煤炭港口自動化裝卸系統(tǒng)大型機械控制策略分析

胡亮

摘 要：文章對煤炭港口狀態(tài)系統(tǒng)中PLC自動控制技術(shù)的應(yīng)用進行分析，探討無人值守情況下使用PLC自動控制大型機械的基本策略，并從中選擇出了最佳的控制方案，最后對煤炭自動化裝卸系統(tǒng)大型機械的控制流程進行了探討。

關(guān)鍵詞：PLC自動控制技術(shù) 自動化裝卸系統(tǒng) 機械控制

1.裝卸系統(tǒng)控制核心

煤炭港口在堆料機取料過程中應(yīng)用PLC自動化技術(shù)可以提升大型機械的自動化程度，提高作業(yè)效率，而且操作方便，可以用于遠距離的控制和監(jiān)視。

PLC自動控制系統(tǒng)主要有以下優(yōu)點：

（1）可操作性強，安全性高，故障發(fā)生概率小，便于提升設(shè)備的運行安全性、可靠性及穩(wěn)定性；（2）該系統(tǒng)具有很高的抗干擾性，有效保障了設(shè)備運行的可靠性、穩(wěn)定性，且設(shè)備的安裝、調(diào)試、維護等均很便捷，很大程度上降低了設(shè)備的運行維護費；（3）有效提升了自動化裝卸系統(tǒng)的自動控制能力，以及系統(tǒng)整體的經(jīng)濟性；（4）PLC控制系統(tǒng)的引入，大大提升了自動裝卸系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)性能，可有效保障多個設(shè)備同時進行協(xié)同工作，同時保證了單個設(shè)備可以在整個網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下安然有序的開展作業(yè)，具有很強的可操作性，滿足當下對自動化控制的需求。

2.大型機械設(shè)施的把控方案

2.1取料方案的設(shè)計

自動裝卸系統(tǒng)將參數(shù)借助上位機傳遞到PLC，由上位機控制取料量，后PLC根據(jù)參數(shù)要求下發(fā)取料指令，取料量可通過對取料體積或噸位數(shù)量進行把控。因吸料操作是通過風機完成的，故可通過把控取料時間來控制取料量，實際操作中可借助定時器來合理把控取料時間，再結(jié)合風機啟動的時間來把控取料量，待取料量滿足設(shè)計需求時，需馬上終止風機操作，結(jié)束取料過程。取料方式有兩種，可通過大機或擺臂的移動來實現(xiàn)，相對應(yīng)的形式是直線取料和弧線取料。取料機懸臂的（X，Z）面和（X，Y）面參數(shù)圖相見圖1和圖2：

其中，H-大機懸臂高度；Lg-懸臂固定部分的長度；L-懸臂可俯仰部分的長度；Ls-吸料管的長度；z-料斗和取料斗之間的高度差；Sz-料斗距離地面的距離；W-XY平面上大機懸臂的投影距離。通常，俯仰角θ改變時，因W=Lg+Lsinθ，故而W也會改變，本文研究時θ角基本不變，實際上可忽略不計，即判定θ稍微改變時，懸臂投影長度報錯不變，當需要開挖下一層時，只需改變θ角就可以了。

取料機姿態(tài)的相關(guān)參數(shù)：θ-俯仰角、α-旋回角（以逆時針方向為正），大機沿著Y軸方向的移動位置My。由3個電動機分別對參數(shù)My、俯仰角θ、旋回角α進行控制，因在3個轉(zhuǎn)軸均裝設(shè)了編碼器，故而編碼器會隨著My、θ、α的變化而反饋一定量脈沖，此時，PLC系統(tǒng)中的計數(shù)器會計數(shù)此脈沖，并在中間存儲器儲存相應(yīng)的計數(shù)結(jié)果，上位機通過讀取中間存儲器的計數(shù)值，進而獲取大機的運行狀況，借助改變參數(shù)來實現(xiàn)大機運行情況的把控。

2.2直線取料

直線方式取料時，首先需確定懸臂上下擺角a和左右擺角θ，整個過程中大機以水平方向進行移動，待移到料堆邊緣時，修整θ和a方位，后開始下一來回的移動。把θ和a定格在初始位置后，開始取料操作，大機水平移動時，初始位置是My（i），沿著i道方位由箭頭方向開始運動，當運動至料堆邊緣時換道，此時修改a大小，即大機臂保持水平移動至My（i+1）狀態(tài)，此時大機由i道改變?yōu)閕+1道，并開展下一次的取料操作，取料時保持料斗位于取料點的正上方，即兩者的X，Y坐標一樣。

由于取料時借助風機進行吸料，故而料斗和料堆并沒有直接接觸，待完成一層的取料后，需下移料斗，后開始下一層取料，F(xiàn)c表示每層高度，當完成第i層取料后，需把控大機俯仰的電動機進行下一層的取料操作。選用直線方式取料的優(yōu)點是保證了料堆的規(guī)則性，便于操作，程序簡單，且相對于大機上的激光掃面，該方式取料有助于掃面成像，該方式取料的缺點是大機運行軌跡在同一道來回往復，不是現(xiàn)場操作中最佳的取料方式。

