基于煤位連續檢測的煤倉塊煤精準落煤自動控制系統設計

趙亞坤，王然風，付 翔

(太原理工大學 礦業工程學院，山西 太原 030024)

選煤廠生產工藝中各環節設備通過技術改造，實現自動化、無人化運行，是智能化選煤廠建設的必由之路[1]。煤倉是選煤廠洗塊煤的存儲中轉地點，配倉小車是煤倉的入倉設備。對于二者而言，主要的技術工作是煤倉倉位信號檢測以及配倉小車自動化運行。目前選煤廠煤倉主要的模式是：在煤倉中的固定位置上安裝超聲波倉位監測裝置或者重錘式傳感器[2]，以獲取倉位信號；配倉小車控制則是全程人工操作。由于煤倉倉內面積大，需要安裝的倉位監測裝置數量多、維護成本大且倉位信號分散，操作人員肉眼觀測易出錯；煤倉倉上軌道距離長，崗位司機隨車奔走手動控制配倉小車，勞動強度大、危險系數高。

對于煤倉配倉以及配倉小車控制，近些年國內外的研究多數集中于倉位信號分析[3]或者小車行動特性控制[4]，對于移動過程中隨車檢測倉位信號以及根據倉位信號實時動態控制小車動作，并沒有深入探究。本設計基于上述現實問題，提出一種根據移動過程中煤倉內部倉位的動態變化，實時自動控制小車運行及落煤配倉的新型控制模式，實現配倉小車控制無人化、倉位信號隨車檢測移動化。以求在解決現實問題的同時，更加合理、穩定且高效地契合智能化選煤廠建設。

1 系統原理與關鍵技術

1.1 工作原理

該系統是以煤倉內倉位動態變化情況作為配倉小車運行、落煤配倉的決定信息，根據現場生產情況，在倉內設定兩條基準線，分別為防止堆煤事故的堆煤安全高位以及減少塊率損失的保證塊率低位，在兩線之間為倉內允許落煤配倉范圍。另外出于配倉小車定位要求的考慮，通過在倉上軌道一側安裝定位傳感裝置，構建小車定位傳感網絡。

系統工作原理為：在開啟膠帶輸送煤流之前，首先啟動配倉小車在煤倉上行走一遍，隨車安裝的倉位檢測裝置在移動過程中檢測倉位信息。配倉小車車輪上以機械方式安裝轉動記圈裝置，記錄車輪轉動圈數，從而計算出小車行進距離。這樣在生產前，通過倉位監測裝置與轉動記圈裝置的協同測量，得到倉內料堆分布情況與倉上落料區間。在開啟膠帶輸送煤流時，配倉小車便可以直接運動至落料區間卸倉，如圖1所示。

圖1 系統工作原理圖

1.2 關鍵技術分析

1.2.1 移動檢測倉位

在小車移動過程中準確檢測倉位，并將倉位信息與小車運行控制過程相關聯，這一技術能否實現是本系統設計的一個關鍵問題。隨車安裝的倉位檢測裝置通過收發天線發送接收束頂角θ的檢測信號，信號為束波形向煤倉內探射。該束波打在倉中煤堆上為平面圓形，投射在小車行進方向上則是一段橫向距離，分析中稱為有效測量橫距，用L表示。隨著填倉過程的進行，煤堆高度不斷增高，煤堆煤位至倉口的高度，分析中稱為H。有效測量橫距L隨煤堆高位至倉口高度H變化而變化。因為倉位檢測過程是移動的，為了確保在檢測信號收發往返時間T(由信號頻率f計算得出)內，倉位檢測裝置可以及時、準確地收取該探射范圍內的煤位，因此小車的實時移動速度V也要隨L與H的變化而變化。最終實現小車在速度V下行駛，始終在有效測量橫距L內。測量過程如圖2所示。

