散糧漏斗裝車無人值守技術研發

毛 磊 孫 巖

1 廣州港集團股份有限公司南沙糧食通用碼頭分公司2 日照港股份嵐山港務有限公司

1 引言

散糧漏斗作為糧食通用碼頭主要的轉運設備，其正常運行是安全作業的保障[1]。傳統的散糧漏斗一般通過手動控制，由于現場環境惡劣，長期作業可能對人員身體健康造成危害，同時作業人員工作難度高、能見度低，還存在漏裝、誤裝等問題[2]。由于散糧漏斗本身的特點，其危險性不容忽視，一旦出現生產安全問題，可能導致整個散糧輸送系統毀于一旦，造成及其嚴重的損失。

為此，研發了移動式除塵漏斗的自動控制技術，通過工業級測量與監控方式，結合智能通信與控制對除塵漏斗裝料進行精確科學的自動化控制。

2 散糧漏斗裝車無人值守技術方案

2.1 散糧漏斗裝車無人值守工作原理

通過設計車廂內糧食料位測量的算法，結合光學高精度高速掃描、高精度超聲波測距、IO-LINK通信技術、PLC控制等先進物聯網技術，研發一種應用于散糧漏斗裝車的高精度測量及自動化控制系統。系統主要由高精度測量光柵、超聲波測距傳感器、IO-LINK網關、氣動閘門、現場控制箱、測量算法、位置算法、語音廣播系統和聲光報警系統組成。

漏斗裝車無人值守工藝在車輛駛入操作區內時，自動檢測裝置掃描車廂位置與車廂內物料的實際狀況，獲取廂內裝料的實時信息、車輛的位置信息，同時通過以太網經控制中心反饋相對應的操作要求給貨車司機，貨車司機則依靠控制中心的實時指引完成整個裝車流程。應用該系統，可以對歷史裝車數據、裝車效率進行記錄，從而更加精確地優化工藝，提高生產效率。

2.2 漏斗裝車無人值守系統邏輯原理與系統組成

2.2.1 邏輯原理

漏斗裝車無人值守的系統邏輯原理見圖1，具體步驟如下。

圖1 系統邏輯原理圖

(1)當漏斗下方沒有任何車輛，測量光幕無法檢測到有效數據，指示燈為黃色，控制箱無操作，此時可輛可以駛入。

(2)當裝卸車輛駛入漏斗下方，車廂在遮蔽第1條光幕、未遮蔽第2條光幕時，指示燈為黃色，控制箱無操作，司機可繼續行駛。

(3)當車廂同時遮蔽2條光幕，表明車輛已到位，同時，超聲波傳感器開始檢測有效數據，得到車廂內實時料位數據。當料位數據大于光幕的算法數據時，反饋料位不足。控制箱輸出2組信號：指示燈變更為紅色，司機應該停車等待；閥門打開，漏斗開始持續下料。

(4)在漏斗持續下料，料位逐漸升高的過程中，控制箱的超聲波檢測數據降低，直至檢測到已經裝滿車廂。控制箱輸出2組信號：指示燈變更為綠色，司機應低速向前行駛；閥門關閉，漏斗停止下料。

(5)當車輛向前行駛后，如檢測料位不滿，控制箱控制漏斗繼續下料，返回步驟4；直至裝滿，轉到步驟6。

(6)當漏斗與車廂尾部相對接近時，車廂已被裝滿，車輛繼續向前行駛，則車廂尾部離開測量光幕檢測區域。當測量光幕無法檢測到有效數據時，控制箱輸出兩組信號：停止工作；指示燈變為黃色，司機離開作業區，下一輛裝卸車依次駛入，繼續作業。

2.2.2 系統組成

在散糧漏斗下方的作業區兩側分別安裝2套高精度測量光柵，并做好防水防塵的保護工作，其檢測精度不低于20 mm，用于檢測作業車輛與漏斗卸料口的相對高度。在漏斗下料口側方，安裝2個高精度、高防護、抗干擾的超聲波測距傳感器，在作業期間通過超聲波信號檢測準確獲取作業車輛車廂內的實際料位，并將實時數據傳輸回控制箱。

所有的檢測設備均使用IO-LINK協議進行通信，達到高效能、高可靠性的通信效果，同時確保遠程配置與監測，在部署與實施過程中更加穩定便捷，其高可用性與多樣的通信方式更利于數據采集。系統的拓撲結構見圖2。

圖2 漏斗裝車無人值守拓撲圖

在漏斗前方安裝1套紅黃綠3色指示燈裝置，通過控制箱控制該設備，用于提示裝卸車司機操作。當指示燈為黃色，表示車輛未到位或者應該駛離，請檢查當前位置或者已裝滿料請駛離漏斗；當指示燈為紅色，表明漏斗正在作業，應駐車；當指示燈為綠色，表示當前位置已經滿料，應向前緩行，直至指示燈轉變為紅色。

2.3 檢測技術方案及其實現

2.3.1 測量光柵檢測技術

使用的測量光柵由成對的光電發射器和接收器構成，所有發射器包含在一個外殼中，所有接收器包含在另一個外殼中(見圖3)。放置在發射器和接收器之間的目標物體將會阻擋一部分光線使其不能到達它們相應的接收器，測量光幕使用同步掃描識別哪些通道被擋住。光幕每一根光束的分辨率為20 mm，即遮擋每一根光束計數20 mm，依此可以測量出裝卸車輛車廂的高度。

圖3 測量光柵的檢測原理

2.3.2 車廂料位檢測技術

2對測量光幕平行于裝卸車車廂安裝，當車輛進入后，取其從漏斗下料口至車廂頂部的檢測數值。2條超聲波測距傳感器安裝在漏斗側方，且與漏斗下料口水平，當車廂位于漏斗正下方時，開始檢測，獲取漏斗下料口至物料位置的料位檢測數據。將以上2個數據求差，即可獲得車廂內實際的物料位置信息。

3 結語

散糧漏斗無人化技術具有自動化、智能化的特點，不需要人員操作就可以完成啟動與監控作業過程，實現了散糧裝車的全自動操作，一方面減少了人員的投入，另一方面也降低了因操作人員失誤操作產生的多裝、冒裝現象，提高了生產效率。散糧漏斗的作業環境相對惡劣，現場會產生大量的粉塵，長期作業會對工作人員的身體健康造成一定程度的危害。新技術的應用使得生產現場不再需要配備工作人員，能有效地保障職工身體健康。實際應用證明，該技術的研發使用具有較強的可操作性和可移植性，可在類似應用場景中進行推廣。