煤炭港口自动化装卸系统大型机械控制策略分析

胡亮

摘 要：文章对煤炭港口状态系统中PLC自动控制技术的应用进行分析，探讨无人值守情况下使用PLC自动控制大型机械的基本策略，并从中选择出了最佳的控制方案，最后对煤炭自动化装卸系统大型机械的控制流程进行了探讨。

关键词：PLC自动控制技术 自动化装卸系统 机械控制

1.装卸系统控制核心

煤炭港口在堆料机取料过程中应用PLC自动化技术可以提升大型机械的自动化程度，提高作业效率，而且操作方便，可以用于远距离的控制和监视。

PLC自动控制系统主要有以下优点：

（1）可操作性强，安全性高，故障发生概率小，便于提升设备的运行安全性、可靠性及稳定性；（2）该系统具有很高的抗干扰性，有效保障了设备运行的可靠性、稳定性，且设备的安装、调试、维护等均很便捷，很大程度上降低了设备的运行维护费；（3）有效提升了自动化装卸系统的自动控制能力，以及系统整体的经济性；（4）PLC控制系统的引入，大大提升了自动装卸系统的联网性能，可有效保障多个设备同时进行协同工作，同时保证了单个设备可以在整个网络环境下安然有序的开展作业，具有很强的可操作性，满足当下对自动化控制的需求。

2.大型机械设施的把控方案

2.1取料方案的设计

自动装卸系统将参数借助上位机传递到PLC，由上位机控制取料量，后PLC根据参数要求下发取料指令，取料量可通过对取料体积或吨位数量进行把控。因吸料操作是通过风机完成的，故可通过把控取料时间来控制取料量，实际操作中可借助定时器来合理把控取料时间，再结合风机启动的时间来把控取料量，待取料量满足设计需求时，需马上终止风机操作，结束取料过程。取料方式有两种，可通过大机或摆臂的移动来实现，相对应的形式是直线取料和弧线取料。取料机悬臂的（X，Z）面和（X，Y）面参数图相见图1和图2：

其中，H-大机悬臂高度；Lg-悬臂固定部分的长度；L-悬臂可俯仰部分的长度；Ls-吸料管的长度；z-料斗和取料斗之间的高度差；Sz-料斗距离地面的距离；W-XY平面上大机悬臂的投影距离。通常，俯仰角θ改变时，因W=Lg+Lsinθ，故而W也会改变，本文研究时θ角基本不变，实际上可忽略不计，即判定θ稍微改变时，悬臂投影长度报错不变，当需要开挖下一层时，只需改变θ角就可以了。

取料机姿态的相关参数：θ-俯仰角、α-旋回角（以逆时针方向为正），大机沿着Y轴方向的移动位置My。由3个电动机分别对参数My、俯仰角θ、旋回角α进行控制，因在3个转轴均装设了编码器，故而编码器会随着My、θ、α的变化而反馈一定量脉冲，此时，PLC系统中的计数器会计数此脉冲，并在中间存储器储存相应的计数结果，上位机通过读取中间存储器的计数值，进而获取大机的运行状况，借助改变参数来实现大机运行情况的把控。

2.2直线取料

直线方式取料时，首先需确定悬臂上下摆角a和左右摆角θ，整个过程中大机以水平方向进行移动，待移到料堆边缘时，修整θ和a方位，后开始下一来回的移动。把θ和a定格在初始位置后，开始取料操作，大机水平移动时，初始位置是My（i），沿着i道方位由箭头方向开始运动，当运动至料堆边缘时换道，此时修改a大小，即大机臂保持水平移动至My（i+1）状态，此时大机由i道改变为i+1道，并开展下一次的取料操作，取料时保持料斗位于取料点的正上方，即两者的X，Y坐标一样。

由于取料时借助风机进行吸料，故而料斗和料堆并没有直接接触，待完成一层的取料后，需下移料斗，后开始下一层取料，Fc表示每层高度，当完成第i层取料后，需把控大机俯仰的电动机进行下一层的取料操作。选用直线方式取料的优点是保证了料堆的规则性，便于操作，程序简单，且相对于大机上的激光扫面，该方式取料有助于扫面成像，该方式取料的缺点是大机运行轨迹在同一道来回往复，不是现场操作中最佳的取料方式。

