煤運火車車廂防凍液自動配料系統研究及應用

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

中國煤炭主產區主要分布在東北部地區，大部分地區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)。此類氣候對鐵路煤炭運輸造成了一定的麻煩，如煤炭自身凍結成大塊或者凍在車廂內壁無法卸貨等[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，提升企業整體效益，本文將詳細闡述防凍液自動配料系統的研究、設計及應用。

1 原防凍液配料系統

1.1 原系統配料流程

原防凍液配料系統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，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 原系統存在問題

原防凍液配料系統自動化程度低，人工體力工作重量、工作環境惡劣。由于防凍液的濃度和氣溫有線性關系，所以配比濃度是有變化的，人工配比只依靠人工經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量[2]。配料任務也需要人工溝通及憑借經驗預估配置，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的研究

2.1 重點研究方向

防凍液自動配料系統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境和繁重體力勞動中解救出來。

2.2 系統硬件組成

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

2.3 系統工作流程

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

(1) 智能裝車系統獲取各傳感器(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)數據，進而通過智能配料邏輯判斷是否開始配料；

(2) 智能裝車系統判斷需要配料后，防凍液自動配料系統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，系統提示崗位人員補料；

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

(4) 防凍液自動配料系統通過智能裝車系統發送的配料參數(溫度、液位等)，并通過系統計算得出防凍液濃度，進一步計算所需的干粉數量、所需的清水量。系統根據該數據進行上料，同時防凍液自動配料系統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依次控制拆垛機器人系統、皮帶運輸系統、拆袋機器人系統停止運行；

(6) 防凍液自動配料系統控制攪拌池開始攪拌，達到預設的時間后停止；

(7) 防凍液自動配料系統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 系統控制方法

為滿足裝車生產的連續性，保證防凍液可以持續供給，考慮到自動配料系統的維護、維修，該項目對配料系統進行了研究。在控制方式上，防凍液自動配料系統支持自動模式、人工模式。

自動模式：裝車系統根據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。配料系統接收到防凍液信息后，自動啟動配料系統，配料系統根據裝車系統計算的配料信息，配置目標濃度、目標數量的防凍液。

人工模式：裝車系統根據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 系統目標濃度控制方法

為了保證防凍質量，隨著溫度的變化調節防凍藥劑的用量[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。目前小保當礦業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沿用此模式。通過大量的數據研究，得到防凍液配置經驗表如表1所示。

表1 防凍液配置經驗表

通過LUT查找表數據分析算法，系統可根據近3天的最低溫度自動計算防凍液配置濃度，進一步實現自動配料。

2.6 系統軟件實現

防凍液自動配料系統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”會按照檢測到的數據定時計算工作任務，自動提示監控人員需要進行配料，配料的量和配比等內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、儲料泵等設備的運行狀態和工作進度展示，方便監控人員一目了然的看到整個系統的運行狀態和工作進度。最右側的“控制面板”是用來啟停系統的，監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，后續如果系統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的應用

3.1 系統應用情況

防凍液自動配料系統實現了全程無人化配料[6]。從工人的工作內容上講，工人無需在惡劣的環境中進行重體力勞動；從企業的經濟開支上講，節約了14個工人的經濟開支，按每人年薪6萬元計算，每年可以為企業節省84萬元人民幣；從節約資源上講，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，為企業節約了耗材開支[7]；從整體工作流的時間配合上講，自動配料系統可以實時監控上下游系統的儲量，按時按需配置，節省了中間等待時間，提高了整體工作效率。

3.2 系統應用分析

(1) 人力資源節約

原有系統：使用14個搬運人員和1個攪拌控制人員。

自動系統：使用1個監控人員。

為研究方便，選取某橋式起重機的相關數據為例，額定起質量Q=5t，其工作機構采用YZR160M2-6電機，額定功率P=7.5kW，額定轉速N=945r/min。

節約經費：14人×6萬/人/年=84萬/年。

(2) 時間成本節約

原有系統：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：節約溝通成本8 h/d。

節約時間：8 h/d，年節約2 920 h。

(3) 使用量節約

原有系統：因為防凍液配料后12 h內部使用會有沉淀結塊現象的發生，導致防凍液不可用。原系統由于計算精度不夠準確會造成過期浪費的現象發生[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。

節約經費：每年節約20萬元。

(4) 配比節約

原有系統：原系統不根據室外氣溫進行配比，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。初步統計，每年浪費400袋防凍干粉。

自動系統：根據氣溫定量配比，基本無此項浪費。

節約經費：400袋×100袋/元=40 000元/年

綜上所述，防凍液自動配料系統較原有傳統人工配制，總節約經費108萬元/年，總節約工時2 920 h/年。

4 總結

防凍液自動配料系統通過實時檢測數據，觸發拆垛機器人、皮帶運輸系統、拆袋機器人、攪拌桶工作進行協同備料工作[9]。智能系統會根據實時監測環境溫度、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，然后根據總溶劑量指揮機械手抓取定量袋數的粉末，并根據攪拌桶內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節為主線，順序的討論研究了防凍液自動配料系統的各個硬件設備、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，并取得了較好的結果。從根本上解放了人工勞動力，實現了防凍液的自動化智能配置，簡化了作業流程，提高了工作效率，為企業節省了人力成本[10]。該系統可應用于同行業，也可以應用于不同行業的類似場景，研究成果價值很高。