首钢水厂铁矿皮带小车自动控制应用实践

邓宝秋 张东升 李国强 苏越

【摘要】本文主要介绍首钢水厂铁矿皮带小车，通过自动控制系统改造，解决多项技术难题，最终实现了小车的自动运行。在自动控制改造前对小车运行方式，电气设备状况进行了全面分析，解决了料仓料位及小车位置等数据检测问题，将滑触线供电改为电缆卷筒供电保证了供电可靠性，使用变频器对电动机进行控制减少起停过程对传动部位的损害，应用无线通讯技术解决移动设备的数据传输问题，使用施耐德一体型PLC TWDLCAE40DRF对小车进行逻辑控制，健全自动控制系统的保护功能，消除异常情况对皮带系统运行的影响。

【关键词】皮带小车;自动化;应用

1.引言

水厂铁矿小车岗位现场操作布料，由于现场粉尘浓度大，工作环境相当恶劣，是尘肺职业病的高发点位，严重影响职工的身心健康。实施小车自动化项目实现自动布料，是解决此问题的唯一途径，水厂铁矿通过对现场设备的详细调研，解决多项技术问题，合理进行设备选型，最终实现小车自动布料。

2.小车自动布料改造前运行方式及设备状况

2.1 改造前运行方式

水厂铁矿共有2台皮带小车，在皮带系统正常生产过程中，小车沿料仓轨道反复运行，将运行中皮带上的物料通过下料漏斗灌入料仓，供下一道工序用料。改造前在每台小车上安排一名操作司机，司机通过目测的方式判断料仓料位，通过料位情况决定小车的运行与停止，皮带小车运行控制通过操作司机利用按钮对电机进行正反转及停止控制来实现。

2.2 电气设备状况

（1）供电方式

所有小车采用滑触线进行供电，使用角钢做滑线，铁板做滑砣。由于作业现场粉尘大，小车运行过程中振动大，在运行过程中经常出现由于粉尘或振动造成缺相等供电不稳定现象，不能达到可靠供电要求，由于现场有操作岗位在因缺相等原因造成小车接触器释放，当小车滑过不稳定区域后，操作司机可以再次启动电机，不会对设备及生产的稳定运行造成严重的影响。

（2）电机运行控制

小车电机运行控制通过车载电气柜实现，电气柜内安装由刀闸、断路器、接触器、电机保护器等组成的正反转控制电路。

3.改造技术方案和技术要点

3.1 料仓料位及小车位置的检测

为实现小车自动布料，必须准确检测各料仓料位和小车位置，并依据检测数据进行逻辑控制。

（1）料仓料位的检测

根据小车的运行方式，在小车上安装一个料位计，当小车移动和下料时对相应位置的料位进行检测。传感器本身响应时间要短，能够适用于粉尘较大的工作环境，信号的传输要准确、稳定。在皮带小车进行自动控制布料改造中，料位计安装在小车布料漏斗对准料仓的位置，角度垂直向下，控制系统正常工作时将对应位置的料位传到PLC系统。

（2）小车位置的确定

水厂铁矿小车运行范围在50米-200米之间，要实现小车自动布料控制，必须能够实施监控小车位置，小车才能准确选择仓位布料。如果小车布料位置不准确，会发生物料外溢或行驶出规定范围的事故。

在小车位置的检测上，分析对比了以下几种方案：

机械碰触开关;安装在料仓皮带架旁，当布料车运行时碰到机械开关，将产生的动作信号送到PLC，因采用断点检测在开关出现自身误动作或拒动后会出现误报。

旋转编码器：通过安装在车轮上的旋转编码器检测小车的位置，是一种相对定位的接触工作方式，但车轮打滑对定位准确性有影响，另外由于其不能独立与机械设备，导致机械部位检修时可能造成损坏现象。

超声波检测装置：连续不接触检测，适合环境能力差，在距离较远时周围的物体回波干扰距离检测值。

格雷母线：是通过沿行程安装的一条格雷母线，采用电磁感应原理检测小车的位置，优点是安装简单，连续不接触检测，抗污染能力强，防水、油、灰尘、适合条件比较恶劣的环境。

激光测距检测仪：通过检测卸料车相对距离确定位置，检测准确、速度快、安装简单、使用方便，使用于粉尘大的环境。

格雷母线和激光测距检测仪两种设备能够满足小车位置检测的需要，根据与物位计检测设备相接近便于逻辑控制和后期管理的原则，选用激光测距检测仪。

（3）传感器的选型

HYKOL-310x型激光测距传感器，测量范围从0.1米到100米以上，测量精度可以精确到毫米级，专门用于对固定或移动物体距离的检测，同时此传感器对粉尘的穿透力强，能够适用于高粉尘环境，一种传感器能够同时满足两种检测功能的需要。为保证测量可靠性，小车位置的检测上，在运行范围100以上的两台小车上使用双传感器进行双向定位保证精度，对于运行范围在100米以内的两台小车上使用单传感器进行定位，同时四部跑车均安装了反射板，确保在恶劣的粉尘环境下，仍能保持很高的测量精度和可靠性。

3.2 電机驱动设备升级

自动布料应用前，小车电机使用具有正反转控制功能的工频控制电路进行控制，由于电机的启动和停止过程小车驱动单元速度变化较大，扭矩突变性较大，对驱动单元的损伤较为严重，特别是对制动器制动片的磨损较大，因此采用变频器对电机进行拖动改善控制特性。在改造初期使用一台变频器驱动一台电机，存在电机运行不同步驱动轮啃轨烧损变频器的问题，为有效解决这些问题，将一台变频器驱动一台电机的方式，改为一台变频器同时驱动多台电机，成功解决了各驱动轮不同步造成小车啃轨变频器烧损的问题。

