耐火材料生产线转运部分及配料

1、绪 论 ............................................................................................................................... - 1 -

1.1 课题研究背景 ........................................................................................................ - 1 -

1.2 本文主要工作 ........................................................................................................ - 2 -

2、耐火制品生产流程分析 ................................................................................................. - 1 -

2.1耐火砖总体生产流程 ............................................................................................. - 1 -

2.2转运系统工艺流程 ................................................................................................. - 1 -

2.2.1 转运系统整体流程 ..................................................................................... - 1 -

2.2.2 转运系统流程分析 ..................................................................................... - 4 -

2.3转运车及其行走策略 ............................................................................................. - 5 -

2.3.1转运车的组成 .............................................................................................. - 5 -

2.3.2转运车及其行走策略 .................................................................................. - 6 -

2.4本章小结 ............................................................................................................... - 10 -

3、转运系统基础自动控制 ............................................................................................... - 10 -

3.1无线通信方案设计 ............................................................................................... - 10 -

3.2 转运车硬件选用与组态 ....................................................................................... - 11 -

3.3转运车定位实现 ................................................................................................... - 12 -

3.4 转运车PLC软件设计 ......................................................................................... - 13 -

3.5 本章小结 .............................................................................................................. - 17 -

4、总结 ............................................................................................................................... - 24 - 参考文献 ............................................................................................................................. - 25 -

1、绪 论

1.1 课题研究背景

耐火材料工业，对商品生产工业如钢铁、水泥、玻璃、铝、铜、石油化工等的发展起着至关重要的作用。在高温工业的发展和技术进步的促进下，我国耐火材料工业迅速发展，现已基本形成了科研、设计、生产、应用的产业体系，同时耐火材料产量已多年居世界第一，但耐火材料产业整体的技术水平和产品结构等方面与国际先进水平相比差距很大。我国耐火材料产业与国外相比的差距主要表现在以下两个方面：

1) 耐火材料企业规模小、装备差。我国耐火材料产业主要是从“六五”发展起来的，在上世纪八十年代以后随着耐火材料科技攻关取得的科技成果转化生产，逐渐出现了一批定点生产这些品种的生产企业，在我国改革开放的大形势下，往往一个品种由很多企业同时生产，形成低水平重复的局面。这些企业大多规模小，生产装备落后，原有的科技成果在这些企业中被改头换面，失去了原有的科技特点。加之数量众多且企业无序竞争，竞相压低价格，造成以偷工减料为手段的降低成本，致使本来装备落后、产品不稳定的状况更加严重。

2) 科研成果转化生产产业化的速度慢。耐火材料是钢铁、水泥、有色金属等工业的基础材料，高温窑炉的技术进步推动了我国耐火材料在品质、质量方面的发展，通过国家科技攻关和行业的科研项目取得了很多科技成果，很多成果在市场需求的情况下进行了生产转化，但是一些技术含量高，生产难度大、技术附加值相对高的科技成果生产转化的速度较慢，迟迟不能形成大批量生产的能力，不能及时为高温工业的发展服务。

近几年，我国耐火材料工业正朝着向产量降低、质量提高、品种增加的趋势发展。具体表现为：一方面耐火材料的主要用户如钢铁、水泥、玻璃、有色金属等行业的技术发展对耐火材料提出了更高的质量和品种要求。另一方面，这些行业在激烈的价格竞争中，向耐火材料提出了严峻的降低吨产品耐火材料成本的要求，致使耐火材料企业要以更大的投入加快新的优质产品开发与研究，以适应和满足这些行业的需求。

目前，国内的耐火材料工业正处于转折时期，受到了国外先进技术的影响和冲击，他们对先进、独创的技术和办法日益重视。因此，设计开发全新、高效、紧凑、低排放、清洁的生产工艺流程，拓展国内耐火材料行业的生存与发展空间，己经成为耐火材料行业内的共识，同时耐火材料行业也面临着劳动力成本的提高、经济全球化、激烈的行业竞争所等带来的巨大压力。因此消耗最低的成本来完成最大效率的生产是在竞争中取胜的一个方向，并且在未来几年内人口红利的缺失将带来制造业生产成本的普遍提高，[2][1]

由此实现耐火材料生产线的全自动是不可避免的，由于其全自动过程主要包括耐火材料转运过程的全自动和其在高温窑炉内烧制的全自动过程。烧制耐火材料的高温炉窑主要包括超高温竖窑、超高温回转窑、超高温隧道窑、节能型梭式窑及热处理窑。随着自动化技术的发展，耐火材料工业炉窑的控制水平也在提高[3]。近年来，国内一些耐火材料工业炉窑已经实现能够全自动化控制，其主要特点是：采用PLC或小系统控制站，通过检测和控制设备对炉窑进行监测、自动操作；采用燃料-空气比例燃烧，实现炉窑合理燃烧和节能；采用分区控制温度技术，对不同炉窑制定相应的分布方案，以实现炉窑内温度的合理分布和控制；对炉窑的升温、保温、降温过程实现自动控制，减少操作中人为因素的影响，提高产品成品率。然而耐火材料转运过程的全自动过程发展比较缓慢，目前大多数企业仍采用人为推拉、手动操作完成窑车的运转，造成生产效率低下、可靠性不强等。随着无线通信技术的发展及其在工业生产中的应用的推广,实现窑砖自动、可靠的运转已经成为现实。

