姚宗旭,張維國,郭 帥,張海勝,葛啟發(fā),2

(1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038;2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院,北京 100083)

0 概述

球團(tuán)廠鐵路運(yùn)輸是生產(chǎn)運(yùn)輸?shù)暮诵?放料裝車作為生產(chǎn)工藝過程中的一道非常重要的工序,裝車效率直接影響著球團(tuán)廠產(chǎn)量和生產(chǎn)效率。傳統(tǒng)的球團(tuán)廠放料作業(yè)是通過現(xiàn)場(chǎng)人工操作或繼電器、接觸器控制,操作人員均需要依靠經(jīng)驗(yàn)啟停放料斗,導(dǎo)致放料噸位難以精確控制,需要多次往返于磅房與料倉之間,滯后的技術(shù)手段和設(shè)備設(shè)施都已嚴(yán)重影響球團(tuán)廠的生產(chǎn)效率。另外放料作業(yè)容易受到環(huán)境因素(如粉塵、氣霧、光線等)影響,同時(shí)也存在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員接觸粉塵導(dǎo)致職業(yè)危害的可能。因此,為提升車間作業(yè)效率,改善工人作業(yè)環(huán)境,對(duì)球團(tuán)廠放料裝車系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造十分必要。

多年來,科技工作者對(duì)放料裝車開展了廣泛的研究。朱佩[1]開發(fā)了基于人工智能的罐車裝料口視覺跟蹤系統(tǒng),無論在普通環(huán)境下或者在復(fù)雜環(huán)境下,都能夠準(zhǔn)確地輸出罐車進(jìn)料口的坐標(biāo)位置,實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)料口的穩(wěn)定跟蹤；王露[2]研發(fā)出用于完成灌裝工序中各項(xiàng)任務(wù)調(diào)度的控制系統(tǒng),具有實(shí)時(shí)監(jiān)控,綜合管理生產(chǎn)數(shù)據(jù),合理分配調(diào)度資源等功能；韓輝[3]設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種新型的水泥發(fā)運(yùn)系統(tǒng),很好地解決了水泥廠車輛亂行無序,管理混亂的問題；劉旭玲[4]設(shè)計(jì)了基于CAN總線的高爐上料數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),可適用于中小型現(xiàn)場(chǎng)總線通信,可以推廣到其它相關(guān)工業(yè)行業(yè)和領(lǐng)域應(yīng)用；陳玉娟等[5]設(shè)計(jì)了基于Controller Link網(wǎng)絡(luò)的PLC與智能終端、上位機(jī)的通信方法,所涉及的自動(dòng)裝料裝置極大提高了裝料效率和裝料量；宋志宏[6]設(shè)計(jì)一套以PLC為控制核心的煤炭自動(dòng)裝車控制系統(tǒng),并利用工控機(jī)作為上層監(jiān)控核心設(shè)備,系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)無人干預(yù)下的自動(dòng)裝煤,且可實(shí)現(xiàn)裝載量恒定；張宏洲等[7]介紹了在線式智能自動(dòng)裝車機(jī),這是水泥行業(yè)解決水泥生產(chǎn)工藝全流程控制的最后環(huán)節(jié),可以取代人工裝車系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝車,提升水泥行業(yè)的智能化水平；馮亮[8]基于PLC設(shè)計(jì)出一種裝車自動(dòng)化控制系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)對(duì)裝煤高度、裝煤起始、終止位置、裝煤量等信息自動(dòng)監(jiān)測(cè)；董志明[9]對(duì)煤炭快速裝車系統(tǒng)的檢測(cè)與控制技術(shù)所取得的成果進(jìn)行總結(jié),并對(duì)相關(guān)系統(tǒng)及技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

綜上所述,以往研究成果主要從裝料系統(tǒng)組成、PLC控制、傳感器技術(shù)等開展了局部研究。本文針對(duì)某球團(tuán)廠開發(fā)的智能放料系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用檢測(cè),重點(diǎn)圍繞裝料重量的精確性進(jìn)行分析,并闡述了影響裝料精度的原因,為今后裝料系統(tǒng)的改進(jìn)提供借鑒。

