基于PLC 的取料機配料分檔調速設計

王偉

（唐山曹妃甸煤炭港務有限公司，河北唐山，063000）

0 前言

回轉式斗輪取料機是一種高效大型連續取料機械，在散貨碼頭、鋼鐵廠、大火力發電廠和礦山等的散料堆場應用較多，主要用于砂石、煤炭、礦物質的裝卸過程中。我國大陸的上海、廣州、秦皇島、日照、南京等港口均已擁有這種機械。穩定的瞬時取料量是衡量取料作業是否高效安全的重要指標［1-2］，但由于取料機操作人員的控制手法與技能水平差異，瞬時流量穩定性往往差異很大。在煤炭等散料運輸過程中，又往往需要進行不同比例的配料作業，瞬時流量較小時更不易操作，因此本文針對取料作業過程中的控制難點進行分析，設計了一種簡單高效的提升小流量作業穩定性的系統，整體設計框架如圖1 所示。

圖1 整體設計框架

1 設備環境簡介

本系統有幸于某國內大型煤炭港口進行調試與使用，由于市場需要配煤作業相對較多，該港口使用的額定取料能力6000t/h 的回轉式斗輪取料機，可進行回轉、走行、俯仰等動作，其中回轉、走行機構為變頻驅動，采用回轉、進車、再回轉的取料方式，操作人員通過手柄對各機構起停與速度控制。本系統涉及的主要設備有模擬量輸入手柄、1756 系列PLC、西門S120 系列變頻器、驅動電機及FactoryTalk View SE 上位界面。

2 系統程序設計

■2.1 自動調速原理

為提高保證配煤作業精度，對取料瞬時流量要求較高。在取料過程中,前后兩次懸臂運動軌跡呈現為兩條平行交叉的弧形,造成取料進尺實際距離與回轉角度具有一定的函數關系[3](回轉角度越接近90°,取料進尺深度越小)。同時取料瞬時流量還有取料時每層的俯仰角度差與回轉速度有關。設取料瞬時量為f，單位t/h;煤密度設為p；取料進尺距離是斗輪運動軌跡法線方向上的距離,設為Δ；每層的俯仰角度差也是每層取料的高度,設為g；回轉速度是取料點的線速度,設為v，則：f=pΔgv，取料機取料軌跡如圖2 所示。

圖2 取料機取料示意圖

圖2 中：r為取料機回轉半徑；H為取料機大臂長度；L為單機進尺距離；Δ 為進尺深度。由圖2 可得:

最終有f=p·g·v·L·cosθ

從上述公式可知,再去取料過程中，如果p、g、v和L固定不變，（這也符合取料過程中操作人員的操作方式），則取煤流量f只與回轉角θ有關。因此固定的回轉速度并不能滿足穩定的瞬時取料量的要求，但是如果能夠確定在接近0 度時某一流量要求的基本速度v0,然后將v0以cosθ 的變化方式變換輸入到變頻器速度控制器,就可保證上煤流量比較均勻。根據公式有：V=v0/cosθ。

同時考慮到越接近90 度時，1/cosθ越大，因此需要限制v 的最大值，避免驅動設備損傷。同時由于取料過程中垛型復雜、煤種原因易造成塌垛、火煤、凍塊等特殊情況，因此不能增加司機減速、停止回轉動作的難度。即v0的選擇不由程序設定，仍由司機手柄保持不變來選擇，同時手柄歸零、降低速度仍然有效。

■2.2 分檔控制邏輯

取料機操作人員控制回轉速度的模擬量手柄為±10V輸入，在PLC 內變化范圍為0～16500，對應變頻器0 到50Hz。可實現無級別連續變速。但手柄的可動范圍有限為前后10cm，當配煤作業要求較小的取料流量時，相同進尺距離下，手柄需保持在成比例較小可動范圍內，無疑增加操作難度，同時也增加了瞬時料流的不穩定性。

因此從安全及司機操作便捷的角度考慮，基于司機操作經驗及公式計算結果，按照不同流量在PLC 內將回轉速度分為3 個不同的檔位，分別適應于1000～3000t/h，3000～6000t/h，6000t/h 或特殊垛型。

邏輯設計：

對回轉速度具體調節情況如下：

（1）在調度中心對取料機的取料信號未發送時，取料機回轉速度不受旋鈕檔位控制，與調整之前沒有差別，取料機原最大速度給定值仍為12000，不受限制；

（2）在中控給取料機發送取料信號后，取料機回轉速度受旋鈕檔位控制，分別限制回轉角度0 度和180 度回轉最大速度為原來的30%、40%、60%，此后隨著回轉角度向90 度靠近回轉最大速度逐步增加至原最大速度的83%，即向變頻器輸出給定值10000，之后不會繼續增長。

