中间仓智能自动装料控制系统的设计

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摘要:当前烧结机与高炉之间设置了中间仓，作为高炉烧结矿的缓冲仓，岗位工人在现场通过目测观察中间仓的料位，根据料位手动控制前进后退来控制小车的位置，实现定位下料。岗位工人工作环境差，劳动强度大，效率低，危险性高。为此安装雷达料位仪和小车位置检测设备，对现有的计算机控制系统进行改造，根据各个仓的料位智能判断下料顺序，实现无人值守。

关键词:烧结机;中间仓;计算机控制系统;位置检测;料位检测

酒泉钢铁集团宏兴股份有限公司4#烧结机生产出的成品烧结矿经过整粒运输，送到中间仓，经过中间仓缓存后再送到高炉，所以烧结中间仓储是一个不可或缺的中间环节，4#烧结中间仓给7#高炉储备成品烧结矿，共有3个仓，每班配岗位工一个。成3胶带机及成3小车是将烧结机生产出来的成品烧结矿输送到3个中间仓。装料设备主要由在轨道上移动的小车及小车上的胶带机组成，小车在轨道上可以前进、后退，胶带机可以正转、反转运行。当前是通过人工手动控制小车前进、后退、胶带机正转、反转分别给3个仓下料。由于设计施工时限于技术和资金等原因，至今中间仓装料依然是人工手动控制装料，未实现自动定位控制。现场岗位工提灯观察每个仓的料位情况，人工手动控制小车前进后退给各仓下料。在中间仓上粉尘较大，岗位工必须时时刻刻观察料位情况，防止料空或料满堆料。岗位劳动强度较大，工作环境差，易患矽肺职业病，甚至可能发生机械伤害。在当前国家倡导的绿色化、信息化、智能化的思想引导下，提高生产自动化水平，减少工人的劳动强度，实现无人值守的中间仓装料势在必行。

1实现中间仓装料自动控制的条件

首先是要求解决下料小车的定位的问题，只有解决小车的位置检测，才能判定小车是否前进或后退，这是达到智能控制的前提。料仓料位的检测将料仓的料位信号送到计算机控制系统，对该仓的料位分析、判断是否应该继续下料或换仓下料，实现料空、料将满报警提示、料满自动停机的自动控制功能的前提判断条件。

1.1位置检测设备的选择

位置检测经典的方法是利用限位信号进行检测，近来大量地采用编码器实现位置检测，将编码器安装在电机轴上，电机轴的旋转，将旋转脉冲信号送到PLC高速计数器模块上，计算出小车的位置，但是对安装要求较高。同时，当电机打滑时将无法准确定位小车的位置，PLC+编码器的定位系统并不是真正的实际位置，而是通过计算机计算出的间接位置。通过调研发现当前普遍使用的编码电缆能很好地解决小车定位的问题。编码电缆位置检测技术已经很成熟，已经广泛的应用在各个领域，其特点是：①无接触工作方式：编码电缆位移传感器是通过安装在移动站的天线箱和敷设在移动机车轨道旁的编码电缆进行电磁耦合来传递信息的，无直接接触磨损；②位置检测准确连续：检测精度达1mm，能满足移动小车精确定位的要求；③抗干扰能力强可靠性高：由于编码电缆不受环境噪音和接收信号电平波动的影响，能够在粉尘高地恶劣环境条件中长期可靠地工作；④适应性强：能安装在各种严酷的环境中。综合以上特点选用编码电缆作为定位检测的设备。

1.2中间仓料位检测

料位检测有两种检测方式，用称重检测作为仓里的料量检测是最好的检测方式，但是不能应用在固定仓上，尤其是大型的水泥仓体。另外一种是选用雷达料位计，其特点为：①测量连续准确，雷达料位计的优势就是能够连续续准确地进行测量，能够在各种环境中精确、快速地测量不同的介质，并且不受环境因素的影响，保证了测量的持续性和准确性；②抑制干扰波，具有抑制回波干扰的能力，可以在内部对这些干扰的回波进行不同程度的抵御和抑制；③操作简单方便，维护也十分简单，使用者根据代码的提示进行障碍分析排除，最终确定故障，并解决，保证仪表的正常运作；④适用范围广，安装维护简单。

