斗轮堆取料机（简称斗轮机） 是一种广泛应用于火电厂输煤系统的重要大型燃煤运送设备，既可以把进厂陆运煤、水运煤输送到条形煤场进行有序堆放，也可以把条形煤场存储的燃煤通过带式输送机运送到煤仓间给火电厂的锅炉输送燃烧介质，从而为火电机组稳定运行提供持续的动力。

斗轮机主要由斗轮机构、回转机构、行走机构、尾车升降机构、悬臂皮带输送机构、悬臂俯仰机构等部件组成，采用轨道行走布置方式，悬臂可以左右回转，满足不同角度的堆取作业，悬臂还可以上下俯仰，以实现不同高度作业，斗轮机构则仅在取料作业时使用。斗轮机作业过程中把数字量、模拟量输入PLC （可编程控制器），PLC通过逻辑运算后输出信号来对作业过程进行控制，以实现斗轮机各部件之间的联锁控制，从而实现安全可靠高效的堆、取工作。

近年来，随着智能化数字化煤场建设和锅炉掺配煤的需求不断增大，对斗轮机的自动化程度和作业精度要求越来越高，尤其是斗轮机悬臂俯仰机构，其俯仰角度的准确性决定了斗轮机堆煤、取煤的精准度，因此如何对斗轮机悬臂俯仰角度进行精确测量是当前需要研究的一个现实课题。

用编码器作悬臂俯仰角度测量机构的原理及存在的问题

编码器测量悬臂俯仰角度的工作原理

一直以来，绝对值编码器以其结构简单、安装方便而被作为国内斗轮机俯仰角测量的标配。俯仰角测量机构的机械结构如图1 所示。编码器安装在变幅（俯仰） 支承铰座上，悬臂俯仰运动时，铰轴首先转动，带动连接在悬臂架拨杆1，拨杆通过齿轮3 和2 传动来带动编码器4 的转轴作圆周运动，编码器会把转轴转动角度数变成电信号送至PLC，将测得的数据参与运算，根据运算得到悬臂相对水平位置的角度，也就是悬臂的俯仰角度，最后显示在司机室触摸屏上。

编码器测量悬臂俯仰角度存在的问题

（1） 机械结构复杂

俯仰角度测量装置安装在悬臂架的铰座上，该区域是斗轮机堆取料的落料区，装置不可避免会积聚煤尘，内部的齿轮机构积煤积粉过多很难完全清理干净，时间一久便会硬化，这会造成传动齿轮间歇性打滑或者卡死，编码器转轴无法正确传动，得到的编码误码率极高，导致俯仰角度不准确，使得悬臂的俯仰操作不精确，影响堆取料作业的效率。

（2） 电气接线复杂

俯仰角度测量装置与PLC 的电气连接如图2 所示，由10 根数字量信号线组成10 位二进制数接入PLC，用来给角度值编码。由于现场在下料区，煤尘多，环境恶劣，端子容易被煤粉氧化腐蚀使得回路阻值变大造成信号输不进来，或者端子间因潮湿煤粉导电造成各信号线间短接，造成数据失真，因此触摸屏显示的读数也不准确。

（3） 程序可读性差

俯仰角度测量装置的编码转换程序如图3、图4所示，PLC输入端输入的是10 位二进制数的原始编码，还要根据编码测量装置的机械特性在PLC程序中进行工程量纲转换，转换成10 进制的角度供触摸屏显示，这个过程中PLC 程序中使用了比较、除法、乘法、数值转换等多种运算，有时还会根据现场的情况使用到一些不太好理解的经验运算，如图4 中的乘法运算中使用的被乘数90，还有除法中使用的除数190，这使得程序的可读性较差，对维护人员的技术水平和经验要求较高。

引入倾角传感器对悬臂俯仰角度进行测量

倾角传感器简介

倾角传感器又称倾斜仪、测斜仪、水平仪、倾角计，经常用于被测物的水平角度变化的测量。作为一种测量工具， 倾角传感器已成为桥梁架设、铁路铺设、土木工程、石油钻井、航空航海、工业自动化、智能平台、机械加工等领域重要测量工具，可测量被测平面相对于水平位置的倾斜度、两部件相互平行度和垂直度。

