智能粉料輸送在線取樣系統(tǒng)自動(dòng)控制研究

王應(yīng)麗，張 波，王 凱，袁 龍

1洛陽礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽 471039

在水泥、冶金、化工等對高壓管道輸送粉料現(xiàn)場質(zhì)量控制有要求的行業(yè)，粉料的取樣工作大都用工具手工取樣——操作工將取樣袋套在取樣管道口，手閥緩慢打開，人工控制取樣量，從主管道集取少量料樣并對取樣的礦粉進(jìn)行檢測。人工取樣主要存在以下缺陷：取樣不及時(shí)，取樣不均勻，取樣量不好控，不能保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，易產(chǎn)生異議；對環(huán)境污染嚴(yán)重；管道內(nèi)的高壓氣體有安全隱患；且工人勞動(dòng)強(qiáng)度也大[1-2]。因此如何將粉體材料從這些高壓輸送管道中及時(shí)、均勻、定量、安全、可靠且無污染地取出成了一個(gè)難題[3]。

為了解決上述問題，中信重工機(jī)械股份有限公司經(jīng)過一年多的研發(fā)改進(jìn)，開發(fā)出一種適用于粉罐車及各種粉料輸送壓力管道的智能粉料輸送在線取樣系統(tǒng)。該取樣系統(tǒng)主要由取樣裝置和控制系統(tǒng)2 部分組成，可根據(jù)管道壓力，自動(dòng)控制動(dòng)力機(jī)械進(jìn)行采樣、清潔、收集等工作。

1 智能粉料輸送在線取樣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理

該智能粉料輸送在線取樣裝置如圖 1所示，主要由進(jìn)料閥及進(jìn)料管道、反吹管道及閥門、取樣閥、分離器、存料器、過濾除塵器、放料閥和振打器等部件組成。

圖1 智能粉料輸送在線取樣裝置Fig.1 Intelligent on-line sampling device for powder conveyance

該系統(tǒng)工作原理是：需要卸料的散裝罐車與輸送管道連接后，開始向庫內(nèi)輸送物料。當(dāng)攜帶粉料的高壓氣體從管道內(nèi)流過時(shí)，進(jìn)料閥打開，由于壓差作用，高壓含塵氣體進(jìn)入到分離器內(nèi)，在分離器內(nèi)完成氣固分離，分離出的粉料落入底部的集灰斗內(nèi)，而氣體則由頂部的管道進(jìn)入除塵器中[4]。除塵器一方面用于阻擋含塵氣體直接排放，另一方面可以降低排氣噪聲。過濾后的氣體清潔無塵可以直接排放。當(dāng)集灰斗內(nèi)的粉料積累到一定量后，排灰閥打開將粉料排到取樣桶中。為了防止集灰斗內(nèi)結(jié)料，在集灰斗的側(cè)壁還設(shè)有振動(dòng)器，通過振動(dòng)可將粘結(jié)的粉料振落到取樣桶內(nèi)。同時(shí)為了解決罐車打灰過后，取樣管道的粉料結(jié)塊問題，每次取樣前和取樣后都需要對取樣管道進(jìn)行反吹，以保證管道清潔。

智能取樣系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)及時(shí)、均勻、定量、安全、可靠的取樣功能，達(dá)到全過程無人化操作，除要對機(jī)械取樣部分進(jìn)行反復(fù)修改設(shè)計(jì)外，控制系統(tǒng)的功能和性能也至關(guān)重要。

2 智能粉料輸送在線取樣控制系統(tǒng)

2.1 控制流程

（1）要保證系統(tǒng)自動(dòng)啟停 要實(shí)現(xiàn)智能取樣系統(tǒng)的無人化操作，自動(dòng)啟停是根本，考慮罐車卸料的特殊工況，在取樣管道上安裝壓力傳感器，系統(tǒng)接收到穩(wěn)定的壓力時(shí)，即可確認(rèn)罐車工作，此時(shí)可以開始自動(dòng)取樣。反之，如果壓力低于預(yù)設(shè)值時(shí)，可以停止取樣。

其中，壓力傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)在于：應(yīng)能滿足不同車輛不同壓力的需求，不同的壓力，物料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)就不相同。取出的樣品必須要有反映真實(shí)物理性能的代表性，為此壓力傳感器的設(shè)計(jì)帶寬要大，便于自動(dòng)程序在識別濃相時(shí)工作。

