移動(dòng)除塵電氣安全控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

楊俊濤

(中鋼集團(tuán)武漢安全環(huán)保研究院有限公司 武漢 430081)

0 引言

隨著我國(guó)工業(yè)的快速發(fā)展，國(guó)家對(duì)環(huán)保的重視程度也逐漸加大。一般采用澆注作業(yè)的企業(yè)，在鐵水通過(guò)鐵水罐澆注到澆注池的過(guò)程中會(huì)隨著澆注過(guò)程產(chǎn)生大量煙塵。這些煙塵不單對(duì)周圍環(huán)境有著影響，也極大影響了職工的身體健康。以往針對(duì)這種澆注產(chǎn)生的煙塵，一般企業(yè)都采用定點(diǎn)澆注的方法，這樣有利于捕集澆注產(chǎn)生的煙塵。但定點(diǎn)澆注往往會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)效率極低，而且產(chǎn)出的金屬塊厚度不均，以致后續(xù)工藝良品率不高。為了兼顧環(huán)保與安全生產(chǎn)，現(xiàn)需要在澆注池上安裝移動(dòng)除塵罩，當(dāng)行車吊裝鐵水罐進(jìn)行澆注時(shí)，移動(dòng)除塵罩可以跟隨行車一起移動(dòng)進(jìn)行收塵。本文對(duì)鐵合金澆注池用移動(dòng)除塵電氣控制系統(tǒng)的原理、設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述，并提出了安全控制的設(shè)計(jì)方案，很好地解決了移動(dòng)除塵系統(tǒng)中行車與煙氣捕集罩之間同步安全的相關(guān)問(wèn)題。

1 移動(dòng)除塵系統(tǒng)

為更好地捕集澆注時(shí)產(chǎn)生的大量煙氣，需在澆注池上安裝可移動(dòng)式煙氣捕集罩。煙氣捕集罩架設(shè)在澆注池的上方，四面密封，頂部?jī)蓚?cè)密封，中間留出縫隙，供鐵水罐吊入。煙氣捕集罩可沿車間橫向移動(dòng)，以供多個(gè)澆注池進(jìn)行澆注時(shí)的煙氣捕集。罩體上方設(shè)移動(dòng)式抽風(fēng)管，由在通風(fēng)槽上專用的移動(dòng)小車與通風(fēng)槽連接。在煙氣捕集罩上方縫隙兩側(cè)設(shè)吹吸式氣幕，以控制煙氣捕集罩內(nèi)煙氣流動(dòng)方向和防止煙氣逃逸。鐵水罐由煙氣捕集罩的上方行車吊入，煙氣捕集罩與行車大車行走機(jī)構(gòu)設(shè)置為同步聯(lián)鎖狀態(tài)，澆注時(shí)，行車前后移動(dòng)，煙氣捕集罩與行車一起移動(dòng)，始終與行車同步。這樣保證了鐵水罐在澆注池任意位置澆注時(shí)的煙氣捕集。澆注時(shí)產(chǎn)生的煙氣通過(guò)移動(dòng)式抽風(fēng)管，經(jīng)布袋除塵器除塵后通過(guò)煙囪排出，如圖1所示。

圖1 移動(dòng)除塵系統(tǒng)流程

2 移動(dòng)除塵系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題

2.1 澆注時(shí)煙氣捕集罩與行車一起移動(dòng)問(wèn)題

在澆注作業(yè)時(shí)，除塵系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行，煙氣捕集罩需跟隨行車一起移動(dòng)。因此，必須在煙氣捕集罩上安裝驅(qū)動(dòng)行駛系統(tǒng)，并在行車和煙氣捕集罩上分別加裝電氣控制系統(tǒng)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)行車進(jìn)行澆注時(shí)，煙氣捕集罩能夠追隨行車一起移動(dòng)。

2.2 煙氣捕集罩與行車的同步移動(dòng)選擇問(wèn)題

當(dāng)行車和煙氣捕集罩移動(dòng)時(shí)，為避免多人操作產(chǎn)生的操作失誤引發(fā)危險(xiǎn)，操作工只用控制行車，煙氣捕集罩就能跟隨行車一起自動(dòng)運(yùn)行。

