煤運(yùn)火車車廂防凍液自動(dòng)配料系統(tǒng)研究及應(yīng)用

嚴(yán)實(shí)，豆鵬

(陜西西煤云商信息科技有限公司，陜西,西安 710076)

0 引言

中國(guó)煤炭主產(chǎn)區(qū)主要分布在東北部地區(qū)，大部分地區(qū)為中溫帶半干旱大陸性氣候。冬季較為寒冷，春季多風(fēng)，夏季較炎熱，秋季清爽，四季分明冷熱溫差大，晝夜溫差較大。在寒冷的冬季，氣溫最低可到達(dá)-29.7 ℃、極端最大風(fēng)速為15.7 m/s(1993.1)、最大凍土深度為146 mm(1968)。此類氣候?qū)﹁F路煤炭運(yùn)輸造成了一定的麻煩，如煤炭自身凍結(jié)成大塊或者凍在車廂內(nèi)壁無(wú)法卸貨等[1]。為此，對(duì)車廂和煤中噴灑防凍液是非常必要的，對(duì)于防凍液的配置工作也是必不可少的。綜上所述，為了更好地實(shí)現(xiàn)防凍液自動(dòng)配置，減輕工人的工作強(qiáng)度，提升配置效率，提升企業(yè)整體效益，本文將詳細(xì)闡述防凍液自動(dòng)配料系統(tǒng)的研究、設(shè)計(jì)及應(yīng)用。

1 原防凍液配料系統(tǒng)

1.1 原系統(tǒng)配料流程

原防凍液配料系統(tǒng)主要組成部分有攪拌桶和儲(chǔ)料罐。工人搬運(yùn)防凍干粉到攪拌桶處，拆開(kāi)袋子將防凍干粉倒入攪拌桶內(nèi)，開(kāi)水閥、打開(kāi)攪拌電機(jī)。一個(gè)攪拌桶一次攪拌200袋防凍干粉，每袋防凍干粉50 kg，一次搬運(yùn)工作大概需要14人進(jìn)行，每24 h至少有2次這樣的搬運(yùn)工作。

1.2 原系統(tǒng)存在問(wèn)題

原防凍液配料系統(tǒng)自動(dòng)化程度低，人工體力工作重量、工作環(huán)境惡劣。由于防凍液的濃度和氣溫有線性關(guān)系，所以配比濃度是有變化的，人工配比只依靠人工經(jīng)驗(yàn)控制水閥和泵頻等，不能很好得保證配比濃度從而不能保證防凍液的質(zhì)量[2]。配料任務(wù)也需要人工溝通及憑借經(jīng)驗(yàn)預(yù)估配置，并且配料需要4 h的攪拌時(shí)間，所以配料的及時(shí)性存在風(fēng)險(xiǎn)。

2 防凍液自動(dòng)配料系統(tǒng)的研究

2.1 重點(diǎn)研究方向

防凍液自動(dòng)配料系統(tǒng)的重點(diǎn)研究目標(biāo)為全自動(dòng)搬運(yùn)及拆袋攪拌，全程無(wú)人參與,從根本上將工人從惡劣環(huán)境和繁重體力勞動(dòng)中解救出來(lái)。

2.2 系統(tǒng)硬件組成

防凍液自動(dòng)配置系統(tǒng)主要包括拆垛機(jī)器人系統(tǒng)和自動(dòng)拆袋機(jī)器人系統(tǒng)[3]。拆垛機(jī)器人系統(tǒng)主要由搬運(yùn)機(jī)器人、真空吸盤、托盤工位、真空系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)等組成。自動(dòng)拆袋機(jī)器人系統(tǒng)包含傳送帶、拆帶機(jī)本體、空壓機(jī)、除塵系統(tǒng)、控制柜等。

2.3 系統(tǒng)工作流程

防凍液自動(dòng)配料系統(tǒng)包括拆垛機(jī)器人系統(tǒng)、無(wú)人值守皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)、自動(dòng)拆袋機(jī)器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)智能裝車系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)的數(shù)據(jù)控制防凍液自動(dòng)配料，配料過(guò)程如下：

(1) 智能裝車系統(tǒng)獲取各傳感器(溫濕度傳感器、裝車站防凍液儲(chǔ)液罐液位計(jì)、配料庫(kù)防凍液儲(chǔ)液罐液位計(jì))數(shù)據(jù)，進(jìn)而通過(guò)智能配料邏輯判斷是否開(kāi)始配料；

(2) 智能裝車系統(tǒng)判斷需要配料后，防凍液自動(dòng)配料系統(tǒng)首先判斷托盤上是否有防凍液干粉，若托盤上無(wú)物料或者缺料，系統(tǒng)提示崗位人員補(bǔ)料；

(3) 防凍液自動(dòng)配料系統(tǒng)依次啟動(dòng)拆袋機(jī)器人系統(tǒng)、運(yùn)輸皮帶機(jī)系統(tǒng)、拆垛機(jī)器人系統(tǒng)；

