成品球团矿自动倒仓控制系统的设计与应用
时间：2023-04-25 08:15:04 来源：千叶帆 本文已影响人
王宗仁，李治潮，刘 军，张亚明
(北京首钢股份有限公司，河北 唐山 064400)
成品球的运储是球团生产过程的主要环节[1]，其主要的运输设备为移动漏矿车，在矿山企业生产中为成品球灌仓。移动漏矿车安装在成品皮带上，将成品球通过移动漏矿车按实际情况分配到各个成品仓。运储过程中，需要岗位人员对成品仓的料位以及移动漏矿车的卸料位置进行现场确认，传统的运储方式不能对设备进行全面实时的控制，降低了生产效率。对此，在保证原有电气控制系统的基础上，新增加一套自动控制系统，实现成品球倒仓自动控制功能。
首钢球团厂作为首钢重要的球团矿原料基地，始建于1985年，在工艺上有着明显的先进性，但生产装备及自动化控制相对落后。为实现球团厂生产全程自动化控制，提高人均生产效能，提出开发成品球团矿自动倒仓控制系统。
成品球的传统运储方式为人工测量和手动控制模式，其灌仓方式和仓位选择由岗位人员根据垂线法实测成品仓的仓位值或根据灌仓时间凭经验得出该成品仓的仓位值并进行记录，然后根据各个成品仓的仓位高低手动操作控制移动漏矿车卸料进行灌仓，最后岗位人员将生产数据进行人工录入。传统运储方式无法及时、准确对移动漏矿车的位置和各个成品仓的仓位值进行实时的监测和控制，加之在传统运储模式下岗位人员的工作环境艰苦，工作量大，若监测不及时易发生冒仓现象，严重影响生产，所以急需研发一种新型的成品球运储模式。球团厂成品现场有若干个大成品仓，每个大成品仓底部用隔断将其分成三个小仓，仓体一字排开呈南北向分布，成品皮带铺在成品仓上，移动漏矿车架设在成品皮带上，PLC系统通过手动控制成品皮带和移动漏矿车正反运行以实现灌仓[2]，这种传统的模式虽然能够有效提高生产效率，但是也存在很大的弊端：传统 PLC控制系统(见图1)运行过程中，当系统出现移动漏矿车和皮带故障、皮带压料、灌冒仓等现象时，操作人员不能及时发现，需要岗位人员定期跑现场，对现场的情况进行确认，大大降低了生产效率、增加了岗位人员的劳动强度。
图1 传统 PLC 控制系统
随着球团生产能力的增大，要求成品球的运储速度也需要进一步地提高，单纯的人工操作已经不能满足正常生产的需要，这就要求采用先进的自动化控制技术满足生产的需求。数据自动采集系统是指将球团生产过程相关设备的基础数据通过该系统实时反馈给岗位人员。该系统能够减少生产过程中基础数据的更新时间，进而提高生产效率，从而达到降低生产成本的目的。
2.1 自动倒仓系统的定义
自动倒仓系统是一个多因素、多层次、动态变化的复杂非线性系统。自动倒仓系统集生产、实时监测与预报警为一体，采用计算机等一系列先进技术，通过采集生产过程中成品仓仓位以及移动漏矿车位置等实时数据进行判断、控制与管理，实现移动漏矿车自动灌仓这一功能。此系统可以节省大量的人力物力，同时相应的监测设备为该系统的管理和运行提供强有力的技术支持。
移动漏矿车自动运行和成品皮带的自动启停技术是利用计算机实现自动化生产组织与管理的主流技术，是实现生产自动化、数字化的基础。成品球自动倒仓系统是将系统选择的成品仓仓号作为指令控制移动漏矿车南北运行[3]，而非简单的手动点动式控制电机正反转及启停，所以控制移动漏矿车南北往复运行是自动倒仓系统的核心。
2.2 移动漏矿车位置和成品仓仓位实时监控系统设计
激光测距仪能够测定移动漏矿车的实际位置。自动倒仓系统在成品皮带南侧固定安装两台激光测距仪(一用一备)，在移动漏矿车上部安装挡光板，通过测定的激光传输距离进而确定移动漏矿车的位置。首先将各个成品仓实际灌仓位置记录在系统内，将其作为灌仓基准位，灌仓时将成品仓仓号作为控制指令输入系统，该系统会自动将移动漏矿车实际位置与灌仓基准位进行比较，当两者相差超出规定范围时，系统根据数据大小情况控制移动漏矿车南北运行，直至两者之差在规定范围内，图2显示了移动漏矿车位置标定的画面。
图2 移动漏矿车位置标定
自动倒仓系统自动将各个成品仓仓位进行比较，移动漏矿车由低向高依次灌仓。雷达料位计能够实时准确地监控各个成品仓仓位并将各个仓位值通过PLC 系统上传至上位机监控画面，雷达料位计和激光测距仪的应用使岗位人员对现场生产情况有了全局性的把控，并为移动漏矿车南北运行和对灌仓仓位的选择提供了基础数据，控制系统设置了仓位的上限位置以及下限位置，对其进行相应控制，图3显示了成品仓的仓位位置值。
图3 成品仓仓位值显示画面
2.3 雷达料位计的选取
雷达料位计选用西门子生产的LR-460 系列，该型号的料位计具有快速启动、抗干扰能力强和标定简单等特点。工作原理是利用声波测定各个仓位的数据，然后将其处理转换为 4～20 mA 信号并将其送至PLC 系统，最后通过系统程序将mA信号换算成实际仓位值。其间各数据关系如下：