（2）要保證系統(tǒng)按順序工作 有罐車開始卸料時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)，間隔一段時(shí)間，反吹—反吹停止—取樣—取樣停止—反吹—反吹停止。間隔一段時(shí)間，周而復(fù)始，到達(dá)預(yù)定的取樣次數(shù)，放料閥動(dòng)作，樣品排入取樣桶中。系統(tǒng)順序工作流程如圖 2所示。

圖2 智能粉料輸送在線取樣系統(tǒng)工作流程Fig.2 Working process flow of intelligent on-line sampling system for powder conveyance

（3）要確保工序間隔時(shí)間合理 確保取樣時(shí)間內(nèi)可以采集到所需數(shù)量的樣品，確保反吹時(shí)間既可以清理干凈管道的剩余粉料，又盡可能地減少反吹時(shí)間，以節(jié)約壓縮空氣用量。

（4）確保異常情況下安全取樣 故障和異常情況主要包含：①壓力變送器信號的異常干擾，導(dǎo)致取樣驟停；② 設(shè)定時(shí)間未到或者次數(shù)未到，罐車停止卸料，導(dǎo)致取料周期中斷；③由于設(shè)定時(shí)間過長或者次數(shù)過多，導(dǎo)致放料閥長時(shí)間不動(dòng)作，造成細(xì)粉樣品在集灰斗內(nèi)板結(jié)，而集灰斗本身又很難清理。

（5）實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)無人控制 粉狀物料進(jìn)廠有時(shí)候按照批次檢驗(yàn)，有時(shí)候按照車次檢驗(yàn)，要根據(jù)批次和車型大小，調(diào)整取樣時(shí)間間隔和其他參數(shù)，自動(dòng)控制系統(tǒng)可使化驗(yàn)室人員遠(yuǎn)距離操作。

2.2 控制難點(diǎn)

從智能粉料輸送在線取樣系統(tǒng)控制功能和流程分析，系統(tǒng)控制的難點(diǎn)在以下幾個(gè)方面[5-6]：

（1）啟停條件的設(shè)計(jì) 除了滿足信號值域要求外，還要考慮壓力信號的干擾問題和壓力上升時(shí)間，罐車開始打料時(shí)，壓力逐漸上升，數(shù)分鐘后才能穩(wěn)定。打料結(jié)束時(shí)，壓力則下降比較快。啟動(dòng)和停止壓力時(shí)需要取不同的時(shí)延。

（2）系統(tǒng)工作時(shí)序的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)工作時(shí)序復(fù)雜，需要考慮好每個(gè)工序之間的順序和銜接。比如若反吹后長時(shí)間不取樣，或者取樣后長時(shí)間不反吹，以及取樣后沒有及時(shí)關(guān)閉進(jìn)口閥等情況，均會(huì)導(dǎo)致管道粉料結(jié)塊，嚴(yán)重時(shí)甚至粉料會(huì)進(jìn)入閥芯內(nèi)部，堵塞閥門。

（3）對異常情況的充分考慮 由于采用循環(huán)工序取均勻樣品，任一循環(huán)或者任一循環(huán)的任一工序均會(huì)由于車況或者外部設(shè)備異常而出現(xiàn)故障。程序需充分考慮故障和異常情況，采取正確的應(yīng)對措施，才能保證智能采樣系統(tǒng)的工作可靠性。

（4）可靠性與可用性 智能在線取樣系統(tǒng)現(xiàn)場環(huán)境一般較惡劣，要適應(yīng)這種工作環(huán)境，需要抗干擾，抗污染，結(jié)構(gòu)緊湊，以便于運(yùn)輸和現(xiàn)場安裝放置。

（5）通信問題 化驗(yàn)室上位機(jī)僅需要有調(diào)整參數(shù)、數(shù)據(jù)收集和打印功能即可。但購置 SCADA 軟件成本高昂，亦沒有自主權(quán)，所以需要開發(fā)通用的遠(yuǎn)程通信客戶端，實(shí)現(xiàn)低成本的軟件架構(gòu)。

3 智能粉料輸送在線取樣系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.1 控制要點(diǎn)

通過對智能粉料輸送在線取樣系統(tǒng)控制要點(diǎn)和難點(diǎn)分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）控制系統(tǒng)需要能實(shí)現(xiàn)順序控制，以完成開閥、反吹、取樣、振打放料等取樣工序。

