陳方斌，郭子晗

(中國水利水電第七工程局有限公司，成都，610213)

1 概述

大型混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)，砂石骨料用量大，骨料級配品種多，骨料補(bǔ)倉是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，一般采用帶式輸送機(jī)運(yùn)輸骨料，以實(shí)現(xiàn)砂石骨料生產(chǎn)到混凝土產(chǎn)品全機(jī)械化自動控制。

通常，混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)骨料儲料倉離砂石系統(tǒng)較遠(yuǎn)，砂石骨料從砂石系統(tǒng)料場地壟到混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)料倉需經(jīng)過多臺帶式輸送機(jī)長距離輸送。傳統(tǒng)的骨料補(bǔ)倉系統(tǒng)存在自動化程度不高，混凝土系統(tǒng)骨料倉料位、補(bǔ)倉量控制由人工完成，運(yùn)行人員要巡回監(jiān)視各骨料倉中的料位情況，再根據(jù)倉位情況進(jìn)行骨料補(bǔ)倉。為避免混倉，一種骨料補(bǔ)倉完成后才能進(jìn)行下一種骨料運(yùn)輸，不能實(shí)現(xiàn)骨料連續(xù)輸送，不同級配骨料在補(bǔ)倉時(shí)存在大量的等待時(shí)間，骨料運(yùn)輸能力和料倉容量得不到充分利用，甚至?xí)虿僮魇д`而造成砂石料混料、骨料倉倉滿溢料等惡性事件。再者進(jìn)料層運(yùn)行環(huán)境較惡劣，粉塵大、噪聲大，生產(chǎn)時(shí)操作頻繁，勞動強(qiáng)度很大，易出現(xiàn)機(jī)械傷害事故。因此，砂石骨料上料系統(tǒng)的自動化是混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)全自動化生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，在實(shí)踐中也是一個(gè)急需解決的難題。

楊房溝水電站位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內(nèi)，該工程地形條件復(fù)雜，開采石料場與砂石加工系統(tǒng)距離較遠(yuǎn)，高低線混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)所需的骨料均采用帶式輸送機(jī)從砂石系統(tǒng)運(yùn)輸。根據(jù)楊房溝工程骨料運(yùn)輸系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、運(yùn)行中遇到的問題和解決方案，本文對智能尋倉補(bǔ)料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用進(jìn)行介紹。

2 智能尋倉補(bǔ)料系統(tǒng)工藝流程

楊房溝高線混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)生產(chǎn)強(qiáng)度為14萬m3/月，低線混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)生產(chǎn)強(qiáng)度為5.5萬m3/月?；炷辽a(chǎn)系統(tǒng)均設(shè)置6個(gè)骨料罐，用來存儲特大石、大石、中石、小石、米石、砂等六種不同級配的骨料，砂石骨料生產(chǎn)系統(tǒng)距離高線、低線混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)約1.8km，砂石加工系統(tǒng)成品骨料場有6個(gè)料倉與之對應(yīng)，料倉底部設(shè)骨料地壟和放料倉門，運(yùn)輸骨料時(shí)打開地壟放料倉門，通過成品骨料輸送線運(yùn)輸骨料至混凝土系統(tǒng)骨料罐。成品料膠帶機(jī)輸送線為混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)砂石骨料運(yùn)輸?shù)奈ㄒ煌ǖ溃\(yùn)輸骨料品種多，運(yùn)輸量大，為提高系統(tǒng)運(yùn)行的生產(chǎn)效率，提高可靠性、安全性和穩(wěn)定性，降低運(yùn)行成本，需研發(fā)骨料上料線自動尋倉補(bǔ)料系統(tǒng)。在骨料輸送線首端設(shè)置電子動態(tài)稱量系統(tǒng)，速度監(jiān)測傳感裝置、終端骨料倉設(shè)料位檢測反饋儀和卸料小車位置感應(yīng)裝置，通過控制系統(tǒng)運(yùn)算和邏輯控制從而實(shí)現(xiàn)根據(jù)拌和系統(tǒng)骨料罐料位及骨料需要量進(jìn)行自動補(bǔ)料功能，實(shí)現(xiàn)過程控制全自動化。楊房溝成品骨料輸送線工藝流程如圖1所示。

