移动除尘电气安全控制系统的设计

杨俊涛

(中钢集团武汉安全环保研究院有限公司 武汉 430081)

0 引言

随着我国工业的快速发展，国家对环保的重视程度也逐渐加大。一般采用浇注作业的企业，在铁水通过铁水罐浇注到浇注池的过程中会随着浇注过程产生大量烟尘。这些烟尘不单对周围环境有着影响，也极大影响了职工的身体健康。以往针对这种浇注产生的烟尘，一般企业都采用定点浇注的方法，这样有利于捕集浇注产生的烟尘。但定点浇注往往会导致生产效率极低，而且产出的金属块厚度不均，以致后续工艺良品率不高。为了兼顾环保与安全生产，现需要在浇注池上安装移动除尘罩，当行车吊装铁水罐进行浇注时，移动除尘罩可以跟随行车一起移动进行收尘。本文对铁合金浇注池用移动除尘电气控制系统的原理、设计进行了阐述，并提出了安全控制的设计方案，很好地解决了移动除尘系统中行车与烟气捕集罩之间同步安全的相关问题。

1 移动除尘系统

为更好地捕集浇注时产生的大量烟气，需在浇注池上安装可移动式烟气捕集罩。烟气捕集罩架设在浇注池的上方，四面密封，顶部两侧密封，中间留出缝隙，供铁水罐吊入。烟气捕集罩可沿车间横向移动，以供多个浇注池进行浇注时的烟气捕集。罩体上方设移动式抽风管，由在通风槽上专用的移动小车与通风槽连接。在烟气捕集罩上方缝隙两侧设吹吸式气幕，以控制烟气捕集罩内烟气流动方向和防止烟气逃逸。铁水罐由烟气捕集罩的上方行车吊入，烟气捕集罩与行车大车行走机构设置为同步联锁状态，浇注时，行车前后移动，烟气捕集罩与行车一起移动，始终与行车同步。这样保证了铁水罐在浇注池任意位置浇注时的烟气捕集。浇注时产生的烟气通过移动式抽风管，经布袋除尘器除尘后通过烟囱排出，如图1所示。

图1 移动除尘系统流程

2 移动除尘系统存在的主要问题

2.1 浇注时烟气捕集罩与行车一起移动问题

在浇注作业时，除尘系统开始运行，烟气捕集罩需跟随行车一起移动。因此，必须在烟气捕集罩上安装驱动行驶系统，并在行车和烟气捕集罩上分别加装电气控制系统，从而能够实现行车进行浇注时，烟气捕集罩能够追随行车一起移动。

2.2 烟气捕集罩与行车的同步移动选择问题

当行车和烟气捕集罩移动时，为避免多人操作产生的操作失误引发危险，操作工只用控制行车，烟气捕集罩就能跟随行车一起自动运行。

(1)行车下外接烟气捕集罩。这样做可以保证行车和烟气捕集罩绝对同步。烟气捕集罩容积一般有1 500 m3，长、宽均有10 m左右。如此庞大体积外接行车下，由于惯性等因素，会导致罩体不稳定，易导致事故发生。因此，否决了这种做法。

(2)行车与烟气捕集罩分离。在地面架设轨道，烟气捕集罩下安装移动小车，使烟气捕集罩可以在轨道上自由移动。当行车进行浇注作业时，烟气捕集罩全程跟随一起移动。当行车浇注作业完成时，烟气捕集罩与行车分开，行车可以进行其他作业。综合比较以后，最终决定采取这种方案。

2.3 信号检测方式

由于行车和烟气捕集罩各自移动，因而需要分别安装传感器进行信号检测。

2.4 信号传输方式

当行车与烟气捕集罩的信号分别检测完成时，需通过无线传输设备将检测的信号互相传送到各自的PLC中，才能通过程序进行比较、反馈，从而使行车和烟气捕集罩浇注作业时全程一起移动，可以更好地捕集浇注时产生的大量高温烟气。

3 移动除尘电气安全控制系统方案的确定

为了更好地捕集浇注时产生的大量高温烟气，烟气捕集罩上开口应该尽可能小，而同时又不能在浇注作业时，让行车大小钩、钢丝绳触碰到烟气捕集罩任何部位，导致发生危险。行车在进行浇注作业时，铁水罐加上里面的钢水重量高达几吨，而浇注时离行车顶部高达十多米，因而行车移动时不能大范围的变换车速，即不能刹车也不能高速移动，减速只能靠惯性逐步减速。另外由于行车浇注时开始的重量大，而随着浇注的进行，重量慢慢减小，导致行车的载重不断发生变化，行车的惯性也同样随之发生变化，直接导致行车的速度不停地产生变化。

