查德根 秦文順

（上海寶菱冶金設(shè)備工程技術(shù)有限公司 上海 201900）

1 前言

鋼卷運(yùn)輸系統(tǒng)是帶鋼生產(chǎn)車間重要的后部工序設(shè)備。目前，隨著智慧制造、無(wú)人化工廠等設(shè)計(jì)理念的開(kāi)展和應(yīng)用，鋼卷運(yùn)輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅要滿足鋼卷的上卷、運(yùn)輸、卸卷和翻轉(zhuǎn)等多道工序的要求，還要保證鋼卷運(yùn)輸安全、準(zhǔn)確、快捷和信息的可追溯管理，以便最大限度地保障整個(gè)鋼廠物流的連續(xù)、高效和安全運(yùn)行［1］。本文基于某特大型鋼廠熱軋廠和冷軋廠之間鋼卷物流高速、全自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)輸?shù)纳a(chǎn)需求以及運(yùn)輸過(guò)程中的安全、可靠、平穩(wěn)等品質(zhì)需求，制訂滿足鋼卷全自動(dòng)連續(xù)運(yùn)行的生產(chǎn)時(shí)序圖，設(shè)計(jì)總體布置方案，提出先進(jìn)的自動(dòng)化控制方案和安全保護(hù)技術(shù)，并成功地應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中。

2 工藝流程的分析與制訂

2.1 功能需求及設(shè)計(jì)條件

某年產(chǎn)量約200萬(wàn)噸大型鋼廠的熱軋廠和冷軋廠之間為約80米寬的主干馬路，根據(jù)鋼卷生產(chǎn)需要將熱軋廠的帶鋼運(yùn)輸?shù)嚼滠垙S，進(jìn)行下一道工藝生產(chǎn)。采用傳統(tǒng)的地面運(yùn)輸方案或者架空方案不能滿足地面人車正常通行以及鋼卷物流高效、安全運(yùn)輸?shù)木C合需求。用戶要求采用地面→地下→地面的運(yùn)輸方案，即熱軋廠輸出的鋼卷1由地面運(yùn)輸鏈2通過(guò)鋼卷提升移動(dòng)機(jī)3將鋼卷運(yùn)輸?shù)降叵逻\(yùn)輸鏈4，地下運(yùn)輸鏈4將鋼卷從熱軋廠出口側(cè)運(yùn)輸?shù)嚼滠垙S入口側(cè)，然后由冷軋廠入口側(cè)的鋼卷提升移動(dòng)機(jī)5將鋼卷從地下運(yùn)輸鏈吊運(yùn)到冷軋廠地面運(yùn)輸鏈6（圖1）。因此，需要設(shè)計(jì)一套專用全自動(dòng)化的鋼卷轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)條件：最大運(yùn)輸能力按年產(chǎn)量200萬(wàn)噸，年生產(chǎn)時(shí)間按6500小時(shí)，最大鋼卷按卷重35噸，按平均卷重20噸計(jì)算生產(chǎn)節(jié)奏。

2.2 工藝流程分析與制訂

根據(jù)用戶的基本布置需求，基于物流距離短、效率高、滿足產(chǎn)能和自動(dòng)化控制的設(shè)計(jì)原則［2］，確定系統(tǒng)總體布置方案（圖1），并將鋼卷運(yùn)輸系統(tǒng)總的工藝流程分解為三個(gè)階段：

圖1 鋼卷運(yùn)輸現(xiàn)場(chǎng)條件及總體布置

1）第一階段為運(yùn)輸鏈入口側(cè)，由“提升移動(dòng)機(jī)＋鋼卷夾鉗”組成的鋼卷提升移動(dòng)機(jī)（CTL1）和熱軋廠地面運(yùn)輸鏈（CV1）等組成，完成鋼卷由熱軋廠地面運(yùn)輸?shù)降叵逻\(yùn)輸鏈（CV2）的工作（圖2a）。

