1、XX钢铁集团有限公司原料场堆取料机防碰撞及定位检测技术方案 目 录1项目概述32防碰撞定位控制系统实现功能32.1绝对位置检测42.2空间防碰撞42.3安全联锁控制52.4防混料检测52.5动态显示53防碰撞控制系统构成53.1 系统构成53.2系统信号流程64格雷母线技术简介74.1 格雷母线检测原理74.2 检测方式94.3 格雷母线的结构104.4位置检测特点105.实现方案115.1 机车走行位置检测方案115.2 悬臂旋转位置检测方案116基本配置清单137项目承担企业简介与成功案例137.1企业简介13XX钢铁集团原料场堆取料机走行及回转位置检测技术方案1项目概述XX钢铁有限公司拟
2、建设高炉、烧结、球团和燃煤发电厂，需提供原燃料供应系统、成套设备、配套设施提供及相关服务，先期建设综合原料场一步工程，配套有5台大型堆取料机设备,其中贮料场有堆取料机4台、混均堆场有堆料机1台和取料机1台，为实现料场机械自动运行、位置跟踪、安全防碰撞保护系统功能，要求料场同轨道的两台堆取料机必须设置可靠的防碰撞控制系统置，确保关键设备生产安全和实现设备精细化管理，提高原料场运行效益。原料场与混均料场的堆取料机、双轮取料机是煤场重要作业设备，跨间内有两台及两台以上的大型设备工作时必须设置防碰撞装置，碰撞距离在520m可调、设置减速与停止功能与进行声光报警、安全运行，另外布料小车要求实现精确位置对
3、正下料。为此可采用基于格雷母线绝对定位检测技术，建立一套完整的防碰撞定位控制系统，实现本工程中设备防碰撞与料场设备精细管理。2防碰撞定位控制系统实现功能大型堆取料机定位技术是近年来自动化技术发展的一个热点，也是实现原料场的定点堆取、自动化无人操作的核心技术。近年来定位技术和通信技术发展较快，当前定位技术主要有格雷母线位置检测技术、旋转编码器位置检测技术、定位片编码位置检测技术、条形码位置检测技术等。在众多的定位技术中，格雷母线位置检测技术最为成熟。武汉利德测控技术有限公司研发的格雷母线技术为非接触式连续测量，检测精度5mm，是输出信号为绝对值格雷码一种绝对位置定位技术，能与所有工业现场总线的设
4、备实时通信，能实现堆取料机走行位置与回转位置的精确检测，特别适合应用于原料场工况高温、强腐蚀、湿度大环境。该技术在宝钢、济钢、武钢和首钢等单位工程大量应用表明，该技术定位精度高、设备运行稳定、完全满足均匀定点堆料、混料及生产过程中对移动机车的定位管理要求，有效防止生产混料、防止设备碰撞，是实现生产设备精细化管理的的有效解决方案。结合山钢集团日照有限公司综合原料场防碰撞定位控制系统要求，格雷母线绝对位置检测定位技术能够很好地满足控制要求，可实现如下控制功能:2.1绝对位置检测走行绝对位置检测：堆取料机和堆料机大车、双轮取料机大车走行绝对位置精确检测，检测精度5毫米。回转绝对位置检测：回转绝对位置
5、精确检测检测精度5毫米(回转角度110度)。料点绝对位置检测：走行绝对位置、回转绝对位置检测，可选结合水平位置检测旋臂端点高度，可计算出堆取料机旋臂在空间的三维位置姿态，实现堆取料点位置的检测。2.2空间防碰撞基于格雷母线技术建立绝对位置检测防碰撞定位系统，防止前后堆取料、双轮取料机、布料小车相互间碰撞，当前后两台取料机空间位置之间距离20米报警提示，10米控制停机。2.3安全联锁控制卸料位置联锁作业：如需将原料堆入堆场，必须待堆取料机到达指定位置区域后方能作业。取原料位置联锁作业：单台取料机取原料作业，取原料作业必须堆取料机及取料点到达指定位置区域方可取料。2.4防混料检测通过堆取料点空间绝
