張海軍

(西山煤電有限公司 屯蘭選煤廠， 山西 太原 030021)

0 引言

煤礦裝車系統(tǒng)主要應(yīng)用于港口、選煤廠，是將物料轉(zhuǎn)運(yùn)至卡車、火車進(jìn)行外運(yùn)。傳統(tǒng)的裝車方式為裝載機(jī)裝車，不僅需要多次稱重，還需要司機(jī)不斷地重復(fù)運(yùn)輸，勞動(dòng)強(qiáng)度大[1-2]。傳統(tǒng)裝載機(jī)裝車方式屬于勞動(dòng)密集型裝車方式，工作效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且存在諸多管理漏洞問(wèn)題。隨著計(jì)算技術(shù)、智能控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，裝車系統(tǒng)逐漸以自動(dòng)控制取代人工操作，先后出現(xiàn)了以軌道衡稱重的自動(dòng)裝車系統(tǒng)、以輸送帶稱重的自動(dòng)裝車系統(tǒng)及自動(dòng)定量快速裝車系統(tǒng)[3]。在裝車系統(tǒng)中加入自動(dòng)控制的元素后，提高了稱重精度，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，保證了裝車系統(tǒng)快速、連續(xù)、精確運(yùn)轉(zhuǎn)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于定量倉(cāng)的自動(dòng)定量裝車系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。可編程控制器(PLC)分站控制器對(duì)給煤機(jī)、帶式輸送機(jī)、儲(chǔ)煤倉(cāng)進(jìn)行邏輯控制，并將獲取的信息以CAN通信方式傳送給PLC主站控制器。PLC主站控制器對(duì)控制單元、監(jiān)測(cè)單元進(jìn)行邏輯控制。其中:控制單元主要完成裝煤系統(tǒng)各組成部分的動(dòng)作控制，包括操作臺(tái)控制、給煤機(jī)的啟動(dòng)控制、帶式輸送機(jī)的啟停控制、緩沖倉(cāng)閘門四級(jí)控制、定量倉(cāng)閘門二級(jí)控制、裝車溜槽的升降控制及待裝列車車廂的牽引控制;監(jiān)測(cè)單元主要完成裝煤系統(tǒng)各組成部分的參數(shù)、數(shù)據(jù)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)，如傳感器類數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、指示燈類數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、故障類數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、報(bào)警類數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)參數(shù)類數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、控制器I/O點(diǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及模擬量數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)等。另外，PLC主站控制器與監(jiān)控平臺(tái)以CAN通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，將控制單元數(shù)據(jù)或監(jiān)測(cè)單元數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控平臺(tái)，在監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行狀態(tài)、參數(shù)、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示及實(shí)時(shí)控制。

圖1 自動(dòng)定量裝車系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架

2 硬件選型

PLC主站控制器與PLC分站控制器都選用倍福的CX8050，該P(yáng)LC支持多種通信模式，如支持TCP/IP、CAN、CanOpen、Modbus TCP、Modbus RTU等。該P(yáng)LC支持?jǐn)?shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、模擬量輸入、模擬量輸出擴(kuò)展，支持各通信模式擴(kuò)展。選煤廠自動(dòng)定量裝車系統(tǒng)中用到的傳感器較多，有溫度、速度、位移、撕裂、傾角、壓力、料位、CH4、CO、光電、煙霧、拉繩等多種傳感器。變頻器采用Pempek公司的W4變頻器。該變頻器的控制方法有V/Hz頻率控制及閉合回路矢量控制，保護(hù)措施有電源低電壓保護(hù)、電源失相保護(hù)、電源過(guò)電流保護(hù)、電源短路保護(hù)、直流母線過(guò)電壓保護(hù)、負(fù)載短路保護(hù)、負(fù)載過(guò)電流保護(hù)、負(fù)載過(guò)速保護(hù)、功率元件溫度過(guò)高保護(hù)等[4-5]。該變頻器支持CAN總線2.0B通信協(xié)議。轉(zhuǎn)軸速度編碼器的輸入電壓為0～5 V，輸入頻率為0～200 kHz，供給輸出為5 V。電源接線的輸入電壓為1 000 V/1 050 V/1 150 V，輸入頻率為45～66 Hz，可采用軟啟動(dòng)的功能。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 PLC控制程序總流程

