翻車機全自動給料控制的實現(xiàn)方法與應(yīng)用

楊亞峰　唐永健　高　峰

神華天津煤炭碼頭有限責任公司

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翻車機全自動給料控制的實現(xiàn)方法與應(yīng)用

楊亞峰唐永健高峰

神華天津煤炭碼頭有限責任公司

鑒于國內(nèi)采用的C型或O型翻車機全自動給料系統(tǒng)在每列車建立給料模型后，大都需要繼續(xù)確定合適給料參數(shù)，因此存在給料系統(tǒng)建模時間過長、系數(shù)變化大、流量控制不穩(wěn)定等情況，根據(jù)翻車機給料系統(tǒng)的組成和工作運行特性，為減少或消除一般全自動給料控制方式中的上述缺陷，提出一種給料參數(shù)智能構(gòu)建、自動修正的全自動給料控制方案，從而實現(xiàn)翻車機全自動給料作業(yè)中給料參數(shù)的智能構(gòu)建、自動修正功能。

全自動給料； 智能構(gòu)建； 自動修正

1　前言

目前，國內(nèi)翻車機給料系統(tǒng)大多已經(jīng)開始通過改造實現(xiàn)全自動給料作業(yè)，其通常做法是在每列車建立給料模型后，繼續(xù)確定合適給料參數(shù)，存在建模時間長、建模過程中系數(shù)變化大、流量控制不穩(wěn)定等情況，對翻車機的作業(yè)效率影響大。因此通過優(yōu)化或改進給料模型的建立，縮短尋找合適給料參數(shù)時間，確定合適的給料參數(shù)，對提高翻車機作業(yè)效率，具有重要的作用和意義[1]。

2　翻車機給料系統(tǒng)的組成

專業(yè)化裝卸的港口企業(yè)使用的C型或O型翻車機給料系統(tǒng)組成如圖1所示，包括存儲物料的漏斗、卸料動力裝置振動給料器、檢測漏斗內(nèi)物料多少的料位傳感器、物料流量計量用的皮帶秤、檢測物料流動的料流開關(guān)和輸送物料的皮帶機等。

圖1　翻車機給料系統(tǒng)組成圖

各組成部分的作用如下：

(1) 存儲物料的漏斗：用于暫存翻車機翻卸出的物料，通常能夠存放4節(jié)車廂的物料；

(2) 卸料動力裝置振動給料器：用于將漏斗中暫存的物料運送到漏斗下方的皮帶機上，通常安裝偏心凸輪電機,由變頻器驅(qū)動；

(3)檢測漏斗內(nèi)物料多少的料位傳感器：由漏斗底角支座上安裝的稱重傳感器和相關(guān)控制器組成，用于檢測漏斗中物料的重量；

(4)物料流量計量用的皮帶秤：由皮帶機托輥支架上安裝的負載稱重傳感器和相關(guān)積分儀組成，用于測算皮帶機上輸送物料的瞬時重量；

(5)檢測物料流動的料流開關(guān)：一般用傾斜水銀開關(guān)，用于檢測漏斗振動給料器上是否存在物料；

(6)輸送物料的皮帶機：將振動給料器輸出的物料輸送到遠方設(shè)備[2]。

3　全自動給料作業(yè)模型智能構(gòu)建、自動修正給料系統(tǒng)的設(shè)計

3.1影響全自動給料作業(yè)模型智能構(gòu)建、自動修正給料系統(tǒng)的相關(guān)因素

(1)煤種不同。因為煤種發(fā)熱量不同，其構(gòu)成差異較大，造成不同煤種間密度差異大。以某公司日常作業(yè)的煤炭為例，分為數(shù)十種，其密度分布在0.8～1.1 g/cm3之間，區(qū)別很大。

(2)翻卸煤炭實際狀況差異。因煤炭采用敞車運輸，受天氣因素影響大，如下雨、凍煤等。以某公司雙翻卸車為例，翻卸前后不同狀況下2節(jié)車廂內(nèi)煤炭重量最大有100 t左右的偏差。