2中间仓智能自动装料控制系统的设计

2.1控制系统设计原则及要求

1）机旁手动控制模式：保留现场机旁操作，当自动定位系统故障或者其他电气故障无法实现远程自动控制时转入现场控制，或在设备检修期间单体试车时使用。此时设备连锁状态解除，可任意启动相应设备，控制权限设置在现场机旁操作箱上；

2）远程手动控制模式（软手动）：将机旁箱的手自动转换为自动，中控室岗位工可采用计算机上位画面手动控制小车的前进、后退，胶带机的正转、反转，能远程手动控制小车，能准确地将物料卸在指定的仓内，控制权限在上位机操作员；

3）实现与原胶带机系统的通讯，实现与胶带机系统联锁控制功能，能根据每个仓的料位高低，自行判断向优先级高的仓装料，在确保中间仓不断料的情况下，最长时间地向中间仓装料，减少倒仓次数，减少机械磨损，提高装仓效率，其全部的控制权限在计算机控制系统，这也是系统设计和要实现的最终的目标。上位机操作站具备槽上卸料车动画显示、工艺流程监视、料位显示、小车实时位置、手动操作画面、记录报表画面、通信监控、系统设置等，能准确反映现场各设备实时运行状态，长时间调阅岗位操作记录报表及报警记录报表等信息；最终实现智能化无人值守。皮带卸料小车的自动要能达到全自动控制、半自动控制（计算机上人工操作）、机旁手动控制。当某个仓缺料时，根据中间仓的料位或操作员在中控室的计算机上发出的指令卸料小车自动定位到该仓下料口，当料仓的料接近满仓时报警提示中控室岗位注意减料或准备停机，当所有仓的料位均达到仓满时，立即实现停止装料，停烧结机运行。

2.2自动控制系统程序设计思路

生产工艺及程序设计流程如图1所示：中间仓是为高炉炼铁储备烧结矿的，首先不能断料，持续保证每个仓供料充足；第二是倒转次数尽可能少，过多的倒仓对设备的磨损影响较大，增加设备的维护费用和故障时间，影响设备的使用寿命；第三要求能够继续保留原有的手动倒转的功能，当自动控制系统出现问题时仍然能切换到人工手动控制，继续人工操作，同时增加计算机画面手动控制，当出现异常情况时立即切换到计算机控制画面上手动控制小车的位置及胶带机的启停、正反转倒转控制；第四增设必要的报警及历史趋势，以及手自动、事故开关、料仓高限位、料仓低限位等连锁，提示报警或停机等故障信息，提醒岗位工关注异常的信号并及时处理。中间仓设置两套料位数据采集装置。根据现场实际情况调研：1#仓下料：成3胶带机反转；2#仓下料：成3胶带机反转；3#仓下料：成3胶带机正转。根据观察1#仓、3#仓下料，小车不动，位置数据是9660，3#仓下料：成3胶带机正转，1#仓下料：成3胶带机反转。2#仓下料：成3胶带机反转，小车位置是12040。通过对人工下料过程的分析，以每个中间仓两个料位中一个料位作为基准料位，实现料位分析判断。第二小车实时定位检测信息的采集，根据编码电缆送过来小车位置信息，控制小车前进、后退及停止，实现判断最低仓下料。对每一个中间仓的料位设置四个限位即最低限位、低限位、高限位、最高限位，可以根据需要手动修正报警参数，当中间仓料位最低时，马上会断料，需紧急给该中间仓下料；当料位达到高限位时，表示该仓已满，即满仓，需要立即停止给该中间仓装料，倒仓给另外一个仓在三个中间仓最低的料仓下料；当中间仓料位到达最高限位时，表示需要停机，否则会爆仓导致事故。当两个仓同时抵近最低限位时，哪个仓最先达到最低限位先给哪个仓下料，持续下料一段时间（如设定一分钟）后再给另一个最低限位仓下料，防止来回频繁倒转下料。直到两个仓料量离开低限位后，先给一个仓下料到满仓后再给另个仓下料直到满仓。设置每个仓的选择信号，当该中间仓检修时可以选择系统连锁控制切除，检修完毕后可以选择该中间仓投入到系统连锁控制。当皮带出现跑偏或撕裂、打滑时，料位始终不能上升时，根据料量计算料满的时间，周期性检测正在下料的仓料量持续不升反降，或当前料量应该大于下料前的值，否则视为跑偏撒料或不正常下料，立即在计算机系统监控画面上报警提示或语音报警，提示岗位人员注意。