倾角传感器技术的稳定性，已在各行业的应用实例中得到证实，经过深入的学习和分析，将倾角传感器引入作为俯仰角测量装置。

倾角传感器工作原理

目前，倾角传感器从工作原理基本上分固体摆式、液体摆式、气体摆式，还有一种利用加速度传感器来测量倾角，本例中使用的德国倍加福公司的倾角传感器（INX360D—F99—I2E2—V15） 就是利用加速度测量角度。这是基于电容式3D—MEMS技术的单轴倾斜角度传感器，理论基础是牛顿第二定律，是一种运用惯性原理的加速度传感器。当倾角传感器静止时，即侧面和垂直方向没有加速度作用，那么作用在其上面的只有重力加速度。重力垂直轴与加速度传感器灵敏轴之间的夹角就是倾斜角。一般意义上的倾角传感器是静态测量或者准静态测量，一旦有外界加速度，那么加速度芯片测出来的加速度就包含外界加速度，故而计算出来的角度就会不准确，因此该倾角传感器引入了mems 陀螺芯片，并采用优先的卡尔曼滤波算法。这使得该传感器精度为± 0.5º， 测量范围为0º~360º。

倾角传感器对悬臂俯仰角度的测量的实现过程

先将倾角传感器安装在一个不锈钢箱内，保证使用过程中传感器及其接线端子减少接触煤尘，延长其使用寿命，然后将其固定在斗轮机的悬臂的门架上（图5），这样当悬臂进行俯仰时，门架就会带着不锈钢箱绕着悬臂绞轴共同旋转，其内的倾角传感器就会检测出旋转角度来，即俯仰角度。因斗轮机的俯仰角度范围为−11.96º～+14.63°，所以将倾角传感器的取值范围设定为−20º～+20º，输出为4～20 mA电流信号，按照图4 接入到PLC 模拟量输入模块。电气信号连接好后，在Unity Pro 软件EFB功能模块库中找到昆腾机架功能配置模块（quantum）、模拟量输入配置模块（ACI30）、I/O 比例调整模块（I_SCALE），分别添加到梯形图的程序段中，并按照实际PLC底板插槽连接的卡件位置在梯形图中连接各功能模块的对应输入输出端，并且在I_SCALE模块对应端子上设置好下限−20°和上限+20°，分别对应4 mA和20 mA电流信号，这样可以得到1 个十进制的角度数供触摸屏程序读取（图6），并显示在司机室的触摸屏上（图7）。

倾角传感器应用效果

倾角传感器自身结构简单，所有功能集成在耐腐蚀铝制外壳内，坚固耐用，密封性好，更加精确，引入作为斗轮机俯仰角测量装置，解决了由于编码器测量装置本身结构复杂以及恶劣环境带来的测量数据的错误率，安装在不锈钢金属箱中，大幅降低了使用环境中煤粉对电气回路的危害。使用倾角传感器后，对俯仰角测量数据的稳定性、精确度都有大幅提高。

倾角传感器输出的是4～20 mA电流信号，只需为PLC 的模拟量模块提供1 根电流信号线（图8），相对于编码器的测量装置的10 根接线，大幅简化了电气回路，便于后期维护。

同时在PLC 程序中只需将4～20 mA 电流信号转换成角度数即可，如图6 所示，全部是可视化编程，而原先使用的编码器测量装置则需要将编码通过复杂的数学计算进行转换（图3、图4），程序可读性相对较差。改用倾角传感器后PLC程序更加简洁，可读性更好。

结 语

编码器作为斗轮机悬臂俯仰角度测量装置，结构简单，安装方便，但由于其所在环境恶劣、煤尘多，经常发生机械传动卡死和电气回路故障，造成角度的测量不准确，影响斗轮机的正常作业，同时编码器的程序可读性较差，对维护人员的技术水平和经验要求较高。为此引入倾角传感器实现对斗轮机悬臂俯仰角的精确测量，利用倾角传感器的高精度、高稳定性解决了编码器测量的机械和电气故障频发问题，同时由于倾角传感器的程序使用了施耐德公司的Unity Pro 软件的可视化编程功能，使得程序有了较好的可读性，维护起来更方便。

经过实践检验，倾角传感器可以精确检测和记录斗轮机悬臂俯仰的角度，为后续实现斗轮机的堆取料自动化工作提供了有效保障。

责任编辑： 李金松