1 硬件系統(tǒng)組成

某球團(tuán)廠開發(fā)完成的球團(tuán)智能放料系統(tǒng),主要由通訊系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、料位檢測(cè)系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等組成[10]。通過搭建放料站至控制室的以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)通訊系統(tǒng),采集放料站的現(xiàn)場(chǎng)料位、視頻等信息,實(shí)現(xiàn)全流程自動(dòng)放料裝車和遠(yuǎn)程遙控補(bǔ)料操作[11]。主要硬件組成如下：

1.1 激光雷達(dá)測(cè)量裝置

激光雷達(dá)安裝在料倉下部,總共安裝3個(gè)雷達(dá)。1號(hào)和2號(hào)雷達(dá)進(jìn)行礦車車廂側(cè)面物料的掃描,3號(hào)雷達(dá)進(jìn)行車廂橫截面的掃描,最終通過三個(gè)雷達(dá)的計(jì)算,核算出車廂內(nèi)的物料體積[12]。三個(gè)雷達(dá)安裝位置如圖1所示。

圖1 激光雷達(dá)安裝位置

1.2 PLC控制系統(tǒng)

PLC作為通用工業(yè)控制器,具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、功能完善、適用性強(qiáng)、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)[13]。本放料控制系統(tǒng)目前仍然處于測(cè)試階段,暫時(shí)將控制器放置于操作箱內(nèi),如圖2所示。

圖2 PLC控制系統(tǒng)

1.3 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)終端

本次球團(tuán)廠放料測(cè)試,由于處于測(cè)試階段,暫時(shí)將工控機(jī)終端放置于操作箱下部,如圖3所示。

圖3 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)終端安裝位置

2 球團(tuán)放料現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

2.1 現(xiàn)場(chǎng)情況

某球團(tuán)廠成品倉物料主要分為三種類型：A類型、B類型、C類型。其中A類型屬于內(nèi)發(fā)鋼球,憑借裝車工經(jīng)驗(yàn)一次裝完,并且符合要求。B類型和C類型屬于外發(fā)鋼球,裝車噸位需要控制在2噸以內(nèi)。憑借裝車工經(jīng)驗(yàn)不能一次裝完,需要多次到軌道衡稱重(3～4次左右),重復(fù)加料,最大時(shí)間高達(dá)8小時(shí)。

裝車噸位需要控制在60～70 t,使用開發(fā)的球團(tuán)智能放料系統(tǒng)控制放料,每個(gè)料倉有4個(gè)放料閥門,通過激光雷達(dá)掃描計(jì)算車廂裝料重量,與軌道衡稱重的重量進(jìn)行對(duì)比,直到誤差在2 t以內(nèi)才能外發(fā)。

考慮到該球團(tuán)廠現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)和發(fā)車要求,特別是現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的限制以及裝車質(zhì)量精度的要求,結(jié)合所提出的智能放料系統(tǒng)解決方案,對(duì)球團(tuán)成品倉裝料過程進(jìn)行了為期2個(gè)月的調(diào)研、測(cè)試、開發(fā)和應(yīng)用研究。

2.2 測(cè)試過程

按照自動(dòng)控制的條件要求,測(cè)試環(huán)境需要考慮以下情況：

(1)礦車進(jìn)入料倉時(shí),盡量保證車內(nèi)無物料,用水槍將車廂外側(cè)沖洗干凈,車廂底部有坑洼的地方盡量少積水。進(jìn)入第一個(gè)成品倉,開始以正常裝礦速度(1 km/h)行駛,并需要一次性通過全部車廂。

(2)裝完料后,礦車通過軌道衡時(shí),需保持9～11 m/s的速度通過。

(3)物料盡量保持冷卻,減少霧氣和灰塵的出現(xiàn)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)大量調(diào)研和前期數(shù)據(jù)的采集、算法優(yōu)化和系統(tǒng)開發(fā),在開發(fā)完成整體測(cè)量和控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)裝車過程總共做了12次測(cè)試分析,并針對(duì)人工裝料環(huán)境進(jìn)行了9次測(cè)試和數(shù)據(jù)分析,按照自動(dòng)控制的條件進(jìn)行了3次測(cè)試并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析,得到了較好的測(cè)試結(jié)果,基本按照測(cè)試計(jì)劃完成了測(cè)試的各項(xiàng)指標(biāo),達(dá)到了測(cè)試要求。