2.3自动控制系统程序实现

1）编写最小限位料仓查询子程序，主要功能是针对3个中间仓实时循环查找哪个仓的料量降到最低限位的料仓，一旦发现有最低限料仓时，立即发出向该仓下料的倒仓指令，如果该仓通过下料退出最低仓限位时，有检测到有一个中间仓的料量达到最低限位仓时，延续1分钟，转向下一个最低限位仓下料的指令，该指令优先级最高。

2）编写最低料位仓查询子程序，主要功能是通过3个仓的料数据实时比较，查询最低料位仓，最低料位不是最低限位料仓，并不会立即断料，一般料量高于最低限位料量，任何时刻总会有最低位仓，并作出标记，等待正在下料地仓结束后给该仓下料，如果某一个仓检修，则选掉该仓，不参与查询比较，其他仓继续比较查询最低料位仓。

3）编写料位高触发停止下料倒仓子程序，主要的功能是检测正在下料的仓的料位情况，当正在下料地仓的料量大于设定值时立即发出指令停止下料，转到下一个最低料位的仓。同时也要兼顾手动切换自动时，检测料量是否高于设定值，是否需要停止下料转到下一个最低仓下料。

4）倒转指令控制子程序，收集以上三个程序的指令分析判断，哪几个皮带需要倒转，那几个皮带需要停止，通过组合发出正转启动、反转启动的指令，确保配仓皮带按顺序启动，向指定的料仓下料。5）监控画面设计，在原有的画面上设计3个中间仓的选择按钮，程序主要控制流程图如图2所示：

2.4控制系统主要硬件配置

位置检测信号主要有游尺指针、刻度生成仪、刻度标尺（编码电缆）、刻度分析仪、网关。如图3所示：PLC控制系统硬件是美国罗克韦尔公司ControlLogix5000系列产品，硬件配置有1756-PA75、1756-L73、1756-EN2T、1756-IB32等。下位软件用与硬件相匹配的Rslogix5000v16.03，上位软件是FactoryTalkViewSE6.0，通讯软件为Rslinx2.56。

3烧结中间仓智能自动装料控制系统实现及完善

系统改造投入使用，首先将成3胶带机、成3小车设置远程控制，进行计算机手动测试，确认计算机手动设备运行正常后。再试验全自动测试，试验成功，交付岗位工试运行。使用一段时间后发现常有自动定位不准，不能准确地将小车定位到所要的下料口位置，总有些偏差，经过现场分析发现小车轨道不平，小车速度有些快，因为小车的惯性，小车停稳后已经过了下料口。针对小车定位困难的问题，对系统作了以下调整，首先确定偏移量，料口位置数据=实际下料口位置±偏移量，确定小车提前停机，等停稳后正好在下料口的位置。适当加大下料口，最后增加手动定位和自动位置校正程序，当首次自动定位失败后，系统保留3次自动定位的机会，自动实现小车的前进或后退，直到小车停到预定的下料口的位置。3次自动定位过后则报警提示，自动定位失败，需人工干预检查现场是否有其他问题。安全报警、安全联锁及其他意外情况等关于安全的方面需要更加考虑，增加仓满报警响铃，并锁定程序不再给该仓打料，直到该仓的料下降到该仓料位的80%时，自动解锁该仓的锁定程序，防止仓满溢出大量的烧结矿的情况出现，增加小车轨道终端控制程序，防止小车意外撞出轨道脱轨。

4结束语

烧结中间仓智能自动装料控制系统设计与实现完成后，通过不断的实际验证，能够完全替代人工岗位监守，实现现场岗位的无人值守功能，该系统与烧结机主控制系统相衔接，与现有的控制工艺形成一个整体。当前成熟的岗位工缺乏，减下来的岗位工可以填补其他的空缺，或做一些其他的环境好、比较轻松安全的工作，极大地提高了烧结厂的工作效率。

参考文献

［1］钱晓龙.ControlLogix系统组态与编程———现代控制工程设计［M］.北京：机械工业出版社，2020

［2］乔治·埃利斯.控制系统设计指南乔治［M］.汤晓君，译.北京：机械工业出版社，2010

［3］姜涛.烧结球团生产技术手册［M］.北京：冶金工业出版社，2014：551-555

作者:朱忠旺 单位:酒钢（集团）宏兴钢铁股份有限公司