为了更好地捕集烟气，烟气捕集罩容积一般有1 500 m3以上，而为了保护烟气捕集罩不会被高温烟气及高温钢水辐射热破坏，烟气捕集罩内外需加装隔热层，外加通风管道、电气设备等，整个烟气捕集罩重量高达几吨。另外由于烟气捕集罩高9 m，采用的钢架结构，同样不能大范围的变换车速，即不能刹车也不能高速移动，减速只能靠惯性逐步减速。这就要求烟气捕集罩和行车精准同步，否则会导致铁水罐直接碰撞烟气捕集罩。

一般国内跟踪采用的大多是速度同步的方式，再通过传感器来纠偏，从而达到同步的效果[1]。本系统中，由于特殊作业的要求，行车与烟气捕集罩质量不同、惯性也相应不同，同时在浇注过程中，随着铁水越倒越少，行车载重不断变化，行车惯性也在不断改变中。如使用速度同步，行车与烟气捕集罩的运行误差会越来越大，需要不停地进行校正。而浇注池附近温度极高(平时温度达90 ℃左右，热辐射温度可达几百摄氏度)，环境极其恶劣不适宜采用太多的校正点。因此，系统决定采用行驶距离追踪。

4 移动除尘电气安全控制原理

移动除尘电气安全控制分为行车控制部分和烟气捕集罩控制部分。在行车操作室内装一个控制箱，控制行车移动，另外在烟气捕集罩合适的位置安装一台控制柜，控制烟气捕集罩移动。移动除尘电气安全控制原理见图2。

图2 电气安全控制原理

4.1 行驶速度检测

国内常用速度检测传感器分为旋转式速度传感器和光电式测速传感器[2]。

(1) 旋转式速度传感器具有以下特点：①旋转式速度传感器一般输出的信号是脉冲信号，脉冲信号的稳定性比较好，不容易受到外部的干扰，如噪声等，对测量电路也没有其他特别的要求。②旋转式速度传感器的结构一般很简单，而且成本很低，里面内置有微机芯片，芯片的功能很齐全，可以很方便获得运算变换系数，并且性能可靠稳定。

(2) 光电式测速传感器具有以下特点：光电式测速传感器输出的信号类始于方波，比较规整，这样不容易产生干扰信号。由于光电式测速传感器产生震动会使内部的光源寿命降低，所以在有比较剧烈震动的地方采用会使得信号产生偏差。

浇注车间内环境极其恶劣，四周充满高温、热辐射和烟尘等。由于环境恶劣，震动时有发生，因而不能采用一般的光电式传感器。经过多种传感器比较，最后决定采用旋转式速度传感器来检测行车和烟气捕集罩的运行速度。旋转式传感器抗干扰强，稳定可靠，对环境要求不高，可以很好地在浇注车间这种恶劣的环境下工作。

在行车和烟气捕集罩上分别安装旋转式速度传感器，在控制箱内安装变送器，检测到的信号通过变送器转换成脉冲信号，然后传送至PLC内。

4.2 信号无线传输

工业中常用无线传输一般有4种，分别为GPRS无线通信技术、无线数传电台、无线扩频微波通信以及短波通信[3-5]。

(1) 通用分组无线业务简称为“GPRS”，又被称为2.5G，处于第二代移动通讯技术(2G)与第三代移动通讯技术(3G)之间。GPRS的分组无线业务方式是将数据分成一个一个的包，而每个包前面有一个地址标记，它可以指示这个包应该发往何处。这些数据平时不用占用信道，只有当它需要传送时，根据它的地址标记将这些数据发送出去。这样数据发送不会一直占用固定的信道资源，只有需要时才开始传送，可以很好地利用网络资源，从而避免网络的拥堵。GPRS可以同时支持分组交换数据和电路型数据，它可以便捷地同因特网相互连接。GPRS具有快速接入、不用不计费、一直在线等特点，非常适合频繁发送小数据的传输方式。

(2) 数字式无线数据传输电台可以简称为“无线数传电台”，一般采用数字调制解调、数字信号处理等功能，且具有均衡软判决和前向纠错等功能。无线数传电台一般采用220～240 MHz或400～470 MHz的工作频段。由于采用的大多是低频段，无线数传电台有效覆盖半径一般有几十千米，可覆盖很大一块区域。无线数传电台的数据实时传输性好，有专用的数据传输通道，不会互相干扰，兼容数话传输，只有一次投资费用，没有额外的运行使用费用，还可以在恶劣的环境下使用，且稳定性也比较好。无线数传电台上一般都提供标准的RS-232数据接口，可以和计算机、PLC等连接，能够方便地组成集成控制系统或自动化系统。

