)位進(jìn)行比較，當(dāng)兩者相差超出規(guī)定范圍時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)大小情況控制移動(dòng)漏礦車南北運(yùn)行，直至兩者之差在規(guī)定范圍內(nèi)，圖2顯示了移動(dòng)漏礦車位置標(biāo)定的畫面。

圖2 移動(dòng)漏礦車位置標(biāo)定

自動(dòng)倒倉系統(tǒng)自動(dòng)將各個(gè)成品倉倉位進(jìn)行比較，移動(dòng)漏礦車由低向高依次灌倉。雷達(dá)料位計(jì)能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)控各個(gè)成品倉倉位并將各個(gè)倉位值通過PLC 系統(tǒng)上傳至上位機(jī)監(jiān)控畫面，雷達(dá)料位計(jì)和激光測(cè)距儀的應(yīng)用使崗位人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)情況有了全局性的把控，并為移動(dòng)漏礦車南北運(yùn)行和對(duì)灌倉倉位的選擇提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)設(shè)置了倉位的上限位置以及下限位置，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)控制，圖3顯示了成品倉的倉位位置值。

圖3 成品倉倉位值顯示畫面

2.3 雷達(dá)料位計(jì)的選取

雷達(dá)料位計(jì)選用西門子生產(chǎn)的LR-460 系列，該型號(hào)的料位計(jì)具有快速啟動(dòng)、抗干擾能力強(qiáng)和標(biāo)定簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。工作原理是利用聲波測(cè)定各個(gè)倉位的數(shù)據(jù)，然后將其處理轉(zhuǎn)換為 4～20 mA 信號(hào)并將其送至PLC 系統(tǒng)，最后通過系統(tǒng)程序?qū)A信號(hào)換算成實(shí)際倉位值。其間各數(shù)據(jù)關(guān)系如下：

20-4/量程=輸出信號(hào)-4/料高(2-1)

式中：輸出信號(hào)，mA；量程、料高，m。

自動(dòng)倒倉系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置設(shè)計(jì):該系統(tǒng)選擇西門子S7-400系列PLC[4]，在整個(gè)控制系統(tǒng)中有兩種網(wǎng)絡(luò)：工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS網(wǎng)，工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)操作員與PLC 的通訊以及PLC 之間數(shù)據(jù)交換[5]，該網(wǎng)絡(luò)支持標(biāo)準(zhǔn)的ISO.Ind.Ethernet協(xié)議，傳輸速率為100 Mbit/s，其優(yōu)點(diǎn)是硬件通用性好。以太網(wǎng)通訊通過通訊模塊CP443實(shí)現(xiàn)，主要用于滿足中等性能控制的要求。PROFIBUS是一種國際化、開放式、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，是一種用于工廠自動(dòng)化車間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到車間級(jí)監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，從而為實(shí)現(xiàn)工廠綜合自動(dòng)化和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化提供了可行的解決方案。

球團(tuán)廠成品自動(dòng)倒倉系統(tǒng)硬件部分包括：S7-400系列機(jī)架、電源模塊、中央處理單元模塊、通訊模塊、接口模塊以及信號(hào)模塊等?，F(xiàn)場(chǎng)雷達(dá)料位計(jì)供4～20 mA信號(hào)輸入至PLC模擬量輸入模塊，激光測(cè)距儀(量程為0～100 m)供4～20 mA信號(hào)輸入至PLC模擬量輸入模塊。成品自動(dòng)倒倉系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)配置見圖4。

圖4 自動(dòng)倒倉系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)配置

自動(dòng)倒倉系統(tǒng)主要功能包括：各工序工藝流程動(dòng)態(tài)顯示；設(shè)備的啟動(dòng)、停止控制以及報(bào)警顯示；工藝參數(shù)設(shè)定、調(diào)整；重要參數(shù)實(shí)時(shí)趨勢(shì)及歷史曲線顯示等。監(jiān)控畫面能夠形象、豐富、準(zhǔn)確地反映生產(chǎn)工藝流程，設(shè)備狀態(tài)變量監(jiān)視及工藝參數(shù)過程變量監(jiān)測(cè)選取適度，切合生產(chǎn)實(shí)際，滿足生產(chǎn)要求。上位機(jī)具有報(bào)警系統(tǒng)和歷史曲線顯示，為分析事故、分清事故責(zé)任提供重要依據(jù)。

3 自動(dòng)倒倉系統(tǒng)的應(yīng)用

球團(tuán)成品自動(dòng)倒倉系統(tǒng)共分為現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)倒倉、遠(yuǎn)程半自動(dòng)倒倉和自動(dòng)倒倉三種控制方式，移動(dòng)漏礦車的主要控制功能見圖5。