6、对位置的检测，结合堆场计量系统、电气控制系统，保证堆取料机在指定区域内进行堆料，不与临近的堆料范围相混杂。2.5动态显示建立绝对位置检测防碰撞定位系统建立后，可在中控室系统实时显示堆取料机及其悬臂的三维位置，建立整个堆场设备防碰撞、生产设备位置定位、安全生产管理监控系统，杜绝事故发生，提高工作效率。3防碰撞控制系统构成3.1 系统构成根据总体平面布局，整个堆场共有5台套料场堆取料机设备，如下图1所示。料场：其中一步料场1#4#堆取料机（1#、2#同一轨道长665米、3#、4#同一轨道长665米）回转堆取料，混均料场5#堆料机 (轨道650米）回转堆料、6#双轮取料机（轨道650米）取料。本方案
7、铺设4条格雷母线作为防碰撞控制系统绝对位置检测装置，格雷母线铺设在轨道旁，实时检测每台机车位置，同时每台机车安装回转格雷母线和选配俯仰角度传感器，可测量堆取料点的绝对位置。n 图1防碰撞定位系统的布局示意图3.2系统信号流程防碰撞控制系统可以对整个堆场的堆取料机进行统一的管理及监控、数据的记录，中控室对全厂的集控系统采取统一的管理，如下达生产任务，生产报表、相关的数据记录。它系统上下行信号说明如下：上行信号：每个料场的堆取料机PLC把采集到的堆取料机地址、I/O信号、悬臂旋转角度、俯仰角度等数据通过无线网桥传送到机车PLC。机车PLC把堆取料机的位置状态及相关的控制进行处理，通过堆场有线/无线
8、系统传输到中控室上位机,中控室上位机显示各车位置及工作状态，并生成相关的数据报表。通过悬臂旋转角度、俯仰角度、臂长可以精确测定落料点位置，完成物料位置的检测和控制，保证堆取料机在指定的区域内堆料、取料，不与临近的料堆相混杂。图2上行信号流程图下行信号：中控上位机发布某车到某堆场堆料、取料、转料和卸料等命令到中控PLC，中控PLC根据任务再把防碰撞禁控或允控命令下传到对应的机车PLC，机车PLC根据命令控制堆取料机走行机构、俯仰机构和回转机构动作，并把位置信息机车显示屏，显示出本车所在的位置、任务等信息。图3下行信号流程图4格雷母线技术简介4.1 格雷母线检测原理格雷母线采用电磁感应技术判别格雷
9、母线与天线箱相对位置进行检测，电缆芯线有两种即基准线（R线）和地址线（G0线G10线）。各对电缆芯线按不同步长的规律编排，每隔一定长度（步长）交叉一次，设电缆的最小步长为W，则G0、G1、G2G8、G9、G10步长分别为1W、2W、4W、8W256W、512W、1024W，基准线R在整个电缆段中不交叉，如6图所示。步长W要根据定位精度来确定，芯线的数量由电缆长度和定位精度决定。一般地，定位精度=W（其中W为最小电缆环路即最小步长），电缆长度为L=2n-1*cm，（其中n为电缆地址线的数量），理论上讲，只要将W取得很小，定位精度就可以做得很高，但在工程上是行不通的，因为根据电磁学的理论，感应电压
10、 e=N*d/dt，=S*B，其中N为线圈的匝数，为磁通量，S为发射线圈或接收线圈的面积，B为电磁强度。因此当W取得很小，S就很小，接收到的信号（感应电压）就很小，地址检测系统的信噪比低，地址检测就无法实现或地址不稳定。根据工程经验，W=200mm较好。图4 格雷母线芯线展开示意图如移动机车上安装一个天线箱，一般天线箱距离扁平电缆10010mm，天线箱发射的高频信号通过电磁感应被地面的格雷母线接收，R线为平行敷设的一对线，接收到的信号作为基准信号，G0G9在不同的位置有不同的交叉点，其接收到的信号在经过偶数个交叉后，相位与基准信号相同，在经过奇数个交叉点后，相位与基准信号的相位相反，若规定同相
