田海，孫斌

（內(nèi)蒙古科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

0 引言

皮帶卸料小車又叫皮帶輸送機(jī)卸料小車，是皮帶輸送機(jī)的一個單獨(dú)部件,由行走輕軌、受料漏斗、溜槽和行走驅(qū)動機(jī)構(gòu)組成，主要應(yīng)用于對皮帶輸送機(jī)有卸料要求的場合,可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)布料和不同地點(diǎn)布料。皮帶卸料小車在選礦廠有著大量的應(yīng)用，原有的控制方式主要通過在小車上安裝控制箱進(jìn)行人工操作，工作環(huán)境惡劣，啟停頻率高，勞動強(qiáng)度大，安全可靠性低，大大降低了小車的卸料效率。

PLC 是一種專門用于工業(yè)控制的可編程控制器，使用方便，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，維修方便，故障率低，目前已廣泛用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，尤其是在環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場有著大量的應(yīng)用。隨著微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，PLC在硬件配置、軟件編程、通信網(wǎng)絡(luò)以及模擬量控制等方面取得了長足的進(jìn)步，可根據(jù)現(xiàn)場控制要求，借助于PLC 語言來編制用戶程序，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的順序控制。

選礦廠破碎車間皮帶卸料小車工作運(yùn)轉(zhuǎn)頻繁，環(huán)境粉塵大，原來的人工控制系統(tǒng)已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)場的生產(chǎn)要求，亟需改進(jìn)。本文設(shè)計(jì)了一套以PLC 為主控制器的自動小車卸料系統(tǒng)。該系統(tǒng)選用西門子S7-300 系列CPU315 型PLC 和CP343-1 型PLC，采用雷達(dá)料位檢測技術(shù)來檢測料倉的實(shí)時料位和激光定位技術(shù)來實(shí)現(xiàn)小車的精確定位，通過無線通信、無線數(shù)據(jù)測量和傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對小車的自動化控制［1－2］，同時設(shè)計(jì)了堵漏報警環(huán)節(jié)，在保證工藝控制要求的情況下，降低了勞動強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率。

1 選礦布料工藝流程

本系統(tǒng)根據(jù)某選礦廠破碎車間的生產(chǎn)過程來分析選礦布料工藝，具體的工藝圖如圖1 所示，共有9 個卸料料倉，料倉采用雙通式，即每個料倉分別設(shè)有2 個進(jìn)料口；小車在軌道上來回行走，給料倉打料，根據(jù)生產(chǎn)要求必須保證料倉不能缺料，同時料位也不能太高，料位太高會造成阻礙現(xiàn)車行走，造成事故；因此選擇哪個料倉進(jìn)行布料是根據(jù)料倉的料位決定的，在人工操作時主要通過人來觀察料位，再通過操作箱來控制小車行走到料位低的料倉。具體過程為：觀察料位→小車行走到低料位倉→打料→再觀察料位→小車行走到低料位倉→打料→…→觀察料位都為高料位→停車→低料位出現(xiàn)→繼續(xù)打料→…。

圖1 選礦布料工藝圖

2 自動卸料小車方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)主要包括雷達(dá)料位檢測系統(tǒng)、激光定位系統(tǒng)、堵漏報警系統(tǒng)、通信系統(tǒng)及PLC 控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)方案平面布置示意圖如圖2 所示。

圖2 自動卸料平面布置示意圖

料位傳感器安裝在皮帶下料礦倉上，用來測定礦倉中料位的高低，采用雷達(dá)定位技術(shù)來檢測料倉中的料位，雷達(dá)料位計(jì)利用了電磁波的特殊性能來進(jìn)行料位檢測，電磁波的物理特性與可見光相似，傳播速度相當(dāng)于光速，其頻率為300 MHz～3 000 GHz，電磁波可以穿透空間蒸汽、粉塵等干擾源，遇到障礙物易于被反射，被測介質(zhì)導(dǎo)電性越好或介電常數(shù)越大，回波信號的反射效果越好。本文根據(jù)現(xiàn)場需要選擇KERD-800/900 系列雷達(dá)料位計(jì)，操作簡單，調(diào)試方便，無需維修，可靠性強(qiáng)，能夠適應(yīng)高粉塵濃度的選礦車間環(huán)境。