在耐火材料全自动生产线中，窑车转运的自动实现是重中之重。由于窑车自身的运行方向不能发生转弯现象，且考虑布局的合理性需要多条并行的轨道来实现窑砖的干燥、烧制等，为此就需要转运车来完成窑砖在不同轨道上的运转功能。转运车合理的进行窑砖的运转能够减少能量的消耗同时提高生产效率，为此摆渡车的最优调度来完成各个任务是本文研究的一个方向，同时窑砖生产流程的合理安排能否得到最大化的生产效率也是本文需要研究的重点内容。

1.2 本文主要工作

本文以实际工程项目某耐火材料生产线自动控制系统设计为背景来进行的。此次工程实践实习阶段主要涉及到耐火材料生产线转运部分及配料部分，本论文将主要对这两部分进行说明。

第1章为绪论，阐述本文研究背景及意义。

第2章介绍耐火砖生产线的整个流程，并进行详细分析，同时介绍了实现窑砖转运的设备摆渡车的构成。

第3章介绍了转运系统功能的自动化设计。

第4章主要介绍生产线全自动配料监控系统的结构与功能。

第5章主要总结对此次工程实践课程的收获及感受。

2、耐火制品生产流程分析

2.1耐火砖总体生产流程

耐火砖在耐火材料中占有很大的比重，耐火砖的应用场所也是相当广泛，为保证耐火砖的质量，耐火砖的烧制工艺也较为复杂，耐火砖生产过程主要分为如下过程：

（1）选料及原料加工

烧制不同的耐火砖要选取合适的矿物，并且便于开采加工，成本要低，然后开采得到的矿物质会经过选矿、干燥、煅烧、破碎和筛分等过程，然后放入料仓中，等待配料过程。

（2）配料

由于耐火砖的配方不同，不同种耐火砖对不同矿物质的需求不一样，因此整个配料过程就保证了耐火砖对不同成分矿物质的较为精确的需求。

（3）成型

耐火砖轧制成型一般由大型打砖机按照胚体压制而成，使得耐火砖较致密的均勾的结钩，并且有一定的强度。

（4）烧制

烧成是指对砖坯进行煅烧的热效理进程。烧制完成后耐火砖的整个生产过程结束。

对于耐火砖的整个生产过程都有相应的设备来完成不同的工序。例如：在原料加工阶段的破粉碎机，配料阶段的配料小车和配料仓，打砖机轧制耐火砖成型，耐火砖经干燥窑的干燥及隧道窑的烧制后成为成品。窑车则在耐火砖从成型到烧制完成中成为装载耐火砖的装载工具。而窑车在各个行驶轨道之间的行走转换则需要转运车来完成。各转运车与转运轨道及PLC控制系统便构成了窑车行驶的转运系统。

2.2转运系统工艺流程

2.2.1 转运系统整体流程

本项目的转运系统流程开始于打砖机，转运车把空窑车运送到准备好打砖的打砖机轨道上，打完的砖由人工码好在窑车上，再由转运车把装好刚打完的砖的窑车运送到进行风干的轨道上，轨道上有返车机会推动窑车在轨道上的行驶，在风干过程中同样需要转运车进行窑车在不同轨道的切换，风干完成后转运车会把

窑车送入相应的干燥进行干燥工序，干燥完成后，转运车会把窑车送入隧道窑进行烧制，烧制完成后转运车把烧制完砖的窑车送到相应的轨道上进行卸砖，卸完砖后的空窑车又会进入下一次的工作循环。

流程图如下所示：

TD 3 TK 3

TD 2

TK 2

TD 1

TK 1 图 2.1转运系统流程图

图2.1中，根据以上流程图本文将会采用以下字符代替上述具体事物描述： TR1：1#转运车，运行于1#转运车行走轨道

TR2：2#转运车，运行于2#转运车行走轨道

TR3、TR4：3#、4#转运车，运行于3#、4#转运车行走轨道

TR5：5#转运车，运行于5#转运车行走轨道

Rail N：其中N在1~10之间，代表N对应的回车线

PUSHER N：其中N在12~17之间，代表N对应的回车线

TD N：其中N在1~3之间，代表N对应的干燥窑

TK N：其中N在1~3之间，代表N对应的隧道窑

CM11：代表11#回车线

为了使符号的通用性，上述所示符号也代表窑车在转运车进行转运过程中的起始点和终止点的位置。

如图2.1所示，转运系统的整体流程开始于耐火砖配料结束，按照配方配置好的原料通过履带送到打砖机处，打砖机按照模具把原料压制成砖坯，转运车TR5在打砖机一侧运行，把空的窑车从最左侧的轨道上运送到在进行打转的打砖机旁的轨道上，空的窑车则是砖坯的装载工具。打砖机打完砖后，由人工在窑车上码好后，轨道上的推车机会把窑车推到轨道出口处，然后由TR3或TR4转运车进行转运，送到Rail6 轨道上进行风干，装有砖坯的窑车在Rail6轨道上有返车机进行推动，达到Rail6的出口处，会有TR2转运车进行根据窑车要进入的干燥窑，而把窑车运往Rail7或Rail8 轨道上。

