炭素煅燒AGV智能加料控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

鄂以帥,王園方,周興倫,張捷,王瑩瑋,張爍,李志銳,周彩群

(中鋁鄭州有色金屬研究院有限公司,河南 鄭州 450041)

炭素是鋁電解生產(chǎn)的重要組成部分,其工序主要包括煅燒、成型、焙燒、最后形成商品陽(yáng)極。其中炭素煅燒是炭素材料在隔絕空氣條件下進(jìn)行熱處理的熱工工序;目前煅燒爐加料主要依靠人工加料,自動(dòng)化程度低,影響加料質(zhì)量和效率。 針對(duì)煅燒工序中石油焦煅燒過(guò)程中的加料方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),提出了一種利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),編碼電纜定位技術(shù),雷達(dá)避障和稱重計(jì)量等現(xiàn)代檢測(cè)和控制技術(shù),并利用分段制動(dòng)停車算法、車速自適應(yīng)算法,開(kāi)發(fā)出一套煅燒AGV智能加料控制系統(tǒng),達(dá)到了安全避障、無(wú)人值守的效果。

1 智能加料系統(tǒng)

智能加料控制系統(tǒng)由上位機(jī)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)組成。具有加料計(jì)量稱重、雷達(dá)避障、小車運(yùn)行警報(bào)、視頻監(jiān)控、無(wú)線遠(yuǎn)程控制、小車定位識(shí)別、加料點(diǎn)精準(zhǔn)停車、煅燒爐料位監(jiān)測(cè)等功能。

主站與上位機(jī)之間使用網(wǎng)線通信,主站與從站之間采用工業(yè)級(jí)無(wú)線網(wǎng)橋進(jìn)行通信,現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控通過(guò)交換機(jī)與網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,PLC從站具備檢測(cè)功能和控制功能。檢測(cè)部分配備稱重計(jì)量,雷達(dá)避障,光電開(kāi)關(guān)等檢測(cè)儀表,可對(duì)小車生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中的計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行收集,具備定位識(shí)別,主動(dòng)避障等功能;控制部分對(duì)小車的前進(jìn)后退,料閥打開(kāi)關(guān)閉電機(jī)進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)基本的邏輯動(dòng)作。

圖1 智能加料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

上位機(jī)是操作員在控制室可以遠(yuǎn)程發(fā)出操作命令的計(jì)算機(jī),與視頻監(jiān)控系統(tǒng)和主站PLC通過(guò)網(wǎng)線進(jìn)行通信。

PLC從站和主站之間選擇工業(yè)級(jí)無(wú)線網(wǎng)橋技術(shù)進(jìn)行通信,具有不受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境限制,成本低、無(wú)干擾的優(yōu)點(diǎn)。加料車需要不斷移動(dòng)來(lái)進(jìn)行加料動(dòng)作,同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境存在電磁干擾和信號(hào)衰減,鋪設(shè)專用電纜的造價(jià)太高且維修困難,因此選擇無(wú)線網(wǎng)橋進(jìn)行通信。本系統(tǒng)使用的無(wú)線網(wǎng)橋技術(shù)采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)結(jié)構(gòu),如圖2所示。在現(xiàn)場(chǎng)控制柜(主站)和加料車(從站)上分別安裝無(wú)線網(wǎng)橋設(shè)備,依靠微波信號(hào)可以在2 km的范圍內(nèi)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。能夠把加料現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)控制柜,進(jìn)而發(fā)送到遠(yuǎn)端中控室,實(shí)現(xiàn)對(duì)加料車遠(yuǎn)程控制、上位機(jī)監(jiān)控、加料量讀取等功能。

圖2 無(wú)線網(wǎng)橋技術(shù)示意圖

2 智能加料檢測(cè)系統(tǒng)

智能加料檢測(cè)系統(tǒng)包括加料車位置檢測(cè)、計(jì)量稱重、雷達(dá)避障、光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)等。其中加料車位置檢測(cè)采用編碼電纜的方法,通過(guò)安裝在移動(dòng)站的天線箱和敷設(shè)在移動(dòng)車軌道旁的編碼電纜進(jìn)行電磁耦合來(lái)檢測(cè)天線箱在編碼電纜長(zhǎng)度方向上的位置,并可在位置檢測(cè)的同時(shí)進(jìn)行通信。