11、位时地址为“0”，反相位时地址为“1”，则在格雷母线的某一位置得到唯一10位的地址编码，此对应与机车的一个地址。位置检测单元将地址格雷码转换成十进制的数，即可检测出机车离格雷母线始端的距离，从而得到机车的位置。4.2 检测方式一般地，格雷母线定位检测分地上检测方式和车上检测方式，两种检测方式格雷母线的结构相同，但应用方式不同。（1）地上检测方式：地址编码器和天线箱安装在移动站，通过天线箱发射地址信号，地址解码器安装在固定站（地面）上，在固定站完成地址检测。如图5所示。图5 地上检测方式框图（2）车上检测方式：地址编码器安装在固定站，通过格雷母线芯线发射地址信号，天线箱、地址解码器安装在移动站上
12、，移动站（车上）直接检测到地址。如图6所示。 图6 车上检测方式框图选择检测工作方式根据控制系统的需求来考虑决定。如果控制系统的重心在移动站上，则采用车上检测方式较好；如果控制系统的重心在固定站，则采用地上检测方式较合适。本项目中堆取料机走行的地址检测采用车上检测方式，回转角度地址检测采用地上检测方式。4.3 格雷母线的结构格雷母线由电缆芯线、模芯和电缆护套构成，如图7所示。图7 格雷母线外形图4.4位置检测特点格雷母线防碰撞定位控制系统主要由地址编码器、天线箱、格雷母线以、解码器及辅助电气组成。格雷母线定位技术有以下特点：n 非接触工作方式：非接触工作方式，位置检测精度5毫米，无滑脱和磨损等
13、故障。n 绝对位置检测：能够连续地、高精度地检测绝对地址，可以实现移动机车实时绝对地址检测。检测适应速度200m/Min。n 抗干扰能力强：使用交叉扭绞结构及相位检测技术，天线箱与格雷母线两者间隙从30毫米到300毫米均可正常工作，不受环境噪音和接收信号电平波动的影响。n 不受无委会管制；格雷母线工作频率为低频，所产生的电磁场只限于几米范围内，无需向无管会申请频段即可使用。n 可连接各种现场总线通讯接口： RS485/Controlnet /DeviceNet/ Ethernet或自定协议。n 适用于恶劣的产业环境：安装在室外的格雷母线电缆、天线箱采用非金属材料制作而且采用密封工艺，耐酸、碱腐
14、蚀，能在诸如铁矿石场等恶劣环境条件中长期可靠的工作。5.实现方案5.1 机车走行位置检测方案通过安装在大车一侧的格雷母线电缆检测大车的走行位置，如图8示。大车走行的位置即为Y轴的位置。图8 大车位置检测示意图5.2 悬臂旋转位置检测方案旋转角度检测：通过安装在悬臂回转盘上的格雷母线电缆检测悬臂的旋转角度,格雷母线电缆随悬臂一起转动，天线安装在大车上不动，如图9所示。格雷母线电缆安装成与回转盘一致的圆形，通过检测格雷母线电缆与天线的位置确定悬臂旋转的角度。图9 悬臂旋转角度检测示意图俯仰角度检测：通过安装在悬臂上的角度检测仪检测旋转角度，检测得到悬臂相对水平面俯仰的角度，如图10所示。图10 悬臂俯仰角度检测示意图悬臂空间三维算法：通过检测堆取料机大车的走行位置、悬臂的旋转角度及俯仰角度即得出堆取料点的空间坐标（X0,Y0,Z0），如图11所示。同样计算出另一台车的空间坐标（X1,Y1,Z1），根据堆取料机角度及料场的宽度不同，取空间点的坐标也不相同；用空间两点距离公式在中控PLC的程序上进行判断和提示，堆取料点距离20米报警提示，10米控制停机，再将信号再发送到堆取料机，保证同轨道堆取料机防碰撞。图11 悬臂空间三维算法根据上述空间模型，也可以进行系统空间防碰撞模型简化，只检测机机车行走位置和旋转式堆取料机的回转位置，俯仰角度检测为可选择项。6基本配置清单详见报价清单