圖2 移動檢測倉位示意圖

1.2.2 倉內料堆堆形顯示及倉上落料區間

通過隨車安裝倉位檢測裝置獲取的倉位信息協同轉動記圈裝置記錄計算的小車行進距離，可以得到煤倉倉內煤位圖形畫面和倉上落料區間。具體技術路徑為：轉動記圈裝置記錄小車車輪轉動圈數，記為N，與配倉小車車輪輪徑計算的周長結果R，相乘得到配倉小車行進距離D=N×R。記錄車輪每轉動一圈時得到的倉位數據，可以建立倉上橫向距離上與倉內倉位的一一對應關系，在組態畫面上便能夠顯示倉內煤位圖形。另一方面，在配倉小車行進一遍后，由倉上位置與倉內倉位的對應關系，同時可以獲知落料區間，具體為：根據倉位檢測裝置探測的倉位數據，將相鄰兩個倉位數據進行比較，落差大于等于2m的即判定為落料區間。該設計實施地點晉煤集團趙莊礦選煤廠的塊煤煤倉深20m，寬12m，小車車輪轉動一圈行進0.63m，倉內料堆特點是煤峰與煤峰之間有凹形。填滿一個長0.63m，寬12m，高2m的區域后，再接著探測下一倉位，將煤峰間的凹形填滿。通過連續落料，最大程度提高填倉率。如圖3所示，a1為煤倉一個倉位點，下一個倉位點a2之間落差h≥2m，則a1與a2之間的區域即為倉上一個落料區間G1，后續倉上落料區間以此類推。

圖3 倉內煤位顯示及落料區間示意圖

1.3 建立控制過程模型

根據對移動檢測倉位技術問題的分析，可以建立配倉小車控制檢測過程的數學模型，主要變量即為：有效測量橫距L、煤堆高位至倉口高度H、倉位檢測裝置信號頻率f以及信號收發往返時間T。由倉位檢測過程中信號波束的垂直平面投影分析及配倉小車運動變量之間的數學函數關系，在該模型內推知函數表達式，得到小車速度實時值V。信號波束的垂直平面投影分析圖如圖4所示。

圖4 信號波束的垂直平面投影分析圖

從圖4中對變量之間圖形邊角關系可以得到計算式：

由函數關系式(1)可以倒推出L的計算式：

由檢測信號頻率f得到的信號收發往返時間T計算式：

由運動關系得到的配倉小車速度實時值V的計算式：

分析上述四個計算式，將(2)(3)(4)三式聯立便得到配倉小車速度實時值V的表達式：

式(5)即為在配倉小車控制過程數學模型下得到的速度實時值V，隨著填倉過程的不斷進行，H連續變化，小車速度實時值V也隨之不斷調整以滿足設計要求。

2 系統設計

2.1 系統組成

根據該設計的系統原理，為實現設計目的及滿足現場工況要求，以西門子1200PLC搭配若干輸入輸出模塊為控制核心，輔助以高頻雷達料位計、增量型旋轉編碼器及接近開關等傳感監測器件。因配倉小車移動性及操作人員安全問題考慮，本設計采用兩個控制柜，一個固定在配倉小車上隨車移動，另一個固定在人行道上，方便操作人員安全控制。由于配倉小車處于移動狀態，有線線纜長度過長且易掛斷，因此兩個控制柜之間采用防爆無線網橋搭配120°收發天線，以Wi-Fi無線通訊方式取代有線通訊。為完善小車生產運行的需要，設計中也配備了抱閘抱軌裝置、卸料擋板升降裝置等機械設備。系統各部分組成如圖5所示。

圖5 系統組成示意圖

1)高頻雷達料位計，隨車安裝在配倉小車底部，跟隨小車移動檢測倉內煤位。通過發射高頻雷達信號，能夠準確且實時動態地獲取倉位信息，克服傳統超聲波料位計信號煤塵穿透性欠佳、獲取躍變倉位信號有延遲的缺點。選取的雷達料位計信號發射角為4°，則式(5)即為：V=2Hftan2° 。

2)增量型旋轉編碼器，是組成配倉小車定位傳感網絡的核心裝置，按照機械軸接方式安裝在小車車輪上。該裝置可以根據A相和B相的輸出關系判斷配倉小車行進方向，另外它的記圈功能也能記錄配倉小車車輪轉動圈數，從而通過與車輪輪徑的函數關系得到配倉小車的行進距離。

3)接近開關是配倉小車定位傳感網絡的重要組成器件。它是一種磁電信號感應裝置，小車車身安裝若干個探測探頭，在煤倉軌道一側的桁架上等距離固定安裝磁鋼。小車經過磁鋼時，探頭會收到電平信號，可以更加準確地監測小車位置。

