基于格雷母線的環冷機散料小車控制系統

趙曉凱

（山西首鋼國際工程技術有限公司，山西長治 046000）

首鋼長鋼燒結廠200 m2燒結機冷卻設備為230 m2環冷機，環冷機卸灰系統是將環冷工序風箱中存儲的細小燒結料通過卸灰閥卸到環冷小車上，然后再將環冷小車存放的燒結料運至皮帶上。環冷機冷卻風道下部有22個灰斗，每個灰斗均有1個雙層卸灰閥，在閥下部有1個卸灰環道及1臺裝灰小車，環冷機卸灰系統原設計為手動卸灰，需要卸灰時，全部由崗位在現場手動操作卸灰閥和卸灰小車。首先要憑經驗判斷哪個灰閥的灰滿，需要卸哪個灰閥的灰，然后將小車開到相應的灰斗下部，再打開蝸頭閥，灰斗電動撥桿帶動蝸頭閥進行卸灰。當小車的灰卸滿時，再將小車手動開到下料口，下料口附近的軌道撞鐵撞開小車下部閘門，小車開始向皮帶卸灰。每次卸灰時，崗位要來回對小車和卸灰閥進行操作。此種操作方法隨機性大，崗位勞動強度大，現場作業時間長，不可避免地出現灰斗內灰滿而未及時卸灰的現象。為擺脫環冷機手動卸灰的落后控制方式，提高現場自動化水平，需要研究環冷機自動卸灰方法。

卸料小車實時控制采用格雷母線位置檢測裝置，將實時位置檢測信號傳送給系統PLC，系統PLC 借助實時位置檢測信號控制小車運行。該技術具有投資少、技術成熟的特點，現已得到成熟的應用。使用格雷母線位置檢測技術，可以提高卸料效率，節約成本，保護設備；同時降低工程勞動強度，保護崗位操作人員身體健康；杜絕各類生產安全事故及質量事故的發生；提高自動化控制水平和信息化管理水平，提升企業形象，提高企業產值和競爭力。

1 工藝流程

地坑內設置環形軌道，環形軌道上安裝移動卸料小車，移動卸料小車上方帶接料口，用于接受散料，小車下方帶電動翻板閥，用于卸料。

小車供電采用環形安全滑觸線，小車位置檢測采用格雷母線。

格雷母線位置檢測系統主要由車載柜、地面柜、格雷母線、中控柜四部分組成。車載柜安裝在移動卸灰小車上，通過無線天線向地面柜發射信號；地面柜安裝在現場，用于采集地址、運行狀態、故障等信號并發出控制信號驅動各卸灰閥、卸料小車等運行；中控柜設置在環冷休息室，用于監控現場各設備的狀態和發出下料指令，同時與系統PLC 進行以太網通信，將各卸灰閥、卸料小車的工作狀態及故障代碼發送給集中控制系統，并給出控制命令驅動相關設備自動運行。

移動卸料小車按照設定的周期，自動運行到設定的卸灰閥下方，定位后，卸灰閥自動運行一個排空周期，將灰倉的灰排到小車灰斗中，卸灰閥完成排空動作周期后，小車開始自動行走到指定終點位置，將小車灰斗的灰排空，然后返回到下一個灰倉卸灰閥下方，進行卸灰。

2 系統組成

散料自動卸料系統中為實現移動卸料小車的自動控制，需在現場添加許多用于檢測的傳感器和控制單元，根據所完成的功能可將系統硬件分為4個部分。

2.1 自動化系統

主要包括PLC 柜、格雷母線定位裝置、UPS、工業計算機。通過在移動卸料小車走行軌道旁邊安裝一條定位編碼電纜，以及在車上安裝感應天線箱，結合感應無線位置檢測技術和感應無線通信技術，能實時檢測到移動卸料小車的絕對位置，精準度高（5 mm），且穩定可靠（誤碼率10-7）。自動化中控部分負責現場信號采集、信號分析過濾、信號邏輯處理、算法處理與外部連鎖系統接口通信，以及負責現場動畫監控、HMI 遠程操作、HMI 自動操作、系統設置和記錄日志報表自動生成等。

2.2 工藝系統

主要包括移動卸料小車和電動雙層卸灰閥。

2.3 電氣系統

主要電氣設備包括環形滑觸線、動力配電柜、車載操作箱和機旁操作箱。

設動力配電柜1臺，為卸料小車、電動雙層卸灰閥及PLC 系統提供電源；卸料小車上設車載操作箱1個，內設卸料小車移動用低壓交流變頻器、卸料小車抱閘電氣主回路、小車灰斗電動翻板閥電氣主回路、格雷母線車載箱電源出線斷路器；散料口下22個電動雙層卸灰閥共設5個現場機旁操作箱，機旁操作箱安裝于環冷機環形卸料地坑上。

2.4 監控系統

用于實時監控和顯示小車位置及各卸料口卸料情況。

系統硬件組成如圖1所示。

圖1 系統硬件組成

3 格雷母線定位系統

3.1 工作原理

利用最簡單的單匝線圈的感應原理，當天線箱線圈中通入交變電流時，在天線箱附近會產生交變磁場。格雷母線近似處在一個交變的、均勻分布的磁場中，每對格雷母線芯線會產生感應電動勢。發射單元地址信號通過電磁耦合方式傳送到格雷母線的感應環線上。