(3)翻卸車型不同。目前有C80、C64、C70、C62等多種敞車車型，不同車型裝載物料重量大不相同。如C80、C64車型之間，一節(jié)C80車型裝載煤炭重量為80 t，一節(jié)C64車型裝載煤炭重量為64 t，加上各種超噸或欠噸，兩者之間裝載量偏差可達30 t以上。以某公司雙翻卸車為例，每次翻卸2節(jié)車廂重量偏差最大能超過60 t。

(4)系統(tǒng)滯后。物料流量計量用的皮帶秤一般安裝在給料漏斗的前方(皮帶機運行方向為前)，物料從振動給料器將物料輸送到皮帶機上，到由皮帶秤測算出瞬時流量反饋給自動給料系統(tǒng)存在一定的滯后時間。

(5)給料系統(tǒng)控制非線性。振動給料機頻率與皮帶上的瞬時流量沒有線性關(guān)系，通過實際測算，皮帶秤從開始給料到給料量基本穩(wěn)定大致需要100 s左右的時間(皮帶機由空載變成重載時，皮帶物料流量一直處在變化中)。

(6)漏斗料位波動大。振動給料機頻率根據(jù)5個漏斗料位和流量由各自的變頻器實時控制，單個漏斗料斗對應(yīng)的變頻器頻率需要實時調(diào)整，因煤種及設(shè)備硬件因素影響，漏斗之間料位波動大。

3.2全自動給料作業(yè)模型智能構(gòu)建、自動修正給料系統(tǒng)的設(shè)計目標及相關(guān)變量

根據(jù)皮帶秤反饋的瞬時流量和給定目標值，以最短的時間得到一個合理的輸出量(變頻器總給料速度)，合理分配到5個料斗中，使翻車機5個漏斗能夠平穩(wěn)、高效地給料，確保皮帶秤瞬時流量穩(wěn)定在目標設(shè)定值附近。

全自動給料作業(yè)模型智能構(gòu)建、自動修正給料系統(tǒng)的相關(guān)變量包括：被控量，即翻車機皮帶秤所測得的瞬時流量；給定值，即皮帶瞬時流量的目標值穩(wěn)定在4 000 t/h；輸出量，即5個料斗對應(yīng)的振動給料器變頻器頻率給定值。

3.3全自動給料作業(yè)模型智能構(gòu)建、自動修正給料系統(tǒng)的控制原理

由于煤種、車型和給料系統(tǒng)設(shè)備之間關(guān)系比較復雜，且有大滯后的特點，不易建立系統(tǒng)模型，大滯后也極易導致超調(diào)，無法用普通PID等過程控制方法進行調(diào)整。但考慮每一列車中的煤種和車型都是單一的，模型是相對穩(wěn)定的，故筆者設(shè)計出一種控制方法，即在每一列車開始智能構(gòu)建階段，通過PLC程序設(shè)定給料作業(yè)模型，用一套固定測試參數(shù)給料一段時間后得出該列車所對應(yīng)的模型數(shù)值，據(jù)此模型數(shù)值通過相應(yīng)公式計算出初始給料的參考值、皮帶超量給料保護值等，然后比較5個漏斗料斗料位，將初始給料的參考值按設(shè)定比例分配給各個漏斗變頻器。根據(jù)皮帶瞬時流量與給料流量目標值的比較，分段對初始給料的參考值進行調(diào)整，并將其增減量按設(shè)定方式分配到各個漏斗，直至流量調(diào)整到目標值并保持穩(wěn)定，然后將該給料參數(shù)存儲到參數(shù)數(shù)據(jù)庫中。