2.3 弧线取料

弧线方式取料时，先是大机接收到上位机传输的坐标信息，按照命令运动到相应坐标位置，此后大机的位置将被固定，后由大臂进行左右摆动，主要反馈在旋回角a的改变上，在现场实际取料时即展现出弧线形式，当完成一次取料时，通过改变大臂的俯仰角θ，而后进行下一次取料，待取料达到设计高度后，移动大机方位，开展下一回合的取料。

当上位机发送取料指令给PLC系统，PLC先按照坐标参数指令运行到相应坐标，此时大臂上下和左右位置均已明确，而后开始本次取料作业，大机的固定位置My（i）不变，通过左右移动大臂，实现旋回角a的改变，待完成第一层的I道取料后，通过大臂的上下运动改变仰俯角，后开展下一层取料。

2.4 对比两种取料方式

直线取料方式：操作简便，已实现，PLC程序简单，上位机传输的指令参数很少，且最大程度保持了料堆的规则性，但该方式最大的缺点是大机需进行多次往复的循环运动，现场装料时，由于大机体型庞大，频繁的导轨移动很难，而且容易加剧大机的机械摩擦，缩短设备的使用寿命，造成浪费。

弧线取料方式：大机按照指令移动到相应位置，后通过左右移动大臂方式进行取料，当完成一层取料时，通过大臂的上下移动改变仰俯角，开展下一层取料工作，直至达到设计深度后，移动大机位置，开展下一回合的取料。本方式中，大机无需多次移动，只需要移动大臂即可实现不同深度的取料工作，在实际现场取料中，是最佳的取料方式。

3.大型机械的弧线取料过程

通过上位机对数据模块的数据进行修改和传输，PLC通过接收上位机的启停指令，控制相应位置工作的启停；上位机在传输PLC启动指令前，需把取料初始位置的坐标指令传送给PLC，即为空间三维坐标（Cx，Cy，Cz），PLC在进行取料时需以该坐标为取料起点，待PLC接收到上位机传输的启动指令后，移动至坐标位置开展取料作业；因PLC借助编码器传送回来的脉冲数量来大致判断大机姿态，以及把控大机的动作，故而在PLC获取到取料初始坐标后，会先把其转变为达到相应位置时将会接收到的脉冲数量，而后启动计数器；在计数器计数到预设数量时，通过比较动作，可基本保证大机已运行到预定的方位，而后开始PLC取料作业；借助风机作业开始取料工作，取料方式有直线取料和弧线取料两种，优缺点不同，本文选取的是弧线方式进行取料；整个取料过程中需实时测量取料体积，明确其是否达到设计要求，在符合設计要求后停止风机，结束取料，此时PLC将会根据预设的程序运行到初始位置，若尚未达到取料需求量，检验是否已完全完成本层的取料，若未完成需继续完成本层取料，若本层取料已完成则判定PLC取料是否到达最后一层，若尚未到最后一层，需按照设计的高度下移悬臂，即降低俯仰角q，若已到最后一层，表明已完成轨道上大机现在所处位置的取料工作，需按照设计的步长移动大机到下一个取料点进行取料；依照预设的相应参数开展换层的取料作业；继续取料工作：整个大型机械的取料工作需系统的所有设备协同作业，其中包括大机、上位计算机、24V的外部供电电源、编码器、PLC、交流接触器、电动机，以及中间单元等，只有这样才可以顺利完成所有位置点的取料工作，确保整个取料工作的顺利开展。

4.结论

综上所述，虽然直线取料方式更容易实现，但是使用直线取料的方式时，大型机械会频繁的在轨道绳进行移动，不利于大机进行作业，因此选择弧线取料的方式进行取料，使用弧形取料方式大机不需要在轨道上进行频繁移动，更加适合在现场进行操作。

参考文献：

[1]冯庆冬.港口煤炭全自动无人化装卸控制系统的设计[D].秦皇岛：燕山大学，2014.

[2]宋伯生.PLC网络系统配置指南[M].北京：机械工业出版社，2011.endprint