杜胜利
摘 要：文章介绍了刻度标尺精确定位技术的工作原理及系统组成，介绍了该检测技术在黄骅港筒仓卸料车上无人操作自动化的应用，通过使用该技术实现了卸料车的定位及自动换仓卸料，降低了现场操作人员的劳动强度，保障了操作人员职业健康；同时提高了卸料效率和仓容。对卸料车位置检测产品进行了系统分析比较。
关键词：刻度标尺；位置检测；筒仓；卸料车
引言
随着科技的进步，工业自动化程度越来越高，工业自动化应用越来越广；神华黄骅港是一个以煤炭运输为主业的现代化港口，其年吞吐量已经达到1.5亿吨，在册职工不到一千人，自动化程度在全国领先，堆料系统已全部实现自动化无人操作，特别是煤三期工程，采用筒仓工艺，自动化程度更高。无人自动操作，减少了现场操作人员，大大提高了生产效率，是我们整个工业发展的整体趋势；实现无人自动操作，对我们的现场数据采集的准确性、实时性提出了很高要求，以黄骅港三期卸料小车为例，其轨道行走全长270米，跨越了六个筒仓区，要实现无人自动操作，必须首先准确无误的定位到指定筒仓的指定点，其布料过程中也必须实现准确定位，准确无误的定位是实现自动卸料的一个必要条件，目前现场使用的定位器（系统）主要有旋转光栅编码器、接近开关、刻度标尺等；黄骅港三期卸料小车应用的定位系统为刻度标尺。
1 系统构成
刻度标尺卸料车自动控制系统主要由这几部分构成：料位采集部分、位置检测部分、PLC控制部分、上位机部分。
料位采集部分：在料仓合适位置分布安装料位计，用来实时采集料仓料位信号，此信号传输到中控室的PLC模块内。
位置检测部分：采用刻度标尺精确定位系统来检测卸料车的实时位置，标定各料仓的位置。
PLC控制部分：采集各料仓料位信号和小车位置信号，接收中控室上位机工作指令，并控制变频器工作。
上位机部分：人机界面，根据生产工艺流程制定生产流程，下达到PLC。
2 刻度标尺介绍及检测原理
2.1 刻度标尺简介
刻度标尺精确定位系统包括一台地面电气柜（含刻度分析仪等）、一台车载电气柜（含刻度生成仪等）、刻度标尺以及游尺指针等。其中刻度标尺是由扁平状的PVC合成材质外壳材料和内部按照8421码规律编制的芯线构成，类似一把有刻度的标尺，一般安装在沿移动卸料车运行轨道单侧边，或者沿运行轨迹铺设在地面上，亦或安装在轨道旁的栅栏立柱上均可，需要检测多长的位移就铺设多长的刻度标尺；游尺指针安装在卸料车上，用于识别本卸料车所在的位置。游尺指针相对刻度标尺平行非接触移动，游尺指针指向的刻度即是当前位置值，可以在车上或地上得到位移量，无需初始参考点，定位精度5毫米，分辨率2毫米；可以断续或连续检测，尤其适用于轨道不平整的大车或环形运动机械位移检测。防水、防油、防尘、耐酸碱，适用于冶金、矿山、水利、港口码头堆场、仓储、化工等条件比较恶劣的环境。
2.2 刻度标尺原理
刻度标尺精确定位系统采用电磁感应原理来检测移动设备的位移量，当游尺指针线圈中通入交变电流时，在游尺指针附近会产生交变磁场。刻度标尺近似处在一个交变的、均匀分布的磁场中，每对刻度标尺芯线会产生感应电动势。刻度生成仪信号通过电磁耦合方式传送到刻度标尺的感应环线上。刻度分析仪对接收到的信号进行相位比较。交叉线的信号相位与平行线的信号相位相同，地址为“0”；交叉线的信号相位与平行线的信号相位相反，地址为“1”，这样感应的地址信息是8421码排列，由此确定游尺指针在刻度标尺长度方向上的位置。
2.3 刻度标尺构成
2.3.1 车载子系统：由游尺指针、车载电气柜（内含刻度生成仪、开关电源等）。
2.3.2 地面子系统：由地面电气柜组成（内含刻度分析仪、开关电源、网关、标尺引线转换器等）。
2.3.3 刻度标尺子系统：由专用刻度标尺、CN箱、EN箱、普通电缆以及各种用于刻度标尺安装、固定、防护机构组成。
3 卸料车走行位置检测技术比较
卸料车走行位置检测技术是近年来自动化技术发展的一个热点，在物料有轨搬运设备的应用尤其广泛。卸料车位置检测传感器最早是接近开关或者光电开关，稳定性较差且寿命有限，卸料车自动控制系统往往因为传感器维护量大而无法长期运行。随着科技进步，卸料车位置检测设备也迅速发展。当前国内外的卸料车走行位置检测技术主要有：定位片/条形码位置检测技术、限位开关（行程开关）或接近开关定位技术、旋转编码器加参考点限位开关检测、红外定位技术、激光测距技术、对射式光电开关检测、刻度标尺等。下面就以上几种位移检测技术进行一下比较。
3.1 定位片/条形码位置检测技术