編碼電纜位置檢測(cè)裝置主要包括編碼電纜、天線箱、地址編碼發(fā)射器和地址編碼接收器四個(gè)部分。

圖3 編碼電纜位置檢測(cè)裝置基本構(gòu)成圖

為獲取更高的精度,可以在絕對(duì)地址的基礎(chǔ)上進(jìn)行細(xì)分獲得精密地址。在編碼電纜中增加一對(duì)地址線L0,其交叉間隔與G0地址線一樣,但錯(cuò)開(kāi)半個(gè)步長(zhǎng)。

圖4 移動(dòng)誤差示意圖

如4圖所示,R為標(biāo)準(zhǔn)線,L0和G0為地址線,L0與G0的交叉間隔均為200 mm,并錯(cuò)開(kāi)了100 mm。當(dāng)移動(dòng)站的天線箱圈通入交變電流時(shí),地址線G0和L0產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)VG0和VL0分別為:

(1)

(2)

Φ=SB

(3)

式中:VG0,VL0——分別是電纜芯線在地址線G0 和L0上產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)信號(hào)幅度;

Φ——通過(guò)電纜芯線的磁通量;

N——編碼電纜線芯線圈數(shù);

B——磁場(chǎng)強(qiáng)度;

S——磁場(chǎng)作用在線圈上的有效面積。

設(shè)電纜的寬度為H,編碼電纜的芯線最小步長(zhǎng)為W,當(dāng)移動(dòng)站天線箱移動(dòng)距離為X(X<100 mm)時(shí):

(4)

(5)

在同一時(shí)間間隔內(nèi),兩式相除可以得到:

(6)

3 加料車精準(zhǔn)停車算法

通過(guò)編碼電纜技術(shù)可以獲得加料車的精確位置,但是由于加料車的慣性、控制延時(shí)等原因,想要實(shí)現(xiàn)加料車的精準(zhǔn)停車還需要通過(guò)算法來(lái)減小誤差。通過(guò)變頻電機(jī)實(shí)現(xiàn)電機(jī)剎車過(guò)程中的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié),將加料車減速的制動(dòng)過(guò)程擬合成一個(gè)勻減速運(yùn)動(dòng)過(guò)程,將剎車距離控制在一定的誤差范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)停車。

3.1 加料車分段制動(dòng)算法

設(shè)加料車的速度為v,距離目標(biāo)停車位置的距離是S,加料車減速制動(dòng)的加速度為a,那么根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理,ν2=2aS0,即S0=ν2/a。當(dāng)S=S0時(shí),加料車應(yīng)當(dāng)開(kāi)始制動(dòng)。由于加料車速度測(cè)量可能會(huì)存在誤差,以及電氣傳輸,機(jī)械裝置造成的時(shí)延現(xiàn)象,導(dǎo)致加料車不能準(zhǔn)確停在煅前倉(cāng)正下方,當(dāng)對(duì)速度的測(cè)量出現(xiàn)負(fù)誤差時(shí),選擇的制動(dòng)點(diǎn)就會(huì)滯后,從而導(dǎo)致加料車越過(guò)煅前倉(cāng)停車。為了確保安全以及精準(zhǔn)停車,增加提前制動(dòng)系數(shù)k(0

為了既保證安全又使加料車能夠準(zhǔn)確停車,可以將加料車的制動(dòng)過(guò)程分為三個(gè)階段,當(dāng)距離目標(biāo)停車位置S0時(shí),加料車開(kāi)始制動(dòng)減速;當(dāng)速度減少到爬行速度Vmin時(shí),且距離目標(biāo)停車位置大于Smin,加料車進(jìn)入勻速滑行階段,這一階段是為了消除提前制動(dòng)系數(shù)k帶來(lái)的余量;當(dāng)距離目標(biāo)停車位置等于Smin時(shí),加料車開(kāi)始制動(dòng)減速,直到精確到達(dá)目標(biāo)停車位置。

3.2 加料車速度自適應(yīng)控制算法

考慮到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境存在高溫、粉塵、灑料等問(wèn)題,會(huì)使加料車測(cè)速不準(zhǔn)確,從而導(dǎo)致無(wú)法精準(zhǔn)停車,因此提出了速度自適應(yīng)控制算法,可以通過(guò)距離誤差自適應(yīng)調(diào)整加料車速度,從而能夠使加料車精準(zhǔn)停車。