同样，返车机把窑车从Rail7或Rail8的入口处运往轨道出口处，等待运向相应的干燥窑内干燥。运入干燥窑的任务会有TR3或TR4来完成，窑车在经过一定的干燥时间后，会到达干燥窑出口处即在TR2轨道处，窑车在干燥窑内的行走有液压推车机来完成。当隧道窑完成推车后，会产生要车信号通知上位机，上位机会通知TR2转运车到对应的干燥窑处拉取窑车送入隧道窑内。

窑车进入隧道窑后开始正式的烧制过程，同样在隧道窑内窑车由液压推车机推动行走，烧制完成后，窑车会由TR1转运车转运到Rail1轨道上，Rail1与Rail 11相连，装有烧制好砖的窑车会通过Rail 1上的推车机向前运行，达到Rail 11的卸车点时，由人工进行卸车，卸车完成后窑车从新归于空窑车的队列可由TR3或TR4直接由Rail 11的轨道上运往打砖机最左侧的轨道上由TR5转运车从新获取，参与下一次耐火砖烧制流程。

同样的当卸车较慢或产生故障时，TR1转运车运送的窑车可以运送到Rail 3轨道上暂存，经TR2转运车转运到Rail 2轨道上，到达Rail2轨道出口处，当整个卸车条件满足时，TR1转运车会从新把窑车送到Rail 1轨道上完成剩余的工序。当有较多窑车时，窑车在卸完砖后并不急于参与下次耐火砖烧制工作，但总体又会影响后续卸砖工作，此时转运车TR3或TR4会把空窑车送到Rail 4 轨道暂存，经TR2 转运到 Rail 5轨道上，等需要时，转运车TR3或TR4会把空窑车从Rail 5的出口处运往目的地，参与耐火砖的烧制流程。

以上流程便是窑车在整个转运系统的总体行程，及转运车在整个流程中扮演的角色，整体过程中并没有考虑窑车损坏的情形，当窑车损坏时，应把窑车送到窑车检修地坑进行检修。

2.2.2 转运系统流程分析

（1）单轨单车转运流程分析

以转运车TR2为例，TR2的初始停靠在任意位置，当有任务产生时例如一号隧道窑准备窑车并且一号干燥窑准备好窑车，TR2就会调度到一号干燥窑处把窑车从干燥窑内拉出，然后调度到一号隧道窑处把窑车推入隧道窑内（在本项目中干燥窑与隧道窑相对，TR2拉完窑车后并不需要调整位置），此时定义窑车从干燥窑运送到隧道窑为一个任务，转运车从停靠位置行驶到任务起点即干燥窑为调度距离，转运车从干燥窑处行驶到隧道窑处（此处为零）称为任务距离。

由流程图可知TR2在其行驶轨道上有多个干燥窑出口和多个隧道窑入口，以及用于风干耐火砖的轨道的转接口等，当有多个任务触发时，即在同一时刻隧道窑同时要车并且干燥窑准备好，Rail6出口处有窑车要运送到Rail7或Rail8,Rail4出口有窑车要运送到Rail5处等多个任务发生时，转运车会对任务产生一个执行任务列表当任务执行列表安排不当时，会使得转运车来回调度，使得转运车的行走总路程过程，造成能量的过多消耗，从而使得厂内耐火砖生产成本提升。

（2）单轨双车转运流程分析

以转运车TR3和TR4为例，TR3和TR4主要服务对象是打砖机出口的窑车，这两辆转运车要把刚码好砖的窑车送到Rail6轨道处进行风干，风干过程中窑车会由TR2转移到Rail7和Rail8处，然后由TR3和TR4运送到干燥窑内。同样TR3和TR4也会完成把窑车从Rail1运送到打砖机的轨道上的任务等。同样定义窑车从要运送位置的起点运送到目标位置为一个任务，转运车从停靠位置行驶到任务起点即干燥窑为调度任务距离，转运车从干燥窑处行驶到隧道窑处（此处为零）称为任务距离。

由于TR3和TR4在同一条轨道当有任务产生时，任务分配不能同时分给两辆车，另外TR3和TR4有可能会产生路径上的交叉即碰撞的事情产生，此时就会有一方产生避让，与TR2一样当两车轨道周围有多任务产生时如何避免两辆车产生来回调度，或是避免两车在执行任务期间多次因碰撞而产生避让，造成车辆因过多的行走避让路径而造成能量的消耗。

2.3转运车及其行走策略

2.3.1转运车的组成

由图2.1所示，转运车在整个转运系统中扮演“摆渡者”的角色，即转运车会根据在相应轨道出口处的窑车所要驶往的目的地，转运车会从其当前停靠点调度到窑车所在位置，然后通过转运车自身的推拉机械机构把窑车装载到转运车上，窑车在转运车上有一定的固定机械结构保证转运车在行驶过程中窑车不会从转运车上掉落。当窑车到达目的地时，转运车会通过推拉机械机构把窑车从新放置在地面上窑车行驶轨道。

每一辆转运车都由控制单元，推拉车单元以及行走单元等部分组成。控制单元采用西门子S7-200PLC为控制器，用编码器进行定位，行程开关返回要获得的各种信号（包括检测窑车信号，推拉杆信号，转运车定位信号以及防撞信号等）。控制器采用无线通信模块与上一级控制单元进行通信。推拉车单元由液压泵，液压推拉杆等机械结构构成，完成把窑车由轨道转运到转运车和由转运车转运到轨道上的任务。