(1)行車下外接煙氣捕集罩。這樣做可以保證行車和煙氣捕集罩絕對(duì)同步。煙氣捕集罩容積一般有1 500 m3，長(zhǎng)、寬均有10 m左右。如此龐大體積外接行車下，由于慣性等因素，會(huì)導(dǎo)致罩體不穩(wěn)定，易導(dǎo)致事故發(fā)生。因此，否決了這種做法。

(2)行車與煙氣捕集罩分離。在地面架設(shè)軌道，煙氣捕集罩下安裝移動(dòng)小車，使煙氣捕集罩可以在軌道上自由移動(dòng)。當(dāng)行車進(jìn)行澆注作業(yè)時(shí)，煙氣捕集罩全程跟隨一起移動(dòng)。當(dāng)行車澆注作業(yè)完成時(shí)，煙氣捕集罩與行車分開(kāi)，行車可以進(jìn)行其他作業(yè)。綜合比較以后，最終決定采取這種方案。

2.3 信號(hào)檢測(cè)方式

由于行車和煙氣捕集罩各自移動(dòng)，因而需要分別安裝傳感器進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)。

2.4 信號(hào)傳輸方式

當(dāng)行車與煙氣捕集罩的信號(hào)分別檢測(cè)完成時(shí)，需通過(guò)無(wú)線傳輸設(shè)備將檢測(cè)的信號(hào)互相傳送到各自的PLC中，才能通過(guò)程序進(jìn)行比較、反饋，從而使行車和煙氣捕集罩澆注作業(yè)時(shí)全程一起移動(dòng)，可以更好地捕集澆注時(shí)產(chǎn)生的大量高溫?zé)煔狻?/p>

3 移動(dòng)除塵電氣安全控制系統(tǒng)方案的確定

為了更好地捕集澆注時(shí)產(chǎn)生的大量高溫?zé)煔?，煙氣捕集罩上開(kāi)口應(yīng)該盡可能小，而同時(shí)又不能在澆注作業(yè)時(shí)，讓行車大小鉤、鋼絲繩觸碰到煙氣捕集罩任何部位，導(dǎo)致發(fā)生危險(xiǎn)。行車在進(jìn)行澆注作業(yè)時(shí)，鐵水罐加上里面的鋼水重量高達(dá)幾噸，而澆注時(shí)離行車頂部高達(dá)十多米，因而行車移動(dòng)時(shí)不能大范圍的變換車速，即不能剎車也不能高速移動(dòng)，減速只能靠慣性逐步減速。另外由于行車澆注時(shí)開(kāi)始的重量大，而隨著澆注的進(jìn)行，重量慢慢減小，導(dǎo)致行車的載重不斷發(fā)生變化，行車的慣性也同樣隨之發(fā)生變化，直接導(dǎo)致行車的速度不停地產(chǎn)生變化。

為了更好地捕集煙氣，煙氣捕集罩容積一般有1 500 m3以上，而為了保護(hù)煙氣捕集罩不會(huì)被高溫?zé)煔饧案邷劁撍椛錈崞茐模瑹煔獠都謨?nèi)外需加裝隔熱層，外加通風(fēng)管道、電氣設(shè)備等，整個(gè)煙氣捕集罩重量高達(dá)幾噸。另外由于煙氣捕集罩高9 m，采用的鋼架結(jié)構(gòu)，同樣不能大范圍的變換車速，即不能剎車也不能高速移動(dòng)，減速只能靠慣性逐步減速。這就要求煙氣捕集罩和行車精準(zhǔn)同步，否則會(huì)導(dǎo)致鐵水罐直接碰撞煙氣捕集罩。

一般國(guó)內(nèi)跟蹤采用的大多是速度同步的方式，再通過(guò)傳感器來(lái)糾偏，從而達(dá)到同步的效果[1]。本系統(tǒng)中，由于特殊作業(yè)的要求，行車與煙氣捕集罩質(zhì)量不同、慣性也相應(yīng)不同，同時(shí)在澆注過(guò)程中，隨著鐵水越倒越少，行車載重不斷變化，行車慣性也在不斷改變中。如使用速度同步，行車與煙氣捕集罩的運(yùn)行誤差會(huì)越來(lái)越大，需要不停地進(jìn)行校正。而澆注池附近溫度極高(平時(shí)溫度達(dá)90 ℃左右，熱輻射溫度可達(dá)幾百攝氏度)，環(huán)境極其惡劣不適宜采用太多的校正點(diǎn)。因此，系統(tǒng)決定采用行駛距離追蹤。