2）第二階段為地下運(yùn)輸鏈（CV2），位于垂直于地面馬路的地下隧道內(nèi)，將鋼卷從熱軋廠入口側(cè)搬運(yùn)到冷軋廠入口側(cè)。地下運(yùn)輸鏈（CV2）雖然運(yùn)輸鏈較長(zhǎng)，但運(yùn)行過(guò)程中運(yùn)輸鏈的每個(gè)鞍座上都有鋼卷，相鄰鞍座之間的距離較短，相鄰鋼卷移動(dòng)所需時(shí)間較短。設(shè)備參數(shù)可依據(jù)CTL1工作周期確定。

3）第三階段為運(yùn)輸鏈出口側(cè)，通過(guò)提升移動(dòng)機(jī)（CTL2）將鋼卷由地下運(yùn)輸鏈（CV2）吊運(yùn)到冷軋廠地面運(yùn)輸鏈（CV3）。出口單元與入口單元的設(shè)備基本相同，運(yùn)輸過(guò)程動(dòng)作對(duì)稱，運(yùn)行時(shí)間周期基本一致。

第一階段CTL1的工藝流程可進(jìn)一步分解為八個(gè)步驟（圖2b）：①打開(kāi)的夾鉗位于地面運(yùn)輸鏈CV1上鋼卷上方的初始等待位置→夾鉗落下到卷芯上方夾鉗閉合位置；②夾鉗閉合→夾緊鋼卷；③天車卷?yè)P(yáng)提升夾鉗和鋼卷；④天車移動(dòng)小車運(yùn)輸夾鉗和鋼卷到地下運(yùn)輸鏈CV2上方；⑤卷?yè)P(yáng)將夾鉗和鋼卷降落到地下運(yùn)輸鏈的等待鞍座上；⑥夾鉗打開(kāi)，放置好鋼卷；⑦卷?yè)P(yáng)提升夾鉗到位；⑧移動(dòng)小車移動(dòng)返回，夾鉗回到下一卷鋼卷吊運(yùn)等待位置，CTL1的運(yùn)輸周期完成。

實(shí)際生產(chǎn)中，通過(guò)電氣自動(dòng)控制可以實(shí)現(xiàn)以上三個(gè)階段的設(shè)備同時(shí)動(dòng)作及各階段之間進(jìn)行有序銜接。每個(gè)步驟之間可能是順序動(dòng)作，也可以在互不干涉的情況下同時(shí)動(dòng)作，以減少周期時(shí)間提高效率。其中，第一階段CTL1工作周期的需要時(shí)間最長(zhǎng)，地下運(yùn)輸鏈CV2以及出口側(cè)CTL2工作周期時(shí)間可以依據(jù)CTL1的周期時(shí)間確定。

3 生產(chǎn)時(shí)序圖的制訂

3.1 工藝動(dòng)作分配表的制訂

根據(jù)產(chǎn)量需求等設(shè)計(jì)條件，計(jì)算并確定總的生產(chǎn)循環(huán)周期需滿足T≤150s，并作為CTL1循環(huán)周期的設(shè)計(jì)條件。

CTL1單元包括夾鉗、卷?yè)P(yáng)和走行機(jī)構(gòu)三個(gè)工藝設(shè)備。工藝動(dòng)作分別為打開(kāi)和閉合、提升和下降、前進(jìn)和后退。根據(jù)CTL1工藝流程的八個(gè)步驟（圖2b），得到鋼卷夾鉗、卷?yè)P(yáng)以及走行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作在空間和時(shí)間上的分配關(guān)系（表1）。表中的“／”代表此過(guò)程無(wú)動(dòng)作。

表1 CTL1工藝動(dòng)作分配表

圖2 入口側(cè)運(yùn)輸單元基本組成及工藝流程分解

3.2 生產(chǎn)時(shí)序圖的制訂

由表1運(yùn)用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算出三個(gè)工藝設(shè)備每一步運(yùn)動(dòng)的時(shí)間和速度，繪制出直角坐標(biāo)式的生產(chǎn)時(shí)序圖。以工藝流程③天車卷?yè)P(yáng)提升過(guò)程為例，卷?yè)P(yáng)提升時(shí)間t＝t1＋t2＋t3，分別對(duì)應(yīng)低速、高速、低速三個(gè)時(shí)段。并通過(guò)合理設(shè)置加速、勻速和減速各參數(shù)，得到卷?yè)P(yáng)提升動(dòng)作的時(shí)序圖（圖3）。以此類推，依據(jù)CTL1需要的最短循環(huán)周期，設(shè)計(jì)出與設(shè)備動(dòng)作相適應(yīng)的每個(gè)步驟的生產(chǎn)時(shí)序圖。