（2）控制系統(tǒng)應(yīng)具有計(jì)時(shí)和計(jì)數(shù)功能，智能在線取樣不僅需要根據(jù)計(jì)時(shí)器延時(shí)動(dòng)作，而且需要倒計(jì)時(shí)每次間隔的時(shí)間（指每車N次采樣之間的時(shí)間間隔，該時(shí)間可由用戶設(shè)置和更改）和每次取樣時(shí)間（取樣時(shí)間過長，采集樣品會(huì)過多，需合適調(diào)整該時(shí)間）；還需要記錄每車采樣開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間和采樣次數(shù)，并將數(shù)據(jù)上傳至化驗(yàn)室；同時(shí)，根據(jù)時(shí)間間隔和次數(shù)完成循環(huán)功能。

（3）控制系統(tǒng)應(yīng)具有模擬量采集和處理功能，系統(tǒng)自啟動(dòng)和自停止功能均根據(jù)壓力信號完成。壓力傳感器輸出的4～20 mA 模擬量需要進(jìn)入控制系統(tǒng)，配合完成邏輯搭建和程序編制工作。

（5）控制系統(tǒng)應(yīng)具有遠(yuǎn)程通信接口，要與化驗(yàn)室有數(shù)據(jù)傳遞，實(shí)現(xiàn)化驗(yàn)室人員的遠(yuǎn)距離操作和監(jiān)控。一方面可以遠(yuǎn)程監(jiān)視采集流程，另一方面可以遠(yuǎn)距離進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。

3.2 方案確定

根據(jù)以上結(jié)論，對比以下2 種方案，確定采用以PLC＋觸摸屏的控制方案。

（1）單片機(jī) (MCU)＋外圍電路 該方案成本低，體積小，很適合智能在線取樣系統(tǒng)。但該方案也存在以下2 個(gè)問題：一個(gè)是軟件開發(fā)周期長，MCU程序需要從底層寫起，編寫和調(diào)試比較費(fèi)時(shí)；另一個(gè)是外圍硬件電路的搭建和測試需要外界協(xié)助，而且周期也會(huì)較長，硬件電路的穩(wěn)定性和可靠性有一定風(fēng)險(xiǎn)，且硬件封裝的防塵性也需要充分考慮。

（2）PLC＋觸摸屏 該方案體積比單片機(jī)（MCU）＋外圍電路方案會(huì)大一些，能耗也大一些，成本相對高一些。但軟件開發(fā)周期較短，有固定的程序模塊可以調(diào)用，而且硬件產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性均有官方認(rèn)證，無須耗費(fèi)精力[7]。綜合考慮，空間的犧牲可以容忍，成本增加也可以接受，故選擇此方案。

4 方案實(shí)施

4.1 硬件實(shí)施方案

智能粉料輸送在線取樣系統(tǒng)硬件選擇西門子 S7-200 SMART 昆侖通泰 MCGS 觸摸屏的方案。S7-200 SMART CPU 標(biāo)配的 PROFINET 接口，基本指令執(zhí)行時(shí)間為 0.15 μs。CPU 模塊有標(biāo)準(zhǔn)型和經(jīng)濟(jì)型2 種類型。經(jīng)濟(jì)型 CPU 模塊直接通過單機(jī)本體滿足智能在線取樣系統(tǒng)的控制需求。深圳昆侖通泰的 MCGS 觸摸屏可以通過 RS485 無縫連接西門子 PLC，完成兩者之間所有的數(shù)據(jù)通信工作。該方案也是現(xiàn)有 PLC＋觸摸屏方案中性能最好、價(jià)格最低的方案。硬件配置如圖 3所示。

圖3 智能粉料輸送在線取樣系統(tǒng)硬件連接示意Fig.3 Hardware connection diagram of intelligent on-line sampling system for powder conveyance

為滿足空間需求，將整個(gè)柜體分割，僅用上部1/6 的空間布置控制系統(tǒng)（含控制器、配電空開、隔離器、接觸器和中間繼電器等元器件），控制系統(tǒng)硬件布置如圖 4所示。控制系統(tǒng)周圍為對電子元器件無干擾的氣動(dòng)電磁閥。

圖4 智能粉料輸送在線取樣系統(tǒng)硬件布置Fig.4 Hardware layout of intelligent on-line sampling system for powder conveyance

4.2 軟件實(shí)施方案

根據(jù)控制要求和控制要點(diǎn)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，軟件共分以下6 個(gè)部分。

（1）工作方式切換 用戶可以選擇手動(dòng)或者自動(dòng)操作智能粉料取樣系統(tǒng)，自動(dòng)時(shí)系統(tǒng)根據(jù)壓力自啟動(dòng)，自動(dòng)執(zhí)行采用流程，自動(dòng)停止；手動(dòng)時(shí)，忽略壓力信號，直接按設(shè)定的周期循環(huán)取樣，直至取樣結(jié)束，如圖 5（a）所示。

