嚴實，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，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-29.7 ℃、極端最大風速為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)壁無法卸貨等[1]。為此，對車廂和煤中噴灑防凍液是非常必要的，對于防凍液的配置工作也是必不可少的。綜上所述，為了更好地實現(xiàn)防凍液自動配置，減輕工人的工作強度，提升配置效率，提升企業(yè)整體效益，本文將詳細闡述防凍液自動配料系統(tǒng)的研究、設(shè)計及應用。

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料罐。工人搬運防凍干粉到攪拌桶處，拆開袋子將防凍干粉倒入攪拌桶內(nèi)，開水閥、打開攪拌電機。一個攪拌桶一次攪拌200袋防凍干粉，每袋防凍干粉50 kg，一次搬運工作大概需要14人進行，每24 h至少有2次這樣的搬運工作。

1.2 原系統(tǒng)存在問題

原防凍液配料系統(tǒng)自動化程度低，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]。配料任務也需要人工溝通及憑借經(jīng)驗預估配置，并且配料需要4 h的攪拌時間，所以配料的及時性存在風險。

2 防凍液自動配料系統(tǒng)的研究

2.1 重點研究方向

防凍液自動配料系統(tǒng)的重點研究目標為全自動搬運及拆袋攪拌，全程無人參與,從根本上將工人從惡劣環(huán)境和繁重體力勞動中解救出來。

2.2 系統(tǒng)硬件組成

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

2.3 系統(tǒng)工作流程

防凍液自動配料系統(tǒng)包括拆垛機器人系統(tǒng)、無人值守皮帶運輸系統(tǒng)、自動拆袋機器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過智能裝車系統(tǒng)實時檢測的數(shù)據(jù)控制防凍液自動配料，配料過程如下：

(1) 智能裝車系統(tǒng)獲取各傳感器(溫濕度傳感器、裝車站防凍液儲液罐液位計、配料庫防凍液儲液罐液位計)數(shù)據(jù)，進而通過智能配料邏輯判斷是否開始配料；

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

(3) 防凍液自動配料系統(tǒng)依次啟動拆袋機器人系統(tǒng)、運輸皮帶機系統(tǒng)、拆垛機器人系統(tǒng)；

(4) 防凍液自動配料系統(tǒng)通過智能裝車系統(tǒng)發(fā)送的配料參數(shù)(溫度、液位等)，并通過系統(tǒng)計算得出防凍液濃度，進一步計算所需的干粉數(shù)量、所需的清水量。系統(tǒng)根據(jù)該數(shù)據(jù)進行上料，同時防凍液自動配料系統(tǒng)控制電磁閥開始補水；

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

(6) 防凍液自動配料系統(tǒng)控制攪拌池開始攪拌，達到預設(shè)的時間后停止；

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

防凍液自動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，考慮到自動配料系統(tǒng)的維護、維修，該項目對配料系統(tǒng)進行了研究。在控制方式上，防凍液自動配料系統(tǒng)支持自動模式、人工模式。

自動模式：裝車系統(tǒng)根據(jù)裝車需求以及當前的防凍液存量，自動計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，自動啟動配料系統(tǒng)，配料系統(tǒng)根據(jù)裝車系統(tǒng)計算的配料信息，配置目標濃度、目標數(shù)量的防凍液。

人工模式：裝車系統(tǒng)根據(jù)裝車需求以及當前的防凍液存量，自動計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]。防凍藥劑的用量計算公式為

M=Q×ρ×t

(1)

其中,M為藥劑通過量(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?shù)V業(yè)采用藥劑濃度隨著溫度變化而變化的模式，因此在該項目的研究繼續(xù)沿用此模式。通過大量的數(shù)據(jù)研究，得到防凍液配置經(jīng)驗表如表1所示。

