智能尋倉補料系統在長距離骨料輸送工程的應用

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

大型混凝土生產系統，砂石骨料用量大，骨料級配品種多，骨料補倉是實現系統大規模連續生產的關鍵環節，一般采用帶式輸送機運輸骨料，以實現砂石骨料生產到混凝土產品全機械化自動控制。

通常，混凝土生產系統骨料儲料倉離砂石系統較遠，砂石骨料從砂石系統料場地壟到混凝土生產系統料倉需經過多臺帶式輸送機長距離輸送。傳統的骨料補倉系統存在自動化程度不高，混凝土系統骨料倉料位、補倉量控制由人工完成，運行人員要巡回監視各骨料倉中的料位情況，再根據倉位情況進行骨料補倉。為避免混倉，一種骨料補倉完成后才能進行下一種骨料運輸，不能實現骨料連續輸送，不同級配骨料在補倉時存在大量的等待時間，骨料運輸能力和料倉容量得不到充分利用，甚至會因操作失誤而造成砂石料混料、骨料倉倉滿溢料等惡性事件。再者進料層運行環境較惡劣，粉塵大、噪聲大，生產時操作頻繁，勞動強度很大，易出現機械傷害事故。因此，砂石骨料上料系統的自動化是混凝土生產系統全自動化生產的重要環節，在實踐中也是一個急需解決的難題。

楊房溝水電站位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內，該工程地形條件復雜，開采石料場與砂石加工系統距離較遠，高低線混凝土生產系統所需的骨料均采用帶式輸送機從砂石系統運輸。根據楊房溝工程骨料運輸系統在設計、運行中遇到的問題和解決方案，本文對智能尋倉補料系統的設計與應用進行介紹。

2 智能尋倉補料系統工藝流程

楊房溝高線混凝土生產系統設計生產強度為14萬m3/月，低線混凝土生產系統設計生產強度為5.5萬m3/月。混凝土生產系統均設置6個骨料罐，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，砂石骨料生產系統距離高線、低線混凝土生產系統約1.8km，砂石加工系統成品骨料場有6個料倉與之對應，料倉底部設骨料地壟和放料倉門，運輸骨料時打開地壟放料倉門，通過成品骨料輸送線運輸骨料至混凝土系統骨料罐。成品料膠帶機輸送線為混凝土生產系統砂石骨料運輸的唯一通道，運輸骨料品種多，運輸量大，為提高系統運行的生產效率，提高可靠性、安全性和穩定性，降低運行成本，需研發骨料上料線自動尋倉補料系統。在骨料輸送線首端設置電子動態稱量系統，速度監測傳感裝置、終端骨料倉設料位檢測反饋儀和卸料小車位置感應裝置，通過控制系統運算和邏輯控制從而實現根據拌和系統骨料罐料位及骨料需要量進行自動補料功能，實現過程控制全自動化。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 自動尋倉系統設計方案及硬件組成

混凝土生產系統拌和樓自動上料控制系統的特點是:工作環境惡劣，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。因此，控制方案是:由速度、運量、料位傳感器進行數據檢測，PLC完成數據運輸和生產控制，上位機進行監控及綜合管理。

3.1 工作原理

生產運行中，料位檢測儀實時采集混凝土生產系統骨料罐的料位，檢測值送入PLC模擬量模塊，由PLC進行模擬量處理及邏輯運算，并在上位機實時顯示骨料罐料位情況。當某種物料料位下降到設定的低限時，由PLC發出要料信號提示需進行骨料補料，在自動尋倉補料操作界面，上位機根據骨料罐料位情況分析計算出每個骨料罐庫存量、需補料量和預估補倉時間，并根據補料量的大小確定補料順序(操作員可對補料量和順序進行人工干預)，操作人員確認后，系統按確定的順序和給定值自動進行尋倉補料。

自動尋倉補料控制系統結構如圖2所示。

圖2 自動尋倉補料控制系統結構

3.1.1 邏輯控制

骨料罐倉頂設卸料膠帶機由帶行走裝置的卸料車向每種骨料罐供料，卸料膠帶機設倉位感應裝置，按骨料補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系統進行邏輯控制。開始自動補料運行指令后，卸料小車按確定補倉順序移動小車至相應的骨料倉位，檢測補倉卸料位置和地壟放料倉門信號一一對應，滿足條件后，啟動帶式輸送開始進行補料，確保骨料輸送品種準確對應，避免混倉。

3.1.2 補倉量控制

成品骨料輸送線始端設電子動態稱量裝置，帶式輸送機設速度監測傳感裝置，終端骨料倉設料位檢測反饋儀，每種骨料運輸量由PLC根據地壟放料倉門信號讀取稱量裝置數據并計算每種骨料補料累加值，并根據料位信號實時更新需補倉量。當各骨料累計值達到設定值和高位值后，關閉該骨料地壟倉門并按補倉順序延時切換到下一骨料倉進行補料。

3.1.3 補倉時間控制

骨料補倉時間由PLC根據運行數據進行計算分析，每種骨料補倉時間主要由補倉量、帶速、運輸量、安全間隔時間組成。即：

(1)