转运的行走单元由行走电机，滚轮等构成，如图2.2所示。转运车与窑车相同，同样行驶在轨道上，滚轮的设计如同火车滚轮，保证了转运车在轨道内行驶而不至于偏离行驶方向，行走电机由控制器控制行走方向带动滚轮转动。当转运车停靠在目的点时，机械定位电机会把机械定位装置固定在地面定位器上，两者的作用使得转运车上窑车行驶的轨道与地面窑车行驶轨道很好的对接，从而使得窑车能顺利上下窑车。行走单元之间的配合完成转运车在行驶轨道内的调度。

图2.2 转运车行走系统

因转运车在推拉小车时应保证自身装载窑车的轨道与外部调度窑车的轨道达到很好的接轨，所以转运车需要准确的停靠在目标位置，本系统一方面在相应的位置处安装了定位块装置，实现转运车的准确定位；另一方面采用变频器对行走电机进行控制，采用相应的行走策略完成转运车向目标位置的调度而不出现由于转运车惯性等因素引起的较大的行驶误差。采用变频器[9]控制电机有如下优势：

（1）电机起动平滑，对电机和电网冲击小，可以在不增容的情况下实现较大电机的起动；

（2）通过对电机运行电源频率的设定来实现对负荷转速的调整，可以实现电机的无极调速；

（3）通过转速调整有效节约电能，减少无端的电能消耗；

（4）变频器保护功能比较全面，变频器自带各种保护：短路、缺相、过流、过载、欠流、过压、欠压、超频、特低频（此时电流很大）等等，而且变频器自己实时显示相关的电参量，做到实时监视。

（5）可以输出频率或转速反馈，并能够接受遥控调频。

2.3.2转运车及其行走策略

因为转运车在调度过程中要能保证精确定位的要求，也就是转运车车以一定的速度行驶时，能够及时停在定位点，而不能超出定位块所能允许的距离范围之内。转运车的定位系统图如下2.3所示：

图2.3 转运车定位系统

如图2.3所示，在转运车的行走车轮上装有旋转编码器（旋转编码器是用来测量转速的装置，光电式旋转编码器通过光电转换，可将输出轴的角位移、角速度等机械量转换成相应的电脉冲以数字量输出），控制转运车的S7-200PLC的高速计算模块会记录旋转编码器在小车行驶时产生的脉冲数目，根据脉冲数目来估算转运车已行驶的路径长度，但是由于车辆打滑、轨道宽度等问题会造成脉冲丢失等现象，从而使得路径长度产生偏差。因为偏差的产生是无法避免的，但为了使转运车能够较好的停靠在目的地处，在转运车的设计中在转运车的边角处装有接近开关（接近开关是一种用于工业自动化控制系统中以实现检测、控制并与输出环节全盘无触点化的新型开关元件。当开关接近某一物体时，即发出控制信号），因为在转运车行驶轨道上会有铁质定位块触发接近开关使得转运车停靠在一定的位置。当转运车高速计算模块计算的行驶路程满足一定量后，当接近开关被触发，转运车会停止运行，使得转运车停靠在目标点位置附近。但为了保证转运车上窑车轨道与地面窑车转运轨道很好的对接，在转运车上有机械定位装置与在转运车行驶轨道上的定位块，机械定位装置会保证转运车停靠在定位块所要求的位置。

因考虑到，转运车会有多种不同的行驶起始点和目标点，因此转运车每次运行时的行驶路程不一定相同，为此可以自定义各种不同的行走策略来完成转运车的调度过程，在现场采用MM420西门子变频器，采用端子给定频率，共设有三种频率，分别为：50Hz,25Hz,5Hz,由现场测量的数据能够得到对应的转运车的行驶速度为：0.65m/s,0.35m/s,0.05m/s。通过对变频器斜坡上升时间的设定，这里设为10s,可以得到转运车在升速和降速时的加速度，为0.065m/s2。

为能满足上述要求，现场采用的策略为：当转运车离目标距离较远时（当转运车当前位置与目标位置相差大于7米时），采用快行速度行进，即变频器采用50Hz频率给定，转运车以0.65m/s的速度行驶。当转运车距离目标位置为小于7米时，转运车采用第二速度行进，即变频器采用25Hz频率给定，转运车以0.35m/s的速度行驶。当转运车将要接近目标车位时，采用慢行速度行进，慢行距离确定为2 米，当转运车行驶到预定位置附近，如果定位用的接近开关信号触发时，则转运车行走电机抱闸，转运车停止行进，然后通过定位装置把转运车与窑车的转运轨道对齐。整个过程中行驶距离的估算是由编码器获得的。