2.3 弧線取料

弧線方式取料時，先是大機接收到上位機傳輸?shù)淖鴺诵畔?，按照命令運動到相應(yīng)坐標位置，此后大機的位置將被固定，后由大臂進行左右擺動，主要反饋在旋回角a的改變上，在現(xiàn)場實際取料時即展現(xiàn)出弧線形式，當完成一次取料時，通過改變大臂的俯仰角θ，而后進行下一次取料，待取料達到設(shè)計高度后，移動大機方位，開展下一回合的取料。

當上位機發(fā)送取料指令給PLC系統(tǒng)，PLC先按照坐標參數(shù)指令運行到相應(yīng)坐標，此時大臂上下和左右位置均已明確，而后開始本次取料作業(yè)，大機的固定位置My（i）不變，通過左右移動大臂，實現(xiàn)旋回角a的改變，待完成第一層的I道取料后，通過大臂的上下運動改變仰俯角，后開展下一層取料。

2.4 對比兩種取料方式

直線取料方式：操作簡便，已實現(xiàn)，PLC程序簡單，上位機傳輸?shù)闹噶顓?shù)很少，且最大程度保持了料堆的規(guī)則性，但該方式最大的缺點是大機需進行多次往復的循環(huán)運動，現(xiàn)場裝料時，由于大機體型龐大，頻繁的導軌移動很難，而且容易加劇大機的機械摩擦，縮短設(shè)備的使用壽命，造成浪費。

弧線取料方式：大機按照指令移動到相應(yīng)位置，后通過左右移動大臂方式進行取料，當完成一層取料時，通過大臂的上下移動改變仰俯角，開展下一層取料工作，直至達到設(shè)計深度后，移動大機位置，開展下一回合的取料。本方式中，大機無需多次移動，只需要移動大臂即可實現(xiàn)不同深度的取料工作，在實際現(xiàn)場取料中，是最佳的取料方式。

3.大型機械的弧線取料過程

通過上位機對數(shù)據(jù)模塊的數(shù)據(jù)進行修改和傳輸，PLC通過接收上位機的啟停指令，控制相應(yīng)位置工作的啟停；上位機在傳輸PLC啟動指令前，需把取料初始位置的坐標指令傳送給PLC，即為空間三維坐標（Cx，Cy，Cz），PLC在進行取料時需以該坐標為取料起點，待PLC接收到上位機傳輸?shù)膯又噶詈?，移動至坐標位置開展取料作業(yè)；因PLC借助編碼器傳送回來的脈沖數(shù)量來大致判斷大機姿態(tài)，以及把控大機的動作，故而在PLC獲取到取料初始坐標后，會先把其轉(zhuǎn)變?yōu)檫_到相應(yīng)位置時將會接收到的脈沖數(shù)量，而后啟動計數(shù)器；在計數(shù)器計數(shù)到預(yù)設(shè)數(shù)量時，通過比較動作，可基本保證大機已運行到預(yù)定的方位，而后開始PLC取料作業(yè)；借助風機作業(yè)開始取料工作，取料方式有直線取料和弧線取料兩種，優(yōu)缺點不同，本文選取的是弧線方式進行取料；整個取料過程中需實時測量取料體積，明確其是否達到設(shè)計要求，在符合設(shè)計要求后停止風機，結(jié)束取料，此時PLC將會根據(jù)預(yù)設(shè)的程序運行到初始位置，若尚未達到取料需求量，檢驗是否已完全完成本層的取料，若未完成需繼續(xù)完成本層取料，若本層取料已完成則判定PLC取料是否到達最后一層，若尚未到最后一層，需按照設(shè)計的高度下移懸臂，即降低俯仰角q，若已到最后一層，表明已完成軌道上大機現(xiàn)在所處位置的取料工作，需按照設(shè)計的步長移動大機到下一個取料點進行取料；依照預(yù)設(shè)的相應(yīng)參數(shù)開展換層的取料作業(yè)；繼續(xù)取料工作：整個大型機械的取料工作需系統(tǒng)的所有設(shè)備協(xié)同作業(yè)，其中包括大機、上位計算機、24V的外部供電電源、編碼器、PLC、交流接觸器、電動機，以及中間單元等，只有這樣才可以順利完成所有位置點的取料工作，確保整個取料工作的順利開展。

4.結(jié)論

綜上所述，雖然直線取料方式更容易實現(xiàn)，但是使用直線取料的方式時，大型機械會頻繁的在軌道繩進行移動，不利于大機進行作業(yè)，因此選擇弧線取料的方式進行取料，使用弧形取料方式大機不需要在軌道上進行頻繁移動，更加適合在現(xiàn)場進行操作。

參考文獻：

[1]馮慶冬.港口煤炭全自動無人化裝卸控制系統(tǒng)的設(shè)計[D].秦皇島：燕山大學，2014.

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