任強(qiáng)勝

（四川省絲綢工程技術(shù)研究中心， 四川成都 610031）

多功能天車是鋁電解生產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備之一，它是現(xiàn)代預(yù)焙陽極鋁電解生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，能滿足鋁電解車間高熔鹽、大電流、強(qiáng)磁場、多粉塵的工作環(huán)境。一條電解生產(chǎn)線一般配備多臺多功能天車，電解車間的各項(xiàng)日常作業(yè)都離不開多功能天車，其主要用于電解車間換極、出鋁、抬母線、槽上部結(jié)構(gòu)及電解車間其它重物的吊運(yùn)等作業(yè)［1］。一直以來，因電解車間作業(yè)煩雜，且經(jīng)常存在兩臺甚至多臺多功能天車跨區(qū)域交叉作業(yè)的情況，致使天車兩兩相撞的事故時有發(fā)生。不但造成了設(shè)備修理的直接經(jīng)濟(jì)損失，而且還影響了電解正常生產(chǎn)作業(yè)，造成了巨大的人力、物力、財(cái)力方面的損失。針對這一情況，分析問題存在的原因，主要有兩個：①設(shè)備存在缺陷，沒有電氣防撞功能和提示功能，機(jī)械限位不能滿足高速行駛時的防撞要求；②天車操作工注意力不夠集中。

因此，鑒于設(shè)備缺陷及人為因素原因，為提高人員、設(shè)備的安全，減低財(cái)產(chǎn)損失，首先要解決設(shè)備存在的缺陷問題，增加天車電氣防撞連鎖和電氣防撞報(bào)警，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的本質(zhì)化安全。同時解決天車操作工注意力不集中時，提示天車操作工注意天車運(yùn)行情況。在原有機(jī)械式防撞裝置的基礎(chǔ)上加裝一套防撞裝置，通過遠(yuǎn)程測距方式，Arduino數(shù)據(jù)采集器實(shí)時采集運(yùn)行軌道上的兩車距離。將采集的信號送入大車運(yùn)行控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)發(fā)出降速、報(bào)警、停車指令。

本文對防撞系統(tǒng)的測距和控制進(jìn)行了一定的研究，就目前應(yīng)用較為廣泛的幾種測距方式進(jìn)行分析比較，找出最適合鋁電解車間復(fù)雜工作環(huán)境的測距方案，設(shè)計(jì)一套防撞系統(tǒng)為安全生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

1 無線測距技術(shù)分析

隨著光電子的發(fā)展，現(xiàn)有測距技術(shù)主要以超聲波、紅外線、激光作為主要方式，以上三種測距技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，而且根據(jù)環(huán)境、功能使用要求的不同，選擇不同的測距方式。

1.1 超聲波測距

超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間，根據(jù)發(fā)射和接收的時間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離［2］。主要應(yīng)用于倒車提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場等的距離測量。但易受環(huán)境影響如溫度，風(fēng)速，粉塵影響。

1.2 紅外線測距

紅外線測距利用的是紅外線傳播時的不擴(kuò)散原理［3］。因?yàn)榧t外線在穿越其它物質(zhì)時折射率很小，所以長距離的測距儀都會考慮紅外線，而紅外線的傳播是需要時間的，當(dāng)紅外線從測距儀發(fā)出碰到反射物被反射回來被測距儀接受到，再根據(jù)紅外線從發(fā)出到被接受到的時間及紅外線的傳播速度就可以算出距離。但紅外線測距有一個缺點(diǎn)，就是不同的面返回的光線強(qiáng)度不一樣，黑色返回的數(shù)據(jù)要比白色底許多，所以光線強(qiáng)度和距離不一定完全成正比，材料一換，對應(yīng)的關(guān)系也就變了。