■2.3 程序設計及優化

解決了流量控制問題的邏輯后，如何快速的找到要求流量所需要的初始速度v0，則顯得很重要。取料機上皮帶秤是觀察瞬時流量最直觀、準確的方式，也是港口類企業計量散貨的重要設備，皮帶秤需要安裝在皮帶較水平的部位，要求較高，因此距離斗輪一般較遠，瞬時流量的顯示與懸臂皮帶前端的斗輪具有明顯的時間差，因此不能作為司機快速直接的觀測手段。

通過分析可知，取料量的多少其實也反應為斗輪驅動電機做功的多少，引入斗輪功率變量也可以與瞬時流量相對應[4]，通過采集斗輪功率與皮帶秤波峰波谷的對應關系可得出本文涉及的取料機斗輪功率對應12s 后的皮帶秤數值。通過計算進行確認：斗輪轉速為6r/min,則斗輪轉半圈的時間為60/6/2=5s，皮帶秤位置為皮帶25m 處，懸臂總長55m，皮帶轉速為4.8m/s，則料流通過皮帶到達皮帶秤的時間為（55-25）/4.8=6.25s，計算出總時間約為5+6.25=11.25s，再加上料流由斗輪頂端約3m 落下到皮帶的時間（不到1s），得出總時間約為12s。反應到圖像，也就是皮帶秤數值對應斗輪功率滯后12s，那么確定一個皮帶秤數值Q，通過找其12s 之前的斗輪功率數值P 來進行對應。經過了大量數據記錄匯總，使用MATLAB 在多組數據比對與擬合，并與現場結果反饋，最終得以Q=KP+b中K與b的具體數值。同時發現針對不同煤種與設備，K與b雖然有所變化，但通過司機人工修正可以大幅減少，因此K與b最終選擇了具有通用性的一組數值。

在PLC 計算轉換后將斗輪功率擬合后的瞬時流量值通過FactoryTalk View SE 編輯后即可顯示在操作人員人機交互界面中，用以確定最準確取料瞬時流量，指導作業。

PLC 自動調速整體程序編譯如圖3 所示。

圖3 程序可分為兩部分：回轉角度余弦值計算與速度值給定。

圖3 PLC 自動調速整體程序編譯

回轉角度余弦值：取料機回轉角度可分為右轉0 至負180 度與左轉0 到正180 度，計算流程為取當前回轉角度，回轉角度取絕對值，回轉角度轉化為弧度，然后即可取對應弧度余弦值。

速度值給定：回轉速度給定分為兩種情況，取料作業與非作業狀態，可根據調度指令中是否允許工作開關量點判斷。非作業狀態，回轉速度不受檔位與回轉角度限制，直接手柄輸入值將下發至變頻速度控制器；取料作業狀態，則根據檔位將手柄輸入值乘以倍數限制，然后除以余弦值得到調整速度值，然后通過比較調整速度值與最大速度限制10000的大小，使得調整速度值不能超過最大速度限制，然后將調整速度值下發至變頻速度控制器，完成回轉速度調節，即使手柄位置不變，回轉速度也能根據回轉角度自動變化以滿足瞬時流量的穩定。

同時根據本文良好的調試使用結果可以推測，如果層高合理，垛型規整，那么用斗輪功率與回轉速度做閉環控制，也可以做到穩定流量的結果，但需要人工輔助判斷回轉方向的變換；如果能夠通過垛型掃描、距離測量的可靠手段辨別回轉方向的轉換時機，那么全自動化的取料作業及料流控制也將成為可能。

■2.4 系統應用效益

取料機精準取料操作有效地提高了作業效率與作業質量，對企業競爭力提升大有幫助，對節能減排，節省電能、人力、物力均有有效地節約了資源，減少了浪費，響應國家節能減排的號召，堅持可持續發展，同時對運輸港口的經濟高效運行貢獻出了一份力量。

3 結束語

本系統為取料機配煤加入了回轉分檔及調速。回轉分檔可適用于不同配煤比例下的流量控制，回轉調速將cos 曲線線性調節引入到角度調速過程中，使不同角度的流量控制更加精準便捷。同時在司機室操作屏增加實時性更好地擬合瞬時流量，直觀高效，更大程度地減輕了司機的工作強度，提升了工作效率。

雖然本文中對cos 曲線線性調節與斗輪擬合瞬時流量的應用比較簡單，但在一定程度上驗證了PLC 自動調速控制流量穩定性的可行性，并為PLC 閉環控制瞬時流量提供了數據支持與研究方向，同時對同行業、類似設備自動化控制也具有一定參考價值。