圖5 移動(dòng)漏礦車的控制功能

1)手動(dòng)控制方式。在成品皮帶與移動(dòng)漏礦車不具備遠(yuǎn)程操作的情況下，通過現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制的方式將移動(dòng)漏礦車精確定位到指定位置，以滿足實(shí)際的生產(chǎn)需求。手動(dòng)控制全部由硬件線路組成，機(jī)旁操作，完全脫離了PLC的控制，各設(shè)備單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)。手動(dòng)控制方式也可用于現(xiàn)場(chǎng)試車與檢修。電氣控制原理見圖6。

圖6 成品自動(dòng)倒倉系統(tǒng)人機(jī)交換界面

2)遠(yuǎn)程半自動(dòng)控制方式。半自動(dòng)控制方式主要目的是遠(yuǎn)程控制流程設(shè)備的啟停。在現(xiàn)場(chǎng)成品皮帶與移動(dòng)漏礦車 PLC操作有效的前提下，操作人員可以在上位機(jī)中選擇“皮帶正轉(zhuǎn)”或“皮帶反轉(zhuǎn)”以及“跑車正轉(zhuǎn)”或“跑車反轉(zhuǎn)” 按鈕，實(shí)現(xiàn)皮帶與跑車的控制。在這種模式下可以根據(jù)主畫面顯示的成品倉倉位高低，人工選擇所需灌倉的倉號(hào)，并通過成品倉下面的“灌倉按鈕”來進(jìn)行灌倉。

3)自動(dòng)倒倉控制方式。自動(dòng)控制方式既可以遠(yuǎn)程啟停單臺(tái)設(shè)備，又可以遠(yuǎn)程手動(dòng)灌倉和遠(yuǎn)程自動(dòng)灌倉。所有操作方式均通過人機(jī)交換界面進(jìn)行控制，人機(jī)交換界面見圖6。遠(yuǎn)程手動(dòng)灌倉是在系統(tǒng)“聯(lián)鎖”前提下進(jìn)行的，在此控制方式下，操作人員手動(dòng)選擇需要灌倉的成品倉，移動(dòng)漏礦車會(huì)運(yùn)行至該倉位進(jìn)行灌倉。在遠(yuǎn)程自動(dòng)灌倉控制方式下，操作人員首先需要選擇參與自動(dòng)灌倉的倉號(hào)，然后再啟動(dòng)系統(tǒng)，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)在所選成品倉內(nèi)尋找最低倉位并進(jìn)行灌倉，當(dāng)被灌倉三個(gè)小倉倉位均達(dá)到高料位報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)停止向該倉灌倉，繼續(xù)尋找下一最低倉位進(jìn)行灌倉，為了防止溜車，在操作站上位設(shè)置移動(dòng)漏礦車的溜車距離，以確保移動(dòng)漏礦車準(zhǔn)確定位。在生產(chǎn)時(shí)可根據(jù)具體情況選擇相應(yīng)的控制方式。操作站和現(xiàn)場(chǎng)均設(shè)有急停開關(guān)，異常情況下可選擇緊急停車。

設(shè)計(jì)研發(fā)的自動(dòng)倒倉系統(tǒng)在首鋼球團(tuán)廠得到使用。通過使用該系統(tǒng)控制，降低了生產(chǎn)成本、提高了設(shè)備的生產(chǎn)效率、操作安全性進(jìn)一步提高。自動(dòng)倒倉系統(tǒng)的應(yīng)用解決了復(fù)雜生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制問題， 成品球運(yùn)儲(chǔ)綜合效率提高了12%～15%。

4 結(jié)語

1)自動(dòng)倒倉系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了成品球遠(yuǎn)程自動(dòng)灌倉，為整條生產(chǎn)線自動(dòng)化、智能化改造升級(jí)奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備為該系統(tǒng)的管理和運(yùn)行提供了有力的技術(shù)支持。

2)自動(dòng)倒倉系統(tǒng)代替了人工現(xiàn)場(chǎng)操作的方式，節(jié)省了大量的人力物力，提高了生產(chǎn)效率，為操作人員的身體健康、安全生產(chǎn)提供了保障，改造具有較高的安全效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

3)該系統(tǒng)使用新技術(shù)手段解決了復(fù)雜生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制問題，提高了企業(yè)整體生產(chǎn)能力，成品球運(yùn)儲(chǔ)綜合效率提高了 12%～15%。

4)下一步研究方向：激光測(cè)距儀測(cè)距時(shí)容易受粉塵和反光板等外界因素干擾，不適宜長(zhǎng)距離測(cè)距；變頻控制存在溜車現(xiàn)象；在自動(dòng)灌倉模式下，如何通過控制成品皮帶和移動(dòng)漏礦車運(yùn)行速度以減少上層皮帶壓料量和停機(jī)時(shí)間。