1.3 激光測距

激光測距的基本原理是先由激光二極管對準(zhǔn)目標(biāo)每秒發(fā)射一百萬個脈沖，經(jīng)目標(biāo)反射后激光向各方向散射，部分散射光返回到傳感器接收器，被光學(xué)系統(tǒng)接收后成像到雪崩光電二極管上，激光測距的基本原理如圖1所示。工作時，激光器發(fā)射激光，光束穿過大氣到達(dá)目標(biāo)，經(jīng)目標(biāo)反射后返回，并由探測器接收，測出從激光發(fā)射到反射光被接收所經(jīng)歷的時間，以此計(jì)算出距離值［4］。工業(yè)激光測距測量距離在0.5m～3000m左右，精度高（50mm內(nèi)），受干擾比較小，可以用于精確定位。

圖1 激光測距原理框圖

綜合上述情況在采用激光傳感器應(yīng)用到鋁電解生產(chǎn)環(huán)境中能保證測距的穩(wěn)定性，不受電解車間復(fù)雜環(huán)境的干擾，能有效避免磁場和灰塵的影響。

2 防撞控制系統(tǒng)的研究

2.1 防撞控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

原有的大車防撞系統(tǒng)主要由終端限位及機(jī)械緩沖器組成，如圖2所示。只能實(shí)現(xiàn)兩車相撞后的被動防護(hù)功能。因每臺天車重達(dá)百余噸，基本上是鋼性結(jié)構(gòu)件、其大車高速運(yùn)行時速度為60米/分以上，具有相當(dāng)大的慣性力。如果一臺車在停止過程中或者作業(yè)過程中發(fā)送碰撞，將產(chǎn)生巨大的沖擊力，可能導(dǎo)致減速機(jī)構(gòu)、工具機(jī)構(gòu)及電解槽被撞損變形、無法修復(fù)，甚至還會造成人員的傷亡。

圖2 機(jī)械緩沖器實(shí)物示意

通過分析存在的問題，研制一套防撞系統(tǒng)能很好解決以上問題存在的不足。防撞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為激光傳感器和反光板（待測目標(biāo)），安裝時激光傳感器安裝在被控制的天車（1號車）上，反光板安裝在被測的天車（2號車）上，傳感器采集與另外2號天車的位置信號，在的測量范圍在0～10 m內(nèi)。由于在軌道上有多臺車，所以對天車的左右兩側(cè)都要進(jìn)行實(shí)時測量檢測，如圖3所示。要確保激光傳感器發(fā)射光與反光板的反光面在角度在85°～95°之間，這樣才能保證在兩臺天車大梁之間的平行情況度不是很高時，不至于檢測不到天車的位置。

圖3 防撞系統(tǒng)裝置安裝示意圖

設(shè)計(jì)天車防撞控制功能需要考慮三點(diǎn)問題：

（1）激光傳感器的選擇。由于電解車間的環(huán)境決定選用的激光傳感器必須受干擾比較小，運(yùn)行穩(wěn)定，我們選用歐姆龍E3Z-LR86的激光傳感器，檢測距離∶0.2m～10m，入光時ON/遮光時ON切換式，NPN輸出,PNP輸出方式，工作電壓12-24VDC，輸出負(fù)載0～100MA，配備相應(yīng)的電源。

（2）激光傳感器輸出信號與Arduino數(shù)據(jù)采集器控制系統(tǒng)輸入信號的傳遞。Arduino數(shù)據(jù)采集器是一款開源的電子原型平臺，包含硬件和軟件。能通過各種各樣的傳感器感知周圍的環(huán)境狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定采集傳感器數(shù)據(jù)，通過通訊協(xié)議,實(shí)現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的顯示、分析、存儲［5］。Arduino數(shù)據(jù)采集器以5VDC開關(guān)量輸出信號，而多功能天車的PLC控制系統(tǒng)輸入信號為110VDC信號，通過繼電器將5VDC轉(zhuǎn)化為110VDC的信號，才能輸入多功能天車PLC控制系統(tǒng)。

（3）天車控制系統(tǒng)需有兩個或兩個以上閑置輸入點(diǎn)。通過增加控制系統(tǒng)硬件配置而增加輸入點(diǎn)數(shù)量，能保證一臺多功能天車大車行走的兩個方向的信號能夠輸入給PLC控制系統(tǒng)。

