韓　荃， 董　浩， 王嘉容， 呂莉華

(上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

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磨料回收系統(tǒng)智能控制研究

韓荃， 董浩， 王嘉容， 呂莉華

(上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

摘要在現(xiàn)階段我國(guó)大型造船廠廣泛使用的涂裝工場(chǎng)中，磨料回收系統(tǒng)是必不可少的組成部分。磨料回收系統(tǒng)一般由局部除塵器、局部除塵風(fēng)機(jī)、皮帶輸送機(jī)、斗式提升機(jī)、磨料清理機(jī)和螺旋輸送機(jī)組成，其設(shè)備的啟動(dòng)與停機(jī)需遵循一套啟停程序，以保證系統(tǒng)內(nèi)不會(huì)淤積磨料。如果磨料回收系統(tǒng)存在磨料淤積，設(shè)備啟動(dòng)荷載極易超出額定負(fù)荷，從而導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行或損壞。

本項(xiàng)目“磨料回收系統(tǒng)智能控制研究”就是針對(duì)磨料回收系統(tǒng)的實(shí)際工作狀態(tài)，通過(guò)智能控制設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，精確控制磨料回收系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)設(shè)備的開機(jī)與關(guān)機(jī)時(shí)機(jī)，合理分配能源，最大化地減少磨料回收系統(tǒng)的空載時(shí)間，從而達(dá)到既能滿足原有的生產(chǎn)負(fù)荷，又能節(jié)約能耗降低設(shè)備損耗的目的，為涂裝工廠節(jié)能減排、降本增效提供了技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞磨料回收系統(tǒng)智能控制減少淤積節(jié)能減排

Intelligent Control Research on Abrasive Recovery System

HAN Quan, DONG Hao, WANG Jia-rong， LV Li-hua

(Shanghai Shipbuilding Technology Research Institute, Shanghai 200032, China)

AbstractCoating workshop for large shipyards, widely used in China at the present stage of abrasive recovery system is a part of less than not.Abrasive recovery system in general by the local dust collector and local dust removal fan, belt conveyor, bucket elevator, abrasive blasting machine and screw conveyor.The equipment start and stop to follow a set of start-stop standards,to ensure that the system will not fill abrasive, otherwise once recovery system for abrasive debris to a certain extent. The equipment can't normal boot or damage to the equipment of the serious consequences.

The project "abrasive recovery system intelligent control research" is aimed at abrasive recovery system of the actual working condition, through intelligent control equipment running status, precise control of abrasive recovery system inside the boot and shutdown time of the equipment, reasonable distribution of energy, minimize the abrasive recovery system of idle time, so as to achieve both can satisfy the original production load, and can reduce equipment loss for the purpose of saving energy consumption, energy conservation and emissions reduction for group company, the authors advocate efficiency provides the technical support.

KeywordsAbrasive recovery systemIntelligent control researchDecrease depositionEnergy conservation

0引言

在我國(guó)現(xiàn)階段的大型涂裝工場(chǎng)中，磨料回收系統(tǒng)是必不可少的組成部分，其主要負(fù)擔(dān)的功能是將噴砂系統(tǒng)噴出的砂丸及時(shí)地回收到磨料存儲(chǔ)單元中，使其可以循環(huán)反復(fù)使用。

