煤炭機(jī)械化采樣樣品自動(dòng)封裝配套系統(tǒng)研究

羅小杰，王 軍，劉晶歌

(陜西維德科技股份有限公司， 陜西 西安 710054)

0 背 景

目前煤炭仍然是我國(guó)的主要能源，也是我國(guó)出口創(chuàng)匯的主要商品之一。隨著國(guó)內(nèi)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各領(lǐng)域用戶對(duì)所用的煤炭都有特定的質(zhì)量要求和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[1]，遵循以質(zhì)論價(jià)的交易原則。而今在交易環(huán)節(jié)中按發(fā)熱量結(jié)算已經(jīng)常態(tài)化，因此，煤質(zhì)檢驗(yàn)在煤炭產(chǎn)運(yùn)銷的各個(gè)環(huán)節(jié)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，不同程度地影響著煤炭?jī)r(jià)格和企業(yè)效益。煤質(zhì)檢驗(yàn)基本過(guò)程包括采樣、破碎、縮分、收集、制樣、檢驗(yàn)分析等步驟[2]。當(dāng)前開放式的集樣過(guò)程不能實(shí)現(xiàn)人樣分離和杜絕人為因素，在樣品運(yùn)送環(huán)節(jié)中存在替換樣品的安全風(fēng)險(xiǎn)，從而對(duì)化驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響進(jìn)而引起貿(mào)易糾紛?；诖?，本文提出研究一種不僅能夠單獨(dú)使用，還能夠配套應(yīng)用于各種工況下的煤炭采樣系統(tǒng)。自動(dòng)封裝系統(tǒng)是對(duì)煤炭樣品進(jìn)行全自動(dòng)收集、封裝、存儲(chǔ)樣品信息等。

1 自動(dòng)封裝配套系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1.1 原有自動(dòng)封裝裝置概述

原有的自動(dòng)封裝裝置是車載移動(dòng)式煤炭采樣機(jī)的組成部件，僅僅適用于車載移動(dòng)式采樣機(jī)，具體結(jié)構(gòu)見圖1，其換桶過(guò)程需要人工操作，生產(chǎn)效率、自動(dòng)化程度、控制精度相對(duì)較低，應(yīng)用領(lǐng)域也比較局限。

該裝置的主要工作原理如圖1所示：回轉(zhuǎn)式減速器1旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)集料桶9轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)集料軸的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)同步帶帶動(dòng)封裝軸旋轉(zhuǎn)，封裝軸的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)固定于其上的轉(zhuǎn)臺(tái)蓋板17及位于蓋板17上的集料桶蓋14轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)集料桶9和其對(duì)應(yīng)桶蓋14的同步旋轉(zhuǎn)，通過(guò)恰當(dāng)?shù)卦O(shè)置兩者的初始轉(zhuǎn)動(dòng)位置，使得當(dāng)裝滿料的集料桶9旋轉(zhuǎn)到與上面轉(zhuǎn)臺(tái)蓋板垂直對(duì)齊的封裝位置時(shí)，該集料桶9對(duì)應(yīng)的集料桶蓋14也同時(shí)通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)蓋板旋轉(zhuǎn)到與集料桶9垂直對(duì)齊的封裝位置，然后處于封裝位置正上方的支架上的液壓油缸12向下推動(dòng)油缸壓板13，通過(guò)油缸壓板13將集料桶蓋14扣押在集料桶9上完成自動(dòng)封裝。

該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)雖實(shí)現(xiàn)了對(duì)樣品的封裝，但是效率和自動(dòng)化程度低。集料桶和蓋用完之后，都需要人工更換，操作頻繁，增加了工作量。

圖1 車載采樣機(jī)自動(dòng)封裝裝置[3]

1.2 優(yōu)化升級(jí)后的自動(dòng)封裝配套系統(tǒng)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研工況數(shù)據(jù)及客戶反饋，設(shè)計(jì)者結(jié)合多種條件下的使用情況，提出了自動(dòng)封裝配套系統(tǒng)思路。即本文所設(shè)計(jì)的自動(dòng)封裝配套系統(tǒng)完全實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守，提高了自動(dòng)化程度，彌補(bǔ)了上述設(shè)備存在的不足，并且拓寬了應(yīng)用領(lǐng)域，可以當(dāng)作配套設(shè)備對(duì)原有的產(chǎn)品進(jìn)行替換。該總體設(shè)計(jì)包括：自動(dòng)送桶裝置、接料裝置、樣料封裝裝置、自動(dòng)出桶裝置、RFID非接觸射頻識(shí)別系統(tǒng)、PLC智能控制系統(tǒng)。如圖2所示。

圖2 自動(dòng)封裝配套系統(tǒng)

