一种新型位置检测技术在选矿卸料小车中的应用

纪 凯

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司，安徽马鞍山243000;2.金属矿山安全与健康国家重点实验室，安徽马鞍山243000;3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司，安徽马鞍山243000)

卸料小车是厂矿企业中一种常见的卸料装置，其作为胶带输送机一种单独的部件，用于胶带机有卸料要求的场合。卸料小车主要用于处理散装物料，如选矿厂、烧结系统、物料堆场以及装载输送系统中。较之于厂用卸料器，卸料小车可以实现多点布料，在胶带机运行水平段的任意点都可卸料，使得厂矿企业的整体布料更为方便高效。卸料小车一般由受料漏斗、溜槽、行走轻轨、行走驱动电机及减速机组成。卸料小车通过单通、双通或三通将物料卸在不同仓位或料堆。为了达到此目的，卸料小车需在架设在胶带机之上的行走轨道上沿着胶带机运行方向往返运转。

我国东北某地一大型钢铁公司下属矿山企业的选矿厂，年处理原矿(铁矿)500万t。原矿经过粗破碎，中细碎，筛分一系列工艺后，经胶带输送机送至主厂房前的粉矿仓上部粉矿卸料小车，通过卸料小车将料卸入粉矿仓，装入粉矿仓的粉矿根据选矿生产的需要，通过矿仓下部的给料机送至主厂房。粉矿仓处共设10个料仓，标号为1号至10号，每个料仓容积705 m3，总仓容为15 200 t。卸料小车行走区间一共60m。

卸料小车需根据粉矿仓料位的情况以及主厂房选矿系统使用粉矿的情况，及时的调整卸料小车的卸矿位置，在1号～10号仓之间来回行走。本卸料系统在技术改造前，卸料小车的操作采用人工操作的方式，由于小车行走距离长，其控制箱安装在小车上，由车间岗位工操作小车控制箱上的控制按钮来控制小车的来回行走。这种人工操作模式在系统运行时存在以下不足:①由于控制箱安装在小车上，岗位工操作时需随小车一起行走，而矿仓卸料平台多粉尘，工作环境恶劣，操作工长期工作在这样的环境中，不但工作强度大，而且会严重影响工人的身体健康，不利于车间的安全生产。②根据操作工的肉眼观测各个矿仓料位，从而去操作小车调整其行走至合适的仓位，这种观测调节方式不仅精确度差，而且工作效率低。因此，需对卸料小车进行自动化技术改造，通过对仓位的自动检测，小车位置的自动检测从而达到自动控制卸料小车的目的。

1 卸料小车自动化控制技术现状

目前，较为先进的卸料小车的控制方式是在中央控制室进行远程控制。中央控制室的上位机画面上显示卸料小车的当前位置，通过画面上各仓位指示灯来判断小车是否需要换仓以及小车是否到达目的仓位。而各个仓位指示灯的信号一般是由安装在料仓附近的限位开关或接近开关获得的。当小车经过或接近限位开关(接近开关)时，开关将感应到的信号送至中央控制室，相应的仓位指示灯亮，操作人员从而发出相应的操作指令——卸料或继续行走。

在卸料小车的自动化控制技术中，小车的位置检测技术是其中最为关键的一步，位置检测技术的先进程度决定了整个卸料系统的效率及精度。而目前传统的小车检测信号是采用接近或限位开关来获得的，这种开关有以下一些问题:①时常发生“拒动”的现象。接近或限位开关的工作可靠性不是十分理想，时常发生开关拒动的现象，这将给卸料过程带来事故隐患。②若当卸料小车停车制动时，出现溜车的情况，此时如果小车由于溜车而未停在限位开关或接近开关的控制范围内，中央控制室内的信号灯将无反应，造成卸料小车位置检测信号的丢失。中央控制室的操作员由于不清楚小车的停车位置，就需派人前往卸料现场查看其具体位置，并反馈给中央控制室，而后中控室操作员才能继续操作卸料小车运行至目的位置。

以上的这些问题不仅会打断正常的连续生产过程，影响生产效率，降低产品质量的稳定性，而且会增加生产过程的安全隐患，影响操作人员的健康安全。

2 几种常用位置检测技术介绍

(1)旋转编码器定位检测技术。旋转编码器分为增量式和绝对式编码器两种。增量式编码器通过将位移信号转换成电信号，再将电信号转换为计数脉冲信号的方式来计算位移。绝对式编码器的每个位置对应一个确定的数字码，所以其表示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。不论哪一种编码器，其位移信号都是通过安装在走行机构上的码盘获得的。这种方法是使用较早的一种检测方式，但其有自身的缺点，即误差累计较大，行程长，当行走机构的轮体打滑时，其定位精度很差，且部件易损坏，温度适应性差，日常维护调整量大，地址信息需要依靠无线电台或信号拖缆传送给地面站控制室，故当前这种方法已很少使用。