在現(xiàn)階段的涂裝工場(chǎng)生產(chǎn)中，以廣州中船龍穴造船有限公司為例，一間噴砂車間擁有4套集中回收磨料地坑，理論上4套磨料回收系統(tǒng)回收全部磨料的時(shí)間只需要3~5 h，但由于考慮到綜合經(jīng)濟(jì)成本，每個(gè)噴砂車間一般只配置1~2臺(tái)山貓推砂車，無(wú)法滿足4套回收區(qū)域同時(shí)回砂的最高效率要求，且船用分段在預(yù)驗(yàn)收以后，還需要局部的補(bǔ)焊和補(bǔ)噴，這樣在集中回收的時(shí)間段外，磨料回收系統(tǒng)還需要再次開機(jī)回收，回收的時(shí)間長(zhǎng)短完全取決于現(xiàn)場(chǎng)施工工人的進(jìn)度。綜合以上情況，磨料回收系統(tǒng)一天的工作運(yùn)行時(shí)間一般都在10~12 h左右，其中滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間卻一般不超過(guò)5 h，設(shè)備運(yùn)行的大部分時(shí)間都處于空載運(yùn)行，這樣即損耗電能又增加設(shè)備損耗。而磨料回收系統(tǒng)在涂裝工場(chǎng)中雖然不是最大耗電量的系統(tǒng)，但是由于每天開機(jī)時(shí)間長(zhǎng)、系統(tǒng)負(fù)荷量大，如果可以在滿足生產(chǎn)能力的要求下，合理減少系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間，就可以達(dá)到既能滿足原有的生產(chǎn)負(fù)荷，又能節(jié)約能耗、降低設(shè)備損耗的目的。因此開發(fā)磨料回收系統(tǒng)的智能控制系統(tǒng)來(lái)滿足上述要求是十分必要的。

1系統(tǒng)功能簡(jiǎn)述

磨料回收系統(tǒng)的智能控制系統(tǒng)其目標(biāo)是為了解決現(xiàn)階段造船廠大型涂裝工場(chǎng)由于實(shí)際生產(chǎn)工藝等原因產(chǎn)生多個(gè)回收區(qū)域的回砂量不平均，設(shè)備空載運(yùn)行所造成的電能浪費(fèi)、設(shè)備損耗增加等問(wèn)題。磨料回收智能控制系統(tǒng)采用高效的計(jì)算核心、準(zhǔn)確而穩(wěn)定的信號(hào)采集模塊，實(shí)現(xiàn)磨料回收系統(tǒng)的智能化，降低了磨料回收系統(tǒng)空載運(yùn)行時(shí)間。

一套完整磨料回收系統(tǒng)一般是由地坑集砂斗、皮帶輸送機(jī)、斗式提升機(jī)、磨料清理機(jī)及儲(chǔ)料桶組成。磨料回收地坑集砂斗中磨料數(shù)量的多少是可以實(shí)時(shí)反映磨料回收系統(tǒng)中磨料回收的情況。以廣州中船龍穴造船有限公司為例，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，當(dāng)磨料回收集砂斗裝滿磨料后，磨料回收系統(tǒng)需要30 min的時(shí)間將集砂斗中的磨料回收完畢，因此當(dāng)磨料回收集砂斗中的磨料全部回收到磨料回收系統(tǒng)儲(chǔ)料桶中后，若沒(méi)有新的待回收磨料被再次加入集砂斗中時(shí)，磨料回收智能控制系統(tǒng)將根據(jù)安裝在地坑集砂斗上的磨料檢測(cè)傳感器傳回的信號(hào)，智能判斷是否可以停機(jī)進(jìn)入到待機(jī)狀態(tài)，以節(jié)約能源及降低設(shè)備損耗。而當(dāng)新的待回收磨料被再次加入地坑集砂斗后，智能控制系統(tǒng)將再次對(duì)磨料數(shù)量進(jìn)行判斷，自行選擇開機(jī)回收時(shí)機(jī)，如此循環(huán)反復(fù)，可以將磨料回收地坑集砂斗作為回收磨料緩沖區(qū)的利用率最大化，避免了設(shè)備空載運(yùn)行和設(shè)備頻繁啟動(dòng)停止等問(wèn)題。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1磨料檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