在电机控制柜的设计上，保留了工频控制设备，在变频器出现故障无法短时进行恢复的情况下，可以转换到工频运行状态，减少对正常生产的影响。

3.3 移动设备供电的改造

为了解决滑触线供电方式的不稳定性，改用封闭式滑触线供电，但是由于受滑线安装水平方向精度不高，小车轨道不平等因素的影响，仍不能解决供电不稳定的问题，影响变频器以及控制系统工作可靠性，经过比较各种供电设施的结构和工作原理，认为电动电缆卷筒方式适合现场情况，电缆卷筒在工作时电机始终向收缆方向运转，当设备向远离电源点运行时，通过设备对电缆拖拽克服磁滞联轴器的磁场扭矩，使两盘之间产生滑差，把卷盘上的电缆放开，这种理想的卷取特性，能够满足小车双向移动供电的要求，最终选择电动电缆卷筒供电方式解决移动小车原供电方式不可靠难题。利用小车外侧空间位置安装电缆托架铺放电缆，有利于检修人员行走，且环境空间显得开阔。

3.4 控制系统通讯功能

要实现远程自动控制，必须实现对车载设备控制、并将检测信号传输到主控室，在皮带系统实现PLC控制的基础上，小车控制系统增加两个控制站：布料小车地面控制站（安装在地面）和布料小车车载控制站（安装在小车上）。地面站与原系统PLC使用通讯光缆方式进行数据通讯，地面站与移动站间采用无线数据收发器FastLinc810E实现无线以太网与地面站通信，小车上位工控机通过MB+网与原系统PLC相联。

车载站：在小车上设车载站，负责采集小车的运行状态和激光料位计检测数据并发送给车下站，负责接收地面站发出的小车运行控制指令。

地面站：小车下设地面站，负责接收主控室发出的控制信号并发送给车上站，同时负责地面固定设备信号的采集工作，如测距仪，激光保护开关等。

主控室：主控系统PLC接收车下站的信号，与中破轻板皮带、主皮带等相关设备的运行状态相结合，通过分析处理后将控制指令分别发送给车下站及中破轻板、细破轻板、主皮带等相关设备，完成小车的自动控制。

4.保护功能

4.1 现场设备的视频监控

小车自动布料后不需要司机现场操作，但控制室必须能够随时观察现场设备的运行状况，发现异常及时采取有效措施，在小车上安装了一台摄像机，对皮带运行及现场设备情况进行观察，在主控室的监控屏幕上进行监控，同时也实现了系统检测数据与现场实际的比对，对及时发现数据异常避免故障起到了积极作用。

4.2 电动机的保护与监控

为掌握电机的运行状态、减少电机故障，在自动控制系统中将电机的运行电流采集到PLC系统，并通过上位系统设定电机报警值，保证电机不超负荷运行。为防止制动器不能有效打开，导致电机堵转烧损问题，将制动器运行信号采集到控制系统中，实现制动器与系统的连锁运行。

4.3 通讯故障的保护

小车出现通讯故障，不能对小车进行有效控制的前提下，可能导致小车行驶出规定范围，需要对小车的运行范围进行保护，在小车上增设双重限位开关，即在小车两侧安装激光防撞开关，用于检测小车与极限位置的距离，防止小车脱离可控范围。同时在小车横梁轨道上增设行程开关，在小车超出规定范围时行程开关动作，联锁皮带系统停机防止物料外溢。

5.PLC控制器选择及控制逻辑

5.1 PLC控制器选择

随着自动化水平不断提高，施耐德公司已推出内置以太网接口的Twido系列PLC，同时工业以太网技术也非常普及，使得布料小车自动控制信号的传输方式更加简捷、可靠，省去了加装Quantum PLC分站及大量的电缆敷设工作，因此使用施耐德一体型PLC TWDLCAE40DRF对小车进行逻辑控制。

5.2 逻辑控制过程

激光距离检测仪测量小车的实时距离，根据距离确定小车所在的料仓位置，并显示在上位画面。料位计检测小车下料点位置的料位，当小车在料仓上方时，以料位计检测的实际数据确定料仓料位，当小车不在料仓上方时，根据细破机给矿轻板的运行状态和轻板上物料的流量估算料仓的料位情况。

通过小车上位可以选择自动运行和远程手动两种控制方式。

（1）自动运行控制逻辑

主控室集控工根据料仓情况及矿量情况，通过上位监控系统设定料位上限值和下限值，主皮带起动后，皮带小车起动并顺序进行布料，当检测到物料高于上限值时，小车不停机继续运行，当检测到物料低于上限值小车停机布料，当对应料仓下的轻板皮带不运行时，无论料仓料位高低小车均不在对应位置停机下料。当小车运行过程中出现料位低于下限的情况，小车不在进行顺序布料直接运行到该位置进行布料，主线皮带停机后小车停止运行。

（2）远程手动控制逻辑

主控室集控工根据料仓情况，通过上位画面中的左、右、停止三个按钮，控制小车运行与停止，对料仓进行布料。

6.結束语

小车自动化系统改造后，实现了小车远程自动布料控制，为整条生产线自动化、智能化改造升级奠定了基础。通过布料自动化改造，取消皮带小车看管性岗位，提高企业劳产率，对岗位人员身体健康、安全生产提供了有效的保障，此项目具有较高的安全效益、社会效益和经济效益。

参考文献

[1]海可奥.光电测量技术的选择用户手册.

[2]湖南科美达.电动电缆卷筒使用说明书.

[3]Twido可编程控制器软件及硬件手册.

[4]鲁远栋.PLC 机电控制系统应用设计技术.

[5]首钢水厂铁矿自动控制系统操作说明书.