基于格雷母线的环冷机散料小车控制系统

赵晓凯

（山西首钢国际工程技术有限公司，山西长治 046000）

首钢长钢烧结厂200 m2烧结机冷却设备为230 m2环冷机，环冷机卸灰系统是将环冷工序风箱中存储的细小烧结料通过卸灰阀卸到环冷小车上，然后再将环冷小车存放的烧结料运至皮带上。环冷机冷却风道下部有22个灰斗，每个灰斗均有1个双层卸灰阀，在阀下部有1个卸灰环道及1台装灰小车，环冷机卸灰系统原设计为手动卸灰，需要卸灰时，全部由岗位在现场手动操作卸灰阀和卸灰小车。首先要凭经验判断哪个灰阀的灰满，需要卸哪个灰阀的灰，然后将小车开到相应的灰斗下部，再打开蜗头阀，灰斗电动拨杆带动蜗头阀进行卸灰。当小车的灰卸满时，再将小车手动开到下料口，下料口附近的轨道撞铁撞开小车下部闸门，小车开始向皮带卸灰。每次卸灰时，岗位要来回对小车和卸灰阀进行操作。此种操作方法随机性大，岗位劳动强度大，现场作业时间长，不可避免地出现灰斗内灰满而未及时卸灰的现象。为摆脱环冷机手动卸灰的落后控制方式，提高现场自动化水平，需要研究环冷机自动卸灰方法。

卸料小车实时控制采用格雷母线位置检测装置，将实时位置检测信号传送给系统PLC，系统PLC 借助实时位置检测信号控制小车运行。该技术具有投资少、技术成熟的特点，现已得到成熟的应用。使用格雷母线位置检测技术，可以提高卸料效率，节约成本，保护设备；同时降低工程劳动强度，保护岗位操作人员身体健康；杜绝各类生产安全事故及质量事故的发生；提高自动化控制水平和信息化管理水平，提升企业形象，提高企业产值和竞争力。

1 工艺流程

地坑内设置环形轨道，环形轨道上安装移动卸料小车，移动卸料小车上方带接料口，用于接受散料，小车下方带电动翻板阀，用于卸料。

小车供电采用环形安全滑触线，小车位置检测采用格雷母线。

格雷母线位置检测系统主要由车载柜、地面柜、格雷母线、中控柜四部分组成。车载柜安装在移动卸灰小车上，通过无线天线向地面柜发射信号；地面柜安装在现场，用于采集地址、运行状态、故障等信号并发出控制信号驱动各卸灰阀、卸料小车等运行；中控柜设置在环冷休息室，用于监控现场各设备的状态和发出下料指令，同时与系统PLC 进行以太网通信，将各卸灰阀、卸料小车的工作状态及故障代码发送给集中控制系统，并给出控制命令驱动相关设备自动运行。

移动卸料小车按照设定的周期，自动运行到设定的卸灰阀下方，定位后，卸灰阀自动运行一个排空周期，将灰仓的灰排到小车灰斗中，卸灰阀完成排空动作周期后，小车开始自动行走到指定终点位置，将小车灰斗的灰排空，然后返回到下一个灰仓卸灰阀下方，进行卸灰。

2 系统组成

散料自动卸料系统中为实现移动卸料小车的自动控制，需在现场添加许多用于检测的传感器和控制单元，根据所完成的功能可将系统硬件分为4个部分。

2.1 自动化系统

主要包括PLC 柜、格雷母线定位装置、UPS、工业计算机。通过在移动卸料小车走行轨道旁边安装一条定位编码电缆，以及在车上安装感应天线箱，结合感应无线位置检测技术和感应无线通信技术，能实时检测到移动卸料小车的绝对位置，精准度高（5 mm），且稳定可靠（误码率10-7）。自动化中控部分负责现场信号采集、信号分析过滤、信号逻辑处理、算法处理与外部连锁系统接口通信，以及负责现场动画监控、HMI 远程操作、HMI 自动操作、系统设置和记录日志报表自动生成等。

2.2 工艺系统

主要包括移动卸料小车和电动双层卸灰阀。

2.3 电气系统

主要电气设备包括环形滑触线、动力配电柜、车载操作箱和机旁操作箱。

设动力配电柜1台，为卸料小车、电动双层卸灰阀及PLC 系统提供电源；卸料小车上设车载操作箱1个，内设卸料小车移动用低压交流变频器、卸料小车抱闸电气主回路、小车灰斗电动翻板阀电气主回路、格雷母线车载箱电源出线断路器；散料口下22个电动双层卸灰阀共设5个现场机旁操作箱，机旁操作箱安装于环冷机环形卸料地坑上。

2.4 监控系统

用于实时监控和显示小车位置及各卸料口卸料情况。

系统硬件组成如图1所示。

图1 系统硬件组成

3 格雷母线定位系统

3.1 工作原理

利用最简单的单匝线圈的感应原理，当天线箱线圈中通入交变电流时，在天线箱附近会产生交变磁场。格雷母线近似处在一个交变的、均匀分布的磁场中，每对格雷母线芯线会产生感应电动势。发射单元地址信号通过电磁耦合方式传送到格雷母线的感应环线上。