磨料檢測(cè)系統(tǒng)是磨料回收智能控制系統(tǒng)的主要功能?？紤]到造船廠磨料回收系統(tǒng)工作環(huán)境惡劣，在滿足功能需求的前提下，檢測(cè)傳感器選擇了動(dòng)作可靠、性能穩(wěn)定、響應(yīng)頻率高、使用壽命長(zhǎng)、抗干擾能力強(qiáng)、具有防水及防塵功能的全封閉電感式接近開關(guān)，如圖1所示。

圖1　電感式接近開關(guān)

因?yàn)殡姼惺浇咏_關(guān)的有效檢測(cè)距離均較小，該型號(hào)接近開關(guān)有效檢測(cè)距離只有10 mm，且為了避免接近開關(guān)檢測(cè)頭直接接觸被檢測(cè)物體磨料所造成的磨損，在接近開關(guān)與磨料之間需采用有機(jī)玻璃面板進(jìn)行隔離。為了避免檢測(cè)窗口發(fā)生積砂情況，再綜合考慮有效檢測(cè)距離，且使有機(jī)玻璃隔板的磨損降至最低，最終將有機(jī)玻璃隔板制作為凸臺(tái)凹型結(jié)構(gòu)，如圖2所示。其凹面中心點(diǎn)距電感式接近開關(guān)檢測(cè)頭只有5 mm，既可保證檢測(cè)距離在電感式接近開關(guān)的檢測(cè)范圍內(nèi)，又可保證不會(huì)發(fā)生當(dāng)?shù)乜蛹岸窂牧蠞M到料空后檢測(cè)面有磨料堆積的問(wèn)題。

圖2　凸臺(tái)凹型有機(jī)玻璃安裝示意圖

在檢測(cè)裝置安裝位置較充裕的情況下，還可以采用一般的平板有機(jī)玻璃隔板，如圖3所示。對(duì)比凸臺(tái)凹型有機(jī)玻璃隔板，該種方案的優(yōu)點(diǎn)是降低了有機(jī)玻璃隔板的加工難度，不需要將有機(jī)玻璃隔板處理成凸臺(tái)凹形結(jié)構(gòu)，且由于有機(jī)玻璃面板面積增大，又增加了接近開關(guān)的檢測(cè)位調(diào)節(jié)幅度。但不足之處是會(huì)降低地坑集砂斗的機(jī)械強(qiáng)度及增大安裝的難度。這兩種安裝方案，都可以達(dá)到對(duì)磨料檢測(cè)的要求，并且具有良好的穩(wěn)定性和實(shí)用性。具體選用何種安裝方式，可以根據(jù)不同磨料回收系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行綜合判斷。

圖3　平面有機(jī)玻璃安裝示意圖

2.2智能控制部件設(shè)計(jì)

智能控制部件是磨料回收系統(tǒng)智能控制系統(tǒng)的核心部件。磨料回收系統(tǒng)要智能化，勢(shì)必要有信號(hào)收集、信號(hào)分析處理、系統(tǒng)反饋?lái)憫?yīng)等一系列功能，而智能控制部件對(duì)信息的處理分析就是其中最關(guān)鍵的一步，其作用就相當(dāng)于人的大腦，控制著整個(gè)磨料回收系統(tǒng)的運(yùn)行。

系統(tǒng)流程圖如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)流程圖

首次開機(jī)通電后，系統(tǒng)自檢初始化進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，控制部件不斷地檢測(cè)回收地坑集砂斗上的下部接近開關(guān)是否有信號(hào)輸入。如果沒(méi)有，則一直保持待機(jī)狀態(tài)，如果有信號(hào)輸出，則再檢測(cè)回收地坑集砂斗上的上部接近開關(guān)是否有信號(hào)，如果沒(méi)有信號(hào)，則保持待機(jī)狀態(tài)，等待集砂斗中加砂，當(dāng)上部接近開關(guān)發(fā)出信號(hào)時(shí)，控制部件則發(fā)出開機(jī)信號(hào)使系統(tǒng)正常開機(jī)運(yùn)行，開始進(jìn)行回收工作。當(dāng)正常運(yùn)行過(guò)程中，如果上部接近開關(guān)信號(hào)消失，則再檢查下部接近開關(guān)的信號(hào)，如果有信號(hào)則保持開機(jī)狀態(tài)不變，如果下部接近開關(guān)信號(hào)也消失，則進(jìn)入延時(shí)關(guān)機(jī)狀態(tài)，待系統(tǒng)內(nèi)的磨料全部回收到儲(chǔ)料桶以后，控制部件發(fā)出關(guān)機(jī)信號(hào)，系統(tǒng)再次進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，如此循環(huán)反復(fù)，系統(tǒng)的使用效率將會(huì)顯著提高，節(jié)約了不必要的電能消耗，降低設(shè)備磨損率。