配倉小車速度實時調節的實現，是借助PLC電流輸出模塊，根據速度調節范圍由輸出模塊輸出相應電流。該電流作用于變頻器上，由變頻器輸出信號給小車電機，從而實現速度調節功能。

具體實現路徑為：首先根據煤倉堆煤安全高位及保證塊率低位這兩個極限位置，設為Hmin與Hmax。由式(5)計算出對應速度實時值Vmax與Vmin。選取的PLC輸出模塊為電流輸出模塊，輸出4～20mA的電流信號，Vmin對應4mA電流信號，Vmax對應20mA電流信號，建立兩個變量間的函數對應關系。PLC輸出模塊輸出電流信號給變頻器，通過變頻器實時調節小車電機轉速，從而控制小車行走速度，實現設計要求。

2.2 配倉自動化工藝流程

在集中啟動膠帶之前，首先啟動配倉小車在倉上行走一遍，在組態畫面上生成倉內料堆圖形后，正式啟動膠帶輸送煤流，同時配倉小車開始運行。配倉小車隨車身安裝有雷達料位計，高頻收發倉位雷達信號，根據首次行走得到的倉內料堆圖形及落料區間，小車通過PLC中的速度調節程序，在高倉位不需落煤的區域，由式(5)得到的速度快速越過，行進至落料區間則自動調節速度，在落料區間內雷達料位計檢測落料點，在落料點處小車完成落料卸倉過程。隨著填倉過程的進行，當探測到倉位到達高倉位時，小車完成停止落料流程，同時開始移動，依據落料區間信息尋找下一個落料區間。控制過程流程如圖6所示。

圖6 控制過程流程圖

3 運行效果分析及數據誤差處理

3.1 運行效果分析

設計在完成后，即在晉煤集團趙莊礦選煤廠煤倉現場進行工業性試運行。總體而言，煤倉塊煤精準落煤自動控制系統設計實現了目標要求，功能上已經達標。但對于配倉小車運行特性而言，有兩個指標數據集合有誤差，以現場情況看并沒有對配倉小車的運行產生實質影響，但為了控制系統整體的準確性，也要對它們進行相應處理以減小誤差影響。這兩個數據集合誤差分別是：

1)配倉小車定位誤差。由于自身慣性以及軌間摩擦力作用的原因，增量型旋轉編碼器得到的配倉小車行進距離與接近開關固定位置之間有定位誤差。

2)雷達料位計倉位誤差。雷達料位計安裝在小車上隨車移動，由于配倉小車在運行過程中產生小幅振動，使得收取的煤倉倉位數據有部分跳動。

由于配倉小車在運行過程中車身振動幅度大致穩定，因此雷達料位計倉位誤差是相對穩定的，通過現場運行實驗觀測，數據誤差穩定在±1cm左右。采用機械方式支撐加固料位計安裝，并且在PLC中編寫±1cm數據糾正程序，就可以最大程度減小數據跳動，提高倉位檢測準確度。因此后續重點說明配倉小車定位誤差分析處理，不再贅述雷達料位計倉位誤差處理。

3.2 配倉小車定位誤差分析處理

通過對配倉小車運行效果分析，定位誤差主要來自于配倉小車自身慣性以及軌間摩擦力作用，因此該類誤差屬于隨機誤差，具有相互抵償性。

4 結 語

基于選煤廠煤倉配倉落料過程及配倉小車運行問題的現實情況，設計了一套煤位連續檢測的煤倉塊煤精準落煤自動控制系統。不同于傳統的倉位檢測和配倉小車控制方式，本系統是根據配倉小車移動過程中檢測倉位的技術問題，建立了數學模型，由模型得出的配倉小車速度調節公式反向同步調整小車運行速度，使得工藝上更加完善、合理。現場的運行也表明，本系統運行平穩，控制模式符合工藝要求，實現了配倉精準落煤和配倉小車運行控制自動化、連續化，同時減少了傳感器件用量，降低了維護成本，節省了人力物力。另外本系統設計中的模型分析，是移動過程中的信號有效采集問題與設備運行控制問題的協同處理，將兩個問題融合在一個模型中加以解決，這種分析方法，對于其他同類型的生產設備自動化改造具有參考意義，可以為智能化選煤廠建設中的設備協同自動化控制提供一定的思路。