基于編碼器的裝船機(jī)溜筒防碰控制功能設(shè)計

楊文博

國能黃驊港務(wù)公司 滄州 061113

0 概述

裝船機(jī)是一種具有整機(jī)行走、臂架伸縮、臂架俯仰、溜筒調(diào)平及回轉(zhuǎn)等功能的大型、高效連續(xù)裝船機(jī)械。隨著該港口煤炭目標(biāo)運(yùn)量的逐年增加，作業(yè)密度的不斷加大，裝船機(jī)的安全性要求也越來越高。在裝船機(jī)的各種機(jī)構(gòu)中，溜筒面臨的碰撞風(fēng)險最大。在裝船機(jī)裝艙作業(yè)過程中，由于煤炭需要均衡地鋪在船艙內(nèi)，裝船機(jī)的溜筒需要不斷變換位置來實現(xiàn)均勻碼艙。在船艙沿附近作業(yè)時，裝船機(jī)的溜筒距離艙沿很近，此時若出現(xiàn)人為操作失誤或現(xiàn)場艙口指揮人員指揮失誤則極有可能造成裝船機(jī)溜筒與船艙沿發(fā)生碰撞，進(jìn)而導(dǎo)致溜筒變形，甚至溜筒從裝船機(jī)上脫落的重大事故。這種情況設(shè)備恢復(fù)難度大，恢復(fù)時間長，會給生產(chǎn)帶來嚴(yán)重影響。同時，溜筒與船艙沿發(fā)生碰撞，必然使船舶遭受破壞，進(jìn)一步給生產(chǎn)運(yùn)營帶來很大的負(fù)面影響。

針對上述問題，本文設(shè)計了一種基于編碼器的溜筒防碰控制功能，通過為裝船機(jī)設(shè)置臨時極限限位的方法，可靠地實現(xiàn)了裝船機(jī)溜筒的防碰功能。

1 現(xiàn)有的裝船機(jī)溜筒防碰技術(shù)

1.1 原有防碰技術(shù)原理

為了對裝船機(jī)實現(xiàn)溜筒防碰保護(hù)，以前的做法是為裝船機(jī)溜筒加裝防碰立桿及接近開關(guān)。防碰立桿用來與異物實現(xiàn)提前接觸；接近開關(guān)用來感知防碰立桿的位移情況，即溜筒防碰感應(yīng)開關(guān)。在正常情況下，防碰立桿在橡膠簧的作用下處于自然狀態(tài)，無位移。溜筒防碰感應(yīng)限位正對防碰立桿，感應(yīng)限位正常觸發(fā)，相應(yīng)的PLC數(shù)字量輸入模塊識別的為開關(guān)量為1信號。當(dāng)裝船機(jī)溜筒與異物即將發(fā)生碰撞時，首先會與防碰立桿接觸，進(jìn)而推動立桿發(fā)生位移。此時感應(yīng)開關(guān)感應(yīng)不到防碰立桿，相應(yīng)的PLC數(shù)字量輸入模塊識別的開關(guān)量為0信號。PLC控制系統(tǒng)正是靠判斷防碰感應(yīng)開關(guān)的信號變化，來判斷裝船機(jī)是否即將與艙沿發(fā)生碰撞，從而進(jìn)一步對裝船機(jī)行走動作和伸縮動作進(jìn)行停止控制。

裝船機(jī)控制流程圖如圖1所示，具體控制方案流程為：1）裝船機(jī)做行走或伸縮動作；2）PLC控制系統(tǒng)判斷裝船機(jī)溜筒防碰信號是否為0；3）如果信號為0，則PLC控制裝船機(jī)立即停止行走或臂架伸縮動作；4）如果信號為1，則PLC控制系統(tǒng)繼續(xù)保持對裝船機(jī)溜筒防碰信號的判斷。

