基于PLC智能控制的某球團廠放料測試研究

姚宗旭,張維國,郭 帥,張海勝,葛啟發,2

(1.中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038;2.北京科技大學 土木與資源工程學院,北京 100083)

0 概述

球團廠鐵路運輸是生產運輸的核心,放料裝車作為生產工藝過程中的一道非常重要的工序,裝車效率直接影響著球團廠產量和生產效率。傳統的球團廠放料作業是通過現場人工操作或繼電器、接觸器控制,操作人員均需要依靠經驗啟停放料斗,導致放料噸位難以精確控制,需要多次往返于磅房與料倉之間,滯后的技術手段和設備設施都已嚴重影響球團廠的生產效率。另外放料作業容易受到環境因素(如粉塵、氣霧、光線等)影響,同時也存在現場作業人員接觸粉塵導致職業危害的可能。因此,為提升車間作業效率,改善工人作業環境,對球團廠放料裝車系統進行升級改造十分必要。

多年來,科技工作者對放料裝車開展了廣泛的研究。朱佩[1]開發了基于人工智能的罐車裝料口視覺跟蹤系統,無論在普通環境下或者在復雜環境下,都能夠準確地輸出罐車進料口的坐標位置,實現對進料口的穩定跟蹤；王露[2]研發出用于完成灌裝工序中各項任務調度的控制系統,具有實時監控,綜合管理生產數據,合理分配調度資源等功能；韓輝[3]設計實現了一種新型的水泥發運系統,很好地解決了水泥廠車輛亂行無序,管理混亂的問題；劉旭玲[4]設計了基于CAN總線的高爐上料數據傳輸系統,可適用于中小型現場總線通信,可以推廣到其它相關工業行業和領域應用；陳玉娟等[5]設計了基于Controller Link網絡的PLC與智能終端、上位機的通信方法,所涉及的自動裝料裝置極大提高了裝料效率和裝料量；宋志宏[6]設計一套以PLC為控制核心的煤炭自動裝車控制系統,并利用工控機作為上層監控核心設備,系統可實現無人干預下的自動裝煤,且可實現裝載量恒定；張宏洲等[7]介紹了在線式智能自動裝車機,這是水泥行業解決水泥生產工藝全流程控制的最后環節,可以取代人工裝車系統實現自動裝車,提升水泥行業的智能化水平；馮亮[8]基于PLC設計出一種裝車自動化控制系統,可實現對裝煤高度、裝煤起始、終止位置、裝煤量等信息自動監測；董志明[9]對煤炭快速裝車系統的檢測與控制技術所取得的成果進行總結,并對相關系統及技術的發展趨勢進行展望。

綜上所述,以往研究成果主要從裝料系統組成、PLC控制、傳感器技術等開展了局部研究。本文針對某球團廠開發的智能放料系統進行了實際應用檢測,重點圍繞裝料重量的精確性進行分析,并闡述了影響裝料精度的原因,為今后裝料系統的改進提供借鑒。

1 硬件系統組成

某球團廠開發完成的球團智能放料系統,主要由通訊系統、自動控制系統、料位檢測系統、視頻監控系統等組成[10]。通過搭建放料站至控制室的以太網環網通訊系統,采集放料站的現場料位、視頻等信息,實現全流程自動放料裝車和遠程遙控補料操作[11]。主要硬件組成如下：

1.1 激光雷達測量裝置

激光雷達安裝在料倉下部,總共安裝3個雷達。1號和2號雷達進行礦車車廂側面物料的掃描,3號雷達進行車廂橫截面的掃描,最終通過三個雷達的計算,核算出車廂內的物料體積[12]。三個雷達安裝位置如圖1所示。

圖1 激光雷達安裝位置

1.2 PLC控制系統

PLC作為通用工業控制器,具有可靠性高、抗干擾能力強、功能完善、適用性強、開發周期短等優點[13]。本放料控制系統目前仍然處于測試階段,暫時將控制器放置于操作箱內,如圖2所示。