圖3 卷?yè)P(yáng)提升動(dòng)作的時(shí)序圖

以時(shí)間為橫坐標(biāo)，速度為縱坐標(biāo)，分別建立夾鉗、卷?yè)P(yáng)、走行小車等設(shè)備單元在一個(gè)動(dòng)作完整周期里的生產(chǎn)時(shí)序圖（圖4a～4c）。在此基礎(chǔ)上，綜合自動(dòng)化生產(chǎn)控制、安全檢測(cè)等需求，預(yù)留出安全檢查和信息處理的時(shí)間［3］，設(shè)計(jì)出在時(shí)間和空間關(guān)系上協(xié)調(diào)一致的全自動(dòng)化轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的生產(chǎn)時(shí)序圖（圖4d）。圖4所示坐標(biāo)系中，鋼卷夾鉗的關(guān)閉為正，打開(kāi)為負(fù)；走行小車中鋼卷前進(jìn)運(yùn)輸過(guò)程為正，回程為負(fù)；卷?yè)P(yáng)裝置的提升為正，下降為負(fù)。模式A為每一工作周期前的設(shè)備初始狀態(tài)自動(dòng)檢查時(shí)間。模式B為重要工序間的控制信息自動(dòng)處理時(shí)間。模式C應(yīng)用了工序集中原則，在保證安全前提下有利于提高運(yùn)輸效率，即在提升移動(dòng)機(jī)回程中卷?yè)P(yáng)打開(kāi)到離開(kāi)鋼卷的安全開(kāi)度后一邊提升，夾鉗一邊打開(kāi)到夾持下一卷鋼卷需設(shè)定的寬度。將CTL1的一個(gè)運(yùn)輸周期作為整個(gè)運(yùn)輸系統(tǒng)的一個(gè)工作周期，并以此確定所有工藝設(shè)備的技術(shù)參數(shù)。

圖4 CTL1生產(chǎn)時(shí)序分解及匯總圖

4 轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 技術(shù)參數(shù)及基本組成

以鋼卷最大重量作為設(shè)計(jì)載荷，依據(jù)以上生產(chǎn)時(shí)序圖里各工作單元的時(shí)間及速度，確定系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)。主要內(nèi)容包括：工作級(jí)別為A7、提升機(jī)升降速度50／160／500mm／s、走 行速度100／1500mm／s、夾鉗開(kāi)閉速度Max.100mm／s、運(yùn)輸鏈走行速度Max.250mm／s、系統(tǒng)工作周期≤150s以及運(yùn)輸鏈、卷?yè)P(yáng)、走行、夾鉗等設(shè)備的馬達(dá)功率等技術(shù)參數(shù)。

轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)主要包括三套運(yùn)輸鏈、兩套鋼卷提升移動(dòng)機(jī)、兩套自動(dòng)夾鉗以及電氣控制系統(tǒng)（圖1）。每套運(yùn)輸鏈裝置均由主馬達(dá)、減速箱通過(guò)聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)運(yùn)輸鏈鞍座上的鋼卷步進(jìn)式單向移動(dòng)。通過(guò)電氣系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸鏈運(yùn)行和停止，與鋼卷提升移動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)動(dòng)作，完成送卷（接卷）、等待、運(yùn)輸?shù)裙δ堋ｄ摼硖嵘苿?dòng)裝置依據(jù)天車設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，包括卷?yè)P(yáng)升降機(jī)構(gòu)、走行小車機(jī)構(gòu)以及鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)支撐等部分。天車升降機(jī)構(gòu)采用卷?yè)P(yáng)型式提升，由主電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器、減速箱等驅(qū)動(dòng)卷?yè)P(yáng)卷筒，提起和放下鋼卷夾鉗及鋼卷。走行小車機(jī)構(gòu)在小車軌道上往復(fù)移動(dòng)以運(yùn)輸提起的鋼卷和夾鉗，采用移動(dòng)框架型式。卷?yè)P(yáng)、走行小車等均布置在移動(dòng)車架上。鋼卷夾鉗用于夾持和打開(kāi)鋼卷，采用電動(dòng)平移式。減速電機(jī)通過(guò)扭力保護(hù)器帶動(dòng)齒輪齒條，帶動(dòng)夾鉗鉗腿作開(kāi)閉運(yùn)動(dòng)。