圖1 楊房溝成品骨料輸送線工藝流程

3 自動尋倉系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及硬件組成

混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)拌和樓自動上料控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是:工作環(huán)境惡劣，對可靠性、安全性要求較高，以邏輯控制為主，有一定模擬量處理要求，適合用PLC作為控制器來完成控制任務(wù)。因此，控制方案是:由速度、運(yùn)量、料位傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測，PLC完成數(shù)據(jù)運(yùn)輸和生產(chǎn)控制，上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控及綜合管理。

3.1 工作原理

生產(chǎn)運(yùn)行中，料位檢測儀實(shí)時(shí)采集混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)骨料罐的料位，檢測值送入PLC模擬量模塊，由PLC進(jìn)行模擬量處理及邏輯運(yùn)算，并在上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示骨料罐料位情況。當(dāng)某種物料料位下降到設(shè)定的低限時(shí)，由PLC發(fā)出要料信號提示需進(jìn)行骨料補(bǔ)料，在自動尋倉補(bǔ)料操作界面，上位機(jī)根據(jù)骨料罐料位情況分析計(jì)算出每個(gè)骨料罐庫存量、需補(bǔ)料量和預(yù)估補(bǔ)倉時(shí)間，并根據(jù)補(bǔ)料量的大小確定補(bǔ)料順序(操作員可對補(bǔ)料量和順序進(jìn)行人工干預(yù))，操作人員確認(rèn)后，系統(tǒng)按確定的順序和給定值自動進(jìn)行尋倉補(bǔ)料。

自動尋倉補(bǔ)料控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 自動尋倉補(bǔ)料控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1.1 邏輯控制

骨料罐倉頂設(shè)卸料膠帶機(jī)由帶行走裝置的卸料車向每種骨料罐供料，卸料膠帶機(jī)設(shè)倉位感應(yīng)裝置，按骨料補(bǔ)倉順序精確控制卸料車在每種骨料倉的卸料位置，骨料輸送過程由PLC系統(tǒng)進(jìn)行邏輯控制。開始自動補(bǔ)料運(yùn)行指令后，卸料小車按確定補(bǔ)倉順序移動小車至相應(yīng)的骨料倉位，檢測補(bǔ)倉卸料位置和地壟放料倉門信號一一對應(yīng)，滿足條件后，啟動帶式輸送開始進(jìn)行補(bǔ)料，確保骨料輸送品種準(zhǔn)確對應(yīng)，避免混倉。

3.1.2 補(bǔ)倉量控制

成品骨料輸送線始端設(shè)電子動態(tài)稱量裝置，帶式輸送機(jī)設(shè)速度監(jiān)測傳感裝置，終端骨料倉設(shè)料位檢測反饋儀，每種骨料運(yùn)輸量由PLC根據(jù)地壟放料倉門信號讀取稱量裝置數(shù)據(jù)并計(jì)算每種骨料補(bǔ)料累加值，并根據(jù)料位信號實(shí)時(shí)更新需補(bǔ)倉量。當(dāng)各骨料累計(jì)值達(dá)到設(shè)定值和高位值后，關(guān)閉該骨料地壟倉門并按補(bǔ)倉順序延時(shí)切換到下一骨料倉進(jìn)行補(bǔ)料。

3.1.3 補(bǔ)倉時(shí)間控制

骨料補(bǔ)倉時(shí)間由PLC根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，每種骨料補(bǔ)倉時(shí)間主要由補(bǔ)倉量、帶速、運(yùn)輸量、安全間隔時(shí)間組成。即：

(1)

式中：t——補(bǔ)倉時(shí)間，s；

Qa——補(bǔ)倉量，t；

Qm——物料流量，t/h；

L1、L2、L3、L4、L5——帶式輸送機(jī)的長度，m；

V1、V2、V3、V4、V5——帶速，m/s；

△t——安全間隔時(shí)間，根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)確定，保證骨料不混倉，一般取5s。