(3) 无线扩频微波通信技术最开始是用于军事领域，开发的主要目的是为了对抗电子战的干扰，现在逐渐发展为民用。无线扩频微波通信技术主要是用伪随机码对所传输的信息进行扩展频谱编码处理然后进行调制后传输。无线扩频微波通信一般采用2.4～2.483 5 GHz的工作频段，这些频段属于自由频段，无需申请即可使用。无线扩频微波通信系统只有一次投资费用，且设备使用寿命较长可再次回收利用。无线扩频微波通信的信息传输可靠稳定，能够抗干扰、抗噪声、抗衰弱，由于采用伪随机噪声使得保密性很强。另外，无线扩频微波通信技术传输距离远，覆盖面也很广，非常适合野外的联网。

(4)短波通信是指利用波长在100～10 m、频率范围3～30 MHz的电磁波进行无线通信的一种无线电通信技术，又称为“高频(HF)通信”。短波通信一般有发信收信机、发信收信天线和其他终端设备构成。发信收信机一般体积较小，方便在现场安装。短波通信主要是利用电离层进行反射传播，建设维护费用较低，设备小巧简单，抗毁能力和自主通信能力比其他通信方式好，但其通信容量相比其他通信方式要小，传输的稳定性相对较差。

由于系统处于浇注车间，现场环境极其恶劣，充满了高温、热辐射和烟尘等。对于信号传送极其不友好。需要选择一种使用稳定、对恶劣环境能够很好适应、信号传播距离远，同时后期维护费用较低的方式。经过多种无线传送方式比较，最后决定采用无线数传电台的形式进行无线信号传送。

在行车操作室内安装PLC控制箱，在烟气捕集罩顶部合适的位置安装PLC控制柜。为防止热辐射干扰和损坏控制柜内元件，可在PLC控制柜旁边安装隔热挡板，在PLC控制柜内安装通风风机并进行防尘处理。PLC控制柜和PLC控制箱内分别安装无线数传电台，用来进行无线传输。通过无线传输将行车检测到的信号传输至烟气捕集罩上的PLC控制柜内，将烟气捕集罩检测到的信号传输至行车上的PLC控制箱内。

4.3 距离转换

需要将传输过来脉冲信号通过PLC程序转换成行车和烟气捕集罩移动的距离。具体方法如下：设行车轮子半径为r，轮子旋转一圈时传感器发送的脉冲数为n；烟气捕集罩轮子半径为r′， 轮子旋转一圈时传感器发送的脉冲数为n′。

行车单位脉冲移动的距离为

S1=2πr/n

(1)

烟气捕集罩单位脉冲移动的距离为

S2=2πr′/n′

(2)

设接收到行车的脉冲数为N，则行车移动距离为

L1=2πrN/n

(3)

设接收到的烟气捕集罩的脉冲数为N′，则烟气捕集罩移动距离为

L2=2πr′N′/n′

(4)

4.4 距离比较和速度控制

通过PLC程序比较行车和烟气捕集罩的移动距离，然后通过比较结果来控制行车和烟气捕集罩的加速与减速。每当烟气捕集罩的移动距离超过行车的移动距离时，行车开始进行加速而烟气捕集罩开始进行减速；每当行车的移动距离超过烟气捕集罩的移动距离时，烟气捕集罩开始进行加速而行车开始进行减速。这样通过实时比较，不断调整，最终可以达到行车与烟气捕集罩同步运行。

4.5 其他安全防护措施

由于测量会有一定的误差，行车和烟气捕集罩长时间移动后误差会越来越大。可根据行车和烟气捕集罩轨道的长度设置几组“行程归零”点，将行程开关分别安装在行车与烟气捕集罩轨道的垂直位置。当行车和烟气捕集罩经过“行程归零”点时，进行相对移动距离归零，可以有效消除误差，使得行车和烟气捕集罩同步更加准确。

另外，设置几处限位开关，分别安装在行车与烟气捕集罩行驶极限位置的轨道旁，当行车或烟气捕集罩移动到限位时，将无法再继续向前移动，这样可以保证同步时，行车与烟气捕集罩不会移动到危险的地方，从而避免发生事故。

5 结语

移动除尘电气安全控制系统可以很好地解决系统中行车与烟气捕集罩间安全同步的问题。当行车进行浇注作业时，烟气捕集罩可准确地跟随行车一起移动，很好地捕集烟气，从而达到更好的除尘效果。移动除尘电气安全控制系统不但可以运用到移动除尘系统中，也可以运用到其他相关行业中，有效地解决工业中两台设备安全同步移动的问题。