(2)定位片/条形码定位检测技术。定位片、条形码位置检测技术都是一种绝对定位的工作方式，通过安装在行走装置轨道旁的定位片或者条形码来检测行走装置的位置。这种检测法也有以下一些缺点:①由于工业环境恶劣，多粉尘，高温，安装在现场的定位片和条形码极易被污染而导致失效，故其耐污染能力差。②行走机构在移动过程产生的振动会造成车上识别装置无法读取编码信息，导致位移地址的丢失。所以现在国内外厂矿企业也基本淘汰了这种检测方式。

(3)红外定位检测技术。红外定位检测技术主要有行走机构载体部分:信号检测单元、活动标尺和传送单元;固定站(地面)部分:固定标尺组成。其检测原理为:地面站的固定标尺由金属外壳封装而成，其外壳上划分出若干个等间隔布置的窗口，高频调制的编码红外线由这些窗口发出。行走机构载体上的活动标尺为红外接收设备，接收到的编码红外线在活动标尺上进行分析，从而计算出行走机构的具体位置。但这种检测技术的抗振动能力差，耐高温性差，在环境恶劣的现场使用时，极易受到现场红外线杂波干扰，使得系统运行不是十分可靠，同时该套系统的安装精度要求较高，维护量大，并且设备造价也较高。

(4)是否能够精确获得小车的位置信号，取决于位置检测技术的先进程度。工业设备行走机构的位置检测技术也是这些年工业自动化领域的研究热点。尤其是在冶金行业，许多企业的烧结系统卸料车，冶炼熄焦车均采用了车体定位系统。目前国内外定位技术有许多，较为常见的技术有红外定位检测技术、定位片/条形码定位检测技术、旋转编码器定位检测技术，激光定位检测技术，以及编码电缆－格雷母线定位检测技术等。常见的定位技术有旋转编码器定位检测技术、定位片/条形码定位检测技术、红外定位检测技术、激光定位检测技术、格雷母线定位检测技术。

(5)激光定位检测技术。该技术是通过发出激光往返目标所需的时间来确定目标距离，是一种连续非接触位置检测。优点是检测精度很高，安装简单方便。缺点是检测距离较短，抗污染能力差，粉尘对激光的传播有很大的影响，光源发射头对环境清洁度要求很高，粉尘累积很容易造成发射头窗口的堵塞，并且投资成本高。

(5)格雷母线定位检测技术。格雷母线定位检测技术最早由宝钢集团1984年从日本引进该项技术，随后我国开始研究该技术，1997年研发成功后在国内港口、水利、钢铁行业大量应用。该套定位检测系统由以下部分组成:行走机构移动站(天线箱、地址编码发生箱)、地面固定站(地址编码解码单元)以及格雷母线。该系统利用单匝线圈的感应原理，将交变电流通入天线箱时，在其附近会感应出交变磁场。格雷母线可视为处在一个交变均匀分布的磁场中，每对格雷母线芯线会产生感应电动势。发射单元地址信号通过电磁耦合方式传送到格雷母线的感应环线上。该技术目前已成功应用于我国宝钢、首钢、武汉港务集团、德国汉堡CTA龙门吊等国内外重点工程中。其优点是测量精度高，错误率低，技术成熟，投资低，安装维护方便，所以已经得到广泛的应用。

3 格雷母线定位检测系统的组成及工作原理

格雷母线定位检测系统由行走机构移动站和地面固定站组成。其中移动站由天线箱，地址编码发射器组成;固定站由格雷母线、地址编码接收器组成。

格雷母线由模芯、电缆芯线和电缆护套构成。电缆芯线由两部分组成——基准线(R线)和地址线(G0线－G9线)，R线用于获取标准信号，G线用于检测地址。R线在整个母线段不交叉，而G线按照不同长度(格雷码)来交叉编排，每隔一定长度(步长)交叉一次，设格雷母线的最小步长为W，则G0、G1、G2…G8、G9步长分别为1、2、4、8…256、512W，格雷母线芯线展开如图1所示，格雷母线定位检测的原理见图2。