圖5　智能控制部件

圖6　智能控制部件PCB圖

磨料回收系統(tǒng)智能控制部件如圖5、圖6所示。智能控制部件采用AVR系統(tǒng)開發(fā)，主控器選用ATMEL公司的ATMEGA48單片機(jī)。AVR系列單片機(jī)是ATMEL公司推出的第一款具有真正意義上的RISC結(jié)構(gòu)8位單片機(jī)，具有先進(jìn)的指令集及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，數(shù)據(jù)吞吐率可高達(dá)1 MIPS，其性能明顯優(yōu)于其他類型的8位單片機(jī)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了智能控制部件可以適應(yīng)不同涂裝工場(chǎng)的磨料控制系統(tǒng)，控制部件的信號(hào)采集端口設(shè)計(jì)為32個(gè)，可同時(shí)接受和處理現(xiàn)場(chǎng)最多32個(gè)信號(hào)發(fā)生器所發(fā)來(lái)的信號(hào)，如果現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)源超過(guò)32個(gè)時(shí)，還可以采用多塊智能控制部件級(jí)聯(lián)的方式進(jìn)行擴(kuò)展，從而真正滿足未來(lái)涂裝工場(chǎng)對(duì)模塊適應(yīng)性和擴(kuò)展性的要求?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)惡劣的電磁環(huán)境，系統(tǒng)采用隔離電源，所有的輸入輸出采用光電隔離，所用的光耦可以承受3 000 V以上的電壓，保證主控電路不被損壞。同時(shí)，所有的端口都設(shè)計(jì)有保護(hù)器件，以確保智能控制部件主板的可靠性，不會(huì)被浪涌、脈沖群和靜電沖刺所損壞。該智能控制部件具有體積小、擴(kuò)展性好、安裝方便、運(yùn)算速度快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

3試驗(yàn)及結(jié)果

磨料回收系統(tǒng)智能控制裝置經(jīng)過(guò)分系統(tǒng)調(diào)試和整機(jī)聯(lián)調(diào)后，系統(tǒng)各部分功能已運(yùn)行正常，具備了實(shí)際生產(chǎn)能力。為了驗(yàn)證智能控制系統(tǒng)的實(shí)際節(jié)能效果，將用實(shí)驗(yàn)對(duì)設(shè)備的運(yùn)行效果進(jìn)行測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程為期3個(gè)月，在XX造船廠涂裝工場(chǎng)正常運(yùn)行的過(guò)程中，項(xiàng)目組收集了安裝在實(shí)驗(yàn)組和對(duì)比組涂裝工場(chǎng)磨料回收控制柜的8組電能檢測(cè)箱中的檢測(cè)數(shù)據(jù)和相對(duì)應(yīng)的涂裝工場(chǎng)的產(chǎn)量記錄，具體的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　磨料回收系統(tǒng)智能控制研究節(jié)能數(shù)據(jù)分析表