定位片编码位置检测技术：通过安装在轨道旁的定位片（带孔的铁片）检测卸料车的位置，是一种间歇式绝对定位工作方式。条形码位置检测技术是通过安装在轨道旁的条形码或信息按钮检测卸料车的位置，是一种绝对定位的工作方式，与定位片编码位置检测技术相似。由于在粉尘、高温环境里定位片编码或条码受到污染后容易失效，耐污染能力差。移动卸料车的振动和抖动等都会导致车上扫描读写装置无法辨认定位片编码信息，出现无法检测地址现象。
3.2 限位开关或接近开关定位技术
限位开关用于控制机械设备的行程及限位保护，是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，它的作用原理与按钮类似，是一种间歇式的绝对定位方式，限位开关因为需要机械传动所以响应速度也比较慢，容易磨损损坏，使用寿命短。接近开关是当运动部件与其的感应头接近时，就使其输出一个电信号。这类定位技术的优点是成本低，缺点是在使用过程中容易点蚀，可靠性差，易失灵，受温度、电压波动、外界物体靠近等影响而产生误动作导致控制系统紊乱。接近开关作用距离短，不能有明显的冲击、震动或摇动，容易撞坏，对安装的要求也相应较高。因为是采用电涡流原理输出，抗传导辐射干扰的能力较差，所以易受外部电气信号的干扰而导致误动作或突然失灵。如果遇到接触器的主触点熔焊或释放（复位）滞后就会出现限位保护失灵，导致事故。移动卸料车在走行过程中的震动、抖动和外界环境的影响都会导致其失灵或误动作。早期国内钢铁行业自动化程度较低，在矿槽小车的定位上普遍设计采用此种定位方式，后在使用过程中发现每个仓位由于只有一个（几个）点的信号容易丢失位置，易失灵，维护量大，可靠性差等，不仅降低了卸料设备定位的精度，影响设备的正常运转，而且卸料设备误工率大大增加，严重时甚至导致生产混料事故和安全事故。所以目前国内钢铁企业内的大部分矿槽卸料系统都采用人工干预来进行控制，当初设计的自动布料由于不能可靠地解决位置检测问题而大都处于瘫痪或半瘫痪状态。
3.3 旋转编码器位置检测技术
旋转编码器位置检测是在车轮上安装码盘对移动卸料车行走的位置进行连续位置检测，并形成位置闭环控制。这种方法是最先采用的也是最简单的技术，通过安装在车轮上的旋转编码器检测到卸料车的位置。由于是接触式位移测量，存在两个严重的缺陷：第一，由于所测量移动车辆自身频繁启停所导致的滑动累积误差和卸料车行走过程中车轮的打滑现象，导致在频繁往返移动或长距离有轨走行中累积相当大的位移误差，现在使用中采用较多的是每隔一定的距离加以校正，但效果仍旧不尽人意。第二，就是所谓的“绕度”问题，这主要在卷扬系统中有着明显的体现。当轴同样转动一圈而各圈位移量不一致，这也是导致位移误差的常见原因。所以从上述几点来看，我们目前所讲的绝对型和相对型实质上只是针对于轴所转动的位置信息而言。对我们所需要测量的移动卸料车的位移来讲，它只是一种相对定位的方式。编码器在工业应用上的主要优点是成本低。缺点是车轮打滑，定位不准，易损坏，不耐高温，维护工作量大，使用一段时间后需要重新改造其机械结构等。其只有车上检测模式，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。
3.4 绝对型线性编码器位置检测技术
基于非接触的磁性检测原理，是一种连续非接触位置检测。优点是测量精度高，单边有源。缺点是所要求的非接触间隙（感应距离）比较小（<40mm），长期工作在高温、粉尘环境中易退磁，只有车上检测模式，地址信息要通过无线电台或信号拖缆传输到地面。
3.5 激光定位技术技术
利用激光传输时间来测量距离的基本原理即通过测量激光往返目标所需时间来确定目标距离，是一种连续非接触位置检测。优点是测量精度高，安装简单。缺点是测距相对短，抗污染能力差，露天环境的雨、雾和粉尘对光线传播都有影响，激光发射头要求的环境清洁度应非常好，粉尘累积或雨水冲刷极易造成发射窗口被堵塞，主要适合条件比较好的室内环境，不宜在露天或粉尘场合使用。使用激光时，卸料车在运行过程中的震动或抖动对地址检测稳定性也会产生影响。当检测距离达到上百米时，卸料车自身的震动或由于轨道不平引起的抖动都可能导致激光发射头发出的激光打不到靶区（挡板）上，从而出现丢地址的现象。
3.6 红外定位技术
红外定位技术主要有车载部分：活动标尺、信号检测和传送单元；地面站部分：固定标尺组成。其基本原理为：地面固定标尺是由金属外壳封装而成，外壳上等间隔分出若干个窗口，高频调制的编码红外线通过这些窗口发出。车载活动标尺为红外接收设备，接收到的调制后的高频波在活动标尺上进行分析，识别出卸料车的实际位置。优点是非接触间隙比较大；缺点是不抗粉尘，怕水蒸汽，不耐高温，怕撞，抗震动较差，安装精度要求高，使用寿命短，不适合恶劣环境，综合维护量大，易受到现场红外线杂波的干扰等。红外线方式只有车上检测模式，地址信息要通过无线电台或信号拖缆传回地面。