選用非接觸式激光測距儀來確定皮帶自動卸料小車的位置，為小車定位進(jìn)行控制，和原來的導(dǎo)軌式小車相比，節(jié)省了材料和空間。

堵漏報警系統(tǒng)，皮帶卸料小車的兩側(cè)下料口有時會發(fā)生堵礦現(xiàn)象，造成貽誤生產(chǎn)。采用微波對射式壘料位開關(guān)來進(jìn)行檢測，將微波料位開關(guān)安裝到皮帶下料口兩側(cè)，該微波料位開關(guān)由1 個發(fā)射端、1 個接收端兩部分組成，該料位開關(guān)與現(xiàn)場堵漏信號與皮帶崗位休息室內(nèi)蜂鳴器相連，當(dāng)下料口發(fā)生堵塞時，料位上升遮擋微波，該開關(guān)發(fā)生動作，崗位休息室內(nèi)蜂鳴器閃燈報警，1 s 后皮帶停車。

ET200 站安裝在自動卸料小車上，通過無線以太網(wǎng)與主站PLC 通信，PLC 主站與上位機(jī)通過光纖通信，通信網(wǎng)絡(luò)如圖3 所示，和傳統(tǒng)的有線通信相比，SCALANCE W無線通信方式具有以下優(yōu)勢：1）采用IEEE 802.11 標(biāo)準(zhǔn)，有較高的確定性響應(yīng)及冗余性，具有可靠性，并有加密機(jī)制，防止未授權(quán)的訪問。2）采用IP65 防水防塵等級，耐沖擊抗震動。3）與卸料小車之間采用無線通信方式避免數(shù)據(jù)線磨損。4）減少布線工作，低成本組網(wǎng)。5）4G～5G 射頻頻段，良好的反射效果及穿透性。

圖3 無線通信網(wǎng)絡(luò)圖

3 PLC 控制系統(tǒng)

PLC 選用西門子公司SIMATIC S7-300 PLC，電源為PS3075A，CPU 采用CPU 315-2DP，通訊模塊為CP343-1，以及SM321 DI、SM322 DO、SM331AI 等輸入輸出模塊。

用PLC 對小車電機(jī)進(jìn)行啟動、停止控制，電機(jī)控制原理如圖4 所示，控制回路分為手動與自動控制，手動控制時通過小車上的操作箱來控制正轉(zhuǎn)接觸器及反轉(zhuǎn)接觸器的開閉，達(dá)到使卸料小車可以雙向行駛的目的，手動控制一般用于維護(hù)維修時使用；自動控制是通過PLC 系統(tǒng)ET200 分站給出的左行及右行指令來控制正反轉(zhuǎn)接觸器的開閉，使卸料小車可以在各下料點(diǎn)之間進(jìn)行移動，實(shí)現(xiàn)自動下料。

圖4 小車電機(jī)控制原理圖

3.1 卸料小車位置極限控制

卸料小車位置極限是由位置傳感器所決定，位置傳感器分別安裝在小車軌道的兩端及各下料點(diǎn)的位置，其中兩端的位置傳感器為小車極限報警，當(dāng)小車到達(dá)軌道的兩端位置時，并未按程序停車或系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，則兩端的位置傳感器發(fā)出報警信號，自動停車，以防止小車跑出軌道，出現(xiàn)安全問題；其余中間的位置傳感器為確定卸料小車下料點(diǎn)的位置，當(dāng)小車移動至規(guī)定下料點(diǎn)時，觸發(fā)位置傳感器，這樣使小車可以準(zhǔn)確找到在1～9 號礦槽位置，使其在規(guī)定的下料點(diǎn)進(jìn)行卸料，原理如圖5 所示。