2 自動(dòng)封裝配套系統(tǒng)構(gòu)成

煤炭采樣和制樣的目的，是為了獲得一個(gè)其試驗(yàn)結(jié)果能代表整批被采煤的試驗(yàn)煤樣[4],因此自動(dòng)封裝配套系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須滿足煤炭機(jī)械化采樣的規(guī)范要求。根據(jù)自動(dòng)封裝配套系統(tǒng)功能需求，本文采用了機(jī)械傳動(dòng)、氣動(dòng)傳動(dòng)、電氣控制等方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 自動(dòng)送桶裝置

自動(dòng)送桶裝置應(yīng)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)平頂鏈輸送機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)輸送，大量空樣料桶通過(guò)人工補(bǔ)充在該輸送帶上。其工作模式為分時(shí)段工作，當(dāng)該裝置樣料桶檢測(cè)傳感器(紅外線傳感器)檢測(cè)到樣料桶離開接料裝置時(shí)，控制系統(tǒng)控制平頂鏈輸送機(jī)啟動(dòng)，將空樣料桶送到接料裝置接料預(yù)備工位，然后平頂鏈輸送機(jī)停止運(yùn)行,如圖3所示。

圖3 自動(dòng)送桶輸裝置

2.2 接料裝置

本文所設(shè)計(jì)的接料裝置有兩個(gè)工位，接料預(yù)備工位和接料工位。這兩個(gè)工位均安裝有樣料桶檢測(cè)傳感器(接近開關(guān))和樣料桶阻擋器，在接料工位正上方裝有料位傳感器、帶料門的樣料中轉(zhuǎn)箱，在接料工位樣料桶安裝有RFID電子標(biāo)簽讀寫器。其工作過(guò)程如下：接料工位的樣料桶檢測(cè)傳感器檢測(cè)到該工位有空樣料桶時(shí)，樣料中轉(zhuǎn)箱料門打開，樣料進(jìn)入樣料桶，當(dāng)料位傳感器(超聲波)檢測(cè)到樣料桶滿時(shí)，樣料中轉(zhuǎn)箱料門關(guān)閉。在接收樣料的同時(shí)，RFID電子標(biāo)簽讀寫器將樣料相關(guān)信息記錄在樣料桶桶底粘貼的RFID電子標(biāo)簽上。當(dāng)這兩個(gè)動(dòng)作完成后，該工位的樣料桶阻擋器下降，傳送鏈棍啟動(dòng)，將裝滿樣料的樣料桶送到下一工位，接料預(yù)備工位的空樣料桶繼續(xù)送到接料工位，進(jìn)行下一循環(huán)(見圖4)。

圖4 接料裝置

2.3 樣料封裝裝置

本文所設(shè)計(jì)的樣料封裝裝置只有一個(gè)工位。該工位安裝有樣料桶檢測(cè)傳感器(接近開關(guān))、樣料桶阻擋器和樣料桶定位機(jī)構(gòu)。封蓋工位正上方安裝有封蓋機(jī)械臂，其由1個(gè)上下垂直運(yùn)動(dòng)的封裝氣缸和3個(gè)抓手小氣缸組成，主要完成料桶蓋的抓取和封扣動(dòng)作。封裝氣缸上安裝有拉線位移傳感器和接近開關(guān)，用來(lái)自動(dòng)判別料桶蓋支架上料桶蓋的位置和料桶蓋的數(shù)量，方便封蓋機(jī)械臂的抓取。封蓋機(jī)械臂旁邊布置有旋轉(zhuǎn)式料桶蓋支架，它有兩個(gè)工位，供蓋工位和料桶蓋補(bǔ)充工位，為封蓋機(jī)械臂提供料桶蓋。樣料封裝裝置工作過(guò)程如下：裝滿樣料的樣料桶進(jìn)入到封蓋工位，樣料桶定位機(jī)構(gòu)動(dòng)作，對(duì)樣料桶進(jìn)行精確定位。封蓋機(jī)械臂從料桶蓋支架上抓取一個(gè)料桶蓋，并旋轉(zhuǎn)到樣料桶正上方，再將料桶蓋封扣在樣料桶上。旋轉(zhuǎn)式料桶蓋支架供蓋工位料桶蓋用完后，料桶蓋支架旋轉(zhuǎn)180°，料桶蓋補(bǔ)充工位的料桶蓋旋轉(zhuǎn)到供蓋工位，繼續(xù)給封裝機(jī)械臂提供料桶蓋，原供蓋工位的空料桶蓋支架旋轉(zhuǎn)到料桶蓋補(bǔ)充工位(見圖5)。