3.2 關(guān)鍵設(shè)備選擇

3.2.1 料位檢測儀

料位檢測的精度和可靠性是實(shí)現(xiàn)自動尋倉補(bǔ)料的關(guān)鍵，因此料位檢測儀選用德國西門子進(jìn)口產(chǎn)品。骨料罐料位檢測選用雷達(dá)波料位檢測儀，采用回波處理和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，可進(jìn)行非接觸測量，無機(jī)械動作部件，料位檢測儀發(fā)出的電磁波可穿過蒸汽、粉塵等干擾源，不受光線、濕度、粘度影響，在惡劣的環(huán)境下可連續(xù)準(zhǔn)確地檢測。料位檢測儀測量的電壓信號經(jīng)中控系統(tǒng)模擬量模塊實(shí)時(shí)讀取，經(jīng)中央處理單元計(jì)算分析后，轉(zhuǎn)換為料倉的容積和重量?？紤]到砂石料粒徑較大，上料時(shí)的機(jī)械沖擊大，料位檢測儀的探頭安裝在骨料倉的頂部，并與骨料罐垂線成一夾角(目的是在不同骨料堆積傾角下都能得到足夠的反射)。料位檢測儀的輸出轉(zhuǎn)換成4mA～20mA的模擬量信號經(jīng)過信號放大器運(yùn)算后送給PLC控制系統(tǒng)。

3.2.2 膠帶機(jī)運(yùn)輸量動態(tài)檢測儀

帶式輸送機(jī)運(yùn)輸量的檢測在自動尋倉補(bǔ)料中發(fā)揮重要的作用，它的準(zhǔn)確性和可靠性關(guān)系到系統(tǒng)的安全運(yùn)行。膠帶機(jī)運(yùn)輸量動態(tài)檢測選用懸浮式電子皮帶秤，安裝位置距膠帶機(jī)物料送入口約20m。皮帶秤由承重裝置、稱重傳感器、速度傳感器和稱重顯示器組成。稱重時(shí)，稱重裝置將皮帶上物料的重力傳遞到稱重傳感器上，稱重傳感器即輸出正比于物料重力的電壓(mV)信號，經(jīng)放大器放大后送到模/數(shù)轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字量A，送到運(yùn)算器；物料速度輸入速度傳感器后，速度傳感器即輸出脈沖數(shù)B，送到運(yùn)算器；運(yùn)算器對A、B進(jìn)行運(yùn)算后，即得到這一測量周期的物料量。通過運(yùn)算程序?qū)γ恳粶y量周期進(jìn)行累計(jì)，即可得到皮帶上連續(xù)通過的物料總量?？刂葡到y(tǒng)通過光纖通信讀取皮帶秤數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)在中控系統(tǒng)、物料輸送端、卸料終端實(shí)時(shí)動態(tài)顯示監(jiān)測膠帶機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)輸量和累計(jì)運(yùn)算量。

3.3 自動尋倉補(bǔ)料控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用西門子PLC進(jìn)行邏輯編程控制，WINCC進(jìn)行上位機(jī)組態(tài)，該自動尋倉補(bǔ)料系統(tǒng)約需要22路開關(guān)量輸入、18路開關(guān)輸出和7路模擬量輸入，根據(jù)輸入輸出點(diǎn)數(shù)及模擬量處理的要求，選用西門子S1200系列PLC組建控制系統(tǒng)。

輸送線外部開關(guān)量接PLC的開關(guān)量輸入端，其通/斷狀態(tài)作為PLC邏輯運(yùn)算條件，稱重傳感儀和料位傳感儀測量數(shù)據(jù)接入PLC模擬量輸入端，PLC控制系統(tǒng)對模擬量信號、開關(guān)量信號進(jìn)行邏輯運(yùn)算和編程，實(shí)現(xiàn)自動順序控制進(jìn)料輸送機(jī)械的起停，自動計(jì)算和控制補(bǔ)倉量、自動進(jìn)行多個(gè)骨料罐尋倉補(bǔ)料。

自動尋倉補(bǔ)料系統(tǒng)中，PLC作為下位機(jī)主要完成數(shù)據(jù)采集、處理及邏輯控制任務(wù)，PLC程序可用梯形圖(LAI)或指令表(STIJ)語言編制，完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、處理、邏輯控制、故障診斷、與上位機(jī)通信等功能；上位機(jī)的程序可用各種高級語言或組態(tài)軟件編制，完成參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)通信、生產(chǎn)數(shù)據(jù)儲存及生產(chǎn)過程的模擬顯示等，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理、人機(jī)對話監(jiān)控功能。PLC通過光纖通信系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)與中控系統(tǒng)通信，中控系統(tǒng)上位機(jī)統(tǒng)一進(jìn)行編程和組態(tài)，實(shí)現(xiàn)中控系統(tǒng)的集中控制和管理。