各設(shè)備單元之間自動(dòng)、高速、可靠的鋼卷轉(zhuǎn)運(yùn)輸是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化轉(zhuǎn)運(yùn)的基礎(chǔ)［4］。各階段的動(dòng)作、時(shí)間、空間位置自動(dòng)銜接由電氣控制實(shí)現(xiàn)。電氣控制模式有手動(dòng)控制、半自動(dòng)控制和全自動(dòng)控制模式，分別用于設(shè)備調(diào)試、局部調(diào)整以及正常生產(chǎn)的全自動(dòng)控制。電氣傳動(dòng)系統(tǒng)采用數(shù)字式多傳動(dòng)變頻調(diào)速系統(tǒng)，采用整流回饋單元供電給鋼卷提升移動(dòng)裝置的逆變器，驅(qū)動(dòng)變頻專用電機(jī)運(yùn)行。

4.2 工藝特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)

4.2.1 完善的自動(dòng)安全保護(hù)技術(shù)

為確保系統(tǒng)自動(dòng)高效運(yùn)行，避免系統(tǒng)調(diào)試和運(yùn)行過(guò)程中的誤動(dòng)作，最大限度的保護(hù)設(shè)備及鋼卷，系統(tǒng)采取多重安全保護(hù)技術(shù)，主要包括：

1）提升裝置的超載、超速限制保護(hù)。在提升機(jī)構(gòu)上設(shè)置有超載限制器，當(dāng)載荷達(dá)到額定起重量的90%時(shí)發(fā)出提示性報(bào)警信號(hào)；當(dāng)相應(yīng)的起重量達(dá)到105%時(shí)延時(shí)停機(jī)；當(dāng)相應(yīng)的起重量達(dá)到110%額定起重量時(shí)立即切斷電源，并發(fā)出禁止性報(bào)警信號(hào)，夾鉗只能下降，不能上升；在鋼卷提升移送機(jī)電控系統(tǒng)的主起升機(jī)構(gòu)設(shè)有超速保護(hù)開(kāi)關(guān)，當(dāng)下降速度為電機(jī)同步轉(zhuǎn)速的120% ～130%時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)切斷機(jī)構(gòu)電源，制動(dòng)器將機(jī)構(gòu)抱死，避免事故發(fā)生。

2）提升裝置的停止限位保護(hù)。提升設(shè)置三級(jí)限位保護(hù)：重錘限位和旋轉(zhuǎn)予限位、旋轉(zhuǎn)終限位。下降設(shè)置兩級(jí)限位保護(hù)：旋轉(zhuǎn)予限位、旋轉(zhuǎn)終限位。上升非常限位：提升機(jī)構(gòu)設(shè)置上升非常限位（重錘限位開(kāi)關(guān)）。它可以保證當(dāng)夾鉗提升到極限位置時(shí)，自動(dòng)切斷總動(dòng)力電源，并通過(guò)PLC發(fā)出報(bào)警信號(hào)。提升機(jī)構(gòu)中設(shè)置有上升停止限位開(kāi)關(guān)，當(dāng)夾鉗運(yùn)行到達(dá)上升停止限位時(shí)，提升停止上升。提升機(jī)構(gòu)設(shè)置的下降停止限位，它可以保證當(dāng)夾鉗下降到預(yù)定位置時(shí)停止下降。

3）走行小車走行停止的限位保護(hù)。走行機(jī)構(gòu)設(shè)置兩級(jí)限位保護(hù)，運(yùn)行予限位、運(yùn)行終限位。帶電控系統(tǒng)的走行機(jī)構(gòu)在靠近兩端部分均設(shè)有終點(diǎn)限位開(kāi)關(guān)，當(dāng)機(jī)構(gòu)到達(dá)終點(diǎn)極限位置時(shí)自動(dòng)停車。