3.1.1 位置檢測單元原理

地址檢測單元對接收到的信號進行相位比較。交叉線的信號相位與平行線的信號相位相同，地址為“0”；交叉線的信號相位與平行線的信號相位相反，地址為“1”，這樣感應的地址信息是格雷碼排列，永不重復，由此確定移動站在格雷母線長度方向上的位置。

3.1.2 數據通訊單元原理

在格雷母線中增加兩對感應環線用于數據通訊，通過電磁耦合在發信機和收信機之間傳送信息，信息使用頻率鍵控（FSK）方式調制，使用相干解調，通信誤碼率為10-7。數據通信單元包括發信機、天線箱、收信機、感應環線等。

3.2 格雷母線系統組成

格雷母線定位裝置由四大件構成：格雷母線、天線箱、地址編碼發生器、地址解碼器。

3.3 格雷母線技術參數

格雷母線技術參數見表1。

表1 格雷母線技術參數

3.4 格雷母線位置檢測特點

①非接觸式位置檢測，間隙大，適用于軌道不平整的運動機械。②位移檢測長度可以根據需要定制，可以斷續或連續檢測，測距長達2 km。③格雷母線使用柔性工業橡膠整體脫模壓制而成，安裝更換方便，免維護。④抗惡劣環境，可用在水下、不怕油、不怕塵、耐酸堿。⑤高穩定性、高可靠性、多種信號輸出方式選擇。⑥具有反向極性保護工程、防雷擊、防射頻干擾、防靜電。⑦位移量絕對型輸出，不怕掉電。⑧多點需要定位的移動設備可以供用一條格雷母線，多根格雷母線可以拼接。⑨可以用在環形運動機械位置檢測

4 系統運行

控制系統提供機旁手動方式控制、HMI 遠程手動方式、HMI 全自動3種控制模式自由切換的方式，保證卸料過程在任何情況下都能正常運行，不影響生產。

（1）機旁手動方式。設備保留必要的聯鎖關系，在機旁操作箱和無線遙控器上操作設備。機旁手動方式主要用于設備的調試和檢修。

（2）HMI 遠程半自動方式。具備設備上所有基本的聯鎖關系，在環冷休息室計算機上操作設備。

（3）HMI 自動方式。相互關聯的設備都處于自動狀態時，各設備之間互相聯鎖自動動作。

4.1 自動模式

①切換全自動前，要確保車載操作箱為自動操作狀態；②確保卸料小車為遠程操作模式，確保車載操作箱面板無紅色異常提示；③選擇全自動模式，全自動按鈕變為綠色，全自動模式激活；④全自動啟動后，小車首先運行至1#指定散料口（位置檢測無誤后）→1#散料口電動雙層卸灰閥打開，開始接料→小車載重量達到設定值時，卸灰閥關閉→小車行走至指定卸料口（位置檢測無誤后）→小車下方電動翻板閥打開，開始卸料→小車載重量達到設定值時，電動翻板閥關閉。完成1次卸料過程。然后小車開始第2次卸料過程，直至22次卸料結束為一個循環周期。

4.2 遠程半自動模式

①切換半自動前，要確保車載操作箱為自動操作狀態；②確保卸料小車為遠程操作模式；③選擇半自動模式，確保系統是靜止狀態，按下半自動停止/啟動切換按鈕，按鈕變為綠色，啟動半自動卸料；④半自動啟動后，輸入需要卸灰的卸料口編號（如1#），小車行駛至1#散料口（位置檢測無誤后）→1#散料口電動雙層卸灰閥打開，開始接料→小車載重量達到設定值時，卸灰閥關閉→小車行走至指定卸料口（位置檢測無誤后）→小車下方電動翻板閥打開，開始卸料→小車載重量達到設定值時，電動翻板閥關閉，完成本次卸料過程；⑤如需對下一個散料口（如2#）進行卸料，則重復以上步驟。

4.3 機旁手動模式

①切換手動前，要確保車載操作箱為手動操作狀態；②確保卸料小車為手動操作模式；③選擇手動模式，用手持無線遙控器將小車行駛至需要卸灰的散料口（如1#）處，小車到位后停止運行，在機旁操作箱上打開對應的電動雙層卸灰閥，停止卸灰后，用手持無線遙控器將小車行駛至卸料口，料口對正后用手持無線遙控器操作小車下方電動翻板閥打開，開始卸料，卸料結束后關閉小車下方電動翻板閥，完成本次卸料過程；④如需對下一個散料口（如2#）進行卸料，則重復以上步驟。

5 生產過程中的計算機管理功能

①計劃編排和傳輸功能；②生產記錄自動生成、打印功能；③動畫監控功能；④主要參數在線修改功能。在主界面菜單欄中，有卸料小車、卸灰閥、卸灰口、參數設置、報警記錄、歷史趨勢、故障復位窗口及部分操作按鈕。主畫面如圖2所示。

圖2 主畫面

6 結束語

首鋼長鋼環冷機使用2套格雷母線定位通信系統，實現卸料小車按要求移動及精確定位。這2套格雷母線系統與2021年投入使用，卸料小車移車正確，定位精確，可以實現高度自動化要求，誤差滿足設計及生產要求，并且維護量少于其他定位裝置，是后續工程定位通信系統的首要保障。