(4) 防凍液自動(dòng)配料系統(tǒng)通過(guò)智能裝車系統(tǒng)發(fā)送的配料參數(shù)(溫度、液位等)，并通過(guò)系統(tǒng)計(jì)算得出防凍液濃度，進(jìn)一步計(jì)算所需的干粉數(shù)量、所需的清水量。系統(tǒng)根據(jù)該數(shù)據(jù)進(jìn)行上料，同時(shí)防凍液自動(dòng)配料系統(tǒng)控制電磁閥開(kāi)始補(bǔ)水；

(5) 干粉與水量配置完成后，防凍液自動(dòng)配料系統(tǒng)依次控制拆垛機(jī)器人系統(tǒng)、皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)、拆袋機(jī)器人系統(tǒng)停止運(yùn)行；

(6) 防凍液自動(dòng)配料系統(tǒng)控制攪拌池開(kāi)始攪拌，達(dá)到預(yù)設(shè)的時(shí)間后停止；

(7) 防凍液自動(dòng)配料系統(tǒng)將攪拌好的防凍液輸送到儲(chǔ)液罐，供裝車使用。

防凍液自動(dòng)配置方法流程圖如圖1所示。

2.4 系統(tǒng)控制方法

為滿足裝車生產(chǎn)的連續(xù)性，保證防凍液可以持續(xù)供給，考慮到自動(dòng)配料系統(tǒng)的維護(hù)、維修，該項(xiàng)目對(duì)配料系統(tǒng)進(jìn)行了研究。在控制方式上，防凍液自動(dòng)配料系統(tǒng)支持自動(dòng)模式、人工模式。

自動(dòng)模式：裝車系統(tǒng)根據(jù)裝車需求以及當(dāng)前的防凍液存量，自動(dòng)計(jì)算需要配置的防凍液信息。配料系統(tǒng)接收到防凍液信息后，自動(dòng)啟動(dòng)配料系統(tǒng)，配料系統(tǒng)根據(jù)裝車系統(tǒng)計(jì)算的配料信息，配置目標(biāo)濃度、目標(biāo)數(shù)量的防凍液。

人工模式：裝車系統(tǒng)根據(jù)裝車需求以及當(dāng)前的防凍液存量，自動(dòng)計(jì)算需要配置的防凍液信息。配料信息通知給崗位工，崗位工可以自行完成配料。

2.5 系統(tǒng)目標(biāo)濃度控制方法

為了保證防凍質(zhì)量，隨著溫度的變化調(diào)節(jié)防凍藥劑的用量[4]。防凍藥劑的用量計(jì)算公式為

M=Q×ρ×t

(1)

其中,M為藥劑通過(guò)量(t),Q為藥劑的流量(m3/h),ρ為藥劑的密度(t/m3),t為藥劑噴灑時(shí)間(h)。

圖1 配置方法邏輯圖

圖2 控制方法邏輯圖

由式(1)可知，單位時(shí)間內(nèi)的防凍藥劑的播撒量與防凍液的濃度、流量成正比。目前小保當(dāng)?shù)V業(yè)采用藥劑濃度隨著溫度變化而變化的模式，因此在該項(xiàng)目的研究繼續(xù)沿用此模式。通過(guò)大量的數(shù)據(jù)研究，得到防凍液配置經(jīng)驗(yàn)表如表1所示。

表1 防凍液配置經(jīng)驗(yàn)表

通過(guò)LUT查找表數(shù)據(jù)分析算法，系統(tǒng)可根據(jù)近3天的最低溫度自動(dòng)計(jì)算防凍液配置濃度，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配料。

2.6 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

防凍液自動(dòng)配料系統(tǒng)軟件部分通過(guò)簡(jiǎn)單的后端、復(fù)雜的算法和邏輯簡(jiǎn)化了用戶的使用工作[5]。軟件界面如圖3所示。左上角的“計(jì)劃任務(wù)”會(huì)按照檢測(cè)到的數(shù)據(jù)定時(shí)計(jì)算工作任務(wù)，自動(dòng)提示監(jiān)控人員需要進(jìn)行配料，配料的量和配比等內(nèi)部計(jì)算都由計(jì)算機(jī)自行計(jì)算和控制，無(wú)需人工參與。左下角的“報(bào)警信息”會(huì)提示系統(tǒng)中存在的異常，提示人員進(jìn)行具體部件的檢修。頁(yè)面中間部分是搬運(yùn)機(jī)器人、拆垛機(jī)器人、攪拌桶、溫度傳感器、儲(chǔ)料桶、儲(chǔ)料泵等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和工作進(jìn)度展示，方便監(jiān)控人員一目了然的看到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和工作進(jìn)度。最右側(cè)的“控制面板”是用來(lái)啟停系統(tǒng)的，監(jiān)控人員只需點(diǎn)一個(gè)按鈕就可以完成之前十四五個(gè)人需要干的工作，并且只需點(diǎn)擊1次，后續(xù)如果系統(tǒng)無(wú)異常狀況無(wú)需進(jìn)行其他操作，工作量基本為零。

