一種均化庫卸料車與耙砂機配合控制系統(tǒng)

孫 雪,楊 鍇

(中國建材國際工程集團有限公司，上海 200063)

在玻璃生產(chǎn)線的整條工藝鏈中，均化庫內(nèi)的工作是最早的工藝環(huán)節(jié)之一。在均化庫內(nèi)，貯存著生產(chǎn)玻璃過程中最主要的原料成分——硅砂。通常情況下，不同批次的硅砂其品質(zhì)和特性會有細微差別，故而需要在均化庫內(nèi)將其均化，然后送至原料車間與其他原料(如白云石、石灰石、純堿等)按一定的比例進行混合，為后續(xù)關(guān)鍵的熔化工藝提供原料。雖然均化庫內(nèi)的工序并不復(fù)雜，但卻有很多可以優(yōu)化的空間。

1 背 景

考慮優(yōu)化控制就得先了解原先的工藝流程。玻璃廠均化庫的工藝流程為：

1)硅料運輸車將硅料傾倒入指定的下料區(qū)，該區(qū)域通常與一地坑相連，同時另一端與下料地坑相連的皮帶機與斗提機將進行對硅砂的第一輪運輸，目標是將硅砂提升至15～20 m高處(具體高度跟產(chǎn)線產(chǎn)量有關(guān))。

2)在高處有一鋼平臺走廊，斗提機出于走廊的一端，硅砂將被斗提機直接連續(xù)地堆放在一條不停運轉(zhuǎn)的皮帶機上，由此運送到走廊的中間位置。

3)在走廊的中間位置，安裝有一輛卸料小車，硅砂通過皮帶輸送進入小車內(nèi)部，再由小車的下料口通過走廊兩側(cè)地面縫隙向車間內(nèi)地面下料，由于小車是往復(fù)運動的，從而在地面上被堆放的硅砂也會被均化。

4)在均化庫地面一側(cè)，設(shè)置一臺同樣可以往復(fù)運動的耙砂機，同時耙砂機下側(cè)裝有一條皮帶機，耙砂機通過橫向移動，配合控制機械臂上的皮帶機帶動鏟刀，將硅砂不間斷地刮掃至皮帶機上，并運往原料車間進行下一步工藝環(huán)節(jié)。

以上就是玻璃廠均化庫的工藝流程。從控制的角度來說，基本上現(xiàn)在所有的工廠仍是采用卸料車與耙砂機分開控制，其中卸料車的往復(fù)運動是通過邏輯控制器設(shè)定延時切換電機正反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)。如果兩者分開運行，必須等待卸料完成，卸料車停機，耙砂機方可開始工作；如果兩者同時運行，則常常會發(fā)生硅砂掉落在耙砂機上，造成浪費和安全隱患。

隨著工業(yè)生產(chǎn)向更精細化發(fā)展的趨勢，以及針對部分現(xiàn)場對于工廠自動化程度提出了更高要求，同時也為避免上述提到的原料浪費和安全隱患，現(xiàn)考慮設(shè)計一種針對均化庫卸料車與耙砂機之間實現(xiàn)配合控制的系統(tǒng)。

2 原 理

在設(shè)計控制系統(tǒng)之前，首先需將均化庫分為左右兩個區(qū)，目的是使卸料車與耙砂機可以分別在兩個區(qū)同時運行，即卸料車于左區(qū)卸料，耙砂機于右區(qū)掃料，并可通過模式切換來實現(xiàn)兩者互換位置。這樣既能在耙砂機掃料的同時繼續(xù)卸料，又能避免兩者在同一個區(qū)域發(fā)生相互干擾的情況[1]。

為實現(xiàn)上述目的，控制系統(tǒng)的設(shè)計需包括PLC、轉(zhuǎn)換開關(guān)、按鈕、交流接觸器、熱繼電器、中間繼電器、接近開關(guān)、限位開關(guān)等電器元件。繪制控制原理圖如圖1所示。

該電路設(shè)計有手動和自動模式選擇，且兩種控制模式互鎖。手動即為人為控制設(shè)備啟停，自動即為交由PLC控制設(shè)備自動運行。兩臺設(shè)備的電機正反轉(zhuǎn)均設(shè)有互鎖保護，并設(shè)置限位開關(guān)作為運動軌跡越界保護停車。