4 自動尋倉補(bǔ)料控制系統(tǒng)的應(yīng)用

在系統(tǒng)實(shí)施過程中，在不影響生產(chǎn)的前提下進(jìn)行各種調(diào)試，保證所需數(shù)據(jù)的采集和安全保護(hù)，反復(fù)驗(yàn)證運(yùn)行效果，結(jié)果表明系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，效率提升明顯，能達(dá)到預(yù)期效果。實(shí)現(xiàn)了骨料輸送線根據(jù)拌和系統(tǒng)骨料罐料位，計(jì)算分析各級骨料需要量進(jìn)行自動尋倉補(bǔ)料，提高了骨料輸送線生產(chǎn)效率，減少了運(yùn)行管理人員數(shù)量，避免了由于人工操作失誤造成的骨料混倉和溢倉等情況，提高了運(yùn)行的安全性；實(shí)現(xiàn)了對骨料罐料位及時(shí)補(bǔ)料，保持在高位運(yùn)行，避免了補(bǔ)倉料位偏低會使骨料產(chǎn)生跌碎和裹粉，產(chǎn)生大量棄料和影響骨料質(zhì)量，同時(shí)提高了混凝生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)保障。

混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)成品骨料運(yùn)輸采用自動尋倉補(bǔ)料控制系統(tǒng)后，其成本節(jié)約明顯。

(1)運(yùn)行人員數(shù)量減少。成品運(yùn)輸線運(yùn)行人員主要為中控操作員2人，檢修人員3人，砂石料倉運(yùn)行人員2人，高低線混凝土系統(tǒng)骨料罐運(yùn)行調(diào)度人員各1人，管理人員1人。輸送線沿線基本實(shí)現(xiàn)了無人值守，運(yùn)行人員數(shù)量較投標(biāo)階段和方案實(shí)施階段(運(yùn)行人員20人/班)大大減少。

(2)生產(chǎn)率提高。成品骨料運(yùn)輸線距離較長，自動尋倉補(bǔ)料控制系統(tǒng)實(shí)施前，每種骨料在膠帶機(jī)的滯留時(shí)間約13min；尋倉過程的卸料小車走位，人員調(diào)度信號和操作延遲損失時(shí)間約10min；每種骨料尋倉過程需等待約23min；成品運(yùn)輸線在投標(biāo)和方案實(shí)施階段均考慮采用雙班(16工作時(shí)/天)進(jìn)行生產(chǎn)。自動尋倉補(bǔ)料控制系統(tǒng)實(shí)施后，為保證運(yùn)行安全，中間設(shè)置尋倉間隔時(shí)間5min，生產(chǎn)運(yùn)行采用單班生產(chǎn)(8工作時(shí)/天)，生產(chǎn)效率提高約30%。

同時(shí)，成品骨料輸送線運(yùn)行時(shí)間減少總體降低了電動機(jī)、減速機(jī)、滾筒、托輥、膠帶等設(shè)備的磨損和消耗，延長了設(shè)備的使用壽命。

5 結(jié)語

筆者依托楊房溝水電站工程，探討了一種智能尋倉補(bǔ)料系統(tǒng)解決方案和在工程中使用的合理性和適用性。該系統(tǒng)基于傳感技術(shù)和PLC的控制技術(shù)相結(jié)合，采集骨料運(yùn)輸量、骨料倉料位，自動分析和控制補(bǔ)倉量、補(bǔ)倉時(shí)間和補(bǔ)倉順序，給料機(jī)自動切換給料品種，布料小車自動進(jìn)行尋倉補(bǔ)料，實(shí)現(xiàn)多種級配骨料從砂石加工系統(tǒng)骨料場到混凝土系統(tǒng)骨料儲料倉連續(xù)輸送，達(dá)到優(yōu)化補(bǔ)倉系統(tǒng)控制方式，提高自動化控制水平的目的，解決了骨料補(bǔ)倉系統(tǒng)生產(chǎn)效率低和存在混倉、溢料的問題，可顯著提高生產(chǎn)效率和降低運(yùn)行成本，為類似工程的應(yīng)用提供了很好的借鑒和參考。