通过以上数据，可以得到转运车行走时的距目标距离与行走速度的关系，如下图2.4所示：

由图2.4所示，当转运车的起始点和目标点确定时，就能得到两者之间的位

移，根据位移的大小S，根据上图所示的几种不同情形，依据牛顿第二定律，可以得到转运车行驶不同位移时所要消耗的时间。

首先定义Vmax=0.65m/s，Vmid=0.35m/s，Vmin=0.05m/s，a=0.065m2/s

tmidvmid-vminvmax-vmid=,tmin=aa

（1）当S>10.25m时

v2

max(v+v)ts--77-midmaxmid-2vmaxt=++tmid++avmaxvmid

(vmid+vmin)tmin2-tmin+vmin

其中： (2.1)

tmid=vmax-vmid

a表示转运车由最高速下降到中间速度所耗时间。

tminvmid-vmin=a表示转运车由中间速下降到最低速度所耗时间。

（2）当7.94m

v2

mid(v+vmin)tmin14-s+2-midvv+t+t=2x-mid+minaavmidvmin

其中：

(2.2)

vx= 表示转运车能达到的最大速度。

（3）当2.94m

v2

mid(vmid+vmin)tmins--22-vmidt=++tmin+ avmidvmin

(2.3)

（4）当2.01m

v2

min2-s+vxvmint=2-+aavmin

其中：

(2.4)

vx= 表示转运车能达到的最大速度。 （5）当S

t=vmin

av2mins-+ (2.5) vmin

根据以上行驶策略可以估算出给定起始点和终止点转运车行驶所消耗的时间，此时间值可在以后的工作中用到。

2.4本章小结

本章主要介绍了耐火材料生产的工艺流程，并着重介绍了在整体流程中扮有重要作用的转运车的构成，包括转运车的行走器件、定位器件等，并且介绍了转运车在任务调度过程中的行走策略及时间估算公式。

3、转运系统基础自动控制

3.1无线通信方案设计

由于现场距离及设备位置的错综复杂，当转运车上的PLC200与上位机通信时，系统需要具有可随时、随地提供信息访问的能力，由此采用无线网络进行通信，其主要优点是移动站的简单性和灵活性。

与铜缆和光缆相比，无线传输技术使用的是无线电波。根据环境条件及所安装的无线电系统结构，电磁波的传输特性有很大的不同。SIMATIC NET 模板都采用分集天线等技术（在天线之间切换）以及高质量的接收器和容错调制技术，以增强信号质量，防止无线电通讯中断。为能保证可靠的无线电连接，可在网络

接入点激活数据存储：在可靠性方面相当于有线连接。工业移动通讯采用不同的无线电网络，例如WLAN、GSM，且相互之间能够协同，其主要不同的应用是最大允许传输功率和特定传输技术的选择。

本项目中采用西门子工业无线通讯网络产品SCALANCE W，SCALANCE W 产品在可靠性、坚固性和安全性方面表现出众。通过工业无线局域网 (IWLAN) 基本技术，使得 IEEE 802.11 标准加以延伸，以符合工业领域用户的要求，尤其是对确定性响应和冗余性有较高要求的用户。通过该产品，用户将首次实现一种单一的无线网络即能用于对数据要求严格的过程应用 ( 例如报警信号发送) (IWLAN) 以及一般通讯应用 (WLAN)，例如维修和诊断。

SCALANCE W 产品的主要优点在于其无线通道的可靠性、防水设计的金属外壳(IP65)，以及众所周知的 SIMATIC 产品的机械耐用性。除此之外，其卓越的优点还包括：通过与PLC和终端设备之间的无线通信，可访问移动站；覆盖范围内大范围组网（漫游），可随时随地设置移动终端设备；灵活更改，在工厂扩建、转型时，可快速更改使用位置或配置；可防止由于剧烈振动或重物造成接触中断。由此，转运车中无线通信可参照下图3.1中西门子无线通信模块的应用来进行设置。

图3.1 自动引导车辆中的移动控制

3.2 转运车硬件选用与组态

可编程逻辑控制器PLC(Programmable Logic Controller)具有可靠性高、抗干扰能力强、编程直观、适应性好、功能完善等特点，同时其与外围设备易于工业控制系统组成一个整体，已于扩充其功能的设计。因此选用PLC作为转运系统生产线的控制器。

SIMATIC公司S7-200系列小型可编程控制器在各行各业、各种检测、监测及控制的自动化场合已经得到广泛应用[4]。S7-200将高性能与小体积集成一体，运行快速，并且提供了丰富的通讯选项，具有极高的性能/价格比。S7-200系统的模块化设计，不但能够经济地满足目前的项目要求，也为将来扩展提供了开放的接口。

根据系统功能要求及I/O点数要求，转运车PLC由一台西门子PLC CPU226，一块EM223数字量8I/8O模块，一块EM223数字量16I/16O模块、以太网模块CP243及用于信息无线收发的西门子无线交换机W744组成。模块联接图如图

3.2所示。

图3.2 转运车PLC结构图

3.3转运车定位实现

转运系统中转运车的定位问题是整个系统正常运行的关键之一，如果定位系统不好，将会引起摆渡车不能对准窑车推拉口、转运车找错位置、甚至出轨的严重后果。因而，有必要采取精确的定位方案，以保证系统的正常运行。在转运系统RAIL19轨道中，总长度为56.1m，有5个打砖机出口，8个返车道口，3个干燥窑入口，2个修理窑车工位和1个空窑车入口位，共需要定位点有19个。如何处理定位点密度大与精确定位的矛盾，是定位系统要解决的问题。