加料車的理想行駛距離為S1,通過(guò)車輪半徑和轉(zhuǎn)速計(jì)算得到,實(shí)際行駛距離為S2,通過(guò)雷達(dá)測(cè)距測(cè)量行駛距離。

S2=xA-xB

△S=S1-S2

因此,通過(guò)每一次的距離誤差△S來(lái)自適應(yīng)地調(diào)整下一次的速度。

通過(guò)計(jì)算距離誤差來(lái)實(shí)時(shí)改變加料車輪胎轉(zhuǎn)速,從而達(dá)到精準(zhǔn)停車的目的。

4 智能加料控制系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)控制使用西門子可編程邏輯控制器,設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了過(guò)載、過(guò)流、連鎖保護(hù)、緊急停止等控制保護(hù)技術(shù),具有安全控制參數(shù),故障診斷,手自動(dòng)切換等功能。在加料過(guò)程中出現(xiàn)異常情況時(shí),能自動(dòng)分析故障,給出故障原因以及故障部位,待人工確認(rèn)故障信息后,系統(tǒng)一鍵復(fù)位,繼續(xù)完成當(dāng)前工作,真正的實(shí)現(xiàn)了智能化和信息化管理。

加料車在自動(dòng)加料過(guò)程中通過(guò)定位識(shí)別功能判斷小車的當(dāng)前位置,當(dāng)小車運(yùn)行到加料起始位置時(shí),下料口開(kāi)到位,小車?yán)^續(xù)前進(jìn);當(dāng)小車運(yùn)行至煅燒爐終點(diǎn)時(shí),下料口關(guān)到位,接著小車自動(dòng)返回至煅前倉(cāng)下方。自動(dòng)加料控制流程如圖5和圖6所示。

圖5 煅燒爐自動(dòng)加料控制流程圖

圖6 煅前倉(cāng)加料控制流程圖

聯(lián)鎖保護(hù)的作用是當(dāng)設(shè)備在啟停和運(yùn)行過(guò)程中,發(fā)生危及設(shè)備和人身安全的故障時(shí)自動(dòng)采取保護(hù)或聯(lián)鎖措施,以防止事故發(fā)生和避免事故擴(kuò)大,從而保證設(shè)備的正常啟停和安全運(yùn)行。

原有的煅前倉(cāng)加料過(guò)程是人工操作,一旦加料量超過(guò)加料車的容積或加料車沒(méi)對(duì)準(zhǔn)煅前倉(cāng)下料口,就會(huì)造成灑料,為防止該現(xiàn)象發(fā)生,開(kāi)發(fā)了小車定位識(shí)別系統(tǒng),判斷小車的當(dāng)前位置,只有識(shí)別到小車準(zhǔn)確停在煅前倉(cāng)正下方時(shí),倉(cāng)門才可以打開(kāi)。此外,稱重傳感器記錄小車內(nèi)原料的重量。只有當(dāng)車內(nèi)原料重量小于設(shè)定值時(shí),煅前倉(cāng)下料閥門才能打開(kāi)。

在下料過(guò)程中,稱重儀表顯示當(dāng)前加料量的數(shù)值,如料位重量到達(dá)設(shè)定值時(shí),PLC發(fā)出煅前倉(cāng)料閥關(guān)閉信號(hào),料閥關(guān)閉。同時(shí)PLC中的計(jì)時(shí)器記錄下料時(shí)間,當(dāng)加料時(shí)間大于設(shè)定時(shí)間時(shí),料閥自動(dòng)關(guān)閉。通過(guò)這種雙重的聯(lián)鎖保護(hù),確保了加料工作的安全性。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)炭素煅燒AGV智能加料控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)煅前倉(cāng)自動(dòng)上料、煅燒爐自動(dòng)加料,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控,達(dá)到了現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人值守、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控的效果,最大限度的降低了現(xiàn)場(chǎng)人工作業(yè)帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn);加料時(shí)間由原來(lái)的每次人工需要35分鐘縮短為27分鐘,顯著提升了加料效率;原來(lái)需要多人同時(shí)作業(yè)才能完成加料作業(yè),通過(guò)自動(dòng)加料可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)多臺(tái)爐子進(jìn)行加料作業(yè),降低了勞動(dòng)用工,規(guī)范了加料秩序,提高了加料的時(shí)效性,同時(shí)也提升炭素煅燒爐智能控制水平和設(shè)備管理水平,增強(qiáng)了企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。