4）適用于全自動(dòng)生產(chǎn)的夾鉗設(shè)計(jì)。夾鉗的上升及下降高度根據(jù)來(lái)料鋼卷外徑自動(dòng)計(jì)算確定，夾鉗開(kāi)閉寬度根據(jù)來(lái)料鋼卷寬度設(shè)定。夾鉗設(shè)置有最大開(kāi)口度、最小開(kāi)口度電氣機(jī)械雙重限位保護(hù)。夾鉗自帶的扭力保護(hù)器可使得夾緊鋼卷后離合器打滑，鉗腿不再閉合。夾鉗負(fù)載時(shí)棘輪棘爪的保護(hù)裝置通過(guò)與重量傳感器聯(lián)鎖控制夾鉗不會(huì)被打開(kāi)。夾鉗上設(shè)置的對(duì)孔、對(duì)邊光電傳感器，輔助提升機(jī)夾鉗高度和寬度的計(jì)算數(shù)據(jù)，提示夾鉗準(zhǔn)確的高度和閉合寬度位置。夾鉗設(shè)置的載荷檢測(cè)傳感器動(dòng)作與控制系統(tǒng)聯(lián)鎖，保證夾鉗不能被打開(kāi)。夾鉗鋼卷上部和下端布置的位置感應(yīng)傳感器與控制系統(tǒng)聯(lián)鎖，傳感器動(dòng)作則夾鉗不能繼續(xù)落下以保護(hù)夾鉗和鋼卷。

4.2.2 可靠的工藝自動(dòng)控制程序以及先進(jìn)的自動(dòng)化傳動(dòng)及控制系統(tǒng)

圖5為入口單元CTL1生產(chǎn)周期開(kāi)始系統(tǒng)準(zhǔn)備階段自動(dòng)檢查的工藝自動(dòng)控制流程圖。通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)確認(rèn)提升移動(dòng)機(jī)、夾鉗、鋼卷與入口運(yùn)輸鏈所有信息需滿足自動(dòng)化生產(chǎn)準(zhǔn)備條件，保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

圖5 CTL1準(zhǔn)備階段的檢查控制流程圖

系統(tǒng)的PLC控制系統(tǒng)為一套獨(dú)立系統(tǒng)，電氣傳動(dòng)邏輯控制、信號(hào)采集、信號(hào)傳輸?shù)裙δ芫ㄟ^(guò)一套PLC系統(tǒng)集中控制。通過(guò)I／O信號(hào)傳遞和以太網(wǎng)通訊功能，PLC能夠?qū)崿F(xiàn)采集鋼卷的外徑、寬度，以及前后運(yùn)輸鏈的運(yùn)行狀態(tài)、前后鞍座上有無(wú)鋼卷等數(shù)據(jù)和信號(hào)的功能。以采集的這些狀態(tài)、信號(hào)數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行計(jì)算，自動(dòng)控制所有設(shè)備及裝置完成設(shè)計(jì)動(dòng)作。系統(tǒng)具有自動(dòng)位置控制（升降、走行和夾鉗開(kāi)閉位置）、鋼卷卷芯高度計(jì)算、自動(dòng)零位調(diào)整等功能。

5 結(jié)語(yǔ)

本鋼卷轉(zhuǎn)運(yùn)輸系統(tǒng)將天車、運(yùn)輸鏈及鋼卷夾鉗等技術(shù)集成，成功應(yīng)用于某特大型鋼廠熱軋廠與冷軋廠之間的鋼卷運(yùn)輸，極大地滿足了生產(chǎn)需求。也可以應(yīng)用在冷軋廠的各相鄰工藝機(jī)組及機(jī)組與運(yùn)輸鏈之間鋼卷的全自動(dòng)運(yùn)輸。隨著工業(yè)4.0和無(wú)人化工廠技術(shù)的不斷發(fā)展需求，該技術(shù)具有比較廣闊的工程應(yīng)用前景。