为解决这一问题，采用编码器、接近开关与机械定位相结合的定位策略，具体如图3.3所示。编码器选用增量式旋转编码器，分辨率为每圈1000个脉冲。车轮直径为350mm，车轮转一圈为1100mm，每个脉冲为1.1mm。旋转编码器直接与小车旋转轴连接，可以测定旋转圈数，即每转一圈会发出1000个脉冲信号，这样就可以根据脉冲数的多少计算出旋转的圈数。旋转编码器输出的脉冲信号传给小车上的PLC，通过PLC中的计数器记录脉冲数，圈数=测得脉冲数/固有脉冲数。这样就可以通过小车车轮的圈数来计算小车行走的距离。通过编码器能准确测算小车的行走距离，进而根据距离来变换车速，但由于小车运行中存在

惯性，并不能实现精确定位。在转运车上安装接近开关可以解决这一问题，在轨道上车位点处安装了定位铁片，一旦小车到达车位点，接近开关遇铁片发生动作，行走电机抱闸制动，小车就停在车位点上了，但是为了更加准确的将轨道对齐在此设置机械定位装置，当转运车停在定位点后，将机械定位降下，有助于在推拉窑车过程中摆渡车能够稳定操作。

图3.3 转运车定位方案

根据上面的定位设计，转运车的行走过程如下：

初次运行时，转运车要有一个起始位置且其接近开关要在指定的返车道轨道或在指定的窑车出口轨道上。若不在，要通过找位使其运行到最近的位置。起始位置定好后就知道了转运车当前所在位置，即确定了当前车位。选定一个目标车位，转运车计算出行车方向，脉冲差，距离差，快行距离。例如：以空车位为铁片计数和距离的零点，若当前车位为5号打砖机，铁片计数为第3个，距离为890cm，目标车位为6号返车道，铁片计数为第11个，距离为3200cm，经计算转运车应前进，距离差为2310cm，脉冲数为8个。此时所需行走的距离较远，开始高速行驶，当剩余的距离进入中速距离范围内时，采用中速行驶；当剩余的距离进入慢行距离时，改慢行并通过脉冲数来停车，最后小车到位，接近开关动作，小车停止运行，机械定位电机降到位，从而实现精确定。

3.4 转运车PLC软件设计

转运车的控制流程，需要调用的子程序有三个：通信中断子程序、转运车车运行控制子程序、推拉窑车控制子程序。转运车控制设计为两种工作模式：自动

控制、手动控制工作方式，其中手动控制又分为半自动控制和单动控制两种模式。在自动控制工作模式下，转运车控制主程序通过接收与发送上位机相应参数和命令来实现自动运行，根据上位机给定的任务调度、目标车位等，按照程序内部设定的流程运行，同时向上位机返回窑车信息、转运车工作状态等信息，在完成一次任务之后，能够根据上位机的控制信息，自动转入下一次窑车调度过程。手动运行可以脱离上位机，通过转运车运行状态及现场操作面板上的按键输入相应状态参数，通过操作按键控制窑车调度过程，完成一次任务操作，手动操作时，窑车信息及转运车的工作状态也传给上位机，但上位机只起到监视和窑车跟踪的作用。窑车调度控制主程序流程图如图3.4所示。

图3.4 转运车控制主程序流程图

下面分别介绍三段子程序的设计：

(1) 通信子程序

该程序工作于生产线主控制器S7-400与转运车的控制器S7-200之间的通信、隧道窑主控制器S7-400与转运车的控制器S7-200之间通信及S7-200与上位机之间的通信中，并且采用以定时中断的方式工作，分为接收工作状态和发送

工作状态。在接收工作状态时，按照预先定义的通信协议，程序将接收到的串行数据存储在PLC内部缓冲区当中，当接收完成后自动设置为发送状态，当程序处于发送工作状态时，从缓冲区读入相应数据，按字节发送出去。通信协议需要根据程序工作的不同情况预先定义，由于信息通过无线电波的形式进行传送，并且系统的工作对实时的要求很高，所以在通信协议的定义中，要考虑通信程序的延时能否影响到系统的正常工作，要尽量去除冗余信息，使通信的延时满足系统响应的需要。具体过程如图3.5所示。

图3.5通讯子程序流程图

(2) 转运车行走控制子程序

图3.6 行车控制子程序流程图

程序流程图如图3.6所示。转运车行走程序分别工作于五台转运车PLC中，在手动方式时，可以独立于上位机进行工作；当工作在自动方式时，接到上位机或本地控制按钮发出的行走命令后，程序首先判断转运车是否满足走车条件，主要是检查初始位置是否已经设置、机械定位装置是否升降位，摆渡车上是否有窑车，以及转运车工作于自动还是手动方式等。当条件满足后，读取目标车位码（自动方式），并进行行车计算，在自动工作方式时，要计算目标车位与当前车位的距离，以决定转运车是上行还是下行，快行还是慢行。当目标车位与当前车位的距离小于等于某一设定值时，转运车开始慢行，快行和慢行通过变频器控制行走电机工作频率来实现；当目标车位码与当前车位码相同时，发停车命令。设定值通过现场实验以及专家经验取得。