在后續(xù)的卸車過程中，用上述方式得出本列車所對應(yīng)的模型數(shù)值，如果參數(shù)數(shù)據(jù)庫中存在該分段模型數(shù)值對應(yīng)的參數(shù)，則直接調(diào)用該參數(shù)值。該方法大大縮減了模型數(shù)值建立后的后續(xù)尋找、調(diào)整參數(shù)時間。此后進入自動修正階段，如果在參數(shù)數(shù)據(jù)庫中存在該分段模型數(shù)值對應(yīng)的參數(shù)，在后續(xù)作業(yè)中穩(wěn)定給料時的參數(shù)和參數(shù)數(shù)據(jù)庫中出入較大，根據(jù)設(shè)定條件，能夠自動對參數(shù)數(shù)據(jù)庫中存儲參數(shù)進行修正，從而使得全自動給料作業(yè)模型具備智能構(gòu)建、自動修正功能。

4　全自動給料作業(yè)模型智能構(gòu)建、自動修正給料系統(tǒng)的實現(xiàn)

翻車機給料系統(tǒng)給料運行方式為：翻車機先將物料翻卸到存儲物料的5個漏斗中，再通過每個漏斗上安裝的垂直于料流方向的振動給料器和相關(guān)皮帶機，將物料輸送到遠方設(shè)備。每臺振動給料器由兩臺偏心凸輪電機通過變頻器變頻調(diào)節(jié)驅(qū)動，以此來控制振動給料器的振動頻率，從而實現(xiàn)物料流量大小的控制。本方案設(shè)計是由PLC控制系統(tǒng)根據(jù)皮帶秤、漏斗料位傳感器、料位開關(guān)等設(shè)備采集的相關(guān)信息，完成全自動給料作業(yè)重量模型的構(gòu)建，針對構(gòu)建的重量模型再結(jié)合實際給料情況，由PLC系統(tǒng)再對給料參數(shù)進行智能構(gòu)建和自動修正，最后將其轉(zhuǎn)化為給料變頻器的設(shè)定頻率，調(diào)整凸輪電機振動速度實現(xiàn)對振動給料器給料量的控制，從而實現(xiàn)翻車機給料參數(shù)智能構(gòu)建、自動修正的全自動給料控制[3]。具體流程如圖2所示。

本方案的具體實現(xiàn)方式如下：

圖2　智能構(gòu)建、自動修正全自動給料流程圖

(1)建立模型。在每一列車開始翻卸階段，進入“自學習”模式，即給5個料斗分配一套初始給料速度0.575,1.25,1.2,1.25.0.575，共計4.85。(這是一套經(jīng)驗系數(shù)，對于所有類型列車在此系數(shù)下翻車后，皮帶流量均在2 700～3 900 t/h之間。)皮帶料流穩(wěn)定后(約25 s左右)，計算其后30 s內(nèi)的平均流量，并將該值階梯分段處理，作為所卸車量的初始重量模型值A(chǔ)。

(2) 計算初始給料系數(shù)。計算該模型值對應(yīng)皮帶秤流量為4 000 t/h的比例輸出值B=4.85×4 000/A,將B作為初始總給料系數(shù)。同時該數(shù)值通過一定比例放大后得到C(C=B×1.05，其中1.05為經(jīng)驗值)，C作為一個安全值對總給料參數(shù)進行安全保護限制，即尋找合適給料參數(shù)過程中總給料參數(shù)調(diào)整后的最大數(shù)值為C。

(3) 漏斗料斗料位處理及排序?？紤]到各振動給料器實際給料中機械結(jié)構(gòu)、物料類型、漏斗料位等因素，即使在同一給定給料參數(shù)時，料斗之間給料速度也存在差異，因為各漏斗料位是實時變化的。因此本方案采用冒泡法對5個料斗進行分段量化值排序，該方式避免了對漏斗料位頻繁進行大小排序。

(4)初始給料系數(shù)分配。分配原則是漏斗料位最高的給料參數(shù)最大，反之最小。在計算出初始總給料系數(shù)后，根據(jù)各漏斗料位按比例分配5個漏斗的給料參數(shù)，先給1～5號中最高料位的料斗分配參數(shù)BUVmax，由于變頻器輸出的電機頻率存在上限(最大頻率為50 Hz，對于設(shè)定參數(shù)為1.5)，現(xiàn)場單個料斗給料系數(shù)不能超過1.5，若BUVmax>1.5,則直接給其分配給料參數(shù)1.5，并將初始總給料系數(shù)減去1.5作為再次分配的總給料系數(shù)，再對其余4個料斗進行分配。分配方式依此類推，直至5個漏斗分配完畢。