4 移動(dòng)除塵電氣安全控制原理

移動(dòng)除塵電氣安全控制分為行車控制部分和煙氣捕集罩控制部分。在行車操作室內(nèi)裝一個(gè)控制箱，控制行車移動(dòng)，另外在煙氣捕集罩合適的位置安裝一臺(tái)控制柜，控制煙氣捕集罩移動(dòng)。移動(dòng)除塵電氣安全控制原理見(jiàn)圖2。

圖2 電氣安全控制原理

4.1 行駛速度檢測(cè)

國(guó)內(nèi)常用速度檢測(cè)傳感器分為旋轉(zhuǎn)式速度傳感器和光電式測(cè)速傳感器[2]。

(1) 旋轉(zhuǎn)式速度傳感器具有以下特點(diǎn)：①旋轉(zhuǎn)式速度傳感器一般輸出的信號(hào)是脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)的穩(wěn)定性比較好，不容易受到外部的干擾，如噪聲等，對(duì)測(cè)量電路也沒(méi)有其他特別的要求。②旋轉(zhuǎn)式速度傳感器的結(jié)構(gòu)一般很簡(jiǎn)單，而且成本很低，里面內(nèi)置有微機(jī)芯片，芯片的功能很齊全，可以很方便獲得運(yùn)算變換系數(shù)，并且性能可靠穩(wěn)定。

(2) 光電式測(cè)速傳感器具有以下特點(diǎn)：光電式測(cè)速傳感器輸出的信號(hào)類始于方波，比較規(guī)整，這樣不容易產(chǎn)生干擾信號(hào)。由于光電式測(cè)速傳感器產(chǎn)生震動(dòng)會(huì)使內(nèi)部的光源壽命降低，所以在有比較劇烈震動(dòng)的地方采用會(huì)使得信號(hào)產(chǎn)生偏差。

澆注車間內(nèi)環(huán)境極其惡劣，四周充滿高溫、熱輻射和煙塵等。由于環(huán)境惡劣，震動(dòng)時(shí)有發(fā)生，因而不能采用一般的光電式傳感器。經(jīng)過(guò)多種傳感器比較，最后決定采用旋轉(zhuǎn)式速度傳感器來(lái)檢測(cè)行車和煙氣捕集罩的運(yùn)行速度。旋轉(zhuǎn)式傳感器抗干擾強(qiáng)，穩(wěn)定可靠，對(duì)環(huán)境要求不高，可以很好地在澆注車間這種惡劣的環(huán)境下工作。

在行車和煙氣捕集罩上分別安裝旋轉(zhuǎn)式速度傳感器，在控制箱內(nèi)安裝變送器，檢測(cè)到的信號(hào)通過(guò)變送器轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，然后傳送至PLC內(nèi)。

4.2 信號(hào)無(wú)線傳輸

工業(yè)中常用無(wú)線傳輸一般有4種，分別為GPRS無(wú)線通信技術(shù)、無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)、無(wú)線擴(kuò)頻微波通信以及短波通信[3-5]。

(1) 通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)簡(jiǎn)稱為“GPRS”，又被稱為2.5G，處于第二代移動(dòng)通訊技術(shù)(2G)與第三代移動(dòng)通訊技術(shù)(3G)之間。GPRS的分組無(wú)線業(yè)務(wù)方式是將數(shù)據(jù)分成一個(gè)一個(gè)的包，而每個(gè)包前面有一個(gè)地址標(biāo)記，它可以指示這個(gè)包應(yīng)該發(fā)往何處。這些數(shù)據(jù)平時(shí)不用占用信道，只有當(dāng)它需要傳送時(shí)，根據(jù)它的地址標(biāo)記將這些數(shù)據(jù)發(fā)送出去。這樣數(shù)據(jù)發(fā)送不會(huì)一直占用固定的信道資源，只有需要時(shí)才開(kāi)始傳送，可以很好地利用網(wǎng)絡(luò)資源，從而避免網(wǎng)絡(luò)的擁堵。GPRS可以同時(shí)支持分組交換數(shù)據(jù)和電路型數(shù)據(jù)，它可以便捷地同因特網(wǎng)相互連接。GPRS具有快速接入、不用不計(jì)費(fèi)、一直在線等特點(diǎn)，非常適合頻繁發(fā)送小數(shù)據(jù)的傳輸方式。