圖2所示為自動(dòng)定量裝車系統(tǒng)的一個(gè)循環(huán)流程。系統(tǒng)初始化完成后，PLC主站控制器獲取待裝列車的信息，如待裝列車的車型、載重、列車編號(hào)等。PLC主站控制器獲取上述參數(shù)后，自動(dòng)按照該參數(shù)進(jìn)行裝車參數(shù)配置，然后先啟動(dòng)帶式輸送機(jī)，再啟動(dòng)給煤機(jī)。帶式輸送機(jī)將煤料運(yùn)輸至緩沖倉(cāng)進(jìn)行蓄煤。在緩沖倉(cāng)內(nèi)安裝有料位傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)緩沖倉(cāng)蓄煤的高度。當(dāng)料位傳感器指示蓄煤量達(dá)到緩沖倉(cāng)最高高度時(shí)，緩沖倉(cāng)發(fā)出“停止”控制指令給給煤機(jī)，要求給煤機(jī)停止給煤。給煤機(jī)接收到“停止”控制指令后立即停機(jī)，并停止帶式輸送機(jī)。如果緩沖倉(cāng)內(nèi)煤料料位沒有達(dá)到指定料位，則繼續(xù)蓄煤。停止帶式輸送機(jī)后，啟動(dòng)緩沖倉(cāng)四級(jí)閘門控制，將煤料卸入定量倉(cāng)，并且以拋物線方式無(wú)限逼近定量倉(cāng)的目標(biāo)稱重值。定量倉(cāng)的稱重傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)卸入煤料的質(zhì)量，待達(dá)到目標(biāo)質(zhì)量值后，定量倉(cāng)發(fā)出停止控制指令給緩沖倉(cāng)停止卸煤，關(guān)閉緩沖倉(cāng)全部閘門。如果稱重傳感器指示煤料質(zhì)量沒有達(dá)到目標(biāo)稱重值，則指示緩沖倉(cāng)繼續(xù)卸煤。定量倉(cāng)內(nèi)的煤料達(dá)到目標(biāo)稱重值后，裝車溜槽檢測(cè)待裝列車是否達(dá)到指定位置。如果達(dá)到，裝車溜槽啟動(dòng)溜槽升降控制，并處于合適位置后，通知定量倉(cāng)啟動(dòng)二級(jí)閘門控制煤料經(jīng)裝車溜槽卸入待裝列車車廂內(nèi)。以上完成一次裝車過(guò)程。

圖2 自動(dòng)定量裝車程序流程

3.2 互鎖程序設(shè)計(jì)

在自動(dòng)定量裝車系統(tǒng)中，給煤機(jī)與帶式輸送機(jī)之間、緩沖倉(cāng)與給煤機(jī)之間、裝車溜槽與定量倉(cāng)閘門之間、緩沖倉(cāng)閘門與定量倉(cāng)閘門之間存在閉鎖關(guān)系。

1) 給煤機(jī)與帶式輸送機(jī)之間存在閉鎖關(guān)系為：?jiǎn)?dòng)時(shí)，必須先啟動(dòng)帶式輸送機(jī)，然后再啟動(dòng)給煤機(jī)，防止先啟動(dòng)給煤機(jī)后帶式輸送機(jī)沒有啟動(dòng)，導(dǎo)致運(yùn)輸至帶式輸送機(jī)的煤料外漏；停止時(shí)，必須先停止給煤機(jī),間隔一定時(shí)間后再停止帶式輸送機(jī)，防止先停止帶式輸送機(jī)，給煤機(jī)繼續(xù)卸煤，導(dǎo)致運(yùn)輸至帶式輸送機(jī)的煤料外漏。給煤機(jī)與帶式輸送機(jī)的閉鎖關(guān)系如圖3所示。