根據(jù)公式：平均面積能耗=總消耗電能/總處理面積。

節(jié)約能耗=(B間平均面積能耗-A間平均面積能耗)/B間平均面積能耗。

由上式可計(jì)算得出：A間實(shí)驗(yàn)間比B間對(duì)比間節(jié)約能耗42.2%，結(jié)果如表2所示。

由表2的實(shí)測(cè)結(jié)果可知，磨料回收系統(tǒng)智能控制裝置的節(jié)能效果非常好，整套系統(tǒng)裝置安裝到現(xiàn)有磨料回收系統(tǒng)中后，其帶來(lái)的節(jié)能效果已經(jīng)達(dá)到了42.2%。

表2　A、B車間回收能耗對(duì)照表

4小結(jié)

由于磨料回收系統(tǒng)智能控制裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、控制準(zhǔn)確、性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，在現(xiàn)有的涂裝工場(chǎng)的磨料回收系統(tǒng)中安裝后，相對(duì)于未改造的磨料回收系統(tǒng)，改裝后的磨料回收系統(tǒng)其能效顯著提高，降低了回收設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)工時(shí)，工作效率得到了提升。

由于該套裝置具有顯著降低磨料回收系統(tǒng)能耗與減少設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)工時(shí)的能力，因此將極大地提高我國(guó)現(xiàn)階段分段涂裝工場(chǎng)的使用效率，節(jié)約能耗、降低排放，在國(guó)內(nèi)的廣大造船企業(yè)推廣使用后，將有利于提高我國(guó)造船業(yè)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，增強(qiáng)我國(guó)造船企業(yè)在國(guó)際造船企業(yè)中的綜合競(jìng)爭(zhēng)力。

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[上接第28頁(yè)]

表4展示了全船模型在四種工況下的應(yīng)力值，表5展示了全船板單元和梁?jiǎn)卧淖畲髴?yīng)力值。由計(jì)算結(jié)果可知，在各種工況下本船船體結(jié)構(gòu)中的各種板梁結(jié)構(gòu)的各種應(yīng)力分量均滿足《內(nèi)規(guī)》規(guī)定的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)[9]，全船強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。各種工況下，本船船體結(jié)構(gòu)各種構(gòu)件上的骨材、加強(qiáng)筋及面板、支柱、桁架等梁式構(gòu)件的軸向應(yīng)力均小于相應(yīng)的許用應(yīng)力，它們的強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

5結(jié)論

(1) 本船的應(yīng)力與變形計(jì)算結(jié)果表明船體各結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力均在材料屈服應(yīng)力以內(nèi)是滿足強(qiáng)度要求的。同時(shí)船體的位移變形值比較小，相對(duì)船舶主尺度可忽略不計(jì),剛度滿足要求。

(2) 比較滿載波浪中垂(工況1)、半載波浪中拱(工況2)、半載波浪中垂(工況3)以及空載波浪中拱(工況4)等典型工況。在半載波浪中垂(工況3)下船體板單元和梁?jiǎn)卧Y(jié)構(gòu)應(yīng)力水平不高，安全系數(shù)較高；在滿載波浪中垂(工況1)和空載波浪中拱(工況4)下船體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力水平較高，在平臺(tái)側(cè)板垂直桁處與頂棚甲板處有應(yīng)力集中現(xiàn)象。

(3) 通過(guò)全船結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度有限元直接計(jì)算結(jié)果表明：1 500 dwt散裝水泥躉船規(guī)范設(shè)計(jì)結(jié)果安全，設(shè)計(jì)合理。在各計(jì)算工況下，本船船體結(jié)構(gòu)所有板單元形心處中面應(yīng)力符合相應(yīng)衡準(zhǔn)要求。所有梁?jiǎn)卧S向應(yīng)力符合相應(yīng)衡準(zhǔn)要求。

(4) 通過(guò)本船的改造設(shè)計(jì)研究，為內(nèi)河其他同樣類型船舶的改造再利用提供了參考和有益的借鑒。

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中圖分類號(hào)TP277

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

作者簡(jiǎn)介：韓荃(1982-)，男，工程師，從事工業(yè)設(shè)備智能化控制研究。