基于PLC 的取料机配料分档调速设计

王伟

（唐山曹妃甸煤炭港务有限公司，河北唐山，063000）

0 前言

回转式斗轮取料机是一种高效大型连续取料机械，在散货码头、钢铁厂、大火力发电厂和矿山等的散料堆场应用较多，主要用于砂石、煤炭、矿物质的装卸过程中。我国大陆的上海、广州、秦皇岛、日照、南京等港口均已拥有这种机械。稳定的瞬时取料量是衡量取料作业是否高效安全的重要指标［1-2］，但由于取料机操作人员的控制手法与技能水平差异，瞬时流量稳定性往往差异很大。在煤炭等散料运输过程中，又往往需要进行不同比例的配料作业，瞬时流量较小时更不易操作，因此本文针对取料作业过程中的控制难点进行分析，设计了一种简单高效的提升小流量作业稳定性的系统，整体设计框架如图1 所示。

图1 整体设计框架

1 设备环境简介

本系统有幸于某国内大型煤炭港口进行调试与使用，由于市场需要配煤作业相对较多，该港口使用的额定取料能力6000t/h 的回转式斗轮取料机，可进行回转、走行、俯仰等动作，其中回转、走行机构为变频驱动，采用回转、进车、再回转的取料方式，操作人员通过手柄对各机构起停与速度控制。本系统涉及的主要设备有模拟量输入手柄、1756 系列PLC、西门S120 系列变频器、驱动电机及FactoryTalk View SE 上位界面。

2 系统程序设计

■2.1 自动调速原理

为提高保证配煤作业精度，对取料瞬时流量要求较高。在取料过程中,前后两次悬臂运动轨迹呈现为两条平行交叉的弧形,造成取料进尺实际距离与回转角度具有一定的函数关系[3](回转角度越接近90°,取料进尺深度越小)。同时取料瞬时流量还有取料时每层的俯仰角度差与回转速度有关。设取料瞬时量为f，单位t/h;煤密度设为p；取料进尺距离是斗轮运动轨迹法线方向上的距离,设为Δ；每层的俯仰角度差也是每层取料的高度,设为g；回转速度是取料点的线速度,设为v，则：f=pΔgv，取料机取料轨迹如图2 所示。

图2 取料机取料示意图

图2 中：r为取料机回转半径；H为取料机大臂长度；L为单机进尺距离；Δ 为进尺深度。由图2 可得:

最终有f=p·g·v·L·cosθ

从上述公式可知,再去取料过程中，如果p、g、v和L固定不变，（这也符合取料过程中操作人员的操作方式），则取煤流量f只与回转角θ有关。因此固定的回转速度并不能满足稳定的瞬时取料量的要求，但是如果能够确定在接近0 度时某一流量要求的基本速度v0,然后将v0以cosθ 的变化方式变换输入到变频器速度控制器,就可保证上煤流量比较均匀。根据公式有：V=v0/cosθ。

同时考虑到越接近90 度时，1/cosθ越大，因此需要限制v 的最大值，避免驱动设备损伤。同时由于取料过程中垛型复杂、煤种原因易造成塌垛、火煤、冻块等特殊情况，因此不能增加司机减速、停止回转动作的难度。即v0的选择不由程序设定，仍由司机手柄保持不变来选择，同时手柄归零、降低速度仍然有效。

■2.2 分档控制逻辑

取料机操作人员控制回转速度的模拟量手柄为±10V输入，在PLC 内变化范围为0～16500，对应变频器0 到50Hz。可实现无级别连续变速。但手柄的可动范围有限为前后10cm，当配煤作业要求较小的取料流量时，相同进尺距离下，手柄需保持在成比例较小可动范围内，无疑增加操作难度，同时也增加了瞬时料流的不稳定性。

因此从安全及司机操作便捷的角度考虑，基于司机操作经验及公式计算结果，按照不同流量在PLC 内将回转速度分为3 个不同的档位，分别适应于1000～3000t/h，3000～6000t/h，6000t/h 或特殊垛型。

逻辑设计：

对回转速度具体调节情况如下：

（1）在调度中心对取料机的取料信号未发送时，取料机回转速度不受旋钮档位控制，与调整之前没有差别，取料机原最大速度给定值仍为12000，不受限制；

（2）在中控给取料机发送取料信号后，取料机回转速度受旋钮档位控制，分别限制回转角度0 度和180 度回转最大速度为原来的30%、40%、60%，此后随着回转角度向90 度靠近回转最大速度逐步增加至原最大速度的83%，即向变频器输出给定值10000，之后不会继续增长。