图1 格雷母线芯线展开图Fig.1 Gray Bus core line expansion Draw ing

图2 格雷母线定位检测原理Fig.2 Gray bus positioning detection principle

由图2可知:格雷母线定位检测系统仅由1对R线和G线组成(即最小地址系统)，在移动站的天线箱中通入交变电流，那么在天线箱周围将会产生均匀分布的交变磁场，由于格雷母线离天线箱较近，所以格雷母线在交变磁场中产生感应电动势，通过这种电磁耦合的方式将天线箱发射的移动站的地址信息传送到格雷母线的R线和G线上，格雷母线再将获得的地址信息传递给地面站的地址编码接收器，接收器最后对信号进行比较处理。如图3所示，若地址“0”的G线的信号相位与R线的信号相位相同，则定义移动站地址为“0”;若地址“1”的G线的信号相位与R线的信号相位相反，则移动站地址为“1”。通过这种方式感应出的地址编码排列是格雷编码排列，各不相同，所以可以得到移动站在格雷母线长度方向上的位置。由于格雷编码是一种错误率最小的可靠性编码，其任意相邻的两个编码只有一位不同，所以它在模－数转换中的可靠性很高，在定位检测中测量精度也最高。

4 选矿卸料小车定位检测系统设计

(1)粉矿仓物位检测。此次选矿厂粉矿仓卸料小车自动化改造中，粉矿仓的料位检测部分采用非接触式雷达料位检测仪，该检测仪为非接触雷达，无磨损，无污染，天线尺寸小，便于安装，测量盲区更小，波长更短，对在倾斜的固体表面有更好的反射，严重粉尘环境也不会影响电磁波工作。检测仪由传感器和二次仪表两部份组成。传感器设在料仓顶，喇叭式天线垂直伸进料仓内，不与被测介质接触，二次仪表设置在卸料平台上。检测仪天线向被测目标发射雷达波，雷达波到达物料面后反射回至天线并被接受，在检测仪中与发射波比较，并计算出发射器与目标的距离，经仪表转为4～20 mA信号送至PLC，由PLC经过处理转为工程值显示出来，由此完成了粉矿物料的连续测量。

(2)卸料小车格雷母线定位检测系统。该系统的移动站设备——天线箱与地址编码发射器装在卸料小车上，格雷母线装设在卸料小车轨道旁，母线与天线箱安装距离保持在100 mm左右，地址编码接收器安装于现场地面。接收器将输出的位置检测信号通过通讯总线传输至中央控制室的PLC系统。

(3)计算机控制系统。本次改造中可编程控制器采用西门子公司的S7系列PLC控制器，由地面地址编码接收器输出的地址信号，通过Profibus－DP通讯电缆传送至中控室PLC的CPU模块。卸料小车的来回行走控制由PLC通过工艺流程及要求编程来控制，控制节点为开关量无源节点。工控机的画面通过WinCC制作。工控机与PLC之间通过Profibus协议通信。

(4)卸料小车定位系统模式。经过自动化技术改造后的卸料小车定位系统具有远程操作，全自动运行两种模式。①远程操作模式。在远程操作模式下，控制室操作员根据上位机画面上所显示的矿仓料位情况，去控制小车前行或后退，直至小车行进到目的仓位进行卸料。②全自动模式。在全自动模式下，定位系统和料位检测系统相配合，PLC根据工艺要求预设的程序自动控制小车前行或后退而进行卸料操作。

5 结语

(1)采用雷达物位计进行料位检测，不仅仪器的环境适应性强，而且测量精度准确可靠。

(2)采用格雷母线定位检测卸料小车，测量精度高，错误率低，定位精度实际使用时可控制在±20 cm之内，并且可以实现连续或断续测量，由于采用非接触式测量，因此设备的维护率少，运行可靠。

(3)在中控室的显示屏幕上可以动态显示料仓料位，小车位置，卸料情况等一系列工况状态，界面直观友好，并且操作员可以方便远程控制小车行进卸料，减小了工人的劳动强度。

［1］ 靳 燕.格雷母线技术在焦炉四大车联锁控制系统中的应用［J］.山西电子技术，2012(5):41-42.

Jin Yan.Application of gray bus technology in the interlocking control system of the fourmajor cars in the coke oven［J］:Shanxi Electronic Technology，2012(5):41-42.

［2］ 王树青，乐嘉谦.自动化与仪表工程师手册［M］.北京:化学工业出版社，2010.

Wang Shuqing，Le Jiaqian.Handbook of Automation and Instrumentation Engineer［M］.Beijing:Chemical Industry Press，2010.

［3］ 廖常初.S7－300/400 PLC应用技术［M］.北京:机械工业出版社，2011.

Liao Changchu.S7－300/400 PLC Application Technology［M］Beijing:China Machine Press，2011.

［4］ 杨孟江，韩家宁.格雷母线在推车机、拨车机位置检测中的应用［J］.港口装卸，2008(5):16-17.

Yang Mengjiang，Han Jianing.Application of gray bus in car pusher，dial car position detection［J］.Port Operation，2008(5):16-17.

［5］ 刘 岚，夏 斌.格雷码及其转换的一个应用［J］.冶金自动化，2003(S):290-293.

Liu Lan，Xia Bin.An application of gray code and its conversion［J］.Metallurgical Industry Automation，2003(S):290-293.