圖3 軟件界面

3 防凍液自動(dòng)配料系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)應(yīng)用情況

防凍液自動(dòng)配料系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全程無(wú)人化配料[6]。從工人的工作內(nèi)容上講，工人無(wú)需在惡劣的環(huán)境中進(jìn)行重體力勞動(dòng)；從企業(yè)的經(jīng)濟(jì)開(kāi)支上講，節(jié)約了14個(gè)工人的經(jīng)濟(jì)開(kāi)支，按每人年薪6萬(wàn)元計(jì)算，每年可以為企業(yè)節(jié)省84萬(wàn)元人民幣；從節(jié)約資源上講，按照氣溫定量配比防凍液，既能保證防凍液的防凍效果又能最低限度地使用防凍干粉，為企業(yè)節(jié)約了耗材開(kāi)支[7]；從整體工作流的時(shí)間配合上講，自動(dòng)配料系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控上下游系統(tǒng)的儲(chǔ)量，按時(shí)按需配置，節(jié)省了中間等待時(shí)間，提高了整體工作效率。

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用分析

(1) 人力資源節(jié)約

原有系統(tǒng)：使用14個(gè)搬運(yùn)人員和1個(gè)攪拌控制人員。

自動(dòng)系統(tǒng)：使用1個(gè)監(jiān)控人員。

為研究方便，選取某橋式起重機(jī)的相關(guān)數(shù)據(jù)為例，額定起質(zhì)量Q=5t，其工作機(jī)構(gòu)采用YZR160M2-6電機(jī)，額定功率P=7.5kW，額定轉(zhuǎn)速N=945r/min。

節(jié)約經(jīng)費(fèi)：14人×6萬(wàn)/人/年=84萬(wàn)/年。

(2) 時(shí)間成本節(jié)約

原有系統(tǒng)：按每天配料4次計(jì)算，每次攪拌4 h，溝通計(jì)劃每次2 h。

自動(dòng)系統(tǒng)：節(jié)約溝通成本8 h/d。

節(jié)約時(shí)間：8 h/d，年節(jié)約2 920 h。

(3) 使用量節(jié)約

原有系統(tǒng)：因?yàn)榉纼鲆号淞虾?2 h內(nèi)部使用會(huì)有沉淀結(jié)塊現(xiàn)象的發(fā)生，導(dǎo)致防凍液不可用。原系統(tǒng)由于計(jì)算精度不夠準(zhǔn)確會(huì)造成過(guò)期浪費(fèi)的現(xiàn)象發(fā)生[8]。按照實(shí)際最少作廢量計(jì)算，每月1罐，1罐=200袋防凍干粉，每袋100元，每月2萬(wàn)元，每年24萬(wàn)元。

節(jié)約經(jīng)費(fèi)：每年節(jié)約20萬(wàn)元。

(4) 配比節(jié)約

原有系統(tǒng)：原系統(tǒng)不根據(jù)室外氣溫進(jìn)行配比，都是按照最大用防凍干粉計(jì)量配比，所以造成了防凍干粉的浪費(fèi)。初步統(tǒng)計(jì)，每年浪費(fèi)400袋防凍干粉。

自動(dòng)系統(tǒng)：根據(jù)氣溫定量配比，基本無(wú)此項(xiàng)浪費(fèi)。

節(jié)約經(jīng)費(fèi)：400袋×100袋/元=40 000元/年

綜上所述，防凍液自動(dòng)配料系統(tǒng)較原有傳統(tǒng)人工配制，總節(jié)約經(jīng)費(fèi)108萬(wàn)元/年，總節(jié)約工時(shí)2 920 h/年。

4 總結(jié)

防凍液自動(dòng)配料系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)，觸發(fā)拆垛機(jī)器人、皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)、拆袋機(jī)器人、攪拌桶工作進(jìn)行協(xié)同備料工作[9]。智能系統(tǒng)會(huì)根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度、濕度、粉塵等指標(biāo)和儲(chǔ)料罐剩余溶劑量，計(jì)算出相對(duì)的溶劑濃度和溶劑量，然后根據(jù)總?cè)軇┝恐笓]機(jī)械手抓取定量袋數(shù)的粉末，并根據(jù)攪拌桶內(nèi)的濃度計(jì)控制加水量，最后將攪拌好的溶劑放入儲(chǔ)料罐中。

本文以防凍液自動(dòng)配料全流程的工作環(huán)節(jié)為主線，順序的討論研究了防凍液自動(dòng)配料系統(tǒng)的各個(gè)硬件設(shè)備、控制邏輯、算法邏輯和軟件智能化控制等諸多方面。對(duì)應(yīng)研究成果進(jìn)行了應(yīng)用，并取得了較好的結(jié)果。從根本上解放了人工勞動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)了防凍液的自動(dòng)化智能配置，簡(jiǎn)化了作業(yè)流程，提高了工作效率，為企業(yè)節(jié)省了人力成本[10]。該系統(tǒng)可應(yīng)用于同行業(yè)，也可以應(yīng)用于不同行業(yè)的類似場(chǎng)景，研究成果價(jià)值很高。