■2.3 程序设计及优化

解决了流量控制问题的逻辑后，如何快速的找到要求流量所需要的初始速度v0，则显得很重要。取料机上皮带秤是观察瞬时流量最直观、准确的方式，也是港口类企业计量散货的重要设备，皮带秤需要安装在皮带较水平的部位，要求较高，因此距离斗轮一般较远，瞬时流量的显示与悬臂皮带前端的斗轮具有明显的时间差，因此不能作为司机快速直接的观测手段。

通过分析可知，取料量的多少其实也反应为斗轮驱动电机做功的多少，引入斗轮功率变量也可以与瞬时流量相对应[4]，通过采集斗轮功率与皮带秤波峰波谷的对应关系可得出本文涉及的取料机斗轮功率对应12s 后的皮带秤数值。通过计算进行确认：斗轮转速为6r/min,则斗轮转半圈的时间为60/6/2=5s，皮带秤位置为皮带25m 处，悬臂总长55m，皮带转速为4.8m/s，则料流通过皮带到达皮带秤的时间为（55-25）/4.8=6.25s，计算出总时间约为5+6.25=11.25s，再加上料流由斗轮顶端约3m 落下到皮带的时间（不到1s），得出总时间约为12s。反应到图像，也就是皮带秤数值对应斗轮功率滞后12s，那么确定一个皮带秤数值Q，通过找其12s 之前的斗轮功率数值P 来进行对应。经过了大量数据记录汇总，使用MATLAB 在多组数据比对与拟合，并与现场结果反馈，最终得以Q=KP+b中K与b的具体数值。同时发现针对不同煤种与设备，K与b虽然有所变化，但通过司机人工修正可以大幅减少，因此K与b最终选择了具有通用性的一组数值。

在PLC 计算转换后将斗轮功率拟合后的瞬时流量值通过FactoryTalk View SE 编辑后即可显示在操作人员人机交互界面中，用以确定最准确取料瞬时流量，指导作业。

PLC 自动调速整体程序编译如图3 所示。

图3 程序可分为两部分：回转角度余弦值计算与速度值给定。

图3 PLC 自动调速整体程序编译

回转角度余弦值：取料机回转角度可分为右转0 至负180 度与左转0 到正180 度，计算流程为取当前回转角度，回转角度取绝对值，回转角度转化为弧度，然后即可取对应弧度余弦值。

速度值给定：回转速度给定分为两种情况，取料作业与非作业状态，可根据调度指令中是否允许工作开关量点判断。非作业状态，回转速度不受档位与回转角度限制，直接手柄输入值将下发至变频速度控制器；取料作业状态，则根据档位将手柄输入值乘以倍数限制，然后除以余弦值得到调整速度值，然后通过比较调整速度值与最大速度限制10000的大小，使得调整速度值不能超过最大速度限制，然后将调整速度值下发至变频速度控制器，完成回转速度调节，即使手柄位置不变，回转速度也能根据回转角度自动变化以满足瞬时流量的稳定。

同时根据本文良好的调试使用结果可以推测，如果层高合理，垛型规整，那么用斗轮功率与回转速度做闭环控制，也可以做到稳定流量的结果，但需要人工辅助判断回转方向的变换；如果能够通过垛型扫描、距离测量的可靠手段辨别回转方向的转换时机，那么全自动化的取料作业及料流控制也将成为可能。

■2.4 系统应用效益

取料机精准取料操作有效地提高了作业效率与作业质量，对企业竞争力提升大有帮助，对节能减排，节省电能、人力、物力均有有效地节约了资源，减少了浪费，响应国家节能减排的号召，坚持可持续发展，同时对运输港口的经济高效运行贡献出了一份力量。

3 结束语

本系统为取料机配煤加入了回转分档及调速。回转分档可适用于不同配煤比例下的流量控制，回转调速将cos 曲线线性调节引入到角度调速过程中，使不同角度的流量控制更加精准便捷。同时在司机室操作屏增加实时性更好地拟合瞬时流量，直观高效，更大程度地减轻了司机的工作强度，提升了工作效率。

虽然本文中对cos 曲线线性调节与斗轮拟合瞬时流量的应用比较简单，但在一定程度上验证了PLC 自动调速控制流量稳定性的可行性，并为PLC 闭环控制瞬时流量提供了数据支持与研究方向，同时对同行业、类似设备自动化控制也具有一定参考价值。