(2) 數(shù)字式無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)可以簡(jiǎn)稱為“無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)”，一般采用數(shù)字調(diào)制解調(diào)、數(shù)字信號(hào)處理等功能，且具有均衡軟判決和前向糾錯(cuò)等功能。無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)一般采用220～240 MHz或400～470 MHz的工作頻段。由于采用的大多是低頻段，無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)有效覆蓋半徑一般有幾十千米，可覆蓋很大一塊區(qū)域。無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸性好，有專用的數(shù)據(jù)傳輸通道，不會(huì)互相干擾，兼容數(shù)話傳輸，只有一次投資費(fèi)用，沒(méi)有額外的運(yùn)行使用費(fèi)用，還可以在惡劣的環(huán)境下使用，且穩(wěn)定性也比較好。無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)上一般都提供標(biāo)準(zhǔn)的RS-232數(shù)據(jù)接口，可以和計(jì)算機(jī)、PLC等連接，能夠方便地組成集成控制系統(tǒng)或自動(dòng)化系統(tǒng)。

(3) 無(wú)線擴(kuò)頻微波通信技術(shù)最開(kāi)始是用于軍事領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)的主要目的是為了對(duì)抗電子戰(zhàn)的干擾，現(xiàn)在逐漸發(fā)展為民用。無(wú)線擴(kuò)頻微波通信技術(shù)主要是用偽隨機(jī)碼對(duì)所傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行擴(kuò)展頻譜編碼處理然后進(jìn)行調(diào)制后傳輸。無(wú)線擴(kuò)頻微波通信一般采用2.4～2.483 5 GHz的工作頻段，這些頻段屬于自由頻段，無(wú)需申請(qǐng)即可使用。無(wú)線擴(kuò)頻微波通信系統(tǒng)只有一次投資費(fèi)用，且設(shè)備使用壽命較長(zhǎng)可再次回收利用。無(wú)線擴(kuò)頻微波通信的信息傳輸可靠穩(wěn)定，能夠抗干擾、抗噪聲、抗衰弱，由于采用偽隨機(jī)噪聲使得保密性很強(qiáng)。另外，無(wú)線擴(kuò)頻微波通信技術(shù)傳輸距離遠(yuǎn)，覆蓋面也很廣，非常適合野外的聯(lián)網(wǎng)。

(4)短波通信是指利用波長(zhǎng)在100～10 m、頻率范圍3～30 MHz的電磁波進(jìn)行無(wú)線通信的一種無(wú)線電通信技術(shù)，又稱為“高頻(HF)通信”。短波通信一般有發(fā)信收信機(jī)、發(fā)信收信天線和其他終端設(shè)備構(gòu)成。發(fā)信收信機(jī)一般體積較小，方便在現(xiàn)場(chǎng)安裝。短波通信主要是利用電離層進(jìn)行反射傳播，建設(shè)維護(hù)費(fèi)用較低，設(shè)備小巧簡(jiǎn)單，抗毀能力和自主通信能力比其他通信方式好，但其通信容量相比其他通信方式要小，傳輸?shù)姆€(wěn)定性相對(duì)較差。

由于系統(tǒng)處于澆注車間，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境極其惡劣，充滿了高溫、熱輻射和煙塵等。對(duì)于信號(hào)傳送極其不友好。需要選擇一種使用穩(wěn)定、對(duì)惡劣環(huán)境能夠很好適應(yīng)、信號(hào)傳播距離遠(yuǎn)，同時(shí)后期維護(hù)費(fèi)用較低的方式。經(jīng)過(guò)多種無(wú)線傳送方式比較，最后決定采用無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)的形式進(jìn)行無(wú)線信號(hào)傳送。