3.1.1 位置检测单元原理

地址检测单元对接收到的信号进行相位比较。交叉线的信号相位与平行线的信号相位相同，地址为“0”；交叉线的信号相位与平行线的信号相位相反，地址为“1”，这样感应的地址信息是格雷码排列，永不重复，由此确定移动站在格雷母线长度方向上的位置。

3.1.2 数据通讯单元原理

在格雷母线中增加两对感应环线用于数据通讯，通过电磁耦合在发信机和收信机之间传送信息，信息使用频率键控（FSK）方式调制，使用相干解调，通信误码率为10-7。数据通信单元包括发信机、天线箱、收信机、感应环线等。

3.2 格雷母线系统组成

格雷母线定位装置由四大件构成：格雷母线、天线箱、地址编码发生器、地址解码器。

3.3 格雷母线技术参数

格雷母线技术参数见表1。

表1 格雷母线技术参数

3.4 格雷母线位置检测特点

①非接触式位置检测，间隙大，适用于轨道不平整的运动机械。②位移检测长度可以根据需要定制，可以断续或连续检测，测距长达2 km。③格雷母线使用柔性工业橡胶整体脱模压制而成，安装更换方便，免维护。④抗恶劣环境，可用在水下、不怕油、不怕尘、耐酸碱。⑤高稳定性、高可靠性、多种信号输出方式选择。⑥具有反向极性保护工程、防雷击、防射频干扰、防静电。⑦位移量绝对型输出，不怕掉电。⑧多点需要定位的移动设备可以供用一条格雷母线，多根格雷母线可以拼接。⑨可以用在环形运动机械位置检测

4 系统运行

控制系统提供机旁手动方式控制、HMI 远程手动方式、HMI 全自动3种控制模式自由切换的方式，保证卸料过程在任何情况下都能正常运行，不影响生产。

（1）机旁手动方式。设备保留必要的联锁关系，在机旁操作箱和无线遥控器上操作设备。机旁手动方式主要用于设备的调试和检修。

（2）HMI 远程半自动方式。具备设备上所有基本的联锁关系，在环冷休息室计算机上操作设备。

（3）HMI 自动方式。相互关联的设备都处于自动状态时，各设备之间互相联锁自动动作。

4.1 自动模式

①切换全自动前，要确保车载操作箱为自动操作状态；②确保卸料小车为远程操作模式，确保车载操作箱面板无红色异常提示；③选择全自动模式，全自动按钮变为绿色，全自动模式激活；④全自动启动后，小车首先运行至1#指定散料口（位置检测无误后）→1#散料口电动双层卸灰阀打开，开始接料→小车载重量达到设定值时，卸灰阀关闭→小车行走至指定卸料口（位置检测无误后）→小车下方电动翻板阀打开，开始卸料→小车载重量达到设定值时，电动翻板阀关闭。完成1次卸料过程。然后小车开始第2次卸料过程，直至22次卸料结束为一个循环周期。

4.2 远程半自动模式

①切换半自动前，要确保车载操作箱为自动操作状态；②确保卸料小车为远程操作模式；③选择半自动模式，确保系统是静止状态，按下半自动停止/启动切换按钮，按钮变为绿色，启动半自动卸料；④半自动启动后，输入需要卸灰的卸料口编号（如1#），小车行驶至1#散料口（位置检测无误后）→1#散料口电动双层卸灰阀打开，开始接料→小车载重量达到设定值时，卸灰阀关闭→小车行走至指定卸料口（位置检测无误后）→小车下方电动翻板阀打开，开始卸料→小车载重量达到设定值时，电动翻板阀关闭，完成本次卸料过程；⑤如需对下一个散料口（如2#）进行卸料，则重复以上步骤。

4.3 机旁手动模式

①切换手动前，要确保车载操作箱为手动操作状态；②确保卸料小车为手动操作模式；③选择手动模式，用手持无线遥控器将小车行驶至需要卸灰的散料口（如1#）处，小车到位后停止运行，在机旁操作箱上打开对应的电动双层卸灰阀，停止卸灰后，用手持无线遥控器将小车行驶至卸料口，料口对正后用手持无线遥控器操作小车下方电动翻板阀打开，开始卸料，卸料结束后关闭小车下方电动翻板阀，完成本次卸料过程；④如需对下一个散料口（如2#）进行卸料，则重复以上步骤。

5 生产过程中的计算机管理功能

①计划编排和传输功能；②生产记录自动生成、打印功能；③动画监控功能；④主要参数在线修改功能。在主界面菜单栏中，有卸料小车、卸灰阀、卸灰口、参数设置、报警记录、历史趋势、故障复位窗口及部分操作按钮。主画面如图2所示。

图2 主画面

6 结束语

首钢长钢环冷机使用2套格雷母线定位通信系统，实现卸料小车按要求移动及精确定位。这2套格雷母线系统与2021年投入使用，卸料小车移车正确，定位精确，可以实现高度自动化要求，误差满足设计及生产要求，并且维护量少于其他定位装置，是后续工程定位通信系统的首要保障。