表1 防凍液配置經(jīng)驗表

通過LUT查找表數(shù)據(jù)分析算法，系統(tǒng)可根據(jù)近3天的最低溫度自動計算防凍液配置濃度，進一步實現(xiàn)自動配料。

2.6 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

防凍液自動配料系統(tǒng)軟件部分通過簡單的后端、復雜的算法和邏輯簡化了用戶的使用工作[5]。軟件界面如圖3所示。左上角的“計劃任務”會按照檢測到的數(shù)據(jù)定時計算工作任務，自動提示監(jiān)控人員需要進行配料，配料的量和配比等內(nèi)部計算都由計算機自行計算和控制，無需人工參與。左下角的“報警信息”會提示系統(tǒng)中存在的異常，提示人員進行具體部件的檢修。頁面中間部分是搬運機器人、拆垛機器人、攪拌桶、溫度傳感器、儲料桶、儲料泵等設(shè)備的運行狀態(tài)和工作進度展示，方便監(jiān)控人員一目了然的看到整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)和工作進度。最右側(cè)的“控制面板”是用來啟停系統(tǒng)的，監(jiān)控人員只需點一個按鈕就可以完成之前十四五個人需要干的工作，并且只需點擊1次，后續(xù)如果系統(tǒng)無異常狀況無需進行其他操作，工作量基本為零。

圖3 軟件界面

3 防凍液自動配料系統(tǒng)的應用

3.1 系統(tǒng)應用情況

防凍液自動配料系統(tǒng)實現(xiàn)了全程無人化配料[6]。從工人的工作內(nèi)容上講，工人無需在惡劣的環(huán)境中進行重體力勞動；從企業(yè)的經(jīng)濟開支上講，節(jié)約了14個工人的經(jīng)濟開支，按每人年薪6萬元計算，每年可以為企業(yè)節(jié)省84萬元人民幣；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)約了耗材開支[7]；從整體工作流的時間配合上講，自動配料系統(tǒng)可以實時監(jiān)控上下游系統(tǒng)的儲量，按時按需配置，節(jié)省了中間等待時間，提高了整體工作效率。

3.2 系統(tǒng)應用分析

(1) 人力資源節(jié)約

原有系統(tǒng)：使用14個搬運人員和1個攪拌控制人員。

自動系統(tǒng)：使用1個監(jiān)控人員。

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

節(jié)約經(jīng)費：14人×6萬/人/年=84萬/年。

(2) 時間成本節(jié)約

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

自動系統(tǒng)：節(jié)約溝通成本8 h/d。

節(jié)約時間：8 h/d，年節(jié)約2 920 h。

(3) 使用量節(jié)約

原有系統(tǒng)：因為防凍液配料后12 h內(nèi)部使用會有沉淀結(jié)塊現(xiàn)象的發(fā)生，導致防凍液不可用。原系統(tǒng)由于計算精度不夠準確會造成過期浪費的現(xiàn)象發(fā)生[8]。按照實際最少作廢量計算，每月1罐，1罐=200袋防凍干粉，每袋100元，每月2萬元，每年24萬元。

節(jié)約經(jīng)費：每年節(jié)約20萬元。

(4) 配比節(jié)約

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

自動系統(tǒng)：根據(jù)氣溫定量配比，基本無此項浪費。

節(jié)約經(jīng)費：400袋×100袋/元=40 000元/年

綜上所述，防凍液自動配料系統(tǒng)較原有傳統(tǒng)人工配制，總節(jié)約經(jīng)費108萬元/年，總節(jié)約工時2 920 h/年。

4 總結(jié)

防凍液自動配料系統(tǒng)通過實時檢測數(shù)據(jù)，觸發(fā)拆垛機器人、皮帶運輸系統(tǒng)、拆袋機器人、攪拌桶工作進行協(xié)同備料工作[9]。智能系統(tǒng)會根據(jù)實時監(jiān)測環(huán)境溫度、濕度、粉塵等指標和儲料罐剩余溶劑量，計算出相對的溶劑濃度和溶劑量，然后根據(jù)總?cè)軇┝恐笓]機械手抓取定量袋數(shù)的粉末，并根據(jù)攪拌桶內(nèi)的濃度計控制加水量，最后將攪拌好的溶劑放入儲料罐中。

本文以防凍液自動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配料系統(tǒng)的各個硬件設(shè)備、控制邏輯、算法邏輯和軟件智能化控制等諸多方面。對應研究成果進行了應用，并取得了較好的結(jié)果。從根本上解放了人工勞動力，實現(xiàn)了防凍液的自動化智能配置，簡化了作業(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)可應用于同行業(yè)，也可以應用于不同行業(yè)的類似場景，研究成果價值很高。