該設(shè)計意在通過一臺PLC設(shè)置卸料車與耙砂機各自電機在到達相應(yīng)位置時啟動正反轉(zhuǎn)切換，實現(xiàn)兩臺設(shè)備各自往復(fù)循環(huán)地卸料與耙砂，并在停止命令之后，繼續(xù)運行直至回到初始位置停止。上述正反轉(zhuǎn)切換的相應(yīng)位置為卸料車與耙砂機運行軌跡的左極限與右極限，初始位置為整個車間的中間位置，即左右兩區(qū)的分界點。卸料車的行動軌跡上，分別有LS1、LS2、LS3作為左極限、中間位、右極限的接近開關(guān)位置信號；耙砂機的行動軌跡上，分別有LS4、LS5、LS6作為左極限、中間位、右極限的接近開關(guān)位置信號。

實現(xiàn)該控制方法通過以下步驟：

1)檢查卸料車與耙砂機是否均處于中間位，若不在中間位，可通過手動模式讓卸料車復(fù)位至觸發(fā)接近開關(guān)LS2，耙砂機復(fù)位至觸發(fā)接近開關(guān)LS4，均復(fù)位時有信號燈HW1顯示為自動控制準備就緒，其PLC梯形圖如圖2所示[2]。

2)正常工作時,轉(zhuǎn)換開關(guān)SA1可切換自動控制或手動控制，自動模式下由轉(zhuǎn)換開關(guān)SA2選擇自動的模式與停止，手動模式則方便于試車調(diào)試。

(1)將SA2向左旋轉(zhuǎn)，進入模式一狀態(tài)：卸料車電機正向啟動，向左區(qū)運行；耙砂機電機反向啟動，向右區(qū)運行;

(2)以卸料車為例，當(dāng)卸料車左行至觸發(fā)接近開關(guān)LS1時，電機停止，等候3 s，然后反轉(zhuǎn)啟動，向中心方向運行；當(dāng)卸料車右行至中心位置，觸發(fā)接近開關(guān)LS2時，電機停止，等候3 s，然后再次正向啟動，以此循環(huán)；

(3)耙沙機控制原理與卸料車相同，方向相反；

(4)將SF2旋轉(zhuǎn)至停車，卸料車與耙沙機不會立刻停車，均會繼續(xù)運行至回到兩區(qū)中心位置后才停車。

3)模式二與模式一原理相同，區(qū)別在于卸料車與耙沙機工作的左右區(qū)域互換。

4)卸料車與耙沙機均設(shè)有緊急停車自鎖按鈕，以保證緊急情況下的斷電停機。

卸料車與耙砂機整套運行流程的PLC梯形圖分別如圖3～圖6所示。

如此一來，一套相對比較完整的卸料車與耙砂機分區(qū)配合自動工作的控制系統(tǒng)便完成了[3]。

3 相關(guān)說明

為使該控制系統(tǒng)的設(shè)計目的更明確、控制原理更清晰，以及操作方法更便于理解，也為了更好地結(jié)合工廠的實際生產(chǎn)現(xiàn)狀，現(xiàn)對設(shè)計本控制系統(tǒng)時出現(xiàn)的一些細節(jié)作進一步闡述說明。

1)接近開關(guān)與限位開關(guān)的區(qū)別

卸料車與耙砂機在行走軌道的左右兩側(cè)均設(shè)有限位開關(guān)和接近開關(guān)，這兩種元器件從功能上來說，都是用來檢測目標設(shè)備在運動過程中是否到達或離開目標位置，從而觸發(fā)電信號遠傳來實現(xiàn)顯示和控制的位置開關(guān)。它們的區(qū)別在于：限位開關(guān)是通過目標設(shè)備在運動中與開關(guān)本身的機械碰撞來觸發(fā)內(nèi)部觸點通斷的接觸式檢測元件，而接近開關(guān)是無機械動作，依靠傳感器遠程感應(yīng)來觸發(fā)通斷的非接觸式檢測元件[4]。

因此，限位開關(guān)的安裝位置是在卸料車與耙砂機行進軌道中的極限位置，簡而言之，即是當(dāng)電機因不知名原因運動至軌道的最末處，限位開關(guān)是以機械動作切斷電源以保證整個系統(tǒng)安全的最終手段。

而接近開關(guān)的安裝位置，是在行進軌道中的次極限位置以及中心區(qū)域位置，其作用是作為自動控制模式下，在軌道上行走的電機停車與反轉(zhuǎn)的觸發(fā)信號。因為在正常生產(chǎn)中，無論是運行在模式一還是模式二之下，又或者模式一與模式二互相切換時，設(shè)備都會頻繁地經(jīng)過并觸發(fā)或忽略接近開關(guān)，如果在此處選擇機械接觸式的檢測元件，無論是安裝還是因為觸發(fā)動作產(chǎn)生的機械損耗，都是沒有必要的。

