全自動鋼卷轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)設(shè)計

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、無人化工廠等設(shè)計理念的開展和應(yīng)用，鋼卷運(yùn)輸系統(tǒng)的設(shè)計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、全自動轉(zhuǎn)運(yùn)輸?shù)纳a(chǎn)需求以及運(yùn)輸過程中的安全、可靠、平穩(wěn)等品質(zhì)需求，制訂滿足鋼卷全自動連續(xù)運(yùn)行的生產(chǎn)時序圖，設(shè)計總體布置方案，提出先進(jìn)的自動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)計條件

某年產(chǎn)量約200萬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通過鋼卷提升移動機(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)計一套專用全自動化的鋼卷轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)。

設(shè)計條件：最大運(yùn)輸能力按年產(chǎn)量200萬噸，年生產(chǎn)時間按6500小時，最大鋼卷按卷重35噸，按平均卷重20噸計算生產(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)能和自動化控制的設(shè)計原則［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階段：

圖1 鋼卷運(yùn)輸現(xiàn)場條件及總體布置

1）第一階段為運(yùn)輸鏈入口側(cè)，由“提升移動機(jī)＋鋼卷夾鉗”組成的鋼卷提升移動機(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，但運(yùn)行過程中運(yùn)輸鏈的每個鞍座上都有鋼卷，相鄰鞍座之間的距離較短，相鄰鋼卷移動所需時間較短。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)，通過提升移動機(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)輸過程動作對稱，運(yùn)行時間周期基本一致。

第一階段CTL1的工藝流程可進(jìn)一步分解為八個步驟（圖2b）：①打開的夾鉗位于地面運(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天車卷揚(yáng)提升夾鉗和鋼卷；④天車移動小車運(yùn)輸夾鉗和鋼卷到地下運(yùn)輸鏈CV2上方；⑤卷揚(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，放置好鋼卷；⑦卷揚(yáng)提升夾鉗到位；⑧移動小車移動返回，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，通過電氣自動控制可以實(shí)現(xiàn)以上三個階段的設(shè)備同時動作及各階段之間進(jìn)行有序銜接。每個步驟之間可能是順序動作，也可以在互不干涉的情況下同時動作，以減少周期時間提高效率。其中，第一階段CTL1工作周期的需要時間最長，地下運(yùn)輸鏈CV2以及出口側(cè)CTL2工作周期時間可以依據(jù)CTL1的周期時間確定。

3 生產(chǎn)時序圖的制訂

3.1 工藝動作分配表的制訂

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

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

表1 CTL1工藝動作分配表

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)時序圖的制訂

由表1運(yùn)用機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)計算出三個工藝設(shè)備每一步運(yùn)動的時間和速度，繪制出直角坐標(biāo)式的生產(chǎn)時序圖。以工藝流程③天車卷揚(yáng)提升過程為例，卷揚(yáng)提升時間t＝t1＋t2＋t3，分別對應(yīng)低速、高速、低速三個時段。并通過合理設(shè)置加速、勻速和減速各參數(shù)，得到卷揚(yáng)提升動作的時序圖（圖3）。以此類推，依據(jù)CTL1需要的最短循環(huán)周期，設(shè)計出與設(shè)備動作相適應(yīng)的每個步驟的生產(chǎn)時序圖。

圖3 卷揚(yáng)提升動作的時序圖

以時間為橫坐標(biāo)，速度為縱坐標(biāo)，分別建立夾鉗、卷揚(yáng)、走行小車等設(shè)備單元在一個動作完整周期里的生產(chǎn)時序圖（圖4a～4c）。在此基礎(chǔ)上，綜合自動化生產(chǎn)控制、安全檢測等需求，預(yù)留出安全檢查和信息處理的時間［3］，設(shè)計出在時間和空間關(guān)系上協(xié)調(diào)一致的全自動化轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的生產(chǎn)時序圖（圖4d）。圖4所示坐標(biāo)系中，鋼卷夾鉗的關(guān)閉為正，打開為負(fù)；走行小車中鋼卷前進(jìn)運(yùn)輸過程為正，回程為負(fù)；卷揚(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)自動檢查時間。模式B為重要工序間的控制信息自動處理時間。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，即在提升移動機(jī)回程中卷揚(yáng)打開到離開鋼卷的安全開度后一邊提升，夾鉗一邊打開到夾持下一卷鋼卷需設(shè)定的寬度。將CTL1的一個運(yùn)輸周期作為整個運(yùn)輸系統(tǒng)的一個工作周期，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)時序分解及匯總圖

