液態二氧化碳無人充裝系統

徐 勇,蘇延才,張迪航,何 巖,徐福強,陳 鑫,張偉前

(濟寧協力特種氣體有限公司,山東 濟寧 272055)

0 引 言

隨著工業的不斷發展,各行業對工業二氧化碳的需求量逐年增加,企業對液態二氧化碳充裝的安全和質量也更加重視,筆者公司智能液態二氧化碳充裝設備的研發應用已經近1 a時間,在完全驗證其可靠性、實用性后也會向同行業推廣。

1 傳統充裝方式

現有的液態二氧化碳充裝方法是人工把空的二氧化碳氣瓶搬運到磅秤上,手動設置稱量數據,去皮清零后,通過管道閥門開關控制充裝數量,人工開關氣瓶瓶閥,且完全由人工搬運。一般40 L氣瓶的空瓶重量約為50 kg,充裝完畢的重瓶,重量增加10～20 kg,冬季時氣瓶瓶體結霜嚴重,人工搬運過程中容易打滑、傾倒,工作人員搬運過程非常不安全,工人勞動效率低,而且搬運過程人員勞動強度大,充裝即將結束時工人控制開關不及時很容易出現充裝量不足或過量充裝的情況。

2 液態二氧化碳無人充裝系統

2.1 系統主要結構

液態二氧化碳無人充裝系統包括配套散裝氣瓶集裝格、懸臂吊、氣瓶舉升、桁架機器人、充裝運行平臺、PLC控制系統、移動坐標定位系統、各種傳感器和自動閥門等。系統俯視圖如圖1。

1.充裝工位;2.整體吊裝桁架;3.氣瓶吊裝框架;4.東西行走桁架;5.懸臂吊

2.2 液態二氧化碳自動充裝過程

目前,智能搬運小車還在試驗階段,需人工將空氣瓶散裝格放置在固定位置,操作電腦啟動程序,懸臂吊裝置自動運行,將氣瓶散裝格吊運到舉升工位,舉升工位根據程序設定舉升待充裝的氣瓶到設定高度,機器人經過PLC位置計算依次抓取氣瓶并吊裝到待充裝工位(吊裝過程由傳感器定位自動找正瓶口位置),充裝平臺自動推送氣瓶到充裝工位,充裝工位上方為專用自動充裝管道連接和開關瓶閥系統,充裝過程中由多個傳感器檢測瓶閥高度及左右偏差位置,自動調節到合適位置并卡緊接頭卡具,自動打開氣瓶瓶閥,此時RFID讀寫器自動讀取氣瓶上的電子標簽信息,信息涵蓋氣瓶最近檢測日期、介質、空瓶重量等,稱重系統自動稱量空瓶重量進行比對,PLC程序根據各傳感器反饋信息自動進行計算,自動設置充裝量,充裝完成后自動關閉瓶閥,打開卡具,重瓶由平臺推送到重瓶吊裝工位,另一套機器人吊裝該氣瓶放置到備好的空散裝格里面,一臺散裝格裝滿后,會自動發送信號給PLC,懸臂吊便自動吊運到重瓶輸出固定位置。此系統充裝速度較人工充裝更快、更安全,可達到80瓶/h,可完全實現現場無人化生產。

2.3 液態二氧化碳自動充裝主要控制系統

為實現液態二氧化碳充裝的全自動化,設備采用了PLC可編程控制系統,系統采集各個位置傳感器信號并經過內部運算發出指令給電機、氣缸等執行機構執行動作,控制機器人高速平穩精準運行,充裝工位裝卸卡具穩定可靠無失誤,正常充裝液態二氧化碳質量合格率為100%,系統完全自動化運行,無人操作。監控人員可在電腦上觀看系統各個參數,數據直觀、運行可靠。用于搬運散裝格的專用AGV智能小車正在試驗中,不久就可以完全實現氣體自動充裝無人車間的目標。

3 智能小車設計的初衷

氣瓶散裝格的搬運一般使用機械叉車和手動液壓叉車。

1. 普通機械叉車,需要的工作空間大,必須要有專人進行操作,不能在車間等狹小范圍內靈活作業,危化品車間嚴禁燃油叉車使用,純電動叉車價格昂貴,依靠人員操作不能精確定位,想要準確無誤的擺放散裝格可能需要調整多次,沒有準確的定位,后期的全自動充裝設備就可能因此出現偏差,影響整個全自動充裝設備的正常運行。

2. 半電動堆高液壓叉車,雖然占地面積小,設備也輕便,但每次移動要完全依靠操作工移動氣瓶散裝格,對于操作工的技巧也有一定要求。而且也不能運用到全自動充裝設備中,因為人工操作的時間不能確定,行走路線也會不一致,同時也不能每次都精準的把氣瓶散裝格放到同一位置。

隨著時代的發展,這兩種氣瓶散裝格的搬運方式已經不能適應全自動現代化氣體生產的需要,經過理論驗證和實踐,筆者公司自主設計開發出一款滿足氣體自動充裝中氣瓶散裝格搬運的智能小車。

4 智能小車

氣瓶散裝格搬運的專用工具智能小車通過傳感器的引導,經過PLC系統的分析和處理,使驅動單元(舵輪)動作,進而完成氣瓶散裝格的搬運。實現了真正的無人化、智能化,為全自動充裝設備提供了精準的保障,發揮重要作用。智能小車的主要結構原理見圖2。

圖2 智能小車主要結構原理

智能小車與現有設備相比有以下優勢。

1. 智能控制。減少了操作工人,散裝格智能小車采用了一鍵式操作,由PLC系統編程,設定固定的行走路線和定位存放點,不需要專人進行操作即可完成氣瓶散裝格在生產區域內的搬運工作。

2. 運行范圍。氣瓶散裝格智能小車可以在相對狹小的空間內進行移動(包括前進、后退、轉向),也可以在空曠的場地上進行作業;可以適應短距離的搬運,也可以實現車間與車間之間的氣瓶搬運工作。

3. 安全可靠。氣瓶散裝格智能小車在上下移動氣瓶散裝格的過程中,采用了自主設計研發的吊裝結構,使散裝格在上升或者下降和小車移動過程中都非常平穩,避免造成散裝格掉落的可能。而且為了防止氣瓶散裝格智能小車在移動過程中碰到移動的人員或者物品,車身周圍加裝了用來感應和檢測的傳感器,防止出現撞人和撞物的事故。

4. 定位準確。氣瓶散裝格智能小車采用PLC系統控制,保證小車行走路線和存放位置都是固定的。這樣就保證了氣瓶散裝格每次都被放置在同一位置,對空瓶格、重瓶格準確分類,完全可以替代人工,可以在真正意義實現氣體充裝無人車間。

5 液態二氧化碳無人充裝系統的先進性

氣瓶充裝現場工作人員全程不用接觸氣瓶,減少了工作人員氣瓶搬運過程中的安全隱患;氣瓶散裝格智能小車的研發和應用,順應了全自動智能化、無人化的時代潮流,讓智能化自動充裝設備得到了完善,為實現無人化全自動充裝車間打下了基礎。既降低了工作人員的工作勞動強度,又提高了勞動效率。

6 結 論

自主研發的液態二氧化碳無人充裝系統采用先進的PLC可編程控制技術,實現了全自動智能化液態二氧化碳的充裝和氣瓶散裝格的自動搬運。避免了工作人員與氣瓶直接接觸,有效解決了因人員操作失誤而造成的產品質量問題,PLC控制系統控制自動稱重,自動控制充裝閥門和氣瓶閥門開關,氣瓶重復充裝量一致性高。保證了工作人員的安全和產品質量,大大提高了生產效率。