圖1 裝船機(jī)控制流程圖

1.2 原有溜筒防碰技術(shù)缺點

原裝船機(jī)溜筒防碰裝置為機(jī)械接觸式，其機(jī)械結(jié)構(gòu)及感應(yīng)開關(guān)均安裝在溜筒周圍。在裝船機(jī)的實際工作中，其溜筒周圍環(huán)境十分惡劣。首先，在裝船機(jī)作業(yè)過程中，溜筒結(jié)構(gòu)因煤塊的碰撞產(chǎn)生劇烈震動，并帶動溜筒防碰裝置產(chǎn)生震動，進(jìn)而對溜筒防碰裝置的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定造成沖擊。在日常使用中，溜筒防碰裝置結(jié)構(gòu)因震動而故障率較高，需要頻繁維修。其次，溜筒上方漏斗撒漏的煤會積聚在溜筒防碰裝置上，長期積存的煤對防碰支架及防碰感應(yīng)開關(guān)造成較大污染，導(dǎo)致防碰感應(yīng)開關(guān)的故障率隨之增高。再次，溜筒防碰立桿及防碰感應(yīng)開關(guān)均分布于溜筒周圍，所處位置不便于其有效性地檢測，在長期使用中的有效性也難以得到保證。同樣，由于溜筒防碰裝置及感應(yīng)開關(guān)所處位置關(guān)系，維修難度亦很大。

綜上所述，原溜筒防碰裝置故障率高，有效性差，日常檢測及維修難度大，這些因素造成該裝置的實用性較差。因此，在裝船機(jī)作業(yè)過程中，溜筒仍處于與艙沿碰撞的大隱患中。

2 基于編碼器的溜筒防碰控制方法原理

2.1 編碼器原理

本文所設(shè)計基于編碼器的溜筒防碰控制功能，需要編碼器提供裝船機(jī)行走位置及伸縮位置數(shù)據(jù)支持。編碼器主要用于運(yùn)動控制，用來檢測角度和位置等參數(shù)，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳送至上位控制器。較早的編碼器多為旋轉(zhuǎn)增量編碼器，由于此類編碼器是通過計數(shù)器計算編碼器在轉(zhuǎn)動時輸出脈沖個數(shù)來測量當(dāng)前位置的，當(dāng)編碼器停電或不轉(zhuǎn)時，重新尋找零點非常困難，給現(xiàn)實中編碼器的實際應(yīng)用造成不便。

為了解決此問題，即出現(xiàn)了絕對值編碼器。絕對值編碼器的光碼盤上刻有多條光通道線，每條刻線依次以2、4、8、16 線等2n編排，這樣對于編碼器碼盤上的每一位置，通過讀取每道刻線的暗與通便可得到一組從20到2n-1 的唯一格雷碼二進(jìn)制數(shù)據(jù)。絕對值編碼器又有單圈絕對值編碼器與多圈絕對值編碼器之分，由于該港口裝船機(jī)的行走范圍與伸縮范圍較大（正常使用時行走范圍為0～500 m，伸縮范圍為2～25 m），故裝船機(jī)上采用多圈對值編碼器。絕對值編碼器的輸出方式可分為并行輸出、串行同步輸出、串行異步總線式輸出、轉(zhuǎn)換模擬量輸出等。由于并行輸出方式具有輸出及時、連接簡單等特點，該港口裝船機(jī)上的編碼器直接將編碼值采用并行傳輸方式至1756-IB32輸入模塊中，控制器根據(jù)編碼器數(shù)據(jù)輸出端的不同位高低電平情況，即可獲知編碼值，得到裝船機(jī)的行走位置和伸縮位置數(shù)據(jù)。

2.2 基于編碼器數(shù)值的臨時軟極限限位原理

1）HMI人機(jī)交互界面

該港口裝船機(jī)所使用的PLC控制系統(tǒng)為Control Logix5000，為了獲得更好的兼容性，這里控制系統(tǒng)上位機(jī)人機(jī)交互界面也使用FactoryTalk View SE進(jìn)行組態(tài)。通過 FactoryTalk View SE可直接掃描到PLC控制系統(tǒng)中的所有變量,方便HMI上位機(jī)畫面調(diào)用及設(shè)置PLC控制系統(tǒng)中的各變量，且該軟件與 PLC 的通信也安全可靠（見圖2）。

圖2 HMI人機(jī)交互界面

2）軟極限限位設(shè)置原理

在裝艙作業(yè)過程中，需要通過裝船機(jī)做整機(jī)行走動作及臂架伸縮動作來實現(xiàn)溜筒位置的移動。由于船艙為內(nèi)陷結(jié)構(gòu)，為了盡可能使物料裝滿艙，溜筒需要在不與船艙沿碰撞的前提下盡量靠近船艙沿進(jìn)行卸料作業(yè)。一般地，溜筒與船艙沿的最小距離約為1.5 m。于是，可將裝船機(jī)溜筒最靠近船艙沿的4個位置用裝船機(jī)行走編碼器數(shù)值及伸縮編碼器數(shù)值進(jìn)行標(biāo)記，標(biāo)記的4個數(shù)據(jù)可作為裝船機(jī)在當(dāng)前艙內(nèi)作業(yè)的4個臨時軟極限限位。