PLM是一種數(shù)據(jù)管理和信息集成軟件，是CAx，PDM，ERP，CRM，OA等工具的集成平臺，將各種異構(gòu)數(shù)據(jù)統(tǒng)一起來，打破信息孤島，實(shí)現(xiàn)了所有與項(xiàng)目有關(guān)的人在整個(gè)信息生命周期共享產(chǎn)品數(shù)據(jù)，為并行工程提供系統(tǒng)工作環(huán)境。

（2）模擬量信號處理 由于 SMART 200 不提供模擬量量化轉(zhuǎn)換模塊，編程人員需按照編寫程序進(jìn)行量化轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換邏輯如圖 5（b）所示。

圖5 智能粉料輸送在線取樣系統(tǒng)軟件控制Fig.5 Software control of intelligent on-line sampling system for powder conveyance

式中：PVout為轉(zhuǎn)換后的值；PVin為模擬量輸入值；Rmax、Rmin分別為儀表的上限和下限值。

（3）程序流程的時(shí)序 此部分為軟件核心內(nèi)容，為軟件設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。順序工作流程時(shí)序如圖 6所示。

圖6 智能粉料輸送在線取樣系統(tǒng)信號時(shí)序圖Fig.6 Signal sequence diagram of intelligent on-line sampling system for powder conveyance

（4）故障處理 用于處理故障或者異常情況。目前主要考慮了壓力變送器信號異常、罐車未拉滿料導(dǎo)致循環(huán)提前結(jié)束等情況。

（5）人機(jī)接口 主要包括觸摸屏操作畫面，用于顯示系統(tǒng)實(shí)時(shí)工作的動(dòng)態(tài)畫面，采集次數(shù)、集時(shí)長等參數(shù)設(shè)定的界面，以及手動(dòng)檢修時(shí)進(jìn)行單個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)測試的界面。

（6）PLC 與化驗(yàn)室的通信程序 利用 C# 軟件，采用 S7 協(xié)議，直接對 PLC 的地址進(jìn)行讀取和寫入操作，從而訪問到化驗(yàn)室需要的數(shù)據(jù)，以及下發(fā)至PLC 的參數(shù)設(shè)置。同時(shí)提供了單據(jù)打印功能。以下為 C# 與 SMART 200 通信連接和調(diào)用的實(shí)例化代碼（部分）。

5 投運(yùn)效果

經(jīng)過數(shù)次改造和試投運(yùn)，智能粉料輸送在線取樣系統(tǒng)最終在山東平陰山水水泥廠粉磨車間達(dá)到了連續(xù)投運(yùn)。智能粉料輸送在線取樣系統(tǒng)如圖 7所示。

圖7 智能粉料輸送在線取樣系統(tǒng)Fig.7 Intelligent on-line sampling system for powder conveyance

經(jīng)過投運(yùn)一年來的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，智能粉料輸送在線取樣系統(tǒng)達(dá)到了100% 的自動(dòng)投運(yùn)率，完全避免了管道板結(jié)情況，大大降低了人工取樣的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了取樣采樣人員的數(shù)量。取樣均勻度根據(jù)預(yù)設(shè)時(shí)間隨意調(diào)整，取樣量滿足用戶需求。對意外情況，如壓力變送器信號的異常干擾、沒有完成設(shè)定情況以外終止打料等，均能進(jìn)行故障處理，強(qiáng)制中斷循環(huán)，強(qiáng)制吹掃，并振打放料。

在投入運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效果方面，單臺自動(dòng)取樣設(shè)備每年為企業(yè)節(jié)約人工成本約3 萬元，節(jié)約了取樣用量，避免了原料浪費(fèi)，從取樣方式上杜絕了來料以次充好的途徑。

6 結(jié)語

經(jīng)過實(shí)際現(xiàn)場應(yīng)用表明，智能自動(dòng)取樣完全解決了人工取樣無法定時(shí)、定量、安全、可靠且無污染的問題，也間接消除了采樣數(shù)據(jù)不準(zhǔn)，易引起異議的問題，更為用戶帶來了質(zhì)量管控的基礎(chǔ)，同時(shí)也避免了潛在的經(jīng)濟(jì)損失。在目前市場仍然依靠手動(dòng)取樣的高壓管道粉料現(xiàn)場有巨大的推廣和應(yīng)用空間，具有良好的附加經(jīng)濟(jì)效益。