圖5 卸料小車位置極限原理圖

3.2 雷達(dá)料位檢測系統(tǒng)

雷達(dá)物位計(jì)用來完成測定礦倉容量，在1～9 號每個礦槽中間安裝雷達(dá)物位計(jì)，使其可以實(shí)時準(zhǔn)確地測定各礦槽的物料情況，在卸料小車卸料時可以比較各礦槽料位情況，進(jìn)行均勻下料，并在滿槽及空槽時進(jìn)行報警，避免造成事故或延誤生產(chǎn)。雷達(dá)物位計(jì)能發(fā)射能量很低的極短的微波脈沖通過天線系統(tǒng)發(fā)射并接收。利用微波反射的原理來測量料位值的高低。雷達(dá)波以光速運(yùn)行。運(yùn)行時間可以通過電子部件被轉(zhuǎn)換成物位信號，并且它與電子開關(guān)及PLC 接口為弱電連接，既準(zhǔn)確又安全。以1#和2#槽的料位控制程序?yàn)槔?，如圖6 所示，其它的槽和1#、2#程序控制相同。

圖6 1#、2#雷達(dá)料位檢測PLC 程序

通過雷達(dá)料位準(zhǔn)確測出料倉的料位，設(shè)置空料位：料位低于2 m；空料回差：料位高于3.5 m；高料位：料位大于等于5 m 以上；超高料位：5～6 m。1#～10#料倉分別設(shè)有“允許”、“禁止”按鈕，選“允許”位時，允許該料倉放料，當(dāng)該料倉“空料位”或料位偏低時，小車可以停在該料倉放料；選“禁止”位時，禁止該料倉放料，小車不可以停在該料倉放料。PLC 通過料位計(jì)實(shí)現(xiàn)對料倉中料位監(jiān)控、比較，從而實(shí)現(xiàn)小車自動行走。當(dāng)料倉中料位在“高料位”時，小車停止在該料倉放料，走行到下一料倉；當(dāng)料倉中料位在“低料位”時，小車向距其最近“低料位”料倉走行放料，直至料倉料位到“料位回差”時，即向下一“低料位”料倉走行放料，如此時無其它“低料位”料倉，則在該料倉放料至“高料位”為止；當(dāng)所有料倉料位在“高料位”、“低料位”之間時，小車在所在料倉放料到“高料位”時，再向下一最低料倉走行放料。當(dāng)任意料倉為“超高料位”時，聲光報警器報警；當(dāng)所有料倉為“高料位”時，聲光報警器報警。該報警須確認(rèn)故障后，在主監(jiān)控畫面中通過“清報警”按鈕清除報警信號。

3.3 堵漏檢測及報警系統(tǒng)

利用PLC 接通延時定時器來確定下料口是否堵塞,當(dāng)下料口被礦石堵住時，發(fā)出堵漏報警信號進(jìn)行報警并停車，PLC 梯形圖如圖7 所示。

圖7 PLC 梯形圖

4 結(jié)語

綜上所述，利用PLC、工控機(jī)組成的自動控制單元，用雷達(dá)料位傳感器、堵漏報警裝置、非接觸式激光測距儀組成的檢測單元，用二次儀表及聲光報警器組成的監(jiān)控單元具有先進(jìn)的通訊接口，能實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時測量監(jiān)控和自動控制，改善崗位工人的工作環(huán)境，使現(xiàn)場值班工人的勞動強(qiáng)度大大降低，從而避免安全事故發(fā)生。

［1］吳芹蘭.PLC 在選礦機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.流體傳動與控制，2009，33（2）：5354.

［2］錢建忠.皮帶卸料小車自動布料控制系統(tǒng)的應(yīng)用［J］.安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010（增刊1）：5-7.

［3］李建興.可編程序控制器應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［4］陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［5］吳俐君.電力拖動自動控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2002.

［6］郝力文，王子文.車間運(yùn)輸小車的智能控制［J］.機(jī)械，2001（增刊1）：150-151.