圖2 PLC控制系統

1.3 工業控制計算機終端

本次球團廠放料測試,由于處于測試階段,暫時將工控機終端放置于操作箱下部,如圖3所示。

圖3 工業控制計算機終端安裝位置

2 球團放料現場測試

2.1 現場情況

某球團廠成品倉物料主要分為三種類型：A類型、B類型、C類型。其中A類型屬于內發鋼球,憑借裝車工經驗一次裝完,并且符合要求。B類型和C類型屬于外發鋼球,裝車噸位需要控制在2噸以內。憑借裝車工經驗不能一次裝完,需要多次到軌道衡稱重(3～4次左右),重復加料,最大時間高達8小時。

裝車噸位需要控制在60～70 t,使用開發的球團智能放料系統控制放料,每個料倉有4個放料閥門,通過激光雷達掃描計算車廂裝料重量,與軌道衡稱重的重量進行對比,直到誤差在2 t以內才能外發。

考慮到該球團廠現場生產和發車要求,特別是現場環境的限制以及裝車質量精度的要求,結合所提出的智能放料系統解決方案,對球團成品倉裝料過程進行了為期2個月的調研、測試、開發和應用研究。

2.2 測試過程

按照自動控制的條件要求,測試環境需要考慮以下情況：

(1)礦車進入料倉時,盡量保證車內無物料,用水槍將車廂外側沖洗干凈,車廂底部有坑洼的地方盡量少積水。進入第一個成品倉,開始以正常裝礦速度(1 km/h)行駛,并需要一次性通過全部車廂。

(2)裝完料后,礦車通過軌道衡時,需保持9～11 m/s的速度通過。

(3)物料盡量保持冷卻,減少霧氣和灰塵的出現。

根據現場大量調研和前期數據的采集、算法優化和系統開發,在開發完成整體測量和控制系統的基礎上,對現場裝車過程總共做了12次測試分析,并針對人工裝料環境進行了9次測試和數據分析,按照自動控制的條件進行了3次測試并對數據進一步分析,得到了較好的測試結果,基本按照測試計劃完成了測試的各項指標,達到了測試要求。

以2020年12月16日測試為例,當天測試了14節車廂重量,共有三節車廂超出2噸范圍,車廂號為4172147與測試序號4誤差2.55 t,車廂號4172283與測試序號7誤差2.3 t,車廂號4172153與測試序號10誤差2.7 t,其余全部符合標準。測試數據如表1所示。

表1 現場測試數據(2020年12月16日)

根據偏差值繪制誤差曲線,如圖4所示。

圖4 放料重量與軌道衡偏差

2.3 結果分析

根據測試結果,有個別數據點的計算值與軌道衡實際測量值有偏差。經過實際測試和分析,主要因為軌道衡誤差、球團密度誤差、車廂內外殘留物誤差所導致。

(1)軌道衡誤差

軌道衡在稱重過程中,使用相同速度通過軌道衡時可能存在一定誤差,軌道衡稱量的重量不是用總重量減去實際車廂重量,而是減去一個固定重量值。該固定值是車廂的額定重量,但車廂的實際重量可能與固定值有偏差。

(2)球團密度誤差

目前球團密度值通過多次測量計算得出,但從測試結果分析,仍然具有一定偏差。因此在系統正式投入運行后,可通過信息管理系統,結合生產計劃對每次裝車的球團密度進行動態校正,可大幅度降低裝車的測量誤差。

(3)車廂內外殘留物誤差

礦車車廂內部有遮擋或異物,以及車廂內殘存的球團都會對測量有一定影響,造成掃描的體積不準確。同時,現場裝料結束后,會沖洗車廂兩側殘留的物料顆粒,沖水的重量是在智能放料系統測量完成后增加的工序,部分沖洗水的混入會影響軌道衡測量的球團重量。

3 結論

傳統球團放料作業存在效率低下,作業環境惡劣等問題,對球團廠放料進行智能化升級改造勢在必行。某球團廠在現場部署通訊系統、控制系統、料位檢測系統、視頻監控系統等建立了球團智能放料系統,本文通過系統的數據通信、控制邏輯判斷等功能,結合后臺的數據統計結果,驗證了所開發的智能放料系統能夠滿足球團廠的基本控制策略。從測試數據可以看出,使用激光雷達的檢測系統可以實現裝車過程中的體積檢測。

從測試數據分析,測試結果較準確,基本按照測試計劃完成了測試的各項指標,達到測試要求,對智能放料系統的技術方案和檢測設備進行實際應用檢驗,為后續成品倉實施智能化裝料系統提供了可靠的技術支撐。