4 轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)設(shè)計

4.1 技術(shù)參數(shù)及基本組成

以鋼卷最大重量作為設(shè)計載荷，依據(jù)以上生產(chǎn)時序圖里各工作單元的時間及速度，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、卷揚(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、兩套鋼卷提升移動機(jī)、兩套自動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)、減速箱通過聯(lián)軸器驅(qū)動，帶動運(yùn)輸鏈鞍座上的鋼卷步進(jìn)式單向移動。通過電氣系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸鏈運(yùn)行和停止，與鋼卷提升移動機(jī)協(xié)調(diào)動作，完成送卷（接卷）、等待、運(yùn)輸?shù)裙δ?。鋼卷提升移動裝置依據(jù)天車設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，包括卷揚(yáng)升降機(jī)構(gòu)、走行小車機(jī)構(gòu)以及鋼結(jié)構(gòu)平臺支撐等部分。天車升降機(jī)構(gòu)采用卷揚(yáng)型式提升，由主電機(jī)通過聯(lián)軸器、減速箱等驅(qū)動卷揚(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)移動以運(yùn)輸提起的鋼卷和夾鉗，采用移動框架型式。卷揚(yáng)、走行小車等均布置在移動車架上。鋼卷夾鉗用于夾持和打開鋼卷，采用電動平移式。減速電機(jī)通過扭力保護(hù)器帶動齒輪齒條，帶動夾鉗鉗腿作開閉運(yùn)動。

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

4.2 工藝特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)

4.2.1 完善的自動安全保護(hù)技術(shù)

為確保系統(tǒng)自動高效運(yùn)行，避免系統(tǒng)調(diào)試和運(yùn)行過程中的誤動作，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%時發(fā)出提示性報警信號；當(dāng)相應(yīng)的起重量達(dá)到105%時延時停機(jī)；當(dāng)相應(yīng)的起重量達(dá)到110%額定起重量時立即切斷電源，并發(fā)出禁止性報警信號，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)開關(guān)，當(dāng)下降速度為電機(jī)同步轉(zhuǎn)速的120% ～130%時系統(tǒng)自動切斷機(jī)構(gòu)電源，制動器將機(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（重錘限位開關(guān)）。它可以保證當(dāng)夾鉗提升到極限位置時，自動切斷總動力電源，并通過PLC發(fā)出報警信號。提升機(jī)構(gòu)中設(shè)置有上升停止限位開關(guān)，當(dāng)夾鉗運(yùn)行到達(dá)上升停止限位時，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)限位開關(guān)，當(dāng)機(jī)構(gòu)到達(dá)終點(diǎn)極限位置時自動停車。

4）適用于全自動生產(chǎn)的夾鉗設(shè)計。夾鉗的上升及下降高度根據(jù)來料鋼卷外徑自動計算確定，夾鉗開閉寬度根據(jù)來料鋼卷寬度設(shè)定。夾鉗設(shè)置有最大開口度、最小開口度電氣機(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)載時棘輪棘爪的保護(hù)裝置通過與重量傳感器聯(lián)鎖控制夾鉗不會被打開。夾鉗上設(shè)置的對孔、對邊光電傳感器，輔助提升機(jī)夾鉗高度和寬度的計算數(shù)據(jù)，提示夾鉗準(zhǔn)確的高度和閉合寬度位置。夾鉗設(shè)置的載荷檢測傳感器動作與控制系統(tǒng)聯(lián)鎖，保證夾鉗不能被打開。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 可靠的工藝自動控制程序以及先進(jìn)的自動化傳動及控制系統(tǒng)

圖5為入口單元CTL1生產(chǎn)周期開始系統(tǒng)準(zhǔn)備階段自動檢查的工藝自動控制流程圖。通過自動控制系統(tǒng)確認(rèn)提升移動機(jī)、夾鉗、鋼卷與入口運(yùn)輸鏈所有信息需滿足自動化生產(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)，電氣傳動邏輯控制、信號采集、信號傳輸?shù)裙δ芫ㄟ^一套PLC系統(tǒng)集中控制。通過I／O信號傳遞和以太網(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)、前后鞍座上有無鋼卷等數(shù)據(jù)和信號的功能。以采集的這些狀態(tài)、信號數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行計算，自動控制所有設(shè)備及裝置完成設(shè)計動作。系統(tǒng)具有自動位置控制（升降、走行和夾鉗開閉位置）、鋼卷卷芯高度計算、自動零位調(diào)整等功能。

5 結(jié)語

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運(yùn)輸。隨著工業(yè)4.0和無人化工廠技術(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。