在行車操作室內(nèi)安裝PLC控制箱，在煙氣捕集罩頂部合適的位置安裝PLC控制柜。為防止熱輻射干擾和損壞控制柜內(nèi)元件，可在PLC控制柜旁邊安裝隔熱擋板，在PLC控制柜內(nèi)安裝通風(fēng)風(fēng)機(jī)并進(jìn)行防塵處理。PLC控制柜和PLC控制箱內(nèi)分別安裝無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)，用來(lái)進(jìn)行無(wú)線傳輸。通過(guò)無(wú)線傳輸將行車檢測(cè)到的信號(hào)傳輸至煙氣捕集罩上的PLC控制柜內(nèi)，將煙氣捕集罩檢測(cè)到的信號(hào)傳輸至行車上的PLC控制箱內(nèi)。

4.3 距離轉(zhuǎn)換

需要將傳輸過(guò)來(lái)脈沖信號(hào)通過(guò)PLC程序轉(zhuǎn)換成行車和煙氣捕集罩移動(dòng)的距離。具體方法如下：設(shè)行車輪子半徑為r，輪子旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)傳感器發(fā)送的脈沖數(shù)為n；煙氣捕集罩輪子半徑為r′， 輪子旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)傳感器發(fā)送的脈沖數(shù)為n′。

行車單位脈沖移動(dòng)的距離為

S1=2πr/n

(1)

煙氣捕集罩單位脈沖移動(dòng)的距離為

S2=2πr′/n′

(2)

設(shè)接收到行車的脈沖數(shù)為N，則行車移動(dòng)距離為

L1=2πrN/n

(3)

設(shè)接收到的煙氣捕集罩的脈沖數(shù)為N′，則煙氣捕集罩移動(dòng)距離為

L2=2πr′N′/n′

(4)

4.4 距離比較和速度控制

通過(guò)PLC程序比較行車和煙氣捕集罩的移動(dòng)距離，然后通過(guò)比較結(jié)果來(lái)控制行車和煙氣捕集罩的加速與減速。每當(dāng)煙氣捕集罩的移動(dòng)距離超過(guò)行車的移動(dòng)距離時(shí)，行車開(kāi)始進(jìn)行加速而煙氣捕集罩開(kāi)始進(jìn)行減速；每當(dāng)行車的移動(dòng)距離超過(guò)煙氣捕集罩的移動(dòng)距離時(shí)，煙氣捕集罩開(kāi)始進(jìn)行加速而行車開(kāi)始進(jìn)行減速。這樣通過(guò)實(shí)時(shí)比較，不斷調(diào)整，最終可以達(dá)到行車與煙氣捕集罩同步運(yùn)行。

4.5 其他安全防護(hù)措施

由于測(cè)量會(huì)有一定的誤差，行車和煙氣捕集罩長(zhǎng)時(shí)間移動(dòng)后誤差會(huì)越來(lái)越大?？筛鶕?jù)行車和煙氣捕集罩軌道的長(zhǎng)度設(shè)置幾組“行程歸零”點(diǎn)，將行程開(kāi)關(guān)分別安裝在行車與煙氣捕集罩軌道的垂直位置。當(dāng)行車和煙氣捕集罩經(jīng)過(guò)“行程歸零”點(diǎn)時(shí)，進(jìn)行相對(duì)移動(dòng)距離歸零，可以有效消除誤差，使得行車和煙氣捕集罩同步更加準(zhǔn)確。

另外，設(shè)置幾處限位開(kāi)關(guān)，分別安裝在行車與煙氣捕集罩行駛極限位置的軌道旁，當(dāng)行車或煙氣捕集罩移動(dòng)到限位時(shí)，將無(wú)法再繼續(xù)向前移動(dòng)，這樣可以保證同步時(shí)，行車與煙氣捕集罩不會(huì)移動(dòng)到危險(xiǎn)的地方，從而避免發(fā)生事故。

5 結(jié)語(yǔ)

移動(dòng)除塵電氣安全控制系統(tǒng)可以很好地解決系統(tǒng)中行車與煙氣捕集罩間安全同步的問(wèn)題。當(dāng)行車進(jìn)行澆注作業(yè)時(shí)，煙氣捕集罩可準(zhǔn)確地跟隨行車一起移動(dòng)，很好地捕集煙氣，從而達(dá)到更好的除塵效果。移動(dòng)除塵電氣安全控制系統(tǒng)不但可以運(yùn)用到移動(dòng)除塵系統(tǒng)中，也可以運(yùn)用到其他相關(guān)行業(yè)中，有效地解決工業(yè)中兩臺(tái)設(shè)備安全同步移動(dòng)的問(wèn)題。