具體軟極限的限位標(biāo)記方法需要現(xiàn)場艙口指揮工與裝船機(jī)操控員共同完成。在裝船機(jī)作業(yè)前，現(xiàn)場艙口指揮工指揮裝船機(jī)做行走及伸縮運(yùn)動，使裝船機(jī)溜筒分別靠近船艙的4個邊沿。同時，裝船機(jī)操控員操作HMI界面上的標(biāo)記按鈕，將裝船機(jī)溜筒到達(dá)4個艙沿極限位置時的行走及伸縮編碼器數(shù)值計入PLC控制系統(tǒng)中相應(yīng)的標(biāo)簽中。如溜筒靠近左艙沿時，將此時行走編碼器數(shù)值存入標(biāo)簽Data_LeftSoftLimit；溜筒靠近右艙沿時，將此時行走編碼器數(shù)值存入標(biāo)簽Data_RightSoftLimit；溜筒靠近前艙沿時，將此時臂架伸縮編碼器數(shù)值存入標(biāo)簽Data_FrontSoftLimit；溜筒靠近后艙沿時，將此時臂架伸縮編碼器數(shù)值存入標(biāo)簽Data_RearSoftLimit。4個標(biāo)簽值所標(biāo)記的位置對應(yīng)S左、S右、S前、S后4個軟極限限位，進(jìn)一步4個軟極限限位則為裝船機(jī)溜筒限定了安全作業(yè)區(qū)，如圖3所示。

圖3 船艙極限位置標(biāo)記示意圖

2.3 基于軟極限限位的裝船機(jī)行走及伸縮控制原理

裝船機(jī)溜筒位置的移動靠裝船機(jī)做整機(jī)行走動作及臂架伸縮動作實現(xiàn)，所以控制裝船機(jī)溜筒不與船艙沿碰撞其實就是控制裝船機(jī)整機(jī)行走動作及臂架伸縮動作及時停止。基于軟極限限位的裝船機(jī)行走及伸縮控制原理如圖4所示。裝船機(jī)PLC控制系統(tǒng)實時判斷當(dāng)前行走編碼器數(shù)值和伸縮編碼器數(shù)值是否在之前標(biāo)記的4個極限限位數(shù)值之內(nèi)，如果在范圍內(nèi)，則裝船機(jī)可隨意做整機(jī)行走或臂架伸縮運(yùn)動；如果超出該數(shù)據(jù)范圍，則禁止裝船機(jī)向臨時軟極限限位外側(cè)繼續(xù)移動，即圖4所示的溜筒安全作業(yè)區(qū)內(nèi)裝船機(jī)可隨意通過行走動作及臂架伸縮動作變換溜筒位置；超過安全作業(yè)區(qū)的，則禁止裝船機(jī)做行走動作或臂架伸縮動作。由于溜筒安全作業(yè)區(qū)范圍小于船艙艙口范圍，故在該區(qū)域內(nèi)作業(yè)時溜筒不會與船艙沿發(fā)生碰撞。如果裝船機(jī)要移倉操作，裝船機(jī)操控員可通過HMI界面取消設(shè)置的4個臨時軟極限限位，以解除該軟極限限位對裝船機(jī)行走及臂架伸縮動作的限制。

圖4 基于軟極限限位的裝船機(jī)行走及伸縮控制原理圖

綜上所述，通過為裝船機(jī)設(shè)置當(dāng)前作業(yè)艙的臨時行走及臂架伸縮動作極限限位的方法，可使裝船機(jī)溜筒一直處于安全作業(yè)區(qū)，進(jìn)而能夠避免裝船機(jī)作業(yè)過程中溜筒與艙沿碰撞事故的發(fā)生。

3 結(jié)語

本溜筒防碰控制功能已在該港口裝船機(jī)上全面應(yīng)用，效果良好。該功能原理及流程控制簡單，PLC編程易于實現(xiàn)，故具有很高的可推廣性。