(3) 推拉窑车控制子程序

图3.7推拉窑车控制子程序流程图

从图3.7中可以看到，推拉窑车控制程序中包含了将窑车拉至转运车上及将窑车从转运车上推至轨道上两部分。在液压泵启动后，根据转运车所在的轨道位置判断推杆将要执行的动作：是左侧推杆动作还是右侧推杆动作及是推窑车还是拉窑车，由此会将相应电磁阀的上电，之后会进行相应的动作。经过一系列的动作后，任务完成，推杆回到原始状态，转运车会发送或者接受窑车信息，同时判断窑车是否受损，其中推拉过程都以转运车上推杆处接近开关信号为基准。

3.5 本章小结

本章详细介绍了转运车控制的实现、通讯及PLC设计流程图。这一控制策略已经在现场实践中得到了验证，能够准确、快速的实现窑车的运转，为工厂高效率、全自动生产做了很好的基础。

4、生产线全自动配料监控系统的结构与功能

4.1 系统的网络拓扑结构

根据安徽海螺暹罗耐火材料有限责任公司项目的技术要求，为实现三条配料生产线全自动配料系统所采用的网络拓扑结构如图4.1所示。

图4.1 监控系统网络拓扑结构图

系统的各部分组成如下：

1) 一台服务器和一台工业控制计算机为核心的配料配方管理及任务调度系统； 2) 三台工业控制计算机为核心的配料实时监控系统； 3) 一套SIEMENS S7-400为核心的配料控制系统；

4) 六套由SIEMENS S7-200为核心的DDWK-1000型二斗二秤全双斗自动配料

车。

配料自动控制系统是由配料车PLC系统、控制室配料PLC系统、以及HMI组成，控制系统的结构图如图4.1所示。控制室配料PLC系统与配料车PLC系统之间采用工业无线以太网进行通信；控制室配料PLC系统与HMI之间采用以太网进行通信配料车PLC系统采用SIEMENS公司S7-200系列CPU、I/O模块和变频器组成，每台称量车一套，完成配料车的行车、定位、装料、称量及缷料等全部操作。

控制室配料PLC系统采用SIEMENS公司S7-400系列CPU、I/O

模块和变

频器组成，完成给料机的控制、混料机的协调控制、配料车运行指令的发送和配料车数据采集等全部操作。

HMI系统由壹台工业控制机、打印机、工业以太网交换机及电源系统组成，完成整个生产线的数据采集、配料过程和物料输送实时监控、报警、操作记录、报表生成打印、生产信息管理和数据维护等功能。

配方管理及任务调度系统由壹台服务器、壹台工业控制机、打印机、工业以太网交换机及电源系统组成，完成整个生产线的数据采集、配料过程和物料输送实时监控、报警、操作记录、报表生成打印、配方管理、生产任务调度、生产信息管理和数据维护等功能。

系统设有净化电源和UPS不间断电源，保证供电系统稳定；配置打印机1台，操作人员可以随时打印各种所编制报表并能定时打印生产报表。事故时自动启动报表程序，事故报表中可提供事故发生时的有关参数的变化，以分析事故原因。

4.2 自动配料监控系统的功能

自动配料监控系统的功能包括： 1) 配料生产过程流程实时监控；

2) 配料车车位实时跟踪及自动避让防撞； 3) 配料车远程自动控制和远程软手动操作； 4) 同一轨道上的配料车可互为备用； 5) 不同轨道上的配料车可任意配对；

6) 配方管理及任务调度系统可实时与配料监控系统对话联络； 7) 给料机给料过程自动控制；

8) 每台给料机给料速度调整及慢加料量调整； 9) 配料系统设备运行状态实时监视； 10) 按任务或配方手动/自动配料； 11) 随机手动配料； 12) 自动或手动缷料； 13) 配料精度超差报警；

14) 配料路径寻优及配料路径实时显示； 15) 每批料配料周期记录； 16) 料仓物料品种及用量快速查询；

17) 自动记录配料车的每次加料量及原料消耗量； 18) 配方录入、查询和修改； 19) 配方录入、修改权限管理； 20) 监控系统操作权限管理；

21) 料仓信息管理(如料仓装料品种记录、料仓当前装料量等)； 22) 自动按配方找料仓；

23) 按车、班、日、月配料记录统计查询；

24) 生产管理系统（如产量统计、物料用量统计等）； 25) 设备运行故障报警、料仓高低料位报警及操作记录； 26) 报表定时、随机打印并存储。 27) 数据维护及操作维护在线帮助指导。

4.3 配料称量车

DDWK-1000型全双斗自动配料车为移动式自动定值称量设备。它广泛用于耐火、碳素、化工等行业长距离多料仓生产线上的定值配料，适用于各种散状(块状、粒状或粉状)物料的称量配料、称量包装、称量加工等，具有自动化程度高、准确、快速、对环境污染少等优点。

DDWK-1000型全双斗自动配料车的配料过程采用全自动操作，按预设物料的装料口编号、物料批量、缷料口编号自动按程序执行，完成行车、定位、装料、称量及缷料等全部操作。 4.3.1 配料称量车主要技术指标