(a)

(b)

2) 緩沖倉(cāng)與給煤機(jī)之間存在閉鎖關(guān)系為：緩沖倉(cāng)的料位指示達(dá)到最高位時(shí)，為防止緩沖倉(cāng)溢煤，必須給給煤機(jī)停機(jī)信號(hào)，停止給煤機(jī)運(yùn)行。當(dāng)給煤機(jī)檢測(cè)到緩沖倉(cāng)的料位指示達(dá)到最高位時(shí)，則不能啟動(dòng)。

3) 裝車溜槽與定量倉(cāng)閘門之間存在閉鎖關(guān)系為：裝車溜槽未到達(dá)指定調(diào)整位置，定量倉(cāng)的閘門不能開啟。當(dāng)裝車溜槽未達(dá)到最高位時(shí)，則不能左右移動(dòng)。

4) 緩沖倉(cāng)閘門與定量倉(cāng)閘門之間存在閉鎖關(guān)系為：緩沖倉(cāng)未檢測(cè)到定量倉(cāng)閘門全部關(guān)閉的信號(hào)時(shí)，緩沖倉(cāng)閘門不能打開。當(dāng)定量倉(cāng)未檢測(cè)到緩沖倉(cāng)閘門全部關(guān)閉的信號(hào)時(shí)，定量倉(cāng)閘門就不能打開。

4 工業(yè)試驗(yàn)情況

2018年9月1日至2018年12月31日在某選煤廠進(jìn)行為期4個(gè)月的工業(yè)試驗(yàn)，共裝載整列列車1 028列，運(yùn)輸煤料474.936萬(wàn)t，詳細(xì)如表1所示。從9月到12月的運(yùn)輸煤料和裝載整列列車的數(shù)據(jù)都在穩(wěn)步增加。所設(shè)計(jì)的自動(dòng)定量裝車系統(tǒng)每小時(shí)的裝車能力在6 000 t左右，單列列車的裝車精度可達(dá)0.1%，整列列車的裝車精度控制在0.5%左右。

表1 工業(yè)試驗(yàn)裝載列車統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

待裝列車車型為C70，單列列車可以裝載70 t煤料，整列列車為66節(jié)。裝載單列列車的時(shí)間45 s/節(jié)，最快為39 s/節(jié)，整列列車的裝車時(shí)間一般控制在50～60 min。

試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的列車額定載重與自動(dòng)定量裝車載重誤差統(tǒng)計(jì)所示，裝車精度在0～0.1%的約占裝載列車總量的77%；裝車精度在0.11%～0.20%的約占裝載列車總量的12%；裝車精度在0.21%～0.30%的約占裝載列車總量的6%；裝車精度在0.31%～0.40%的約占裝載列車總量的4%；裝車精度在0.41%以上的約占1%。在實(shí)際裝車過(guò)程中，裝車精度大于0.41%時(shí)，裝車溜槽、緩沖倉(cāng)閘門、定量倉(cāng)閘門都出現(xiàn)或大或小的問(wèn)題，從而影響了裝車精度。

5 結(jié)論

基于定量倉(cāng)稱重的自動(dòng)定量裝車系統(tǒng)，旨在解決現(xiàn)有選煤廠裝車系統(tǒng)精度不夠、效率不高、自動(dòng)化程度受限的問(wèn)題。本文結(jié)合選煤廠煤料運(yùn)輸改造的系統(tǒng)要求，提出基于PLC控制的選煤廠自動(dòng)定量裝車系統(tǒng)方案。所設(shè)計(jì)并完成的自動(dòng)定量裝車系統(tǒng)是以C70車型為例，其裝載單列列車的時(shí)間45 s/節(jié)，最快為39 s/節(jié)，整列列車的裝車時(shí)間一般控制在50～60 min。