2)電機延時自動反轉(zhuǎn)與位置信號觸發(fā)反轉(zhuǎn)的區(qū)別

該控制系統(tǒng)因嘗試將均化庫分區(qū)，改善了原本的控制回路，通過選擇模式一或模式二，來啟動卸料車與耙砂機分別在不同區(qū)域自動運行。也同時改善了電機正反轉(zhuǎn)的控制原理，原本以PLC設(shè)定延時機制來啟停電機正反轉(zhuǎn)時機的設(shè)計，其弊端在于若卸料車或耙砂機每次所帶負載不同，其電機運行速度多少會受影響，在電機速度不同的情況下，只考慮一到設(shè)定時間就停機并反轉(zhuǎn)，會造成每次行走的路徑存在差異，如需每次合理利用整個均化庫的空間，就需要每次都重新測試并設(shè)定延時的時間參數(shù)，不精確也不方便。因此該控制系統(tǒng)改用接近開關(guān)在固定位置觸發(fā)電機的停車和正反轉(zhuǎn)切換，回避了上述問題。

3)為何設(shè)備停止后需要繼續(xù)運行到中間的準備位置

該控制系統(tǒng)在自動模式運行狀態(tài)下，當(dāng)輸入停止指令，設(shè)備會繼續(xù)動作，直到回到均化庫中心的接近開關(guān)位置。這個設(shè)計一方面是為了避免設(shè)備處在任意位置時，啟動后不知會向哪個方向運行的不確定性；另一方面也是考慮到在啟動自動模式之前，需要一個準備就緒的前置信號，避免自動模式的意外啟動。

4)控制回路與梯形圖在實際運作中的講解

在控制回路方面，當(dāng)SA1切換為手動模式時，卸料車與耙砂機均可由按鈕自由啟動與停止正反轉(zhuǎn)；當(dāng)SA1切換為自動模式時，卸料車與耙砂機需要由PLC輸出的繼電器信號KA3-KA6的通斷來實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，KA3與KA6的通斷由PLC內(nèi)的邏輯編程實現(xiàn)。LS1-3為卸料車左到位、中到位、右到位；LS4-6為耙沙機左到位、中到位、右到位。當(dāng)兩臺設(shè)備均處于中間位置時，KA17得電，HW1燈亮，視為自動控制準備就緒。

實施例：將SA2切換為模式一，以卸料車為例：模式一狀態(tài)下，DI1得電閉合，Y60為準備就緒延時斷開信號，此時得電閉合，Y35、DI4閉合，卸料車啟動向左運行；當(dāng)行至左側(cè)接近開關(guān)，觸發(fā)LS1，使DI4得電斷開，電機停止；延時3 s后，由T51得電閉合，卸料車啟動向右運行；當(dāng)行至中間接近開關(guān)，觸發(fā)LS2，使DI5得電斷開，電機停止；延時3 s后，由T52得電閉合，卸料車重新啟動向左運行，進入循環(huán)。

將SA2切換為停止，以卸料車為例：停止狀態(tài)下，DI2得電閉合。如果設(shè)備原本在模式一狀態(tài)下運行，則設(shè)備將保持運行至回到中心位置，觸發(fā)LS2，使DI5得電閉合，Y35得電斷開，電機停止循環(huán)。

模式二控制原理與模式一相同，耙砂機控制原理與卸料車相同，方向相反。

如果在啟動模式一或模式二之前，卸料車或耙砂機其中至少一臺設(shè)備因之前手動啟停或緊急停車后不在中心位置，需同樣以手動模式將其停止到中心位置：LS2、LS5閉合，KA12、KA15得電，KA17得電，HW1燈亮，DI10得電，Y60得電閉合，啟動準備就緒。

如遇緊急情況需立即停車，可按緊急停止按鈕SS1、SS2。

4 結(jié) 論

當(dāng)今的玻璃生產(chǎn)線，不斷地向數(shù)字化、智能化邁進。如果說窯爐、錫槽、退火是技術(shù)發(fā)展的最前線，那在關(guān)注前沿技術(shù)的同時，也不要忘記：在大后方，如均化庫這般沒有太多復(fù)雜工序的場所，依然可以有很多從技術(shù)角度來實現(xiàn)優(yōu)化的空間。也許一個簡單的靈感和想法，一個簡單的對控制系統(tǒng)的改進，其提升的整體效率和數(shù)字化程度，并不簡單。