此外，若存在某一漏斗總是料位較低的情況，則優(yōu)先分配該漏斗給料系數(shù)，例如在本方案測試中，1號翻車機的5號料斗料位總是較低，可根據(jù)該漏斗料位情況分配幾檔固定速度給此料斗(V5)，則剩余料斗料位分配的總參數(shù)為B-V5。

5個漏斗初始給料參數(shù)分配完成25 s后，根據(jù)皮帶當前瞬時流量與目標流量的差值D, 對給料系數(shù)進行調(diào)整。定義D在正負50之間為死區(qū)，將D分為8檔:D≤-300,-300700。根據(jù)不同檔位設(shè)定不同的總調(diào)整增量I和調(diào)整周期T。超量時敏感度大，設(shè)置調(diào)整周期短，總調(diào)整增量I為負數(shù)；不足量時差值絕對值越大，調(diào)整總調(diào)整增量I值為正值越大。調(diào)整總調(diào)整增量I按一定比例分配給5個漏斗，使料斗系數(shù)小量連續(xù)調(diào)整，保證系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。根據(jù)前期建立的模型，在2 700～3 900 t/h之間建立重量模型對應(yīng)的給料參數(shù)存儲數(shù)據(jù)庫(每100 t為一段，即2 700～2 800，2 800～2 900以此類推)，用于存儲不同重量模型值，在經(jīng)過實際給料運行測試調(diào)整，皮帶秤在規(guī)定的時間內(nèi)穩(wěn)定在目標流量正負20 t/h的總給料參數(shù)值，即在目標流量穩(wěn)定達到程序設(shè)定條件后自動將當前5個漏斗設(shè)定給料參數(shù)相加，存儲到給料參數(shù)存儲數(shù)據(jù)庫中。

在后續(xù)所卸車通過“自學習”模式階段，首先通過固定給料參數(shù)4.85測出所卸車物料皮帶流量處在2 700～3 900 t/h的那個區(qū)間段內(nèi)，如果參數(shù)存儲數(shù)據(jù)庫存在已經(jīng)實際測試過的給料參數(shù)總設(shè)定值，直接調(diào)用該總參數(shù)作為初始總給料系數(shù)，然后對5個漏斗進行參數(shù)分配。該方式直接跳過尋找合適給料總參數(shù)的過程，減少了調(diào)整頻次，同時也保證了給料流量的穩(wěn)定。使用參數(shù)存儲數(shù)據(jù)庫的優(yōu)勢在于大大節(jié)省了尋找參數(shù)時間，提高了作業(yè)效率。

在給料參數(shù)存儲數(shù)據(jù)庫中已存在測試過的給料參數(shù)總設(shè)定值時，如果在作業(yè)過程中該參數(shù)被系統(tǒng)調(diào)用，經(jīng)過一段時間的運行，在目標流量穩(wěn)定達到程序設(shè)定條件后，如果流量能夠穩(wěn)定35 s，則系統(tǒng)會自動比較實際運行參與測試過的給料參數(shù)總設(shè)定值偏差是否在合理范圍內(nèi)。如果偏差不在合理范圍內(nèi)，則自動將給料參數(shù)存儲數(shù)據(jù)庫中存儲的測試過的給料參數(shù)總設(shè)定值替換為當前5個漏斗相加的給料參數(shù)值之和；如果偏差在合理范圍內(nèi)，則保留原數(shù)值，通過此方式完成給料參數(shù)值的自動修正。

考慮到全自動給料只是翻車機作業(yè)的一個環(huán)節(jié)，翻車機其他作業(yè)環(huán)節(jié)也可能存在影響全自動給料作業(yè)的情況，本方案設(shè)計根據(jù)翻車機作業(yè)的特點，采取針對性措施來保證全自動給料效率。