以2020年12月16日測(cè)試為例,當(dāng)天測(cè)試了14節(jié)車廂重量,共有三節(jié)車廂超出2噸范圍,車廂號(hào)為4172147與測(cè)試序號(hào)4誤差2.55 t,車廂號(hào)4172283與測(cè)試序號(hào)7誤差2.3 t,車廂號(hào)4172153與測(cè)試序號(hào)10誤差2.7 t,其余全部符合標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)(2020年12月16日)

根據(jù)偏差值繪制誤差曲線,如圖4所示。

圖4 放料重量與軌道衡偏差

2.3 結(jié)果分析

根據(jù)測(cè)試結(jié)果,有個(gè)別數(shù)據(jù)點(diǎn)的計(jì)算值與軌道衡實(shí)際測(cè)量值有偏差。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試和分析,主要因?yàn)檐壍篮庹`差、球團(tuán)密度誤差、車廂內(nèi)外殘留物誤差所導(dǎo)致。

(1)軌道衡誤差

軌道衡在稱重過程中,使用相同速度通過軌道衡時(shí)可能存在一定誤差,軌道衡稱量的重量不是用總重量減去實(shí)際車廂重量,而是減去一個(gè)固定重量值。該固定值是車廂的額定重量,但車廂的實(shí)際重量可能與固定值有偏差。

(2)球團(tuán)密度誤差

目前球團(tuán)密度值通過多次測(cè)量計(jì)算得出,但從測(cè)試結(jié)果分析,仍然具有一定偏差。因此在系統(tǒng)正式投入運(yùn)行后,可通過信息管理系統(tǒng),結(jié)合生產(chǎn)計(jì)劃對(duì)每次裝車的球團(tuán)密度進(jìn)行動(dòng)態(tài)校正,可大幅度降低裝車的測(cè)量誤差。

(3)車廂內(nèi)外殘留物誤差

礦車車廂內(nèi)部有遮擋或異物,以及車廂內(nèi)殘存的球團(tuán)都會(huì)對(duì)測(cè)量有一定影響,造成掃描的體積不準(zhǔn)確。同時(shí),現(xiàn)場(chǎng)裝料結(jié)束后,會(huì)沖洗車廂兩側(cè)殘留的物料顆粒,沖水的重量是在智能放料系統(tǒng)測(cè)量完成后增加的工序,部分沖洗水的混入會(huì)影響軌道衡測(cè)量的球團(tuán)重量。

3 結(jié)論

傳統(tǒng)球團(tuán)放料作業(yè)存在效率低下,作業(yè)環(huán)境惡劣等問題,對(duì)球團(tuán)廠放料進(jìn)行智能化升級(jí)改造勢(shì)在必行。某球團(tuán)廠在現(xiàn)場(chǎng)部署通訊系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、料位檢測(cè)系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等建立了球團(tuán)智能放料系統(tǒng),本文通過系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信、控制邏輯判斷等功能,結(jié)合后臺(tái)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果,驗(yàn)證了所開發(fā)的智能放料系統(tǒng)能夠滿足球團(tuán)廠的基本控制策略。從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出,使用激光雷達(dá)的檢測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)裝車過程中的體積檢測(cè)。

從測(cè)試數(shù)據(jù)分析,測(cè)試結(jié)果較準(zhǔn)確,基本按照測(cè)試計(jì)劃完成了測(cè)試的各項(xiàng)指標(biāo),達(dá)到測(cè)試要求,對(duì)智能放料系統(tǒng)的技術(shù)方案和檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用檢驗(yàn),為后續(xù)成品倉實(shí)施智能化裝料系統(tǒng)提供了可靠的技術(shù)支撐。