20-4/量程=输出信号-4/料高(2-1)
式中：输出信号，mA；
量程、料高，m。
自动倒仓系统网络配置设计:该系统选择西门子S7-400系列PLC[4]，在整个控制系统中有两种网络：工业以太网和PROFIBUS网，工业以太网实现操作员与PLC 的通讯以及PLC 之间数据交换[5]，该网络支持标准的ISO.Ind.Ethernet协议，传输速率为100 Mbit/s，其优点是硬件通用性好。以太网通讯通过通讯模块CP443实现，主要用于满足中等性能控制的要求。PROFIBUS是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准，是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术，可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。
球团厂成品自动倒仓系统硬件部分包括：S7-400系列机架、电源模块、中央处理单元模块、通讯模块、接口模块以及信号模块等。现场雷达料位计供4～20 mA信号输入至PLC模拟量输入模块，激光测距仪(量程为0～100 m)供4～20 mA信号输入至PLC模拟量输入模块。成品自动倒仓系统的网络配置见图4。
图4 自动倒仓系统的网络配置
自动倒仓系统主要功能包括：各工序工艺流程动态显示；
设备的启动、停止控制以及报警显示；
工艺参数设定、调整；
重要参数实时趋势及历史曲线显示等。监控画面能够形象、丰富、准确地反映生产工艺流程，设备状态变量监视及工艺参数过程变量监测选取适度，切合生产实际，满足生产要求。上位机具有报警系统和历史曲线显示，为分析事故、分清事故责任提供重要依据。
球团成品自动倒仓系统共分为现场手动倒仓、远程半自动倒仓和自动倒仓三种控制方式，移动漏矿车的主要控制功能见图5。
图5 移动漏矿车的控制功能
1)手动控制方式。在成品皮带与移动漏矿车不具备远程操作的情况下，通过现场手动控制的方式将移动漏矿车精确定位到指定位置，以满足实际的生产需求。手动控制全部由硬件线路组成，机旁操作，完全脱离了PLC的控制，各设备单独运转。手动控制方式也可用于现场试车与检修。电气控制原理见图6。
图6 成品自动倒仓系统人机交换界面
2)远程半自动控制方式。半自动控制方式主要目的是远程控制流程设备的启停。在现场成品皮带与移动漏矿车 PLC操作有效的前提下，操作人员可以在上位机中选择“皮带正转”或“皮带反转”以及“跑车正转”或“跑车反转” 按钮，实现皮带与跑车的控制。在这种模式下可以根据主画面显示的成品仓仓位高低，人工选择所需灌仓的仓号，并通过成品仓下面的“灌仓按钮”来进行灌仓。
3)自动倒仓控制方式。自动控制方式既可以远程启停单台设备，又可以远程手动灌仓和远程自动灌仓。所有操作方式均通过人机交换界面进行控制，人机交换界面见图6。远程手动灌仓是在系统“联锁”前提下进行的，在此控制方式下，操作人员手动选择需要灌仓的成品仓，移动漏矿车会运行至该仓位进行灌仓。在远程自动灌仓控制方式下，操作人员首先需要选择参与自动灌仓的仓号，然后再启动系统，此时系统会在所选成品仓内寻找最低仓位并进行灌仓，当被灌仓三个小仓仓位均达到高料位报警时，系统停止向该仓灌仓，继续寻找下一最低仓位进行灌仓，为了防止溜车，在操作站上位设置移动漏矿车的溜车距离，以确保移动漏矿车准确定位。在生产时可根据具体情况选择相应的控制方式。操作站和现场均设有急停开关，异常情况下可选择紧急停车。
设计研发的自动倒仓系统在首钢球团厂得到使用。通过使用该系统控制，降低了生产成本、提高了设备的生产效率、操作安全性进一步提高。自动倒仓系统的应用解决了复杂生产过程的自动控制问题， 成品球运储综合效率提高了12%～15%。
1)自动倒仓系统的应用，实现了成品球远程自动灌仓，为整条生产线自动化、智能化改造升级奠定了基础，同时自动化监测设备为该系统的管理和运行提供了有力的技术支持。
2)自动倒仓系统代替了人工现场操作的方式，节省了大量的人力物力，提高了生产效率，为操作人员的身体健康、安全生产提供了保障，改造具有较高的安全效益、经济效益和社会效益。
3)该系统使用新技术手段解决了复杂生产过程的自动控制问题，提高了企业整体生产能力，成品球运储综合效率提高了 12%～15%。
4)下一步研究方向：激光测距仪测距时容易受粉尘和反光板等外界因素干扰，不适宜长距离测距；
变频控制存在溜车现象；
在自动灌仓模式下，如何通过控制成品皮带和移动漏矿车运行速度以减少上层皮带压料量和停机时间。