(1)因設(shè)備故障原因造成5個漏斗物料給空，再次翻車后會造成流量瞬時過大的情況。本方案是在漏斗料流開關(guān)檢測到漏斗物料給空后，系統(tǒng)就會自動減小給料系數(shù)，確保不出現(xiàn)瞬時超量給料。

(2)本方案會通過相關(guān)條件(流量設(shè)置條件)觸發(fā)自動再次進行重量模型建立，主要是因為實際卸車中發(fā)現(xiàn)同一列車不同的車廂內(nèi)的煤炭重量有時差別較大，前期建立的模型可能并不適用后面的卸車作業(yè)，從而造成超量或給料流量偏小影響作業(yè)效率。通過再次重量模型的構(gòu)建來與物料實際保持一致，從而確保給料準確、有效[4]。

(3)完善上位機自動給料作業(yè)運行狀態(tài)監(jiān)控及相關(guān)參數(shù)修正界面，如自動給料運行情況、給料參數(shù)實時數(shù)值、人工修改給料參數(shù)或限定最大給料流量等，確保全自動作業(yè)有效穩(wěn)定、可控運行。

5　全自動給料作業(yè)智能構(gòu)建、自動修正給料系統(tǒng)方案的應(yīng)用情況

本方案在神華天津煤炭碼頭有限責任公司的4臺C型翻車機投入實際應(yīng)用，測試效果令人滿意。按C80車型每列車4 640 t來計算，每列車的作業(yè)運行時間平均為79 min(整個作業(yè)時長)，給料效率平均為3 523 t/h(皮帶機設(shè)計卸料能力為4 000 t/h)。該作業(yè)效率基本與公司優(yōu)秀作業(yè)人員手動作業(yè)效率一致，因此該全自動給料作業(yè)智能構(gòu)建、自動修正給料系統(tǒng)方案完全可以替代現(xiàn)有的人工手動給料作業(yè)操作。

本方案解決了一般的自動給料系統(tǒng)模型建模時間過長、系數(shù)變化大、流量控制不穩(wěn)定、對翻車機的作業(yè)效率影響大等問題，實現(xiàn)了翻車機全自動給料作業(yè)給料參數(shù)的智能構(gòu)建、自動修正功能，減少了調(diào)整頻次，同時也保證了給料流量的穩(wěn)定，提高了作業(yè)效率，具備推廣應(yīng)用實施的可行性和實用性。

[1]邵龍成. 國內(nèi)翻車機技術(shù)的發(fā)展[J]. 起重運輸機械, 2011(6):37.

[2]楊亞峰. KM80B底開門自卸車的卸車工藝[J].華電技術(shù), 2010(11):36-38.

[3]Logix5000 Contrlollers System Reference. Rockwell Software June 2005.

[4]楊亞峰. 翻車機全自動給料作業(yè)的實現(xiàn)[J].港口裝卸. 2013(02):35-38.

楊亞峰: 300452, 天津市塘沽區(qū)南疆港區(qū)

The Method of Fully Automatic Feeding Control of the Car Dumper and its Application

Yang YafengTang YongjianGao Feng

Shenhua Tianjin Coal Terminal Co., Ltd.

Since the domestic C-type or O-type car dumper automatic feeding systemshould be provided with appropriate feeding parameters after establishing the feeding model for each car dumper, there several problems may exist, such as long time for establishing feeding models, large varied ranges of coefficients, and instability of flow control. Based on the composition and operational characteristics of the car dumper feeding system and with the purpose to reduce or eliminatethe defects in the normal full automatic feeding control operation, this paper puts forward a full automatic feeding control scheme which can achieve intelligent input and automatic correction of feeding parameters.Through the production practice, these advantageous functions are validated.

full automatic feeding; intelligent modeling ; automatic correction

2016-08-06

10.3963/j.issn.1000-8969.2016.05.009