圖5 樣料封裝裝置

2.4 自動(dòng)出桶裝置

本文所設(shè)計(jì)的自動(dòng)出桶裝置主要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的平頂鏈輸送機(jī)，不帶動(dòng)力的、有一定傾斜角度的鏈棍輸送機(jī)和樣料桶存儲(chǔ)平臺(tái)組成。其工作過(guò)程如下：封好蓋的樣料桶由平頂鏈輸送機(jī)送出，由操作人員將封好蓋的樣料桶從輸送機(jī)上取下，未取下的料桶被輸送到不帶動(dòng)力的、有一定傾斜角度的鏈棍輸送機(jī)上，在鏈棍輸送機(jī)上由于樣料桶重力作用，樣料桶被輸送到樣料桶存儲(chǔ)平臺(tái)上，方便操作人員隨時(shí)收取(見圖6)。

圖6 自動(dòng)出桶裝置

2.5 RFID非接觸射頻識(shí)別系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)所應(yīng)用的射頻識(shí)別系統(tǒng)(RFID)是專門針對(duì)煤場(chǎng)采樣惡劣的工業(yè)自動(dòng)化環(huán)境，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀入和讀出的解決方案。射頻電子標(biāo)簽可適用于絕大多數(shù)惡劣工業(yè)環(huán)境，該裝置達(dá)到了IP68的工業(yè)防護(hù)等。設(shè)備采用的RFID識(shí)別控制器(IDENT Control)將提供統(tǒng)一的操作界面和相同的命令處理模式。IDENT Control識(shí)別控制器現(xiàn)場(chǎng)部分采用工業(yè)級(jí)Profibus-DP總線，防護(hù)等級(jí)高，抗干擾能力強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)室解碼部分通過(guò)RS232接口連接電腦。檢驗(yàn)完成后實(shí)現(xiàn)解碼顯示并關(guān)聯(lián)相關(guān)軟件存儲(chǔ)煤樣數(shù)據(jù)。

2.6 PLC智能控制系統(tǒng)

本文所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)主要包括主控器、傳感器、執(zhí)行元件以及通訊模塊等部分，其中傳感器分別檢測(cè)樣桶位置，樣煤多少，樣桶數(shù)量等相關(guān)參數(shù)，并按所設(shè)定的工藝邏輯工作；主控器采用小型邏輯控制器或單片機(jī)集成板，并配合外圍隔離電路實(shí)現(xiàn)，可在最經(jīng)濟(jì)、最穩(wěn)定的基礎(chǔ)上更有效的對(duì)主控器實(shí)現(xiàn)保護(hù)作用；執(zhí)行元件主要由電機(jī)及氣動(dòng)元件組成；通訊模塊至少可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)基礎(chǔ)功能，一是無(wú)線射頻識(shí)別功能(RFID)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)卡的讀取寫入工作，可實(shí)現(xiàn)煤樣的信息溯源，保障煤樣安全；二是提供自動(dòng)封裝系統(tǒng)與其他相關(guān)智能采制樣系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換功能，如接收來(lái)自采制樣系統(tǒng)對(duì)所封裝煤樣的信息描述等。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文研究的自動(dòng)封裝設(shè)備，無(wú)論是在樣料的代表性、公正性方面，或者在樣料收集、樣料封裝整個(gè)過(guò)程的自動(dòng)化方面，還是在節(jié)能環(huán)保方面，都具有很重要的意義。

(1) 自動(dòng)封裝配套系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足煤炭機(jī)械化采樣的規(guī)范要求，有效結(jié)合并采用機(jī)械傳動(dòng)、氣動(dòng)傳動(dòng)、電氣控制等方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)煤樣基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)集樣封裝、射頻卡(RFID)樣品屬性信息智能讀寫以及樣品質(zhì)量智能校核、自動(dòng)生成核算信息等功能；

(2) 自動(dòng)封裝配套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守，提高了自動(dòng)化程度，彌補(bǔ)了原有封裝設(shè)備存在的不足，并且拓寬了應(yīng)用領(lǐng)域，可以當(dāng)作配套設(shè)備對(duì)原有的產(chǎn)品進(jìn)行替換。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB/T 30730-2014.煤炭機(jī)械化采樣系統(tǒng)技術(shù)條件[S].

[2]祝 培,彭 超.全自動(dòng)汽車煤炭采制樣機(jī)的研究[J].煤炭加工與綜合利用,2011(03):21-25.

[3]王 軍.一種煤炭采制樣機(jī)中的自動(dòng)集樣封裝裝置[P].中國(guó),ZL201310038250.X，2014-09-17.

[4]GB/T19494.1-2004.煤炭機(jī)械化采樣第1部分：采樣方法[S].

[5]謝恩情.煤炭機(jī)械化采樣方案的確立[J].煤質(zhì)技術(shù),2005(04):46-49.