式中：t——補倉時間，s；

Qa——補倉量，t；

Qm——物料流量，t/h；

L1、L2、L3、L4、L5——帶式輸送機的長度，m；

V1、V2、V3、V4、V5——帶速，m/s；

△t——安全間隔時間，根據現場經驗確定，保證骨料不混倉，一般取5s。

3.2 關鍵設備選擇

3.2.1 料位檢測儀

料位檢測的精度和可靠性是實現自動尋倉補料的關鍵，因此料位檢測儀選用德國西門子進口產品。骨料罐料位檢測選用雷達波料位檢測儀，采用回波處理和數據處理技術，可進行非接觸測量，無機械動作部件，料位檢測儀發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，在惡劣的環境下可連續準確地檢測。料位檢測儀測量的電壓信號經中控系統模擬量模塊實時讀取，經中央處理單元計算分析后，轉換為料倉的容積和重量。考慮到砂石料粒徑較大，上料時的機械沖擊大，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換成4mA～20mA的模擬量信號經過信號放大器運算后送給PLC控制系統。

3.2.2 膠帶機運輸量動態檢測儀

帶式輸送機運輸量的檢測在自動尋倉補料中發揮重要的作用，它的準確性和可靠性關系到系統的安全運行。膠帶機運輸量動態檢測選用懸浮式電子皮帶秤，安裝位置距膠帶機物料送入口約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，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，經放大器放大后送到模/數轉換器變成數字量A，送到運算器；物料速度輸入速度傳感器后，速度傳感器即輸出脈沖數B，送到運算器；運算器對A、B進行運算后，即得到這一測量周期的物料量。通過運算程序對每一測量周期進行累計，即可得到皮帶上連續通過的物料總量。控制系統通過光纖通信讀取皮帶秤數據，實現在中控系統、物料輸送端、卸料終端實時動態顯示監測膠帶機實時運輸量和累計運算量。

3.3 自動尋倉補料控制系統設計

控制系統采用西門子PLC進行邏輯編程控制，WINCC進行上位機組態，該自動尋倉補料系統約需要22路開關量輸入、18路開關輸出和7路模擬量輸入，根據輸入輸出點數及模擬量處理的要求，選用西門子S1200系列PLC組建控制系統。

輸送線外部開關量接PLC的開關量輸入端，其通/斷狀態作為PLC邏輯運算條件，稱重傳感儀和料位傳感儀測量數據接入PLC模擬量輸入端，PLC控制系統對模擬量信號、開關量信號進行邏輯運算和編程，實現自動順序控制進料輸送機械的起停，自動計算和控制補倉量、自動進行多個骨料罐尋倉補料。

自動尋倉補料系統中，PLC作為下位機主要完成數據采集、處理及邏輯控制任務，PLC程序可用梯形圖(LAI)或指令表(STIJ)語言編制，完成現場數據采集、處理、邏輯控制、故障診斷、與上位機通信等功能；上位機的程序可用各種高級語言或組態軟件編制，完成參數設置、數據通信、生產數據儲存及生產過程的模擬顯示等，實現生產管理、人機對話監控功能。PLC通過光纖通信系統將采集的數據與中控系統通信，中控系統上位機統一進行編程和組態，實現中控系統的集中控制和管理。

4 自動尋倉補料控制系統的應用

在系統實施過程中，在不影響生產的前提下進行各種調試，保證所需數據的采集和安全保護，反復驗證運行效果，結果表明系統運行平穩，效率提升明顯，能達到預期效果。實現了骨料輸送線根據拌和系統骨料罐料位，計算分析各級骨料需要量進行自動尋倉補料，提高了骨料輸送線生產效率，減少了運行管理人員數量，避免了由于人工操作失誤造成的骨料混倉和溢倉等情況，提高了運行的安全性；實現了對骨料罐料位及時補料，保持在高位運行，避免了補倉料位偏低會使骨料產生跌碎和裹粉，產生大量棄料和影響骨料質量，同時提高了混凝生產系統的生產保障。

混凝土生產系統成品骨料運輸采用自動尋倉補料控制系統后，其成本節約明顯。

(1)運行人員數量減少。成品運輸線運行人員主要為中控操作員2人，檢修人員3人，砂石料倉運行人員2人，高低線混凝土系統骨料罐運行調度人員各1人，管理人員1人。輸送線沿線基本實現了無人值守，運行人員數量較投標階段和方案實施階段(運行人員20人/班)大大減少。

(2)生產率提高。成品骨料運輸線距離較長，自動尋倉補料控制系統實施前，每種骨料在膠帶機的滯留時間約13min；尋倉過程的卸料小車走位，人員調度信號和操作延遲損失時間約10min；每種骨料尋倉過程需等待約23min；成品運輸線在投標和方案實施階段均考慮采用雙班(16工作時/天)進行生產。自動尋倉補料控制系統實施后，為保證運行安全，中間設置尋倉間隔時間5min，生產運行采用單班生產(8工作時/天)，生產效率提高約30%。

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

5 結語

筆者依托楊房溝水電站工程，探討了一種智能尋倉補料系統解決方案和在工程中使用的合理性和適用性。該系統基于傳感技術和PLC的控制技術相結合，采集骨料運輸量、骨料倉料位，自動分析和控制補倉量、補倉時間和補倉順序，給料機自動切換給料品種，布料小車自動進行尋倉補料，實現多種級配骨料從砂石加工系統骨料場到混凝土系統骨料儲料倉連續輸送，達到優化補倉系統控制方式，提高自動化控制水平的目的，解決了骨料補倉系統生產效率低和存在混倉、溢料的問題，可顯著提高生產效率和降低運行成本，為類似工程的應用提供了很好的借鑒和參考。