DDWK-1000配料称量车主要技术指标包括： ● 行车速度 ● 对位精度 ● 传力方式 ● 最小指示值

5-40m/min ≤±2.5mm 拉式传感器 0.5-0.05kg

● 精度

静态≤1‰ 动态≤3‰ 380V AC 1m3 ×1 0.4 m3×1

● 供电电源 ● 斗容

● 全密封式接缷料 ● 进料口尺寸 ● 缷料口尺寸 ● 车轨距

350×350 300×300

1600mm

4400 × 2000 ×2400 8-10min/batch 615-500KG ×4 YEJ100L1-4

● 外形尺寸 ● 计量周期 ● 称量传感器

● 带制动行走电机 ● 除尘器

PL-800/A

XUM-15.2 ≤ 6 kW

● 振打电机 ● 用电容量

4.3.2 配料称量车的结构

配料称量车的结构图4.2所示。

图4.2配料称量车结构图

4.3.3 配料称量车本地操作功能

配料称量车配备本地控制柜，柜内配置的本地操作面板如下图4.3所示。 配料称量车配备本地控制功能包括： ● 本地远程选择； ● 本地车位定位

● 操作保护，防止误操作； ● 本地配料重量显示；

● 配料车行走控制，停止带灯按钮兼作故障指示； ● 配料斗上密封操作； ● 配料斗底门操作； ● 配料斗下密封操作； ● 配料斗振打操作； ● 除尘器操作；

● 带灯按钮能够在本地手动方式、远程软手动方式和远程自动配料方式指示操作指令的执行过程和动作结果。

图4.3 柜内配置的本地操作面板

4.3.4 配料车电源和通信配置

配料车的电源由电源安全滑触线获取，为保证配料车PLC系统和稳定可靠工作，在配料车PLC控制柜配置一台UPS电源。

配料车与控制室PLC之间采用工业无线以太网进行通信。 采取上述配置方案的特点：

1) 可方便实现配料车的备用及配料车组合；

2) 降低维护成本和施工难度；

3) 配料车与控制室之间只有一根安全滑触线。 4.3.5 配料车车位定位

配料车的定位以前主要有两种方式：

一种是在配料车上安装接近开关，本地用铁块编码来定位。这种定位方法在铁块编码有任何移位时就会导致系统不能正常工作。

另一种是在配料车上安装定位块，本地用接近开关和编码器来定位。这种定位方法每个车位都要使用一套接近开关和编码器，电缆施工和现场调试难度较大，维护成本比较高。

我们采用的配料车车位定位方案如图4.4和图4.5所示。

图4.4 配料车下定位方案

图4.5 配料车上定位方案

定位系统只采用两个接近开关（冗余配置）和一个编码器，每个车位上只需安装两个定位螺丝即可。

定位方案特点

1) 配料车找位和定位精度高；

2) 降低设备成本、维护成本和施工难度；

3) 根据行车距离自动确定行车速度距离，提高配料车的运行速度，优化行车控制策略；

4) 两套定位接近开关和编码器相结合，定位可靠性高； 5) 维护简单方便。

4.4 自动配料系统的特点

自动配料系统的特点

1)配料车配置由SIEMENS S7-200 PLC构成的就地控制系统，实现配料车行走控制、车位自动定位及上下密封、底门、除尘、振打等设备的就地自动手动操作；

2) 配料车与控制室本地PLC控制系统之间采用工业无线以太网进行通信，实现配料车与本地PLC控制系统之间的检测和控制信息传输，省去传统配料系统的信号线，降低了施工难度，系统的可靠性高、可维护性好；

3) 配料车称重变送器采用485现场总线与配料车本地PLC相连，控制室PLC 就可用通信方式直接获取称重信息并可对称重变送器进行远程控制；

4) 控制室PLC系统采用SIEMENS公司S7-400系列CPU和I/O模块组成。 5) 控制室PLC与操作站采用工业以太网相连，方便操作站的扩展，并且每台操作站和控制室PLC通过以太网实现高速互连互通、信息共享；

6) 配料系统配置一台打印机，实现报表共享打印；

7) 控制室配置净化电源和UPS电源，提高系统的抗干扰能力和系统数据的安全性。

4.5本章小结

本章详细介绍了系统的网络拓扑结构、自动配料监控系统的功能、配料称量车及自动配料系统的特点。具体包括生产线全自动配料监控系统的网络拓扑结构、自动配料监控系统的功能、配料称量车主要技术指标、结构和功能、配料车电源和通信配置和配料车如何定位。

5、总结

本文通过对实际工程背景的分析与研究，在了解实际工程运转流程中加深对生产工艺、生产设备及控制系统和算法的了解，通过对总体生产流程的概括及分

析，了解转运车在总体生产流程的作用及其行走方法对整体生产的影响及自动配料系统的结构和功能，实习期间主要完成了以下工作：

出差到现场，了解现场工艺，并参与到控制设备的电装接线，进一步的加深了对控制设备及流程的认识；协助现场程序的部分设计和调试；参与上位机和触摸屏的部分编程和组态；参与转运车调度算法的研究。

由于本次工程实践实习较短及作者的能力有限，还存在的一些不足，在以后的工作、学习中要不断的积累知识，加以改进提高。

参考文献

1. 张光辉. 浅谈我国耐火材料工业的发展[J]，中国建材，2007，(2): 63-65. 2. 王兆敏. 工业进步对耐火材料的要求和挑战[J]，冶金信息导刊，2006，(3): 7-8. 3. 魏同，曹旗. 我国耐火材料工业生产装备的发展与进步[J]，机械与装备，2011，(1): 4-5.

4. 西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团. 深入浅出西门子S7-200PLC[M]，北京：北京航空航天大学出版社，2004，5-12.