3.7 对射式光电开关检测
对射式光电开关包含了在结构上相互分离且光轴相对的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器，当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。因此可以把对射式光电开关固定在矿仓卸料口，当卸料车通过卸料口时，光电开关产生开关量信号，PLC利用其信号判断卸料车位置区间。与限位开关相比较，其优势在于光电开关是非接触设备，而其缺点是抗粉尘能力差，发射器表面需要定期清洁，维护量也很大，因此，只得到少量应用。
4 刻度标尺位置检测技术在黄骅港卸料车上的应用
4.1 刻度标尺精确定位系统
刻度标尺平行安装在卸料车轨道一侧的托辊下方或立柱上方。游尺指针安装在机车上一个延伸杆的顶端、紧靠着刻度标尺附近。机车前进时，游尺指针也将沿着刻度标尺平行移动。游尺指针是机车地址测量的形象指针，所以在系统运行和日常维护时，一定要保证安装牢固，让游尺指针外平面与刻度标尺始终保持在50-150mm的距离。移动时不要发生与其他物件碰撞。地面控制柜内刻度生成仪输出位置信号给PLC，再通过光纤和上位机联机。
4.2 无人操作自动化控制系统
本系统采用美国AB公司的RSlogix5000 PLC控制，位移信号由安装于现场的刻度生成仪输出后，使用RS-485通讯电缆接入PLC的CPU模块上的485接口，经过专用的通讯适配器，最终将位移信号以整数形式写入PLC内的固定寄存器。卸料车的行走控制由PLC编程，通过输出的开关量信号控制。上位机画面采用AB公司推出的RSlogix5000制作，使用第三方通讯软件KEPWARE作为驱动，通过OPC方式完成上位机与PLC系统之间的通讯。
通过刻度标尺精确定位系统和上位机操作系统的协同工作，可以确保卸料车行走平稳，停止位置准确可靠，在输料系统中将不同的料种卸到指定的仓位内，满足工艺需求。按操作方式可设置“手动”和“自动”切换功能，使系统在非常情况下仍能通过现场手动操作来完成配料卸料作业，不影响生产的正常进行。根据生产现状，当皮带机在目标区间（指定仓位）卸料过程中，可以允许操作工在现场机旁操作小车在指定仓位移动，但不能超过目标仓位的区间范围，即小车的换仓只能通过中控系统集中控制，用户可通过上位机选择需要卸料的仓，小车会自动走行到相应的仓位。另外用户还可以选择小车行走卸料时是采用定点卸料还是多点卸料，多点卸料是小车在该仓的几个卸料点来回行走卸料，行走时间间隔T。当不需要多点卸料时可随时切换到定点卸料，并且中间仓位的卸料要能控制皮带机运行到两端进行正反两次卸料，满足工艺要求。急停命令可以让小车立即停止行走。
4.3 卸料车自动定位系统运行模式
系统分为半自动、全自动两种运行模式。
半自动模式：在半自动模式下运行时，需要操作人员根据料仓料位情况在画面中选取相应的料仓，当PLC接到此指令后，就会比对目前卸料车所在的实际位置和目的位置，使卸料车自动前进或后退，直到到达指定料仓后停车。
全自动模式：在全自动模式运行时，又分为高料位模式与低料位模式两种情况。以低料位模式为例，在画面中需要选择“全自动”和“低料位模式”两个按钮，系统会自动在六个料仓中选取料位最低的料仓自动卸料，灌满后会移动到下一个最低料位的料仓。高料位模式正好与此相反，在此不再赘述。
在控制卸料车自动行走时，软件根据系统的延时和卸料车的惯性，计算出刹车提前量，通过变频器控制抱闸的动作，实现卸料车的准确停车。
5 结束语
本系统自安装调试完后，经过长期的运行，通过刻度标尺实时检测卸料车当前位置，即所处仓位（槽位）识别，结合料位，实现了卸料车的自动换仓卸料、多点均匀布料（下料），提高仓容利用率；优化流程，精确作业，减少出错机率。该系统具有以下技术特点：采用非接触式刻度标尺精确定位技术采集卸料车的实时位置，可断续或连续检测，分辨率可以达到2mm，实现卸料车行走定位精度在±10mm；刻度标尺精确定位系统运行可靠，维护量极小，完全满足生产自动控制需求；丰富友好的人机界面，可以在计算机上方便地操控卸料车运行，实现生产过程的计算机管理，远程监控，生产状况存贮查询；同时提高了工作效率和生产管理水平，实现了远程全自动操作控制。