通過分析以上三個問題，激光傳感器能很好解決電解車間強(qiáng)磁場、多粉塵的測量距離的問題，Arduino數(shù)據(jù)采集器很容易與激光傳感器相連接，運(yùn)行穩(wěn)定，搭建結(jié)構(gòu)簡單，拓展性能非常高，同時具備標(biāo)準(zhǔn)化的接口很容易與PLC控制系統(tǒng)通信。最終提出多功能天車大車防撞控制功能原理如圖4所示。

圖4 多功能天車大車防撞控制功能原理圖

2.2 系統(tǒng)工作原理分析

激光傳感器采集到的位置信號，輸入給Arduino數(shù)據(jù)采集器，通過信號處理計(jì)算，以開關(guān)量110VDC信號方式發(fā)送給天車控制系統(tǒng)，優(yōu)化天車控制系統(tǒng)程序，使控制系統(tǒng)按實(shí)際需求進(jìn)行輸出。編寫Arduino數(shù)據(jù)采集器控制系統(tǒng)程序時，采用ArduinoIDE編寫庫文件和數(shù)據(jù)采集程序。同時優(yōu)化PLC控制系統(tǒng)通過位置信號屏蔽部分大車控制信號，使大車減速或者停車，或者同時輸出給報(bào)警機(jī)構(gòu)，取消屏蔽時，根據(jù)實(shí)際情況，選擇大車反向運(yùn)動控制信號取消被屏蔽的部分信號。如在進(jìn)行槽上部吊裝時，需要進(jìn)行雙車聯(lián)動運(yùn)行時，只要發(fā)出聯(lián)動信號后，防撞功能自動關(guān)閉，優(yōu)化后的天車PLC控制系統(tǒng)簡化程序如下［6］：

2.3 距離測量原理分析

多功能天車運(yùn)行速度分為高、中、低三種，根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場生產(chǎn)情況設(shè)定傳感器測定距離為6 m左右，當(dāng)2號車一旦進(jìn)入檢測范圍內(nèi)的敏感區(qū)時，傳感器發(fā)信號給2號車的Arduino數(shù)據(jù)采集器，觸發(fā)大車行走報(bào)警，天車操作工要想解除報(bào)警和鎖定位置信號，只需把大車向相反方向開動。如果兩車距離縮小到5.5m時，鎖定位置信號，并把天車速度自動限制為低速（0.2m/s），在距離兩車0.5 m時強(qiáng)制停止左行，左行方向被鎖定，只有向右方向可以行走，距離測量原理如圖5所示。

圖5 距離測量原理圖

2.4 應(yīng)用情況

研制的基于Arduino鋁電解多功能天車防撞系統(tǒng)，通過Arduino數(shù)據(jù)采集器將其信號接入天車本身的PLC控制系統(tǒng)后，運(yùn)行穩(wěn)定。并且充分利用了天車本身PLC控制系統(tǒng)的拓展資源，系統(tǒng)成本低廉，維護(hù)方便。完全滿足電解車間安全、高效使用多功能天車的需要，真正做到為電解生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行保駕護(hù)航。

3 結(jié)論

本文通過對現(xiàn)有主要的無線測距方式對比，分析了電解鋁多功能天車防撞系統(tǒng)的原有的防撞結(jié)構(gòu)，給出了防撞系統(tǒng)的控制原理及其現(xiàn)場應(yīng)用，消除了鋁電解多功能天車在作業(yè)過程中發(fā)生撞擊的事故，大車運(yùn)行安全性能顯著提高，有效保護(hù)了天車主體結(jié)構(gòu)延長了使用壽命。本設(shè)計(jì)又便于操作和維修，有著很強(qiáng)的實(shí)用性和可操作性。同時由于采用Arduino作為數(shù)據(jù)采集板，為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集提供了硬件支持。